Сахарный завод

Если необходимо существенно сэкономить на стоимости биогазовой установки, то подходит термофильный режим. Ведь установка, работающая в термофильном режиме имеет в два раза большую пропускную способность, и, соответственно, может быть уменьшена в два раза по сравнению с установкой, работающей в мезофильном режиме, при переработке того же количества сырья.

При переработке сырья  в анаэробных условиях получается смесь  газов — метана и углекислоты, которые образуются в результате разложения сложных субстратов при участии смешанной популяции микроорганизмов разных видов. Поскольку искомый продукт — это газ, сбор его не составляет труда: он просто выделяется в виде пузырьков. Впрочем, иногда при более сложных способах его использования или распределения по трубам возникает необходимость в очистке от примесей или в компрессии............................................ 
Неочищенный биогаз обычно используют для приготовления пищи и освещения. Его можно применять как топливо в стационарных установках, вырабатывающих электроэнергию. Сжатый газ в баллонах пригоден как горючее для машин и тракторов. Его можно подавать в газораспределительную сеть. В последнем случае требуется некоторая очистка биогаза: осушка, удаление углекислоты и сероводорода. Очищенный биогаз ничем не отличается от метана из других источников, т. е. природного газа или же SNG (синтетический газ, получаемый из угля или водородсодержащего сырья).

Качество биогаза определяется в первую очередь содержанием метана либо соотношением горючего метана (CH₄) к „бесполезной" двуокиси углерода (C0₂). Двуокись углерода разбавляет биогаз и вызывает потери при его хранении. Поэтому важно стремиться к высокому содержанию метана и как можно низкому содержанию двуокиси углерода. Достигаемое обычно содержание метана колеблется между 50 и 75%.

   Содержание метана в биогазе в первую очередь определяется следующими критериями:

• Ведение процесса: в то время как в одноступенчатых биогазовых установка весь процесс анаэробного разложения происходит в одном ферментаторе, одним этапом, и таким образом весь газ выделяется как смесь газов, в двухступенчатых установках, выработанный на первом этапе газ, состоит в большой степени из двуокиси углерода и других энергетически малоценных газов, выводящихся в окружающую среду. Вырабатываемый на втором этапе газ имеет высокий процент содержания метана, который может составлять и более 80%.
• Состав питательных веществ субстрата. Количество и качество произведенного биогаза зависит от количества внесенных веществ и их состава. Протеины и жиры имеют более высокое содержание метана. Для богатых на углеводы субстратов, как например кукуруза можно рассчитывать на содержание метана в среднем 53% .
• Температура субстрата: на практике оказалось, что при высокой температуре ферментатора выход метана более плохой, чем при низких температурах. Это происходит через различия в растворимости и образованием газовидной двуокиси углеводорода. Чем большее количество CО₂ перейдет в газовидную форму, тем меньшей будет процентная доля CH₄ в биогазе.

После метана и  двуокиси углерода, сероводород (H₂S) является важнейшей составляющей газа [5]. Сероводород очень агрессивен и вызывает коррозию, что в первую очередь вызывает проблемы с арматурой, газовыми счетчиками, горелками и двигателями. Поэтому необходимо очищать биогаз от серы. Очищенный от серы биогаз, почти не имеет запаха.      Газ, только что поступивший из биогазовой установки насыщен водным паром. Возможно, что пар содержит также следы еще малоисследованных растворенных веществ, способных вызывать проблемы при сжигании биогаза в котлах и двигателях. Например, на биогазовой установке в Рипперсхаузене непонятным образом образовывались пушистые хлопья, которые создавали в топке котла толстые наслоения. Потребовалось длительное время, чтобы установить, что эта «белая сажа» является оксидом кремния, возникающим вследствие коферментации силиконосодержащих косметических мазей как результат сложных химических реакций (образование силанов). Сушка биогаза конденсацией является поэтому очень важным шагом по обогащению газа. С помощью конденсированной воды сепарируют также большое количество содержащегося в биогазе аммиака, вызывающего в противном случае большие повреждения двигателя, особенно на подшипниках из цветных металлов.         Теплота сгорания одного кубометра достигает 25 МJ, что эквивалентно сгоранию 0,6 l бензина, 0,85 l спирта, 1,7 kg дров или использованию 1,4 kW·h электроэнергии.

2.1.2 Оценка  выработки биогаза из жома

На сахарном заводе города Дрокия планируется построить  биогазовую установку по переработке  жома. Для того чтобы подсчитать массу жома, которая получится при переработке  3000 тонн свеклы в сутки, необходимо знать количество сухих веществ переходящих в жом. Из 100 kg свеклы в жом переходит около 5 kg сухих веществ [1,2,3]. Прессованный жом содержит 18-25% сухих веществ, а масса прессованного жома, получившегося со 100  kg свеклы будет равна:

                                                               ;                                                     (2.1)

где: - содержание сухих веществ в 100 kg свеклы, в kg;

                  - содержание сухих веществ в прессованном жоме, в %.     

                                                                               kg.      

Отсюда находим  количество прессованного жома в сутки:

                                                           ;                                                         (2.2)

где: - масса свеклы, перерабатываемая в сутки,  в t/zi.

                                                          t/zi.

Зная массу  жома, можем определить количество биогаза, вырабатываемого из него:

                                                           ;                                                           (2.3)

 где:  - выход биогаза из 1 t жома, в m³/t; ( m³/t).

                                                         m³/zi;

Кроме этого  в этой установке будут перерабатываться примерно 100 t/zi свекольной ботвы и 60 t/zi мелассы. Определим выход биогаза из этих компонентов:

Из свекольной ботвы:

                                                           ;                                                      (2.4)

где: - выход биогаза из 1 t свекольной ботвы; ( m³/t);

       - масса ботвы, в t/zi;

                                                m³/zi;

Из мелассы:

                                                             ;                                               (2.5)

где:     - выход биогаза из мелассы, в m³/t;

            - масса мелассы, в t/zi;

                                                 m³/zi.

Теперь можем  найти суммарный выход биогаза из биогазовой установки:

                    m³/zi.    (2.6)                 

2.1.3 Описание технологии процесса

Полученный отходы сахарного производства, будут направляться на биогазовый завод. При этом будет вырабатываться биогаз, состав которого будет примерно таким: CH₄-55%, CO₂-45%, H₂S-140 ppm.

Биогазовая  установка состоит из пяти ферментаторов емкостью 6 тыс.м³ каждый, по два ферментатора в ряду. Пятый ферментатор используется как дозреватель.

Установка работает следующим образом:

Жом подается по транспортеру ленточного типа (Рисунок 2.1), где установлены весы, в измельчитель.

Рисунок 2.1 Транспортировка жома.

  Измельченный жом подается в смеситель, где  смешивается с илом, который подается с дозревателя в объеме 1200 м³/день. Так как жом после прессов выходит нагретым в среднем до 55 °С, то смесь необходимо предварительно охладить до 37 °С. Эта смесь разделяется на две части и подается на две линии ферментаторов, которые работают параллельно. В линии находятся два ферментатора (Рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 Ферментаторы

 Ферментатор  разделен снизу на три зоны  и смесь подается равные промежутки  времени (20 минут) в каждую зону (Рисунок 2.3).

 

Рисунок 2.3 Дозировка биомассы

С определенной высоты смесь с двух ферментаторов  забирается и одна ее часть направляется в пятый ферментатор, где происходит окончательная ферментация, а другая часть подается в смеситель.  С  пятого ферментатора смесь перекачивается в ямы, где раньше хранился жом. Перед началом следующего сезона, этот ил распыляют  на полях как удобрение.

     Газ с верхней части всех пяти ферментаторов направляется в газгольдер (Рисунок 2.4), где поддерживается постоянное давление и объем.  

Рисунок 2.4 Газгольдер

При переполнении газгольдера, автоматически включаются факельная установка, которая сжигает  излишки газа. После газгольдера  газ осушается и направляется к компрессорам, которые повышают его давление от 21 mbar до 940 mbar. При сжатии газ нагревается до 63,°С.  Его охлаждают водой до 25 °С. Далее газ направляется на котлы.

 

2.2 Поверочный расчет котла при сжигании смеси природного газа и биогаза

2.2.1Определение процентного содержания природного газа и биогаза в смеси

Имея расход природного газа, можем определить пропорциональное соотношение подаваемых газов в топку.

При сжигании всего биогаза (110 000 m³ /сут) поверхностями котла воспринимается:

                                

MW;                      (2.7)

где: - расход биогаза, в m³/s;

        - низшая теплота сгорания биогаза, в MJ/m³;

          - КПД котла.

Для паропроизводительности 22 t/h необходимо:

                                        

MW;                                   (2.8)

где: - расход природного газа на котел (см. п.1.2.2), в m³/s;

        - низшая теплота сгорания природного газа, в MJ/m³

Сравнивая (2.1) и (2.2) делаем вывод, что необходимо сжигать дополнительно природный газ, чтобы получить недостающую мощность:

                                          

MW.                           (2.9)

Находим количество природного газа:

                                        

м³/s.                                                      (2.10)

Определяем  процентное содержание природного газа в смеси:

                         

.                            (2.11)

Для того чтобы  рассчитать процесс горения двух топлив, необходимо определить процентное содержание газов в смеси. Для  этого необходимо процентное содержание природного газа и биогаза умножить на соответствующие доли газов, содержащихся в них:

или 58,5%;

или 40,9%;

или 0,1%;

или 0,06%;

или 0,04%;

или 0,02%;

или 0,3%.

 

2.2.2 Расчет процесса горения

Из предыдущего  пункта имеем следующий состав сжигаемого газа:

                                           CH₄= 58,5 %;

                                           CO₂= 40,9 %;

                                           C₂H₆= 0,1%;

                                           C₃H₈= 0,06 %;

                                           C₄H₁₀= 0,04 %;

                                           C₅H₁₂= 0,02%;

                                           N₂= 0,3 %.

 

Рассчитаем процесс горения для смеси биогаза и природного газа. Удельная теплота сгорания смеси рассчитывается по формуле:

                                                       

     MJ/m³;                                                              (2.12)

           где - объемная доля горючих составляющих в топливе, в %;

                 - удельная теплота сгорания горючих составляющих топлива, MJ/m³

         MJ/m³.

Плотность топлива рассчитываем по формуле:

      

                      (2.13)

где: , , , , , , , - процентное содержание газов  смеси;

Теоретический объем воздуха, необходимый для горения находим по формуле (1.1):

  m³/ m³.

Теоретический объем трехатомных газов находим по формуле (1.2):

                        m³/ m³.

_{Теоретический объем азота находим по формуле (1.3):}

m³/ m³.