Стале використання теплової енергії біогазових установок - PDF Безкоштовно завантажити
Стале використання теплової енергії на біогазових установках
Подяки Цей посібник був розроблений в рамках проекту BiogasHeat (IEE/11/025), підтриманого Європейською Комісією через Інтелектуальну енергію для Європи (IEE), програму, що управляється Виконавчим агентством з конкурентоспроможності та інновацій (EACI). Автори висловлюють подяку Європейській комісії за підтримку проекту BiogasHeat, а також посиланням та партнерам BiogasHeat за їхній внесок у довідник. За надання зображень та графіки автори дякують наступним компаніям: AgroEnergien (Буркхард Майнерс), GE Energy (Роланд Дженевайн), LaTherm GmbH (Майкл Шенберг), SCHNELL Motoren AG (Сюзанна Керезсі), STELA Laxhuber GmbH (Надін Салманн), Thermaflex Isolierprodukte GmbH (Jana Tanneberg-Kranz), TransHeat GmbH (Ronald Strasser), Tranter Solarice GmbH (Wolfgang Stürzebecher) та Verdesis Services UK LTD (Nick Sheldon). 2
3.4.1 Системи CRC. 56 3.4.2 Системи ORC. 57 3.4.3 Цикл Каліни. 60 3.4.4 Двигун Стірлінга. 61 3.4.5 Димохідна газова турбіна. 62 4 Інноваційні концепції ефективного перетворення біогазу. 63 4.1 Біогазопроводи та супутникові ТЕЦ. 63 4.2 Кондиціонування біогазу та закачування біометану в мережу. 65 4.3 Транспортування біометану в контейнерах. 67 4.4 Використання біометану в транспорті. 68 4.5 Біогаз для управління навантаженням та стабільності мережі. 69 4.6 Біометан та газова електроенергія. 70 5 Вказівки щодо варіантів використання тепла. 72 6 Висновки. 74 Глосарій та скорочення. 76 Загальні одиниці перетворення. 85 Бібліографія. 88 5
Рівняння 3 Рівняння 4 Рівняння 5 Q втрачене Тепло, втрачене через поверхні варочного котла (диференційоване за втратами через стіни, підлогу та покриття) [кВт * год.] Q операція Тепло, втрачене через поверхні варочного котла та виведеного шварту [kwh] Q перетравлене Тепло, втрачене разом із скинутим дигестатом [kwh] AUT thiha Поверхня теплопередачі [м²] Коефіцієнт тепловіддачі [Вт/м²K] Перепади температури (всередині і зовні) [K] Час [години] Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією всередині котла [Вт/м²K] Коефіцієнт передачі теплова конвекція за межами котла [Вт/м²K] d 1 Товщина шару 1 d 2 Товщина шару 2 k 1 k 2 Теплопровідність першого шару [Вт/мК] Теплопровідність другого шару [Вт/мК ] Рисунок 5: Схематичний графік, що показує стінку варочного котла, включаючи тепловий профіль для холодної зими (-18 С) (Джерело: власні дані; адаптовано з www.u-wert.net) 20
Рисунок 11: Підключення обладнання (включаючи теплообмінник) кінцевого споживача, підключеного до системи централізованого теплопостачання в Ахенталі, Німеччина (Джерело: Rutz) Рисунок 12: Встановлення теплової труби до господарських будівель (Джерело: ThermaflexIsolierprodukte GmbH) Базове теплопостачання У цій концепції оператор біогазової установки постачає споживачеві тепла лише доступну частку тепла з біогазової установки. Оператор не гарантує повне постачання теплової енергії. Тому необхідно, щоб споживач теплової енергії був обладнаний додатковими обігрівачами, які можна вмикати у разі 29
Крива часу термічного напруження подібна до кривої теплового навантаження, але дані напружень упорядковуються за спаданням, а не хронологічно. На малюнку 17 наведено приклад кривої тривалості напружень для середньої системи централізованого опалення. Крім того, це показує, скільки теплової енергії може бути забезпечена на базальному рівні біогазовою установкою потужністю 600 кВт і приблизно 7200 робочих годин. Таким чином, подача тепла при піковому навантаженні повинна забезпечуватися іншою системою. Якщо потрібно забезпечити повне теплопостачання біогазової установки, в цьому прикладі потужність повинна становити приблизно 1800 кВт. Рисунок 17: Приклад кривої теплового напруження системи централізованого опалення, що інтегрує когенераційну установку потужністю 600 кВт 32
Коефіцієнт потреби в теплі u є величиною для потреби в теплі для різних типів теплиць і коливається від 4,6 для теплиць зі склопакетами зі змішаною системою опалення, до 10 для одинарних теплиць, з фольгою та тепловими трубами, піднятими вище ґрунт. Необхідно враховувати, що найбільший попит на тепло в теплицях відбувається в холодну пору року, а саме взимку, а також пізньої осені та ранньої весни. Крім того, тепло, яке надходить від біогазової установки, є нижчим у холодну пору року, оскільки для нагрівання зброджувачів потрібно більше енергії. Теплосховища можуть вирівняти варіації, але, як правило, дуже обмежують витрати. Для точного проектування потреб тепла в теплиці потрібні детальні розрахунки. Нарешті, слід також розглянути можливість використання CO 2 з потоку димових газів у ТЕЦ, оскільки CO 2 збільшує ріст рослин. Рисунок 19: Акліматизовані теплиці в Німеччині (Джерело: Rutz) 36
деяких матеріалів представлено в таблиці 6. Ця таблиця також включає максимальні температури сушіння. Таблиця 6: Час і температури висихання різних матеріалів Матеріал Сезон сушіння Максимальні температури висихання [C] Колоди та колоди лісових дров Ландшафтні колоди та колоди дров Короткооборотні лісові насадження Зима 55 -150 Цілий рік 55-150 Зима 55-150 Зернові культури Липень 30-65 Серпень Лікарські рослини та трави Травлення та мул стічних вод 25-50 жовтня Весь рік 55-95 Існує кілька різних технологій сушіння. Відповідні технології для відносно низьких температур залишкового тепла з біогазових установок включають періодичні сушарки (прохідні), конвеєрні сушарки, пересувні лопатеві сушарки (табл. 7). 45
розширення, де його температура і тиск різко падають. Зрештою аміак знову потрапляє у випарник, де він виробляє охолоджуючий ефект. Таким чином цикл замкнутий. Рисунок 29: Процес типової абсорбційної холодильної установки з аміачно-водяним холодоагентом 3.3.2 Центральне охолодження Центральне охолодження схоже на централізоване опалення, але розподіляє охолоджену воду замість тепла. Хоча попит на охолодження постійно зростає через вищі стандарти комфорту та більш високі температури, пов'язані зі зміною клімату, централізоване охолодження не таке ефективне, як централізоване опалення. Кілька європейських міст запровадили централізовані системи охолодження з метою зменшення викидів парникових газів (рис. 30). 53
На малюнку 35 наведено приклад модуля ORC для біогазових установок. У цьому прикладі пристрій може виробляти до 125 кВт електроенергії від джерела тепла приблизно 980 кВт. Мінімальний нагрів становить 121 ° С, тоді як більша частина надходить від рекуперації тепла з відпрацьованих газів, а менша частина - від попереднього нагрівання рідини з контуру охолодження двигуна. Таблиця 9: Характеристики різних рідин для термодинамічних процесів Рідина Критична точка [C] Критична точка [МПа] Температура кипіння [C] (при 1 атм) Температура розкладання [C] Вода 374,00 22,06 100,00 - Аміак (NH 3) 132.30 11.33- 33,30 477,00 н-бутан C 4 H 10 152,20 3,80-0,40 - C 5 H 12 н-пентан 196,80 3,37 36,20 - C 6 H 6 289,20 4,90 80,00 327,00 C 7 H 8 5645,00 4,10 110,60 - R134a (HFC-134a) 101.20 4.06- 25,00 177,00 C 8 H 10 343,20 3,50 138,00 - R12 112,00 4,13-29,80 177,00 HFC-245fa 157,70 3,64 15,40 247,00 HFC-245ca 178,60 3,86 25,20 R11 (CFC-11) 198,00 4,41 23,20 147,00 HFE-245fa 171,00 3,73-273,00 - HFC-236fa 130,80 3,18-1,00 - R123 183,90 3,70 28,00 - CFC-114 145,90 3,26 3,70 - R113 214,30 3,41 47,40 177,00 н-перфтор- Пентан C 5 F 12 147,60 2,05 29,40-58
Рисунок 32: Система ORC (із використанням R245fa) біогазової установки в Дубловицях, Чеська Республіка (Джерело: GE Energy) Рисунок 33: Система ORC (із використанням R245fa) (передній контейнер) та генератори біогазу (задній контейнер) звалища у Воррінгтоні, Великобританія (Джерело: Verdesis Services UK Limited) Рисунок 34: Схема модуля чистого циклу GE Energy 125 кВт ORC (адаптована з GE Energy)
Малюнок 39: Точка відправлення трубопроводів для біогазу на супутниковій ТЕЦ у м. Требон, Чеська Республіка (Джерело: Д. Руц) Малюнок 40: Біогазопровід на супутникових ТЕЦ (ліворуч) та система мікронагріву ( праворуч) 64
Таблиця 10: Порівняння різних характеристик біогазових та теплових труб Характеристики Біогазові труби Теплові труби Розташування блоків ТЕЦ Перевезення агента Зазвичай одна установка ТЕЦ у місці розташування біогазової установки (для нагрівання котла) і кілька супутникових ТЕЦ в кінці труби біогазу Біогаз Один або кілька когенераційних установок, централізованих за місцем розташування біогазової установки Гаряча вода компресором/деревом Газовий компресор Насос циркуляції води Кількість труб Труба Втрати Заходи підготовки Законодавчі рамкові умови Витрати Строк виконання Загальна адекватність Потрібна лише одна труба Газопроводи; стійкий до корозії; сталеві або синтетичні труби з антикорозійним покриттям Невеликі втрати газу Сушіння газу, десульфурація (95% CH 4. Це збільшує щільність енергії. Суть усього процесу полягає в технології очищення, яку можна класифікувати на чотири категорії. 65
SolarFuel-Alpha-Anlage, Штутгарт 250-кВт-Пілотна потужність, Штутгарт Audi-e-gas-Anlage, Werlte Demonstrations- und Innovationsprojekt RH2, Werder/Kessin/Altentreptow Рисунок 47: Поняття про електроенергію - в - газ 71
має критичну температуру 374 С (647 К), що є найвищою температурою, при якій може існувати рідка вода. Отже, в атмосфері при нормальних температурах газоподібна вода (відома як водяна пара) буде конденсуватися в рідину, якщо її парціальний тиск досить високий. Пари можуть співіснувати з рідиною (або твердою речовиною). Водяна пара: Водяна пара - це газоподібна фаза води. Див. Вт-пара (Вт): Стандартна одиниця виміру (у системі SI) щодо швидкості споживання енергії обладнанням або швидкості передачі енергії з одного місця в інше. Це також стандартна одиниця виміру для електроенергії. Термін "КВт" походить від "кіловат" або 1000 Вт. Термін "МВт" походить від "Мегават" або 1000000 Вт. Цеоліт: мікропористі алюмосилікатні мінерали, які зазвичай використовуються як комерційні абсорбенти. T: див. Різницю температур (Теплова гарантія) 84
Загальні одиниці перетворення Таблиця 11: Префікси для енергоблоків Коефіцієнт скорочення префікса Кількість Дека Так 10 Десять Гекто H 10² Сто Кіло K 10³ Міе Мега M 10 6 мільйонів Гіга G 10 9 мільярдів Тера T 10 12 Трильйонів пета P 10 15 Квадрильйон Exa E 10 18 Cvintilion 85
Таблиця 12: Перерахунок одиниць енергії (кіло-джоуль, кілокалорія, кіло-ват-година, тонна еквіваленту вугілля - TCE, кубічний метр природного газу, тонна нафтового еквівалента - пальця, барель, Британська теплова установка - BTU) кДж кВт-год TCE CH 4 м³ барель для ноги 1 кДж 1 0,2388 0,00 0278 3,4 0,00 10-8 0032 2,4 1,76 10-10 -8 7 1 ккал 4,1868 1 0,00 1163 14,3 0,00 10-8 013 7 1 10-7 7,35 10-1 квт-год 3 600 860 1 0,00 0123 3 0,11 0,00 0086 3 0,00006 1 TCE 29 308 000 7 000 000 0 8,14 1 924 0,70 52 1 м³ CH 4 31 736 7 580 6 8,81 0,00 1082 1 0,00 0758 0,0056 1 носок 41 868 000 10000 000 30 11,6 8 1,42 9 1, 31 1 7,4 1 барель 5694. 048 1360. 000 2 1,58 0,19 421 42 179. 6 0,13 1 1 BTU 1,055 Таблиця 13: Перетворення енергоблоків (кілокалорій на секунду, кіловат, кінська сила Англія - к.с., Pferdestärke = кінська сила DIN - PS) ккал/с кВт к.с. PS 1 ккал/с 1 4.1868 5.614 5.692 1 кВт 0.238846 1 1.34102 1.35962 1 к.с. 0.17811 0.745700 1 1.01387 1 PS 0.1757 0.735499 0.98632 1 Таблиця 14: Перетворення одиниці температури Одиниця за Цельсієм за Фаренгейтом за Цельсієм C - C = K 273,15 C = (F 32) 1,8 Kelvin KK = C + 273,15 - K = (F +459,67) 1,8 86
Фаренгейт FF = C 1,8 + 32 F = K 1,8 459,67 - Таблиця 15: Перетворення одиниць тиску (Паскаль, бар, технічна атмосфера, стандартна атмосфера, Torr, фунти на квадратний дюйм - psi) Па бар при атм Torr psi 1 Па 0,00001 0,000010 197 9,8692 0,00750 10 6 06 0,0001450 377 1 бар 100,0 00 1,0197 0,98692 750,06 14,50377 1 при 98,06 6,5 0,980665 0,967841 1 735,559 2 14,22334 1 атм 101,3 25 1,01325 1,0332 760 14,69595 1 Торр 133,3 224 0,001359 55 0. 789 0,0193367 8 1 psi 6894. 8 0,068948 0,070306 9 0,068046 51,7149 3 87