1vze_s5_tkachenko by Serg Kvaternuk

СИСТЕМА ПОСТАЧАННЯ ТЕПЛОВОЇ, ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ І ХОЛОДУ З ВИКОРИСТАННЯМ АЛЬТЕРНАТИВНИХ ДЖЕРЕЛ

Ткаченко С.Й., д.т.н., проф., Резидент Н.В.

Україна, Вінниця (ВНТУ)

УЗАГАЛЬНЕНА ТЕПЛОВА СХЕМА ДЖЕРЕЛА ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ З ТЕПЛОНАСОСНИМИ УСТАНОВКАМИ 1

П П

2 0

1 0 11 12 1 Е5 П

4 1 9 16 Е

7 4

Е 1 3 ДВ З ГТ У ГТ

2 0

1 4

П П

1 0 11 12 1 Е5 П

2 0

6 5

5 Е

Е 1 3 ДВ З ГТ У ГТ

1 4

1 0 11 12 1 5 Е П

G 4

16 Е

1 3 ДВ З ГТ У Г Т

1 4

16 Е 20

Ґрунтова система Водонасосна станція Гідроакумулюючий резервуар Повітря зали ескалаторів УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ:

Тощо

По но Низьковлю температурн ва і джерела ні енергії

Не по но влю ва ні

Станція очищення стічних вод Конденсатори парових турбін Водооборотна система промислового підприємства Пастеризатор - охолодник Блоки теплообмінників Блоки теплотехнологічних установок Тощо

ДВЗ – двигун внутрішнього згорання;1 – електронагрівник; 6 – система гарячого водопостачання; 11 – електродвигун; 16 – випарник теплового насосу; ГТ – гідротурбіна;2 – сітьовий підігрівник; 7 – конденсатор теплового насосу;12 – генератор; 17 – лінія прямої сітьової води; ГТУ – газотурбінна установка; 3 – водогрійний котел; 8 –дросель;13 – система охолодження ДВЗ; 18 – лінія зворотної сітьової води; Е – електрична енергія;4 – бак-акумулятор; 9 - компресор теплового насосу;14 – утилізатор теплоти відхідних газів ДВЗ або ГТУ; 19 та 20 – відповідно лінії підведення та відведення низькотемпературних джерел теплоти. ; П – паливо;5 – система опалення; 10 – мультиплікатор;15 – підсистема джерел енергії та палива;

ЕКСЕРГЕТИЧНИЙ ККД ТНС З РІЗНИМИ ВИДАМИ ПРИВОДУ КОМПРЕСОРА Ексергетичний ККД ТНС з електроприводом компресора:

ηеТНСе =

(

)

ср ТНС Qтс ⋅ 1 − Тнс ТТНС Eвідп (Q + Qк ) ⋅ [1 − Тнс (273+ (tпсв + tзсв ) 2)] = вк = ТНС р ТНС р Епідв 1,05 ⋅ Ву ⋅ Qну 1,05 ⋅ Qну ⋅ ВТНУ + Вувк у

(

(1)

)

Ексергетичний ККД ТНС з приводом компресора від ДВЗ:

ηеТНСд =

(

ТНС Eвідп

ср Qтс ⋅ 1 − Т нс ТТНС

Епідв

р 1,05 ⋅ ВТНС ⋅ Qну у

= ТНС

) = (Q

вк

)

+ Qк + ∑Qут ⋅ [1 − Т нс (273+ (tпсв + t зсв ) 2)] р 1,05⋅ Qну ⋅

(

ВТНУд + Вувк у

)

(2)

Ексергетичний ККД ТНС з приводом компресора від ГТУ:

EТНС ηеТНСг = відп ТНС Епідв

(

) = (Q

ср Qтс ⋅ 1 − Тнс ТТНС р 1,05⋅ ВТНС ⋅ Qну у

вк

)

+ Qк + Qут ⋅ [1 − Тнс (273+ (tпсв + t зсв ) 2)]

(

р 1,05⋅ Qну ⋅ ВТНУг + Ввк у у

)

(3)

БІОГАЗОВА УСТАНОВКА З УТИЛІЗАЦІЄЮ ТЕПЛОТИ ВІДПРАЦЬОВАНОГО СУБСТРАТУ 4 19 16

5 24

21 19 6 7

14 15

вихід біогазу

1 1

на господ. потреби

26 12

9 18

17 19

3 17

23 10

2 1

УЗАГАЛЬНЕНА ФУНКЦІОНАЛЬНА СХЕМА СИСТЕМИ БІОКОНВЕРСІЇ ТА ЇЇ АПАРАТУРНЕ ОСНАЩЕННЯ 1. Прийом та підготовка сировини 1.1. Прийом сировини 1.2. Підігрів сировини (варіанти відповідають підпунктам п. 2.7) 1.3. Перемішування сировини (варіанти відповідають підпунктам п. 2.6) 1.4. Відсутнє приймальне устаткування 2. Біоконверсія 2.1. Розташування біореактора 2.2. Матеріал біореактора 2.3. Компоновка біореактора 2.4. Форма біореактора 2.5. Теплоізоляція біореактора 2.6. Перемішування в біореакторі 2.7. Термостабілізація 2.8. Імобілізація в реакторі 3. Зберігання та відведення збродженого субстрату 3.1. Устаткування для зберігання 3.2. Відведення збродженого субстрату 4. Збір, підготовка, зберігання та використання біогазу 4.2. Підготовка біогазу 4.3. Використання біогазу 5. Контроль, автоматизація та захист

УЗАГАЛЬНЕНА ФУНКЦІОНАЛЬНА СХЕМА СИСТЕМИ БІОКОНВЕРСІЇ ТА ЇЇ АПАРАТУРНЕ ОСНАЩЕННЯ (ПОЧАТОК) 1. Прийом та підготовка сировини 2.3. Компоновка біореактора 1.1. Прийом сировини 2.3.1 Вертикальна 1.1.1. Вигрібна яма 2.3.2 Горизонтальна 1.1.2. Септик (аеробне зброджування сировини) 2.3.3 З нахилом 1.1.3. Прийомне відділення в реакторі 2.4. Форма біореактора 1.1.4. Трубопроводи великого діаметру (d > 300 мм) 2.4.1 Циліндрична 1.1.5. Первинні відстійники 2.4.2 Яйцеподібна 1.1.5.1. Радіальні 2.4.3 Прямокутна 1.1.5.2. Вертикальні 2.4.4 З конічним днищем 1.1.5.3. Горизонтальні 2.4.5 Комбінована 1.2. Підігрів сировини (варіанти відповідають підпунктам п. 2.7) 2.5. Теплоізоляція біореактора 1.3. Перемішування сировини (варіанти відповідають підпунктам п.2.6) 2.5.1. Шлаковата (мінеральна вата) 1.4. Відсутнє приймальне устаткування 2. Біоконверсія 2.1. Розташ ування біореактора 2.1.1. Підземний 2.1.2. Надземний 2.1.3. Комбінований 2.2. М атеріал біореактора 2.2.1. Нержавію ча сталь 2.2.2. Вуглецева сталь з полімерним покриттям 2.2.3 Склопластик 2.2.4 Армована пластмаса 2.2.5 Залізобетон 2.2.6 Цегла 2.2.7 Ями в ґрунті Комбінований

2.5.2. Рослинні матеріали (солома, листя) 2.5.3. Ґрунтова обсипка 2.5.4. Повітряний прошарок 2.5.5. Пінопласти 2.5.6. Скловата 2.5.7. Комбінована 2.5.8. Відсутня 2.6. Перемішування в біореакторі 2.6.1. Механічне (мішалки) 2.6.1.1. Лопатеві 2.6.1.2. Пропелерні 2.6.1.3. Якірні 2.6.1.4. Гвинтові 2.6.2. Гідравлічне 2.6.2.1. Рухомі сопла 2.6.2.2. Нерухомі сопла 2.6.3. Пневматичне (біогазом)

УЗАГАЛЬНЕНА ФУНКЦІОНАЛЬНА СХЕМА СИСТЕМИ БІОКОНВЕРСІЇ ТА ЇЇ АПАРАТУРНЕ ОСНАЩЕННЯ (ПРОДОВЖЕННЯ) 2.7. Термостабілізація 2.7.1. Рекуперативні теплообмінники 2.7.1.1 Пучки труб 2.7.1.2. Змійовикові 2.7.1.3. Труба в трубі 2.7.1.4. Рубашкові апарати 2.7.1.5. Пластинчасті 2.7.1.6. Кожухотрубчасті 2.7.2. Електронагрівання 2.7.3. Безпосередній ввід струменів води, газів, пари в об’єм 2.7.4. Продувка підігрітим біогазом 2.7.5. Подача чергової порції з більш високою температурою 2.7.6. Реакція кислого бродіння ззовні реактора 2.7.7. Відсутня 2.8. Імобілізація в реакторі 2.8.1. М атеріали імобілізаторів 2.8.1.1 Керамічні 2.8.1.2. Сталеві 2.8.1.3. Пластмасові 2.8.1.4. Скловолокно 2.8.2. Форма імобілізаторів 2.8.2.1. Відрізки труб 2.8.2.2. Гофровані листи 2.8.2.3. Сітки 2.8.2.4. Кільця 2.8.2.5. Лопаті 2.8.2.6. Комбінована 2.8.3. Відсутні імобілізатори

3. Зберігання та відведення збродженого субстрату 3.1. Устаткування для зберігання 3.1.1. Мулоущільнювачі 3.1.1.1. Горизонтального типу 3.1.1.2. Радіального типу 3.1.1.3. Вертикального типу 3.1.2. Вигрібна яма 3.1.3. Мулова карта 3.1.4. Септик 3.1.4.1 Відкритого типу 3.1.4.2. Закритого типу 3.1.5. Відсутнє 3.2. Відведення збродженого субстрату 3.2.1. Автотранспортом 3.2.2. Магістральними трубопроводами 3.2.2.1. Самопливом 3.2.2.2. Нагнітанням 4. Збір, підготовка, зберігання біогазу 4.1. Газгольдери 4.1.1. Промислові 4.1.1.1. Кульові (тиск до 5 МПа) 4.1.1.2. Колокольні 4.1.1.3. З плаваючим куполом 4.1.2. Суміщені з реактором 4.1.3. Господарсько-побутові 4.1.3.1. З прогумованої тканини 4.1.3.2. Поліетиленові 4.1.3.3. Кевларові 4.1.3.4. Синтетичні 4.1.4. Природні 4.1.4.1. Карстові печери 4.1.4.2. Лінзи в водозборах 4.1.4.3. Шахти 4.1.5. Відсутній

УЗАГАЛЬНЕНА ФУНКЦІОНАЛЬНА СХЕМА СИСТЕМИ БІОКОНВЕРСІЇ ТА ЇЇ АПАРАТУРНЕ ОСНАЩЕННЯ (ЗАКІНЧЕННЯ) 4.2.2. Осушування 5.1.2. Тиск 4.2.2.1. Реагентне 5.1.2.1. В реакторі 4.2.2.2. В водяному затворі з холодною водою і 5.1.2.2. В газгольдері сепаратором 5.1.2.3. В системі термостабілізації реактора 4.2.3. Відділення газового баласту (СО2) 4.2.3.1. Установка низькотемпературного розділення 4.2.3.2. Барботаж через шар холодної циркуляційної води 4.2.4. Відсутня 4.3. Використання біогазу 5.2. Автоматизація та захист 5.2.1. Автоматизація технологічних процесів 4.3.1. З виробкою електричної та теплової енергії 5.2.1.1. Завантаження та вивантаження 4.3.1.1. Дизель-генератор 5.2.1.2. Термостабілізація реактора 4.3.1.2. Газова турбіна з генератором 5.2.1.3. Перемішування в посудинах 4.3.2. З виробкою теплової енергії 4.3.2.1. Водогрійний котел 4.3.2.2. Паровий котел 5.2.2.Захист 4.3.2.3. Використання в побуті (газові плити) 5.2.2.1. Запобігання перевищенню тиску в посудинах 5. Контроль, автоматизація та захист 5.2.2.2. Запобігання електричної небезпеки 5.1. Параметри вимірювання 5.2.2.3. Запобігання накопиченню біогазу 5.1.1. Температура в приміщеннях 5.1.1.1. Середовища в реакторі 5.1.1.2. Сировини на вході в реактор 5.1.1.3. Біогазу в газгольдері 5.1.1.4. Теплоносія на вході в теплообмінник реактора

ОСНОВНІ ЕЛЕМЕНТИ УЗАГАЛЬНЕНОЇ СХЕМИ СИСТЕМИ БІОКОНВЕРСІЇ (ЕНЕРГЕТИЧНИЙ АСПЕКТ) Зн ДЕ ПЕН

ЕМ

ПДЕ

ЕК ТЕ БГ

С Б К ТЕ

КС ТР ВЕР СБК

– елемент перетворення електричної енергії в механічну; ВЕН В Т Р хімічної ВЕР ТТС – елемент перетворення енергії в теплову; – елемент перетворення теплової енергії в електричну; – елемент перетворення електричної енергії в теплову; – елемент трансформації механічної енергії; – елемент трансформації теплової енергії. СБК – система біоконверсії; Джерела енергії для СБК: зовнішні джерела енергії – ЗнДЕ (первинні енергоносії – ПЕН; електромережа – ЕМ; поновлювальні джерела енергії - ПДЕ); внутрішні енергоресурси системи біоконверсії – ВЕР СБК (біогаз - БГ), теплота реакції – ТР (кислого бродіння в суміжному об’ємі системи тощо); внутрішні енергоресурси теплотехнологічної системи – ТТС, в якій функціонує СБК – ВЕР ТТС (внутрішні теплові ресурси ВТР – ТТС; внутрішні енергоносії ВЕН-ТТС); КС – когенераційна система, ЕК - енергетичні компоненти. ТЕ - теплова енергія; МЕ - механічна енергія;

ЦИКЛ ЖИТТЯ ВИРОБУ, СИСТЕМИ Етапи життя системи (виробу): добування і обробка сировини (природних копалин); виготовлення виробу, системи; експлуатація виробу, системи; утилізація виробу, системи I. Еколого-термоекономічний критерій (на прикладі біогазової установки (БГУ)) −1

  EΣ* = (E1CE1 + E2CE2 + E3CE3 + E4CE4 + E5CE5 ) ⋅ ∑Зej ±∑Eyj  , j=1  j=1  n

де

(1)

СЕ1, СЕ2, СЕ3, СЕ4, СЕ5 – відповідна ексергетична (грошова) вартість одиниці продукції (екологічних ефектів) Е1, Е2, Е3, Е4, Е5; Е1 – ефект виробництва та реалізації високоякісних органічних добрив; Е2 – ефект від економії палива за рахунок одержаного біогазу; Е3 – сумарний ефект від попередження забруднення навколишнього середовища (біосфери, літосфери, гідросфери); Е4 – економія води за рахунок повторного використання її на технологічні потреби; Е5 – інші ефекти (виробництво вітаміну В12, покращення культури виробництва, тощо); n

∑

j =1

З ej - сумарні приведені витрати (капітальні, експлуатаційні, тощо), які співрозмірні до визначеного відрізку часу, в ексергетичних (грошових) одиницях;

∑E j =1

- сумарні витрати (доходи) з утилізацією БГУ із n елементів стосовно до визначеного відрізку часу, в ексергетичних (грошових) одиницях. ЕКОЛОГІЯ – ДОБРИВА – БІОГАЗ 0,003 0,65

0,72 0,20

0,27 0,16

ОЦІНКА ЕМІСІЇ ПАРНИКОВИХ ГАЗІВ ПРИ ВИРОБНИЦТВІ ЕНЕРГІЇ В УКРАЇНІ (Губінський М.В., Усенко А.Ю., Шишко Ю.В.) Показник питомого зниження викидів парникових газів при заміні викопного палива біомасою

ε CO = 2

де

вик ECO 2

БМ ECO 2

вик БМ E CO − E CO 2 2

B БМ ⋅ Q

Р Н . БМ

(1)

– абсолютні величини викидів парникових газів при роботі на викопному паливі і біомасі, відповідно, кг СО2 – екв/год;

Р ВВМ – витрата біомаси, кг/год; QН.БМ – теплота згоряння біомаси, Дж/кг.

Припускаючи, що вироблення енергії однакове до і після заміни викопного палива

ε CO = e 2

вик CO 2

БМ η ΣБМ еСО ⋅  вик − вик2 еСО 2  η Σ

 , 

(2)

вик БМ еСО , е – показники емісії парникових газів, які віднесені до одиниці теплоти згоряння палива, кг СО2 – екв/кг; СО 2 2

ηΣвик, ηΣБМ– ККД брутто процесів виробництва енергії при використанні біомаси і викопного палива, відповідно, %. Відповідно до умов України розроблена методика визначення показників емісії (автори Губінський М.В. та ін.) по всьому технологічному ланцюгу використання палива видоб ТР пер сп eCO2 = eCO + e + e + e CO2 CO2 CO2 , 2

де

(3)

видоб ТР пер сп – емісія парникових газів при видобутку, транспортуванні, переробці і eCO , eCO , eCO , eCO 2 2 2 2

спалюванні палив, г СО2 – екв/кг.у.п.

ІІ. Еколого-економічна оцінка системи Термоекономічний критерій (на прикладі БГУ)

E*Σ =

−1

n n  (E1CE1 + E2CE2 + E4CE4 + E5CE5 ) ⋅ ∑Зej ± ∑Eyj j=1  j=1

(1)

Емісія парникових газів

ε CO 2

БМ E вик − E CO CO 2 2 = B БМ ⋅ Q НР . БМ

Методологія LCA - повний життєвий цикл, 9 типів екологічного впливу: - потенціал глобального потепління (ПГП); - виснаження озонового шару; - підкислення; - евтрофікація (заболочування); - важкі метали; - зимовий смог; - літній смог; - виснаження енергетичних ресурсів; - тверді викиди.

(2)