POLITECHNIKA WARSZAWSKA

WYDZIAŁ BUDOWNICTWA, MECHANIKI I PTEROCHEMII

Semestr zimowy 2007/2008

Zespół

Praca semestralna

INŻYNIERIA ŹRÓDEŁ ENERGII

PROJEKT HSE DO CELÓW GRZEWCZYCH Z WYKORZYSTANIEM BIOGAZOWNI

Sprawdzający:

Płock, 2008r.

SPIS TREŚCI

1. WPROWADZENIE

2. PODSTAWOWE POJĘCIA

3. KONCEPCJA

4. ZAŁOŻENIA

5. OBLICZNIA

6. PROJEKT

6.1. POZYSKANIE ORAZ SKŁADOWANIE ODCHODÓW

6.2. WYTWARZANIE BIOGAZU

6.3. GENEROWANIE CIEPŁA

6.4. OGÓLNY SCHEMAT SYSTEMU

7. DOBÓR MODUŁÓW FUNKCJONALNYCH

8. CHARAKTERYSTYKA MODUŁÓW FUNKCJONALNYCH

9. OPIS PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH

10. UWAGI KOŃCOWE

1. WPROWADZENIE

Obecnie, ze względu na duże zainteresowanie ekologią, utylizacja wszelkich odpadów ma zasadnicze znaczenie. Dotyczy to również zagospodarowania odchodów ludzkich i zwierzęcych. Problem ten zaznacza się nie tylko w oczyszczalniach ścieków komunalnych ale również w gospodarstwach rolniczych nastawionych na hodowlę trzody chlewnej bądź bydła.

Przy dużej liczbie stada, konieczna staje się prawidłowa utylizacja odchodów.

Jednym z rozwiązań problemu odchodów w takim gospodarstwie jest wykorzystanie biogazowni. Biogazownia to instalacja, w której celowo przeprowadza się fermentację masy organicznej, w tym odchodów, słomy, skoszonej trawy i innych organicznych odpadów produkcyjnych w celu pozyskania tzw. biogazu lub biometanu. Zawartość metanu w biogazie powstałym w biogazowni szacować można na poziomie ok. 50%-60%.

Dla przykładu w Pawłówku funkcjonuje elektrownia wykorzystująca odchody świń. Elektrownia ma moc 1,5MW, odchody pochodzą od ok. 9200 świń (ok. 25 tys. ton surowca rocznie).

Opracowany projekt dotyczył będzie gospodarstwa hodującego 3000 świń. Hybrydyzacja polegała będzie na połączeniu wytwarzania energii cieplnej oraz elektrycznej. Produkowana energia zaspokajała będzie w pierwszym rzędzie potrzeby własne gospodarstwa. Nadwyżka energii sprzedawana będzie do sieci ciepłowniczej/elektrycznej.

2. PODSTAWOWE POJĘCIA

Biogazownia - instalacja służąca do celowej produkcji biogazu z biomasy roślinnej, odchodów zwierzęcych lub organicznych odpadów (np. z przemysłu spożywczego).

Biogaz inaczej biometan - mieszanina zawierająca ok. 50-60% metanu, wartość opałowa 20MJ/m³

Energia cieplna - zwana też energią termiczną, to ta część energii wewnętrznej układu, która może być przekazywana innemu układowi w formie ciepła.

Energia elektryczna - energia układu ładunków elektrycznych; elektrodynamiczna, jeśli się one poruszają lub elektrostatyczna, jeśli pozostają w spoczynku.

Hybrydyzacja - to skojarzenie dwóch lub więcej źródeł energii lub wygenerowanie z jednego źródła energii dwóch lub więcej źródeł energii.

System - jakikolwiek obiekt fizyczny lub abstrakcyjny, w którym można wyróżnić jakieś wzajemnie powiązane dla obserwatora elementy. W tym sensie podział czegoś na systemy jest względny i zależy od tego kto przy pomocy czego i do czego poklasyfikował jakiś zbiór na systemy. Dlatego też elementy jednego systemu mogą stanowić składniki innych systemów.

Źródła - generator energii.

Działanie - transformacja stanu dokonanego przez człowieka.

Funkcjonowanie - zmiana wg programu.

Proces - zmiana stanu pod wpływem różnych czynników.

Skojarzenie - wygenerowanie z jednego źródła energii dwóch lub więcej źródeł.

3. Koncepcja

W gospodarstwie rolnym hodującym bydło i trzodę chlewną powstaje duża ilość odchodów. Powstający w procesie ich fermentacji biogaz (biometan) służyć może do produkcji energii cieplnej i elektrycznej w hybrydowym systemie energetycznym. Energia cieplna wykorzystywana może być do ogrzewania zabudowań mieszkalnych i gospodarczych. Produkowana w systemie zintegrowanym energia elektryczna posłuży do zasilenia urządzeń elektrycznych w gospodarstwie. Nadmiar energii zostanie oddany (niedobór uzupełniony) z sieci miejskiej.

Schemat zamiany energii: Z - zasób, NE - nośnik energii, G - generator EE- energia elektryczna, EC - energia cieplna, OEE - odbiornik energii elektrycznej, OEC - odbiornik energii cieplnej

4. Założenia:

Zasób:

Odchody bydła/trzody chlewnej

Nośnik energii:

Biogaz

Generator:

Kocioł parowy + turbina

Odbiorcy:

Odbiorca energii elektrycznej (sieć energetyczna)

Odbiorca energii cieplnej (Sieć C.O.)

5. Obliczenia

Liczebność stada:

3000szt.

Produkcja odchodów:

5kg/świnię x dzień

Produkcja gazu:

0.040-0.060 m³/kg - przyjęto 0.05m³/kg

Produkcja odchodów:

3000szt. x 5kg/szt x 365 dni = 5 500 ton

Produkcja biogazu:

5 500t x 50 m³/t =275 tys. m³

Roczna produkcja energii przy założeniu:

wartość opałowa

20MJ/m³

sprawność przetwarzania energii 80% (60% EC, 20% EE)

20 x 275 000 x 80% = 4400GJ/rok

Cena biogazowni

2000000PLN

cena jednostkowa energii:

28,93PLN/GJ

Czas zwrotu inwestycji:

Zakładając czas trwałości instalacji na 25 lat mamy spełniony warunek

t_z<t_k

Obliczenie efektywności:

f = 100% / 15,712 = ok. 6,4%

6. Projekt

6.1. Pozyskanie oraz składowanie odchodów

a - produkcja

b - transport

c - przechowywanie

d - transport do dalszej obróbki

6.2. Wytwarzanie biogazu

a - produkcja biogazu pod wpływem fermentacji

b - transport

c - oczyszczanie

d - przechowywanie

6.3. Generowanie ciepła

a - przesyłanie gazu do pieca

b - spalanie gazu

6.4. OGÓLNY SCHEMAT SYSTEMU

7. DOBÓR MODUŁÓW FUNKCJONALNYCH

Moduł funkcjonalny składa się z:

- kotła parowego,

- turbiny parowej,

- instalacji grzewczej,

- pompy wodnej.

Moduł funkcjonalny: EE - energia elektryczna, EC - energia cieplna

8. CHARAKTERYSTYKA MODUŁÓW FUNKCJONALNYCH

Poczynając opis modułów funkcjonalnych skojarzonego systemu elektrociepłowni wykorzystującej biogaz jako paliwo należy jako pierwszy etap potraktować system obróbki wstępnej dozowania paliwa oraz systemy oczyszczania spalin. Biogaz produkowany jest z odchodów zwierzęcych powstających w oborze. Za pomocą systemów przenośnych jako produkt wędruje po przenośniku bezpośrednio z obory do podręcznego zbiornika odchodów. Po krótkim czasie odchody wędrują do fermentatora gdzie produkowany jest biogaz. Produkcja biometanu następuje w czasie pod wpływem fermentacji produktu. Dalszy proces polega na oczyszczeniu tak powstałego paliwa, które magazynowane jest w zbiorniku.

W opisywanym projekcie celem produkcji biogazu jest wytworzenie energii elektrycznej i cieplnej. Biogaz jest paliwem łatwym w spalaniu dlatego przetworzenie go na energię cieplną jest wyjątkowo proste. Dodatkowo stosując piec z układem generatora, jesteśmy w stanie produkować energię elektryczną, przy wykorzystaniu transformatora współpracującego z siecią przesyłową. Aby dopełnić opisu w skład wyposażenia technologicznego wchodzą wymienniki ciepła, pompy obiegowe, rurociągi technologiczne, armatura oraz liczniki energii.

9. OPIS PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH

Gnojówka pochodzi z chlewu, w którym hodowanych jest 3000szt. trzody. Za pomocą systemu zgarniaków i pomp transportowana jest do zbiornika w którym jest przechowywana przed dalszą obróbką. Ze zbiornika, za pośrednictwem rur transportowana jest następnie do fermentatora, w którym jako końcowy produkt fermentacji beztlenowej, w obecności bakterii, powstaje biogaz zawierający ok. 50-60% CH₄, 30-40% CO₂ oraz śladowe ilości innych gazów. Gaz zostaje wypompowany z nad masy fermentacyjnej i, po przejściu przez filtr, sprężony w zbiorniku pośrednim. Zebrany gaz wykorzystywany jest następnie w procesie spalania, jako paliwo w kotle parowym. Para o stosunkowo wysokich parametrach przekazywana jest do turbiny, napędzającej generator energii elektrycznej, zrzut pary o niskich parametrach z turbiny jest natomiast wykorzystywany do celu ogrzewania zabudowań gospodarczych i mieszkalnych gospodarstwa. Podobnie do celów własnych wykorzystywana jest wyprodukowana energia elektryczna. Nadwyżka energii sprzedawana jest do sieci zewnętrznej.

Proces spalania i produkcji energii elektrycznej regulowany jest układem automatycznym.

10. UWAGI KOŃCOWE

Skojarzone wytwarzanie energii daje możliwość podniesienia współczynnika sprawności instalacji z 30-60% (w zależności od produkowanej energii) do ponad 80% łącznie, jak to ma miejsce w typowych przemysłowych elektrociepłowniach. Wykorzystanie w procesie produkcji energii biogazowni, jako źródła paliwa (biometanu) pozwala ponadto w pozytywny sposób wpłynąć na środowisko naturalne, redukując ilość zanieczyszczeń (odchodów). Osad pofermentacyjny z biogazowni jest ponadto bogaty w amoniak i w związku z tym stanowi dobry nawóz, który można wykorzystać w uprawach rolniczych rozrzucając na polu.

Ze względu na nakłady inwestycyjne, należy zwrócić uwagę na dolną granicę opłacalności instalacji biogazowni. Instalacja taka staje się bowiem ekonomicznym rozwiązaniem dla gospodarstw o liczebności trzody powyżej ok. 500 sztuk.

Należy jednak pamiętać że zasobem do pozyskania biogazu nie muszą być tylko odchody zwierzęce. Do celu tego nadaje się dowolny rodzaj biomasy. A ta jako zasób odnawialny może być traktowana jako niewyczerpane źródło energii w procesie wykorzystującym biogazownię.

Turbina parowa

Kocioł parowy

EE

para

woda

pompa

Instalacja grzewcza

Odchody

b

a

c

d

OBORA

Zbiornik

odchodów

a

b

c

d

a

b

Piec

gazowy

zbiornik

gazu

rurociąg

pompa gazu

NE

Z

OEE

OEC

G

EE

EC

OBORA

Zbiornik odchodów

Licznik

Licznik

Sieć elektr. ogólna

Sieć gospodarcza

T/INW

Zb. pośredni wody

Fermentator

GE

Filtr

Zbiornik

gazu

---