Студија случаја: Рекуперација отпадне топлоте из електране на биогас за изолацију анаеробног дигестора

 

И. Преглед пројекта

Овај пројекат се налази у великом-индустријском парку за узгој стоке и живине у Баварској, Немачка. Опремљен је електраном средње величине-на биогас и системом за третман анаеробне ферментације, чија је основна функција пречишћавање сточног и живинског ђубрива и отпадних вода од узгоја које генеришу велике-фарме у парку. Биогас се производи анаеробном ферментацијом за производњу електричне енергије, док се остварује коришћење ресурса отпада и испуштање у складу са животном средином. Укупни обим третмана пројекта је 120 тона сточног и живинског стајњака и 300 кубних метара отпадних вода из узгоја дневно, опремљених са 2 сета генератора биогаса од 100кВ и 8 бионичких цревних анаеробних дигестора запремине од 2000 кубних метара сваки. Сировине за ферментацију улазе у анаеробне дигесторе након претходног третмана, а биогас се производи микробним метаболизмом на одговарајућој температури. Након пречишћавања, биогас се шаље у агрегате за производњу електричне енергије. Сва отпадна топлота настала током процеса производње електричне енергије се регенерише и користи за изолацију анаеробних дигестора константне температуре, формирајући затворени-систем за коришћење енергије у затвореном кругу „анаеробне ферментације за производњу биогаса - производња енергије биогаса - поврат отпадне топлоте за изолацију {{18} побољшање ефикасности ферментације“.

Пре реализације пројекта, зимска изолација анаеробних дигестора углавном је усвојила метод електричног грејања уз помоћ грејања парним котлом, што је имало проблеме велике потрошње енергије, нестабилног ефекта изолације, високих трошкова рада и озбиљног расипања енергије. Нарочито у хладном и влажном зимском окружењу у Баварској, температуру унутар анаеробних дигестора било је тешко стабилно одржавати у одговарајућем опсегу за мезофилну ферментацију, што је резултирало великим флуктуацијама у производњи биогаса и утицало на ефикасност производње електричне енергије. Да би решио горе наведене болне тачке, пројекат је увео технологију рекуперације отпадне топлоте за производњу електричне енергије из биогаса и специјално одабран Цхангзхоу Врцоолер Рефригератион Цо., Лтд. (ВРЦООЛЕР) - водећи произвођач индустријске опреме за размену топлоте - за пројектовање и производњу основних јединица за поврат топлоте. Ове јединице за рекуперацију отпадне топлоте имају структуру ребрастих цеви, која може ефикасно проширити подручје размене топлоте и побољшати ефикасност рекуперације топлоте, обезбеђујући ефикасну рекуперацију отпадне топлоте димних гасова и отпадне топлоте воде из омотача цилиндра која се ствара током рада агрегата за изолацију анаеробних дигестора, остварујући каскадно коришћење енергије за стабилност и смањење трошкова рада система.

ИИ. Основна технологија и дизајн процеса

(И) Основни технички принцип

Када је биогас генераторски сет у раду, само 35%-42% енергије произведене сагоревањем горива се претвара у електричну енергију, а преосталих 58%-65% енергије се распршује у облику отпадне топлоте димних гасова (температура до 600 степени) и отпадне топлоте воде из омотача цилиндра (температура око 90 степени). Директна емисија не само да узрокује расипање енергије већ и повећава топлотно загађење животне средине. Током процеса анаеробне ферментације, микробна активност је осетљива на температуру. При мезофилној ферментацији (35-40 степени), активност метаногена је оптимална, а производња биогаса и ефикасност ферментације су највећа. Међутим, температура околине је ниска зими, а анаеробни дигестори брзо расипају топлоту, захтевајући континуирано снабдевање топлотом да би се одржала константна температура унутар дигестора. Кроз систем рекуперације отпадне топлоте, овај пројекат обнавља и размењује отпадну топлоту која се распршује током производње електричне енергије, а затим је транспортује до анаеробних дигестора како би се обезбедио стабилан извор топлоте, замењујући традиционалне методе електричног грејања и загревања парним бојлерима, и постизање циљева „рециклирања енергије, смањења трошкова и повећања ефикасности, као и заштите животне средине и уштеде енергије“.

(ИИ) Састав процесног система

Систем поврата отпадне топлоте и изолације анаеробног дигестора овог пројекта углавном се састоји од 4 дела, који функционишу синергистички како би се обезбедио ефикасан поврат топлоте отпадне воде, стабилан транспорт и прецизна контрола температуре анаеробних дигестора, као што следи:

Систем за производњу енергије на биогас: Усвојена су два генератора гаса од 100кВ, који користе биогас произведен у анаеробним дигесторима као гориво. Након третмана пречишћавања као што су одсумпоравање и дехидрација, биогас се шаље у агрегате за сагоревање и производњу електричне енергије. Свака јединица троши 48 кубних метара биогаса на сат, са ефикасношћу производње електричне енергије од 42%, и генерише велику количину отпадне топлоте (максимална отпадна топлота једне јединице је 286кВ), пружајући стабилан извор за поврат отпадне топлоте. Генераторски сетови су опремљени уређајима за одсумпоравање биогаса, који могу ефикасно уклонити водоник-сулфид из биогаса, избећи корозију опреме и обезбедити-дугорочни стабилан рад система.

Систем поврата отпадне топлоте: Основна опрема укључује измењивач топлоте димних гасова, измењивач топлоте воде са омотачем цилиндра и циркулациону пумпу, од којих је све дизајнирано и произведено од стране ВРЦООЛЕР (Цхангзхоу Врцоолер Рефригератион Цо., Лтд.), професионалног предузећа са богатим искуством у истраживању и развоју опреме за размену топлоте и производњи, која има ИСО 9001 међународни сертификат система квалитета. Систем усваја дизајн са „двоструком-петљом размене топлоте, а компоненте за размену топлоте језгра рекуператора отпадне топлоте су структуре ребрастих цеви - ребрасте цеви су направљене спиралним омотавањем трака ребара око обима цеви, са валовитим ребрима на спољном зиду како би се у великој мери повећао учинак размене топлоте. С једне стране, високотемпературна -отпадна топлота димних гасова која се испушта из агрегата рекуперује се преко ВРЦООЛЕР ребрасте цеви измењивача топлоте димних гасова, загревајући циркулишући медијум (мешавина антифриза и воде) на око 58 степени; са друге стране, отпадна топлота воде у омотачу цилиндра из агрегата се поврати преко ВРЦООЛЕР измењивача топлоте са цилиндричним омотачем са ребрастим цевима, додатно повећавајући температуру циркулационог медијума на изнад 65 степени, обезбеђујући да температура извора топлоте задовољава потребе изолације анаеробних дигестора. Систем поврата отпадне топлоте ВРЦООЛЕР је опремљен интелигентним уређајем за контролу температуре, који може аутоматски подесити ефикасност размене топлоте према температури димних гасова и температури циркулационог медија, смањујући губитак отпадне топлоте. Тестови показују да је ефикасност поврата отпадне топлоте система више од 85%, што може у потпуности да поврати ресурсе отпадне топлоте насталих током производње електричне енергије, захваљујући одличним перформансама преноса топлоте структуре ребрасте цеви и професионалном дизајну ВРЦООЛЕР-а.

Систем изолације анаеробног дигестора: Свих 8 анаеробних дигестора усваја структурни дизајн "унутрашње загревање намотаја + спољни изолациони слој". Завојнице отпорне на-температуру и корозију-положене су око унутрашњег зида дигестора, а циркулишући медијум размењује топлоту са ферментационом течношћу у дигесторима кроз калемове да би се постигло једнолично повећање температуре у дигесторима; на спољни зид дигестора поставља се изолациони слој од пенастог цемента дебљине 15 цм. Пенасти цемент има добре перформансе топлотне изолације, што може ефикасно смањити губитак топлоте унутар дигестора. Према прорачунима нумеричке симулације, према овој шеми изолације, укупан губитак топлоте анаеробних дигестора може се контролисати унутар 428,24 МЈ·д⁻¹, обезбеђујући стабилан ефекат изолације. Истовремено, анаеробни дигестори усвајају бионичку интестиналну структуру, која не захтева механичке уређаје за мешање, има једноставну структуру и ниску потрошњу енергије и може остварити динамичко раздвајање сваке фазе ферментације и побољшати ефикасност ферментације.

Интелигентни контролни систем: Интелигентни контролни систем ПЛЦ-а је усвојен за надгледање-у реалном времену више од 200 индикатора као што су температура ферментационе течности у анаеробним дигесторима, температура циркулационог медијума, температура димних гасова и радни параметри генераторских сетова. Брзина циркулационе пумпе и ефикасност размене отпадне топлоте се аутоматски подешавају кроз унапред подешене програме како би се обезбедило да се температура унутар анаеробних дигестора стабилно одржава на оптималном опсегу ферментације од 35±0,5 степени. Када је температура унутар дигестора нижа од унапред подешене вредности, систем аутоматски повећава запремину испоруке отпадне топлоте; када је температура виша од унапред подешене вредности, аутоматски смањује запремину отпадне топлоте. Истовремено, вишак отпадне топлоте се може користити за загревање у фази предтретмана ферментационих сировина, остварујући каскадно коришћење отпадне топлоте и побољшавајући ефикасност коришћења енергије.

(ИИИ) Кључна оптимизација процеса

1. Оптимизација размене отпадне топлоте: Методом нумеричке симулације рачунарске динамике флуида (Флуент), температурно поље унутар анаеробног дигестора се симулира и анализира, а густина распореда намотаја и путања размене топлоте се оптимизују да би се обезбедила уједначена дистрибуција температуре унутар дигестора, избегавајући прекомерну или недовољну локалну температуру која утиче на микробиолошке активности. Истовремено, утврђено је да је ефекат изолације оптималан када је температура довода топлог ваздуха 35 степени.

2. Избор изолационог материјала: Након поређења перформанси различитих изолационих материјала, пенасти цемент се бира као материјал за спољни изолациони слој анаеробних дигестора. Овај материјал има предности доброг изолационог ефекта, ниске цене, отпорности на корозију, заштите животне средине и не-токсичности. У поређењу са традиционалним полиуретанским изолационим материјалима, може смањити трошкове изолације за више од 15% и смањити утицај на животну средину.

3. Оптимизација циркулационог система: Усвојен је циркулациони систем затвореног{1}}окружења и циркулациони медијум се може поново користити за смањење потрошње водених ресурса. Истовремено, филтери и уређаји за уклањање каменца се уграђују у циркулациони цевовод како би се спречила блокада цевовода и стварање каменца, продужио век трајања опреме и смањили трошкови рада и одржавања.

 

ИИИ. Процес имплементације пројекта

(И) Припремна фаза (1-2 месеца)

Организован је технички тим да спроведе-истрагу пројекта на лицу места. У комбинацији са скалом анаеробних дигестора, параметрима генераторских агрегата и локалним климатским условима у Баварској, у сарадњи са ВРЦООЛЕР-овим техничким тимом оптимизована је пројектна шема система за рекуперацију отпадне топлоте, а модел ВРЦООЛЕР ребрастих цевних измењивача топлоте, схема распореда намотаја, спецификације изолационог материјала су одређене спецификације изолационог материјала и параметри система за контролу у језгро опреме као што су ВРЦООЛЕР ребрасте цеви измењивача топлоте димних гасова, ВРЦООЛЕР цилиндрични омотач водених измењивача топлоте, циркулационе пумпе, изолациони материјали од пенастог цемента и интелигентни инструменти за контролу температуре су купљени да би се осигурало да квалитет опреме испуњава инжењерске захтеве - ВРЦООЛЕР-ове материјале за топлоту{3} и цеви од висококвалитетног челика{3} за измењиваче топлоте од нерђајућег челика и цеви високог квалитета ребра, са добром отпорношћу на корозију и отпорношћу на високу{4}температуру, прилагођавајући се тешком радном окружењу високе-димних гасова и воде у омотачу цилиндра; Техничка обука је обезбеђена за грађевинско особље како би се разјаснио процес изградње, безбедносне спецификације и стандарди квалитета, са фокусом на обучавању вештина уградње ВРЦООЛЕР система за рекуперацију отпадне топлоте са ребрастим цевима и изолационе конструкције анаеробних дигестора.

(ИИ) Фаза инсталације и изградње опреме (3-4 месеца)

1. Инсталација система за рекуперацију отпадне топлоте: Прво, ВРЦООЛЕР ребрасто цевни измењивач топлоте димних гасова и ВРЦООЛЕР ребрасто цевни измењивач топлоте са омотачем воде са плаштом су фиксно инсталирани у складу са спецификацијама произвођача и-захтевима дизајна на локацији. Цјевовод за димне гасове и цевовод за воду у омотачу цилиндра између измењивача топлоте и агрегата су повезани, а третман заптивања цевовода је урађен да би се спречило цурење отпадне топлоте - ВРЦООЛЕР ребрасте цеви размењивачи топлоте су опремљени намотајима са премазом отпорним на корозију-, који могу ефикасно да се одупру киселој корозији гаса у траговима дуготрајно-стабилан рад. Затим су инсталирани циркулациона пумпа и циркулациони цевовод, интелигентни инструмент за контролу температуре је повезан са ПЛЦ контролним системом, а пуштање у рад опреме је завршено у сарадњи са ВРЦООЛЕР-овим постпродајним-имом како би се обезбедио нормалан рад система за рекуперацију отпадне топлоте и пружила пуна игра предностима преноса топлоте структуре ребрасте цеви.

2. Изолациона конструкција анаеробних дигестора: Прво, спољашњи зид анаеробних дигестора је очишћен и одрђен, затим је постављен изолациони слој од пенастог цемента како би се осигурало да је изолациони слој уједначене дебљине, без оштећења и удубљења; калемови отпорни на-температуру и корозију-положени су на унутрашњи зид дигестора, спојени на циркулациони цевовод, а извршено је испитивање притиска воде како би се осигурало да нема цурења намотаја; температурни сензори унутар дигестора су инсталирани и повезани са интелигентним контролним системом да би се остварило-надзор температуре у реалном времену.

3. Пуштање у рад системске везе: Након што је инсталација све опреме завршена, извршено је пуштање у рад системске везе како би се симулирао цео процес рада генераторског агрегата, рекуперација отпадне топлоте и изолација анаеробног дигестора, параметри за отклањање грешака као што су тачност контроле температуре, брзина циркулационе пумпе и ефикасност размене топлоте, решавање проблема као што су цурење цевовода и нетачна контрола температуре свих система у раду, нетачна контрола температуре у раду свих система. и испуњавају захтеве дизајна.

(ИИИ) Пробни рад и фаза прихватања (1 месец)

Након што је пуштање у рад системске везе квалификовано, ушло је у фазу пробног рада. Током пробног рада, индикатори као што су стабилност температуре унутар анаеробних дигестора, ефикасност рекуперације отпадне топлоте и радни статус агрегата су праћени у реалном-времену, евидентирани су релевантни подаци, а параметри контролног система су оптимизовани и прилагођени; након пробног рада организован је стручни тим који је извршио пријем пројекта са фокусом на проверу ефикасности поврата отпадне топлоте, изолационог ефекта анаеробних дигестора и стабилности рада опреме. Након што је пријем квалификован, пројекат је званично пуштен у рад.

ИВ. Анализа ефеката и користи рада пројекта

(И)Ефекат операције

Након што је пројекат званично пуштен у рад, реализована је ефикасна рекуперација отпадне топлоте производње електричне енергије из биогаса и изолација анаеробних дигестора константне температуре, са изузетним радним ефектима, који се посебно огледају у следећим аспектима:

Стабилна контрола температуре: Кроз синергистички ефекат интелигентног система управљања и система за рекуперацију отпадне топлоте, температура унутар анаеробних дигестора се стабилно одржава на оптималном опсегу ферментације од 35±0,5 степени. Чак и када температура околине падне испод 0 степени зими, флуктуација температуре унутар дигестора не прелази ±1 степен, што у потпуности решава проблем нестабилне температуре у традиционалној методи изолације и обезбеђује погодно окружење за раст метаногена.

Побољшана ефикасност ферментације: Стабилно окружење са константном температуром значајно побољшава ефикасност анаеробне ферментације, а предности бионичких интестиналних анаеробних дигестора су у потпуности искоришћене. Циклус ферментације је скраћен са 28 дана на 21 дан, производња биогаса је повећана за више од 25%, дневна производња биогаса је повећана са 1200 кубних метара на 1500 кубних метара, а чистоћа биогаса (садржај метана) се стабилно одржава на 60%-65%, што обезбеђује довољно горива за производњу електричне енергије.

Ефикасан поврат отпадне топлоте: Ефикасност поврата отпадне топлоте система је више од 85%, а дневна отпадна топлота рекуперирана помоћу 2 агрегата може задовољити пуне потребе за изолацијом 8 анаеробних дигестора, потпуно замјењујући традиционалне методе електричног гријања и парног котла, остварујући кориштење отпадне топлоте и смањујући губитак енергије.

Стабилан рад система: Цео систем има висок степен аутоматизације, а интелигентни контролни систем може да реализује рад без надзора, значајно смањујући оптерећење рада и одржавања. Од пробног рада, стопа отказа опреме била је мања од 3%, стабилност система је добра, а трошкови рада и одржавања су ефективно смањени.

(ИИ) Анализа користи

1. Економске користи

Након имплементације пројекта, економске користи су значајне, углавном се огледају у три аспекта: прво, уштеда трошкова грејања. Замена традиционалног електричног грејања и грејања на парни котао може да уштеди око 1200 евра на трошковима електричне енергије и горива дневно, и више од 430.000 евра на годишњим трошковима рада; друго, повећање прихода од производње електричне енергије. Производња биогаса је повећана за 25%, производећи око 900 кВх више електричне енергије дневно. Према локалној-цени електричне енергије у мрежи од 0,65 евра/кВх, годишњи додатни приход од производње електричне енергије је око 210.000 евра; треће, смањење трошкова рада и одржавања. Систем ради аутоматски, смањујући 2 особља за рад и одржавање, чиме се уштеди око 120.000 евра годишњих трошкова рада. Свеобухватна рачуница показује да пројекат додаје око 760.000 евра годишње економске користи, са периодом поврата инвестиције од само 2,5 године. Истовремено, годишњи приход од продаје електричне енергије може достићи 20.281 евро, а годишњи трошак је само 4.047 евра, што показује видне економске предности.

2. Предности за животну средину

Прво, смањење потрошње енергије. Повраћај и коришћење отпадне топлоте из производње електричне енергије из биогаса може уштедети око 120 тона стандардног угља годишње, смањујући загађење ваздуха изазвано сагоревањем угља; друго, смањење емисије гасова стаклене баште. Замена традиционалних метода грејања повратом отпадне топлоте може смањити емисију угљен-диоксида за око 8.000 тона годишње, помажући у постизању циља „двоугљеничног“; треће, остваривање коришћења ресурса отпада. Претварање сточног и живинског ђубрива и отпадне воде из узгоја у биогас и органско ђубриво смањује емисију отпада, побољшава квалитет околине и остварује „претварање отпада у благо“.

3. Социјална давања

Прво, решава проблем третмана отпада од узгоја стоке и живине, избегава загађење земљишта, воде и ваздуха стајњаком и отпадним водама и побољшава локално еколошко окружење; друго, обезбеђује чисту електричну енергију, допуњује локално снабдевање електричном енергијом и олакшава регионалну несташицу енергије; треће, промовише развој индустрије коришћења ресурса пољопривредног отпада, даје референтни случај за поврат отпадне топлоте и коришћење сличних електрана на биогас, покреће развој нових енергетских пројеката у околним подручјима и промовише зелени и одрживи развој пољопривреде.

 

В. Резиме пројекта и изгледи

(И) Резиме пројекта

Увођењем технологије поврата отпадне топлоте за производњу електричне енергије из биогаса, овај пројекат обнавља отпадну топлоту која се распршује током рада агрегата за изолацију анаеробних дигестора, формирајући затворени-систем за коришћење енергије „анаеробне ферментације - производње електричне енергије биогаса -} поврата отпадне топлоте константне температуре {{33}. Потпуно решава болне тачке високе потрошње енергије, нестабилне температуре и високих трошкова рада традиционалне изолације анаеробног дигестора. Након имплементације пројекта, не само да побољшава ефикасност анаеробне ферментације и производњу биогаса, остварује ресурсно коришћење отпадне топлоте, већ остварује значајне економске, еколошке и друштвене користи. Он потврђује изводљивост и супериорност коришћења отпадне топлоте производње електричне енергије из биогаса за изолацију анаеробног дигестора и пружа практичну и изводљиву шему за трансформацију-уштеде енергије средњих-електрана на биогас.

Кључ успешне имплементације пројекта лежи у комбиновању структурних карактеристика бионичких интестиналних анаеробних дигестора, оптимизацији параметара размене топлоте и изолације кроз нумеричку симулацију, одабира одговарајућих изолационих материјала и опреме за рекуперацију отпадне топлоте са ребрастим цевима ВРЦООЛЕР - ребрасте цеви у поређењу са ефективном површином измењивача топлоте у поређењу са структуром ефикасне измене топлоте-4 у поређењу обичне цеви, значајно побољшавајући ефикасност поврата топлоте. Са ВРЦООЛЕР-овим професионалним дизајном и могућностима производње, као и усклађивањем са интелигентним системом управљања, постиже се прецизна контрола температуре и ефикасно коришћење отпадне топлоте, избегавајући утицај отпадне топлоте и температурне флуктуације на ефикасност ферментације.

(ИИ) Изгледи за будућност

У будућности, на основу искуства имплементације овог пројекта, даље ћемо оптимизовати систем поврата отпадне топлоте, побољшати ефикасност поврата отпадне топлоте, истражити каскадни режим коришћења отпадне топлоте и користити вишак отпадне топлоте за грејање у узгојном парку и предтретман ферментационих сировина за даље побољшање ефикасности коришћења енергије; у исто време, увести дигиталну твин технологију за изградњу дигиталног модела близанаца система анаеробне ферментације и поврата отпадне топлоте, остварити праћење-у реалном времену, рано упозорење о грешкама и оптимизацију параметара статуса рада система и побољшати ниво интелигенције система; поред тога, промовисати техничку шему овог пројекта у електранама на биогас у другим областима као што су узгој стоке и живине и третман отпада од хране, помоћи да више нових енергетских пројеката постигне очување енергије и смањење угљеника и промовисати-квалитетни развој индустрије зелене енергије.