Доклад подготовили: Макаров Никита Александрович, Усик Игорь Сергеевич
группа 541-об
Научный руководитель: Русинов В. Л.
Доклад подготовлен на основе разработок студентов 241 об группы В. С. Гусенкова и А. И. Коженкова.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы значительно возросла заинтересованность к процессам производства биогаза - это проявляется не только в возрастающем количестве планирующихся и строящихся биогазовых установок, но и в заинтересованности все большего числа фермеров, коммунальных хозяйств, предприятий, политиков и частных хозяйств, которые внимательно наблюдают за развитием этого сектора. Энергетическая отрасль уже также не относится с такой осторожностью к децентрализации производства благодаря строительству биогазовых установок. Для пищевой промышленности технология производства биогаза предоставляет шанс дешевой утилизации органических отходов и остатков продуктов питания в биогазовых установках с пользой для сельского хозяйства.
Биогаз возникает в следствии разлагания органической субстанции бактериями. Разные группы бактерий разлагают органические субстраты, состоящие преимущественно из воды, белка, жира, углеводов и минеральных веществ на их первичные составляющие - углекислый газ, минералы и воду. Горючий метан составляет от 5 до 85% и является основным компонентом биогаза, а значит и основным энергосодержащим компонентом. Такой естественный процесс разложения возможен лишь в анаэробных условиях, то есть только при отсутствии проникновения кислорода.
1. Назначение и цели создания системы
Экспериментальная биогазовая установка и система управления предназначена для:
-для проведения экспериментов (отладки производственного процесса);
-для выработки био-удобрения (в виде побочного продукта);
-для выработки биогаза (с целью использования его в дальнейшем).
2. Требования к системе
Согласно стандарту, работа биогазовой установки должна быть организована так, чтобы выполнялись требования охраны окружающей среды и здоровья персонала. Сырье для установок - отходы животноводства и растениеводства, осадки сточных и индустриальных вод - не должны загрязнять водные ресурсы.
Необходимо соблюдать предохранительные меры для предотвращения заражения обслуживающего персонала биогазовых комплексов патогенной микрофлорой, содержащейся в осадках сточных вод и отходах сельскохозяйственного производства.
Также биогазовая установка должна соответствовать нормативным документу, а именно: ГОСТ Р 53790-2010 - Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов.
Факторы, оказывающие вредные воздействия на здоровье со стороны всех элементов системы не должны превышать действующих норм (СанПиН 2.2.2./2.4.1340-03 от 03.06.2003 г.).
Все внешние элементы технических средств системы, находящиеся под напряжением, должны иметь защиту от случайного прикосновения, а сами технические средства иметь защитное заземление в соответствии с ГОСТ 12.1.030-81 и ПУЭ.
Система электропитания должна обеспечивать защитное отключение при перегрузках и коротких замыканиях в цепях нагрузки, а также аварийное ручное отключение.
Общие требования пожарной безопасности должны соответствовать нормам на бытовое электрооборудование. В случае возгорания не должно выделяться ядовитых газов и дымов.
Взаимодействие пользователей с прикладным программным обеспечением, входящим в состав системы должно осуществляться посредством визуального графического интерфейса. Интерфейс системы должен быть понятным и удобным, не должен быть перегружен графическими элементами и должен обеспечивать быстрое отображение экранных форм. Ввод-вывод данных системы, прием управляющих команд и отображение результатов их исполнения должны выполняться в интерактивном режиме.
Система должна обеспечивать корректную обработку аварийных ситуаций, вызванных неверными действиями пользователей, неверным форматом или недопустимыми значениями входных данных. В указанных случаях система должна выдавать пользователю соответствующие сообщения. На экран визуализации должны отображаться:
-температура установленная в ТРМ-201;
-реальная температура биомассы в резервуаре;
-график включения подогрева в резервуаре;
-органы управления
Для нормальной эксплуатации разрабатываемой системы должно быть обеспечено бесперебойное питание. При эксплуатации система должна быть обеспечена соответствующим стандартам хранения и эксплуатации. Периодическое техническое обслуживание используемых технических средств должно проводиться в соответствии с требованиями технической документации изготовителей, но не реже одного раза в год.
Все пользователи системы должны соблюдать правила эксплуатации электронной вычислительной техники.
Программное обеспечение АС должно восстанавливать свое функционирование при корректном перезапуске аппаратных средств.
Защита от влияния внешних воздействий должна обеспечиваться средствами программно - технического комплекса.
Установка системы в целом, как и установка отдельных частей системы не должна предъявлять дополнительных требований к покупке лицензий на программное обеспечение сторонних производителей.
Дополнительные требования не предъявляются.
3. Принцип работы биогазовой установки
Биогаз - общее название горючей газовой смеси, получаемой при разложении органических субстанций в результате анаэробного микробиологического процесса (метанового брожения).
Для эффективного производства биогаза из органического сырья создаются комфортные условия для жизнедеятельности нескольких видов бактерий при отсутствии доступа кислорода. Принципиальная схема процесса образования биогаза представлена ниже:
В зависимости от вида органического сырья состав биогаза может меняться, но, в общем случае, в его состав входят метан (CH4), углекислый газ (CO2), небольшое количество сероводорода(H2S), аммиака (NH3) и водорода (H2).
Так как биогаз на 2/3 состоит из метана - горючего газа, составляющего основу природного газа, его энергетическая ценность составляет 60-70% энергетической ценности природного газа, или порядка 7000 ккал на м3. 1м3 биогаза также эквивалентен 1,5 - 2,2 кВтч электроэнергии и 2,8 - 4,1 кВтч тепла или 1 л дизельного топлива.
В проектируемой установке, будем использовать метод порционной подачи, с полным смешиванием. Субстрат используется только в мокром виде с добавлением воды. Для метода порционной подачи характерно наполнение бродильной камеры за один прием.
Для метода порционной подачи характерны:
• кроме жидких субстратов можно также перерабатывать твердые субстраты с высоким содержанием сухого вещества.
• профилактические осмотры и ремонт ферментатора можно проводить после каждого цикла
• необходимо иметь массу для прививания, которая в отдельных случаях может достигать больших порций
• неравномерная выработка газа, если не использовать последовательно несколько резервуаров
• надежный гигиенизирующий эффект.
Данный метод выбран как наиболее простой в исполнении, не требующий больших затрат, но в тоже время эффект от порционной подачи несколько ниже, нежели от проточной. Технология, основанная на порционном принципе, всегда пользуется в тех случаях, если есть необходимость проанализировать субстрат или смесь субстратов в отношении их поведения в ферментаторе, либо выхода газа.
4. МЕХАНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ
Рисунок 1 - схема биогазовой установки
4.1. Тип строения ферментатора
Ферментатор в виде вертикального строения из соображений статики преимущественно имеет круглую форму поперечного сечения. По сравнению с горизонтальным вариантом он имеет преимущество более компактных размеров, более выгодное соотношение площади поверхности к объему, что уменьшает затраты материалов и теплопотери.
4.2. Строительные материалы для ферментатора.
Ферментатор состоит из следующих элементов:
• корпус резервуара;
• зимняя изоляция;
• внешняя облицовка для наземных резервуаров;
• внутреннее покрытие или многослойные покрытия;
• измерительные приборы, предохранитель высокого - низкого давления.
Для изготовления корпуса резервуара будем использовать сталь. Преимущество железа является то, что резервуар и оснащение можно частично подготовить заранее, что сократит нам время строительства.
Резервуар будет внешне заизолирован, оснащён выгрузочным устройством, и одним люком для загрузки субстрата, чистке и ремонтно-профилактических работ.
Для изготовления резервуара используется эмалированное, оцинкованное строительное железо. Толщина железа 3-4мм.
4.3. Теплоизоляция
Теплоизоляция ферментатора для наших широт является непременной составляющей. При этом, ферментатор можно изолировать как снаружи, так и изнутри. В нашей установке будет использоваться наружная изоляция.
Минеральная вата все еще является наиболее часто использованным изоляционным материалом.
Внешняя обшивка и зашита от неблагоприятных условий
Так как ферментатор будет установлен в помещении, то внешняя изоляция не должна быть слишком громоздкой, толстой и дорогой. Поэтому достаточным будет обшить ферментатор оцинкованной листовой жестью.
Покраска, нанесение защитных слоёв
Практический опыт показывает, что в защите от коррозии биогазового ферментатора, изготовленных из соответствующей жести (толщина > 2 мм) нет необходимости там, где происходит контакт лишь с навозом, коррозия происходит лишь в зоне воздействия кислот и выделения газа.
4.4. Подача субстрата в ферментатор
Для подачи твердых веществ существует много систем и продуктов, выпускаемых промышленностью, позволяющих дозировать вес и подачу через заданные интервалы.
Для подачи твердых веществ существует три возможности:
• Резервуар предварительного хранения;
• Непрямая подача в ферментатор;
• Прямая подача в ферментатор.
В нашем случае необходима подача субстрата из резервуара предварительного хранения.
Именно такой тип подачи будет наиболее оптимален, так как ферментатор относительно не большого объёма, следовательно, и резервуар будет меньшего объёма, что как минимум экономит деньги на строительство. Для передачи из резервуара в ферментатор будем использовать фекальный насос погружного типа.
Резервуар берет на себя функцию места временного содержания, но также для смешивания, измельчения и разбавления ферментационных веществ или твердого навоза. Резервуар предварительного хранения должен иметь целый ряд качеств - быть непроницаемым для гноя, газонепроницаемость, как правило, не требуется. Проникновение воздуха вовнутрь лишь ускорит начало первой окислительной фазы процесса разложения. Забор для откачивания производится не со дна, а приблизительно на расстоянии 50 см от него, это позволяет свободно осаждать твердые вещества.
Трубопроводы, арматура
Все трубопроводы должны находиться в защищенной от морозов зоне, а в случае протекания теплого субстрата, должны также иметь теплоизоляцию. Небольшой уклон 1-2% в сторону слива позволит сток в случае остановки насоса, уменьшит опасность образования наслоений в трубе. При прокладывании трубопроводов в насыпном грунте, его следует перед прокладыванием хорошо уплотнить, в противном случае возникнет опасность проломов в трубе из-за просадок.
4.5. Насосы
В нашей установке, нам необходимо загрузить 2/3 от ёмкости ферментатора. Нам необходимо использовать фекальный насос. Критерии для выбора насоса достаточно просты, он должен иметь режущие ножи для измельчения субстрата и порубки каких-либо волокон. Также он должен доставить субстрат на высоту около 2 метров. Для таких целей, мы выбрали такой фекальный насос ESPA VIGICOR 150 MА.
4.6. Смесительная техника
Как правило, субстрат в резервуаре перемешивают по нескольку раз в день с целью достижения таких эффектов:
• Перемешивания свежего субстрата с перегноем с целью переселения и размножения в новом материале активных бактерий;
• Распределение тепла с целью удержания насколько возможно равномерного распределения температуры в ферментаторе;
• Избежание образования или разрушение образовавшейся корки, или осадка;
• Улучшение обмена веществ у бактерий через выведение пузырьков биогаза и подачу новых питательных веществ.
Перемешивание происходит механическим путем благодаря установленным в ферментаторе мешалкам, гидравлическим путем через насосы, установленные внешне или путем использования выработанного собственного давления газа или пневматическим путем через закачивание биогаза.
[/url]
Рисунок 2 -Разновидности мешало
В своей установке, мы будем использовать мешалки 2 типов, а именно пневматического и механического действия.
4.6.1 Пневматическая мешалка
Пневматическая мешалка осуществляет перемешивание субстрата пузырьками газа. Пузырьки газа, которые будут подниматься, будут создавать вертикальное движение в субстрате. Тем самым, обеспечив необходимое перемешивание субстрата. Для реализации пневматической мешалки нам понадобится компрессор 12V, фильтр, регулятор давления, ресивер 5литров, электрические составляющие, соединительные шланги и запорная арматура.
Ниже, представлено всё оборудование, которое потребуется для сборки пневматической мешалки.
4.6.1.1 Компрессор
В такой установке необходим достаточно выносливый компрессор, чтобы мог работать непрерывно минимум 20 минут, накачивать ресивер объёмом 5 литров. С давних времён себя очень хорошо зарекомендовали компрессоры марки Berkut.
[/url]
Рисунок 3 - Компрессора Berkut R15
4.6.1.2 Фильтр
Так как компрессор будет иметь забор воздуха из ферментатора, мы предостережёмся и установим фильтр тонкой очистки. Он поможет нам избавиться от возможных песчинок или влаги. Сразу установлены резьбовые фитинги, что упрощает монтаж фильтра.
[/url]
Рисунок 4 - Фильтр тонкой очистки
4.6.1.3 Ресивер
Ни одна качественная пневмосистема не обходится без ресивера. В нашей установке используется ресивер, объём которого составляет 5 литров.
Сам ресивер необходимо оснастить дополнительным оборудованием, клапаном аварийного сброса давления, и реле давления.
[/url]
Рисунок 5 - Ресивер
4.6.1.4 Реле давления
Реле давления нам необходимо по одной простой причине, компрессор должен «видеть» сколько ему ещё качать, либо когда пора включаться. Реле давления имеет возможность регулирования заданных параметров. В нашем случае они таковы: включение компрессора если в ресивере менее 1 атмосферы, а выключение компрессора при 6 атмосферах. Для наших задач успешно подойдёт реле давления марки РДК - 1Т10К - 2
4.6.1.5 Регулятор давления.
Его мы установим непосредственно перед входом в ферментатор. Задача регулятора давления понизить давление выхода из ресивера до 0,1 атмосферы.
Диапазон регулирования от 0 до 12 бар.
[/url]
Рисунок 6 - Регулятор давления
4.6.2 Механическая мешалка
Механическая мешалка нам необходима лишь для одной цели - разбить корку в процессе брожения. Механическая мешалка состоит из двигателя мощностью 0,20 кВт и частотой вращения вала 800 об/мин, 2 шкивам ручейкого типа, ремнём, вертикальной Х-образной мешалкой с разбивочными прутками.
4.6.2.1 Двигатель механической мешалки
Используется электродвигатель, имееющий следующие характеристики: 220В, 0,20 кВт и частота вращения вала 800 об/мин.
4.6.2.2 Вертикальная Х - образная мешалка с ножами
Для разбивания корки нам достаточно лишь придать ей какое-либо движение. Перемешивание должно быть мягким и бережным, но в тоже время эффективным.
Всё незащищённое железо, которое подвергнется ржавчине, обработано битумным лаком.
[/url]
Рисунок 7 - Вертикальная Х - образная мешалка с ножами
4.7. Отопительные устройства
Мощные биогазовые установки, работающие в наших климатических условиях должны обогреваться с тем, чтобы выдерживать необходимые температурные режимы и выровнять внешние теплопотери. Для нашей установки будем использовать внутренний теплообменник, то есть расположенный в ферментаторе.
5. Подбор средств автоматизации
После проведенного анализа рынка компонентов систем автоматики для создания биогазовой установки были выбраны средства автоматизации фирмы ОВЕН. Основу блока управления составляют контроллеры ОВЕН ТРМ210 и ПР114.
Применение ТРМ210 и ПР114 позволяет увеличивать производительность установки и при необходимости интегрировать блок управления АСУ верхнего уровня.
ОВЕН ТРМ-210 - ПИД-регулятор температуры, давления или других физических величин, предназначен для точного поддержания заданных параметров в различных технологических процессах.
[/url]
Рисунок 8 - Измеритель ПИД-регулятор ОВЕН ТРМ-210 в щитовом корпусе Щ2
ОВЕН ПР 114 - это свободно программируемые устройства, которые не содержат в своей памяти заранее написанной программы.
[/url]
Рисунок 9 - Программируемое реле ПР114
Прибор ПР114 предназначен для построения простых автоматизированных систем управления, а также для замены релейных систем защиты и контроля.
Электромагнитное реле предназначено для коммутации силовых цепей напряжением не более 250 В переменного тока и рабочим током не более 10 А.
[/url]
Рисунок 10 - Схема подключения к ПР114 дискретных датчиков с выходом типа «сухой контакт»
[/url]
Рисунок 11 - Схема подключения нагрузки к ВЭ типа Р
Кроме выше сказанных контроллеров в системе управления используются следующие компоненты ОВЕН:
• АС4- Предназначен для взаимного преобразования сигналов интерфейсов USB и RS-485. Позволяет подключать к промышленной информационной сети RS-485 персональный компьютер, имеющий USB-порт.
[/url]
Рисунок 12 - Автоматический преобразователь интерфейсов USB/RS-485 ОВЕН AC4
[/url]
Рисунок 13 - Схема подключения прибора АС4
ПД100-ДИ0.06-811-2.5-представляют собой преобразователи давления с открытым измерительным кремниевым кристаллом сенсора и кабельным вводом стандарта EN175301-803 (DIN43650 А).
[/url]
Рисунок 14 -Преобразователь общепромышленный ОВЕН ПД100-ДИ0.06-811-2.5
[/url]
Рисунок 15 -Преобразователь общепромышленный
ОВЕН ПД100-ДИ0.06-811-2.5
Биогазовые установки требуют постоянного контроля. К ежедневной работе относится обход установки и проверка возможных повреждений.
