Практичний приклад: рекуперація відпрацьованого тепла біогазової електростанції для ізоляції анаеробного варочного котла

 

I. Огляд проекту

Цей проект розташований у великому -індустріальному парку з розведення худоби та птахів у Баварії, Німеччина. Він оснащений біогазовою електростанцією середнього- розміру та системою очищення анаеробної ферментації, основною функцією якої є очищення посліду худоби та птиці та племінних стічних вод, які утворюються великими-фермами в парку. Біогаз виробляється шляхом анаеробного бродіння для виробництва електроенергії, одночасно реалізуючи ресурсну утилізацію відходів і екологічно відповідних скидів. Загальний обсяг очищення за проектом становить 120 тонн гною худоби та птиці та 300 кубічних метрів селекційних стічних вод на день, оснащений 2 наборами біогазових генераторних установок потужністю 100 кВт та 8 біонічних кишкових анаеробних реакторів об’ємом 2000 кубічних метрів кожен. Сировина для бродіння потрапляє в анаеробні варильні котли після попередньої обробки, а біогаз виробляється шляхом мікробного метаболізму при відповідній температурі. Після очищення біогаз направляється в генераторні установки для виробництва електроенергії. Усе відпрацьоване тепло, яке утворюється під час процесу виробництва електроенергії, рекуперується та використовується для постійної температурної ізоляції анаеробних варочних котлів, утворюючи замкнуту-систему утилізації енергії «анаеробного бродіння для виробництва біогазу - виробництва електроенергії з біогазу - утилізації відпрацьованого тепла для ізоляції - підвищення ефективності бродіння».

Перед реалізацією проекту зимова ізоляція анаеробних варочних котлів в основному використовувала метод електричного опалення за допомогою нагріву парового котла, який мав проблеми високого споживання енергії, нестабільного ефекту ізоляції, високої вартості експлуатації та серйозних втрат енергії. Особливо в умовах холодної та вологої зими в Баварії температуру всередині анаеробного варочного котла було важко стабільно підтримувати у відповідному діапазоні для мезофільного бродіння, що призводило до великих коливань у виробництві біогазу та впливало на ефективність виробництва електроенергії. Для усунення вищезазначених проблемних моментів проект запровадив технологію рекуперації відпрацьованого тепла для виробництва електроенергії з біогазу та спеціально вибрав Changzhou Vrcooler Refrigeration Co., Ltd. (VRCOOLER) - провідного виробника промислового теплообмінного обладнання - для розробки та виробництва основних установок рекуперації відпрацьованого тепла. Ці блоки рекуперації відпрацьованого тепла мають структуру з ребристою трубою, яка може ефективно розширити площу теплообміну та підвищити ефективність рекуперації тепла, забезпечуючи ефективну рекуперацію відпрацьованого тепла димових газів і відпрацьованого тепла води сорочки циліндра, що утворюється під час роботи генераторних установок для ізоляції анаеробних реакторів, реалізуючи каскадне використання енергії, знижуючи експлуатаційні витрати та покращуючи стабільність системи.

II. Основні технології та проектування процесів

(I) Основний технічний принцип

Коли біогазова генераторна установка працює, лише 35%-42% енергії, виробленої при згорянні палива, перетворюється в електричну енергію, а решта 58%-65% енергії розсіюється у вигляді відпрацьованого тепла димових газів (температура до 600 градусів) і відпрацьованого тепла сорочки циліндра (температура близько 90 градусів). Прямі викиди не тільки спричиняють марну витрату енергії, але й збільшують теплове забруднення навколишнього середовища. Під час процесу анаеробного бродіння активність мікробів чутлива до температури. При мезофільному бродінні (35-40 градусів) активність метаногену є оптимальною, а виробництво біогазу та ефективність бродіння найвищі. Однак температура навколишнього середовища взимку низька, і анаеробні варки швидко розсіюють тепло, вимагаючи безперервної подачі тепла для підтримки постійної температури всередині метантенків. Завдяки системі рекуперації відпрацьованого тепла цей проект відновлює та обмінює відпрацьоване тепло, що розсіюється під час виробництва електроенергії, а потім транспортує його до анаеробних реакторів для забезпечення стабільного джерела тепла, замінюючи традиційні методи опалення електричним струмом і паровим котлом, а також досягаючи цілей «переробки енергії, зниження витрат і підвищення ефективності, захисту навколишнього середовища та енергозбереження».

(II) Склад технологічної системи

Система рекуперації відпрацьованого тепла та ізоляції анаеробного варочного котла цього проекту в основному складається з 4 частин, які працюють синергетично для забезпечення ефективної утилізації відпрацьованого тепла, стабільного транспортування та точного контролю температури анаеробного варочного котла, а саме:

Система виробництва електроенергії з біогазу: Прийняті дві газогенераторні установки потужністю 100 кВт, які використовують як паливо біогаз, вироблений в анаеробних реакторах. Після таких процедур очищення, як десульфурація та дегідратація, біогаз надсилається до генераторних установок для спалювання та виробництва електроенергії. Кожна установка споживає 48 кубічних метрів біогазу на годину з ефективністю виробництва електроенергії 42% і генерує велику кількість відхідного тепла (максимальна відхідна теплова потужність одного агрегату становить 286 кВт), забезпечуючи стабільне джерело для утилізації відпрацьованого тепла. Генераторні установки оснащені пристроями десульфуризації біогазу, які можуть ефективно видаляти сірководень у біогазі, запобігати корозії обладнання та забезпечувати -тривалу стабільну роботу системи.

Система рекуперації відпрацьованого тепла: Основне обладнання включає теплообмінник димових газів, водяний теплообмінник із сорочкою циліндра та циркуляційний насос, усі вони розроблені та виготовлені компанією VRCOOLER (Changzhou Vrcooler Refrigeration Co., Ltd.), професійним підприємством із багатим досвідом у науково-дослідних і розробних роботах із виробництвом теплообмінного обладнання, яке має міжнародну сертифікацію системи якості ISO 9001. У системі використовується конструкція «подвійного -теплообміну», а основними компонентами теплообміну рекуператорів відпрацьованого тепла є структури з ребристими трубами - оребрені труби виготовляються шляхом спірального обгортання ребристих смужок навколо кола труби з гофрованими ребрами на зовнішній стінці, щоб значно збільшити площу теплообміну та підвищити ефективність теплопередачі. З одного боку, високотемпературне відпрацьоване тепло димових газів, що виділяється з генераторних установок, рекуперується через оребрений трубчастий теплообмінник димових газів VRCOOLER, нагріваючи циркулююче середовище (суміш антифризу та води) приблизно до 58 градусів; з іншого боку, відпрацьоване тепло водяної сорочки циліндра генераторних установок рекуперується через ребристий трубчастий водяний теплообмінник VRCOOLER з циліндричною сорочкою, додатково підвищуючи температуру циркулюючого середовища вище 65 градусів, гарантуючи, що температура джерела тепла відповідає потребам ізоляції анаеробних варочних котлів. Система рекуперації відпрацьованого тепла VRCOOLER оснащена інтелектуальним пристроєм контролю температури, який може автоматично регулювати ефективність теплообміну відповідно до температури димових газів і температури циркулюючого середовища, зменшуючи втрати відпрацьованого тепла. Випробування показують, що ефективність рекуперації відпрацьованого тепла системи становить понад 85%, що дозволяє повністю відновити відпрацьоване тепло, що утворюється під час виробництва електроенергії, завдяки чудовій теплопередачі структури оребреної труби та професійному дизайну VRCOOLER.

Система ізоляції анаеробного варочного котла: Усі 8 анаеробних реакторів мають структурну конструкцію "внутрішнє нагрівання змійовика + зовнішній ізоляційний шар". Змійовики, стійкі до-високої{3}}температури та корозії, розміщені навколо внутрішньої стінки варочного котла, і циркулююче середовище обмінюється теплом із ферментаційною рідиною в варильному котлі через змійовики для досягнення рівномірного підвищення температури всередині варочного котла; на зовнішню стінку метантенків укладається шар ізоляції з спіненого цементу товщиною 15 см. Спінений цемент має хороші теплоізоляційні властивості, що може ефективно зменшити втрати тепла всередині варочного котла. Згідно з розрахунками чисельного моделювання, за цією схемою ізоляції загальні втрати тепла анаеробних варочних котлів можна контролювати в межах 428,24 МДж·д⁻¹, забезпечуючи стабільний ефект ізоляції. У той же час анаеробні варильні котли приймають біонічну кишкову структуру, яка не потребує механічних перемішувачів, має просту структуру та низьке енергоспоживання, а також може реалізувати динамічне розділення кожної стадії бродіння та підвищити ефективність бродіння.

Інтелектуальна система управління: інтелектуальна система керування PLC адаптована для-моніторингу в реальному часі понад 200 показників, таких як температура ферментаційної рідини в анаеробних варочних котлах, температура циркулюючого середовища, температура димових газів і робочі параметри генераторних установок. Швидкість циркуляційного насоса та ефективність теплообміну відходів автоматично регулюються за допомогою попередньо встановлених програм, щоб забезпечити стабільну підтримку температури всередині анаеробного варочного котла в оптимальному діапазоні бродіння 35±0,5 градусів. Коли температура всередині метантенків нижча за задане значення, система автоматично збільшує об’єм відпрацьованого тепла; коли температура вища за задане значення, об’єм відпрацьованого тепла автоматично зменшується. У той же час надлишок відпрацьованого тепла можна використовувати для нагрівання на етапі попередньої обробки сировини для бродіння, реалізуючи каскадну утилізацію відхідного тепла та покращуючи ефективність використання енергії.

(III) Оптимізація ключових процесів

1. Оптимізація теплообміну відходів: за допомогою методу чисельного моделювання обчислювальної гідродинаміки (Fluent) моделюється та аналізується температурне поле всередині анаеробного варочного котла, а щільність розташування змійовика та шлях теплообміну оптимізуються для забезпечення рівномірного розподілу температури всередині варочного котла, уникаючи надмірної або недостатньої локальної температури, що впливає на мікробну активність. У той же час встановлено, що ефект ізоляції є оптимальним, коли температура подачі гарячого повітря становить 35 градусів.

2. Вибір ізоляційного матеріалу: після порівняння характеристик різних ізоляційних матеріалів, спінений цемент вибрано як матеріал для зовнішнього ізоляційного шару анаеробного варочного котла. Цей матеріал має такі переваги, як хороший ізоляційний ефект, низька вартість, стійкість до корозії, захист навколишнього середовища та не-токсичність. У порівнянні з традиційними поліуретановими ізоляційними матеріалами, це може знизити вартість ізоляції більш ніж на 15% і зменшити вплив на навколишнє середовище.

3. Оптимізація системи циркуляції: використовується замкнута -система циркуляції, і циркуляційне середовище може використовуватися повторно для зменшення споживання водних ресурсів. Одночасно в циркуляційному трубопроводі встановлюються фільтри та пристрої для видалення накипу, щоб запобігти засміченню трубопроводу та утворенню накипу, подовжити термін служби обладнання та зменшити витрати на експлуатацію та обслуговування.

 

III. Процес реалізації проекту

(I) Підготовчий етап (1-2 місяці)

Було організовано технічну групу для проведення-дослідження проекту на місці. У поєднанні з масштабом анаеробних реакторів, параметрами генераторних установок і місцевими кліматичними умовами в Баварії проектна схема системи рекуперації відпрацьованого тепла була оптимізована у співпраці з технічною командою VRCOOLER, а також були визначені модель ребристих трубчастих теплообмінників VRCOOLER, схема компонування змійовика, характеристики ізоляційного матеріалу та параметри інтелектуальної системи керування; Основне обладнання, таке як ребристі трубчасті теплообмінники димових газів VRCOOLER, водяні теплообмінники VRCOOLER з циліндровою сорочкою, циркуляційні насоси, спінені цементні ізоляційні матеріали та інтелектуальні інструменти контролю температури, було придбано, щоб гарантувати, що якість обладнання відповідає технічним вимогам - теплообмінники VRCOOLER використовують високоякісні-нержавіючі сталі й алюмінієві матеріали для труб і ребра з хорошою корозійною стійкістю та стійкістю до високих-температур, які адаптуються до суворого робочого середовища високої{5}}температури димових газів і води в сорочці циліндра; для будівельного персоналу було проведено технічне навчання для роз’яснення процесу будівництва, специфікацій безпеки та стандартів якості, зосереджуючись на навчанні навичкам монтажу системи рекуперації відпрацьованого тепла з ребристими трубами VRCOOLER та конструкції ізоляції анаеробного варочного котла.

(II) Етап встановлення та будівництва обладнання (3-4 місяці)

1. Встановлення системи рекуперації відпрацьованого тепла: спочатку ребристий трубчастий теплообмінник димових газів VRCOOLER і ребристий трубчастий водяний теплообмінник VRCOOLER з циліндричною сорочкою були стаціонарно встановлені відповідно до специфікацій виробника та -вимог до проектування на місці. Трубопровід димових газів і водяний трубопровід із сорочки циліндра були з’єднані між теплообмінниками та генераторною установкою, а також було проведено герметизацію трубопроводу, щоб запобігти витоку відпрацьованого тепла - оребрені трубчасті теплообмінники VRCOOLER оснащені корозійно{4}}стійкими змійовиками з покриттям, які можуть ефективно протистояти корозії слідів кислотних речовин у димових газах, забезпечуючи довгострокова-стабільна робота. Потім було встановлено циркуляційний насос і циркуляційний трубопровід, інтелектуальний прилад контролю температури підключено до системи керування ПЛК, і введення в експлуатацію обладнання було завершено спільно з-технічною командою відділу післяпродажного обслуговування VRCOOLER, щоб забезпечити нормальну роботу системи рекуперації відпрацьованого тепла та повністю використати переваги теплопередачі конструкції з ребристою трубою.

2. Ізоляційна конструкція анаеробного варочного котла: спочатку зовнішня стінка анаеробного варочного котла була очищена та видалена від іржі, потім був укладений спінений цементний ізоляційний шар, щоб гарантувати, що ізоляційний шар був однорідним за товщиною, без пошкоджень і пустот; Змійовики, стійкі до високих{1}}температур і корозії, були розміщені на внутрішній стінці метантенків, з’єднані з циркуляційним трубопроводом, і було проведено випробування тиском води, щоб переконатися, що змійовики не витікають; Датчики температури всередині метантенків були встановлені та підключені до інтелектуальної системи керування для здійснення-контролю температури в реальному часі.

3. Введення в експлуатацію зв’язків системи: після завершення встановлення всього обладнання було здійснено введення в експлуатацію зв’язків системи для моделювання всього процесу роботи генераторної установки, рекуперації відпрацьованого тепла та ізоляції анаеробного варочного котла, налагодження параметрів, таких як точність контролю температури, швидкість циркуляційного насоса та ефективність теплообміну, вирішення таких проблем, як витік трубопроводу та неточне регулювання температури під час введення в експлуатацію, а також забезпечення того, щоб усі ланки системи працювали синергетично та відповідали вимоги до дизайну.

(III) Стадія пробної експлуатації та приймання (1 місяць)

Після кваліфікованого введення системи в експлуатацію вона перейшла в дослідну експлуатацію. Під час пробної експлуатації такі показники, як стабільність температури всередині анаеробного варочного котла, ефективність утилізації відпрацьованого тепла та робочий стан генераторних установок, контролювалися-в реальному часі, відповідні дані записувалися, а параметри системи керування були оптимізовані та налаштовані; після пробної експлуатації була організована професійна команда для проведення приймання проекту, зосереджуючись на перевірці ефективності утилізації відпрацьованого тепла, ізоляційного ефекту анаеробних метантенків і стабільності роботи обладнання. Після кваліфікації приймання проект було офіційно введено в експлуатацію.

IV. Аналіз ефектів та вигод від експлуатації проекту

(I) Ефект операції

Після того, як проект був офіційно введений в експлуатацію, було реалізовано ефективну рекуперацію відпрацьованого тепла виробництва електроенергії з біогазу та постійну температурну ізоляцію анаеробних реакторів, що дало чудові результати роботи, зокрема, відображені в наступних аспектах:

Стабільний контроль температури: Завдяки синергічному ефекту інтелектуальної системи керування та системи рекуперації відпрацьованого тепла температура всередині анаеробного варочного котла стабільно підтримується в оптимальному діапазоні бродіння 35±0,5 градусів. Навіть коли температура навколишнього середовища взимку падає нижче 0 градусів, коливання температури всередині метантенків не перевищує ±1 градус, що повністю вирішує проблему нестабільної температури в традиційному методі ізоляції та забезпечує відповідне середовище для росту метаногенів.

Покращена ефективність ферментації: Стабільне середовище з постійною температурою значно покращує ефективність анаеробного бродіння, і переваги біонічних кишкових анаеробних котлів використовуються в повній мірі. Цикл бродіння скорочується з 28 днів до 21 дня, виробництво біогазу збільшується більш ніж на 25%, добове виробництво біогазу збільшується з 1200 кубічних метрів до 1500 кубічних метрів, а чистота біогазу (вміст метану) стабільно підтримується на рівні 60%-65%, забезпечуючи достатню кількість палива для виробництва електроенергії.

Ефективна рекуперація відпрацьованого тепла: Ефективність рекуперації відпрацьованого тепла системи становить понад 85%, а щоденне відпрацьоване тепло, яке утилізується 2 генераторними установками, може повністю задовольнити потреби в ізоляції 8 анаеробних реакторів, повністю замінюючи традиційні методи електричного опалення та опалення паровим котлом, реалізуючи ресурсне використання відпрацьованого тепла та зменшуючи витрати енергії.

Стабільна робота системи: Вся система має високий ступінь автоматизації, а інтелектуальна система керування може реалізувати роботу без нагляду, що значно зменшує навантаження на експлуатацію та технічне обслуговування. З моменту пробної експлуатації рівень відмов обладнання становив менше 3%, стабільність системи хороша, а витрати на експлуатацію та технічне обслуговування були ефективно зменшені.

(II) Аналіз переваг

1. Економічні вигоди

Після впровадження проекту економічна вигода є значною, головним чином відображеною в трьох аспектах: по-перше, економія витрат на опалення. Заміна традиційного електричного опалення на опалення паровим котлом може заощадити приблизно 1200 євро на електроенергії та паливі на день, і понад 430 000 євро на річних експлуатаційних витратах; по-друге, збільшення доходу від виробництва електроенергії. Виробництво біогазу збільшено на 25%, виробляючи приблизно на 900 кВт/год більше електроенергії на день. Згідно з-місцевою ціною на електроенергію в мережі 0,65 євро/кВт-год, щорічний додатковий дохід від виробництва електроенергії становить приблизно 210 000 євро; по-третє, зниження витрат на експлуатацію та обслуговування. Система працює автоматично, скорочуючи 2 робочих та обслуговуючий персонал, заощаджуючи близько 120 000 євро щорічних витрат на оплату праці. Комплексний розрахунок показує, що проект додає близько 760 000 євро щорічних економічних вигод, а період окупності інвестицій становить лише 2,5 роки. У той же час річний дохід від продажу електроенергії може досягати 20 281 євро, а річна вартість становить лише 4 047 євро, що демонструє помітні економічні переваги.

2. Екологічні переваги

По-перше, зниження споживання енергії. Відновлення та використання відпрацьованого тепла від виробництва електроенергії з біогазу може заощадити близько 120 тонн стандартного вугілля на рік, зменшуючи забруднення повітря, спричинене спалюванням вугілля; по-друге, скорочення викидів парникових газів. Заміна традиційних методів опалення рекуперацією відпрацьованого тепла може зменшити викиди вуглекислого газу приблизно на 8000 тонн на рік, допомагаючи досягти мети «подвійного вуглецю»; по-третє, реалізація ресурсоутилізації відходів. Перетворення гною худоби та птиці та стічних вод із селекційних вод на біогаз та органічні добрива зменшує викиди відходів, покращує якість навколишнього середовища та реалізує «перетворення відходів на скарб».

3. Соціальні виплати

По-перше, це вирішує проблему поводження з відходами тваринництва та птахівництва, запобігає забрудненню ґрунту, води та повітря гноєм та стічними водами та покращує місцеве екологічне середовище; по-друге, він забезпечує чисту електроенергію, доповнює місцеве електропостачання та полегшує регіональний дефіцит енергії; по-третє, це сприяє розвитку індустрії утилізації ресурсів сільськогосподарських відходів, забезпечує еталонний приклад для рекуперації відпрацьованого тепла та використання подібних біогазових електростанцій, стимулює розвиток нових енергетичних проектів у прилеглих районах та сприяє екологічному та сталому розвитку сільського господарства.

 

V. Резюме та перспективи проекту

(I) Резюме проекту

Запроваджуючи технологію утилізації відпрацьованого тепла виробництва біогазу, цей проект відновлює відпрацьоване тепло, що розсіюється під час роботи генераторних установок, для ізоляції анаеробних реакторів, утворюючи замкнуту-систему утилізації енергії «анаеробного бродіння - виробництва енергії біогазу - утилізації відпрацьованого тепла - ізоляції постійної температури». Це повністю вирішує проблеми, пов’язані з високим споживанням енергії, нестабільною температурою та високою вартістю експлуатації традиційної ізоляції анаеробного варочного котла. Після впровадження проекту він не тільки покращує ефективність анаеробного бродіння та виробництва біогазу, реалізує ресурсну утилізацію відпрацьованого тепла, але й досягає значних економічних, екологічних та соціальних переваг. Він перевіряє доцільність і перевагу використання відпрацьованого тепла виробництва біогазу для ізоляції анаеробного варочного котла, а також забезпечує практичну та здійсненну схему енергозберігаючої-трансформації біогазових електростанцій-середнього розміру.

Ключ до успішної реалізації проекту полягає в поєднанні структурних характеристик біонічних кишкових анаеробних реакторів, оптимізації параметрів теплообміну та ізоляції за допомогою чисельного моделювання, вибору відповідних ізоляційних матеріалів і обладнання для рекуперації відпрацьованого тепла з ребристою трубою VRCOOLER - структура теплообмінників з ребристою трубою ефективно збільшує площу теплообміну в 4-6 разів порівняно зі звичайною трубки, що значно покращує ефективність рекуперації тепла. Завдяки професійному дизайну та виробничим можливостям VRCOOLER, а також узгодженню з інтелектуальною системою керування досягається точний контроль температури та ефективне використання відпрацьованого тепла, уникаючи впливу відпрацьованого тепла та коливань температури на ефективність бродіння.

(II) Перспективи на майбутнє

У майбутньому, базуючись на досвіді реалізації цього проекту, ми будемо додатково оптимізувати систему утилізації відхідного тепла, покращити ефективність утилізації відхідного тепла, досліджувати каскадний режим утилізації відхідного тепла та використовувати надлишок відхідного тепла для опалення в племінному парку та попередньої обробки сировини для бродіння для подальшого підвищення ефективності утилізації енергії; водночас запровадити цифрову подвійну технологію для побудови цифрової подвійної моделі анаеробної ферментації та системи утилізації відпрацьованого тепла, реалізувати-моніторинг у реальному часі, раннє попередження про несправності та оптимізацію параметрів стану роботи системи, а також покращити рівень інтелекту системи; крім того, просувати технічну схему цього проекту на біогазових електростанціях в інших галузях, таких як розведення худоби та птиці та переробка харчових відходів, допомагати більшій кількості нових енергетичних проектів досягати енергозбереження та скорочення вуглецю, а також сприяти високо-якісному розвитку зеленої енергетики.