Устойчиво използване на топлинната енергия на инсталации за биогаз - PDF Безплатно изтегляне
Устойчиво използване на топлинната енергия в инсталации за биогаз
Благодарности Този наръчник е разработен като част от проекта BiogasHeat (IEE/11/025), подкрепен от Европейската комисия чрез Интелигентна енергия за Европа (IEE), програма, управлявана от Изпълнителната агенция за конкурентоспособност и иновации (EACI). Авторите биха искали да благодарят на Европейската комисия за подкрепата на проекта BiogasHeat, както и на справките BiogasHeat и партньорите за техния принос в наръчника. За предоставяне на изображения и графики авторите благодарят на следните компании: AgroEnergien (Burkhard Meiners), GE Energy (Roland Jenewein), LaTherm GmbH (Michael Schönberg), SCHNELL Motoren AG (Susanne Kerezsy), STELA Laxhuber GmbH (Nadine Sahlmann), Thermaflex Isolierprodukte GmbH (Jana Tanneberg-Kranz), TransHeat GmbH (Ronald Strasser), Tranter Solarice GmbH (Wolfgang Stürzebecher) и Verdesis Services UK LTD (Nick Sheldon). 2
3.4.1 CRC системи. 56 3.4.2 ORC системи. 57 3.4.3 Цикълът на Калина. 60 3.4.4 Стърлинг двигател. 61 3.4.5 Турбина за димни газове. 62 4 Иновационни концепции за ефективно преобразуване на биогаз. 63 4.1 Тръбопроводи за биогаз и сателитни когенерационни централи. 63 4.2 Кондициониране на биогаз и инжектиране на биометан в мрежата. 65 4.3 Транспортиране на биометан в контейнери. 67 4.4 Използване на биометан в транспорта. 68 4.5 Биогаз за управление на натоварването и стабилност на мрежата. 69 4.6 Биометан и електричество в газ. 70 5 Указания за опциите за използване на топлина. 72 6 Заключения. 74 Речник и съкращения. 76 Общи преобразуващи единици. 85 Библиография. 88 5
Уравнение 3 Уравнение 4 Уравнение 5 Q загубена топлина, загубена през повърхностите на дигенератора (диференцирана по загуби през стени, под и настилки) [kwh] Q операция Топлина, загубена през повърхностите на дигенератора и изходящия дигестат [kwh] Q усвоена топлина, загубена с изхвърлената дигестация [kwh] AUT thiha Повърхност на топлопреминаване [m²] Коефициент на топлопреминаване [W/m²K] Изменение на температурата (вътрешно-външно) [K] Време [часове] Коефициент на топлопреминаване чрез конвекция вътре в дигенератора [W/m²K] Коефициент на трансфер термична конвекция извън уреда [W/m²K] d 1 Дебелина на слоя 1 d 2 Дебелина на слоя 2 k 1 k 2 Топлопроводимост на първия слой [W/mK] Топлопроводимост на втория слой [W/mK ] Фигура 5: Схематична графика, показваща стената на варовик, включително термичен профил за студена зима (-18 С) (Източник: собствени данни; адаптирано от www.u-wert.net) 20
Фигура 11: Оборудване за свързване (включително топлообменник) на краен потребител, свързан към система за централно отопление в Ахентал, Германия (Източник: Rutz) Фигура 12: Монтаж на топлопровод към селскостопански сгради (Източник: ThermaflexIsolierprodukte GmbH) Основно топлоснабдяване В тази концепция операторът на инсталацията за биогаз доставя само наличната част от топлината от инсталацията за биогаз на потребителя на топлина. Операторът не гарантира пълното подаване на топлинна енергия. Следователно е необходимо потребителят на топлинна енергия да бъде оборудван с допълнителни нагреватели, които могат да се включат в случай на
Крива на времената на термично напрежение е подобна на тази на топлинното натоварване, но данните за напрежението са подредени в низходящ ред на величината, а не хронологично. Фигура 17 показва пример за кривата на продължителността на напрежението за централна централна отоплителна система. В допълнение, това показва колко топлинна енергия може да бъде доставена на базално ниво от инсталация за биогаз с мощност от 600 kw и приблизително 7200 работни часа. По този начин захранването с топлина при пиково натоварване трябва да се осигурява от друга система. Ако пълното захранване с топлинна енергия от инсталацията за биогаз трябва да бъде покрито, мощността трябва да бъде приблизително 1800 kw срок в този пример. Фигура 17: Пример за кривата на топлинния стрес на централна отоплителна система, интегрираща 600 кВт ТЕЦ 32
Коефициентът на топлинна нужда u е стойност за топлинната потребност на различните видове оранжерии и варира от 4,6 за оранжерии с двоен стъклопакет със смесена отоплителна система, до 10 за единични оранжерии, с фолиа и топлинни тръби, повдигнати по-горе почва. Трябва да се има предвид, че най-голямото търсене на топлина за оранжерии се случва през студения сезон, а именно през зимата, както и в края на есента и началото на пролетта. Освен това топлината, която се получава от инсталацията за биогаз, е по-ниска през студения сезон, тъй като е необходима повече енергия за отопление на дигестаторите. Съоръженията за съхранение на топлина могат да изравнят вариациите, но като цяло са много ограничаващи разходите. Необходими са подробни изчисления за точно проектиране на топлинните нужди на оранжерията. И накрая, трябва да се обмисли и използването на CO 2 от потока димни газове в когенерационната централа, тъй като CO 2 увеличава растежа на растенията. Фигура 19: Аклиматизирани оранжерии в Германия (Източник: Rutz) 36
на някои материали е представена в Таблица 6. Тази таблица включва и максималните температури на сушене. Таблица 6: Времена и температури на сушене за различни материали Материал Сезон на сушене Максимални температури на сушене [C] Горски дърва за огрев и дървени трупи Горски трупи и трупи Поддръжка на горски насаждения Зима 55 -150 Цяла година 55-150 Зима 55-150 Зърнени култури Юли 30-65 Август Лечебни растения и билки Храносмилателни и канализационни утайки 25-50 Октомври Цяла година 55-95 Има няколко различни технологии за сушене. Подходящите технологии за относително ниски температури на остатъчна топлина от инсталации за биогаз включват периодични сушилни (проходни), конвейерни сушилни, мобилни гребни сушилни (Таблица 7). 45
разширяване, където температурата и налягането му рязко спадат. Амонякът най-накрая отново навлиза в изпарителя, където произвежда охлаждащ ефект. По този начин цикълът е затворен. Фигура 29: Процес на типична абсорбционна хладилна инсталация с амонячно-воден хладилен агент 3.3.2 Централно охлаждане Централното охлаждане е подобно на централното отопление, но разпределя охладена вода вместо топлина. Въпреки че търсенето на охлаждане непрекъснато нараства поради по-високите стандарти за комфорт и по-високите температури, свързани с изменението на климата, централизираното охлаждане не е толкова ефективно, колкото централното отопление. Няколко европейски градове въведоха централизирани системи за охлаждане с цел намаляване на емисиите на парникови газове (Фигура 30). 53
Фигура 35 показва пример за ORC модул за инсталации за биогаз. В този пример устройството може да генерира до 125kW електричество от източник на топлина с приблизително 980kW срок. Минималната топлина е 121 C, докато по-голямата част идва от възстановяването на топлината от отработените газове, а по-малка част идва от предварително загряване на течността от охлаждащата верига на двигателя. Таблица 9: Характеристики на различните течности за термодинамични процеси Течност Критична точка [C] Критична точка [MPa] Температура на кипене [C] (при 1atm) Температура на разлагане [C] Вода 374,00 22,06 100,00 - Амоняк (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 n-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-перфлуоро- Пентан C 5 F 12 14,60 2,05 29,40-58
Фигура 32: ORC система (използваща R245fa) на инсталация за биогаз в Dublovice, Чехия (Източник: GE Energy) Фигура 33: ORC система (използваща R245fa) (преден контейнер) и генератори на биогаз (заден контейнер) на депо в Уорингтън, Великобритания (Източник: Verdesis Services UK Limited) Фигура 34: GE Energy Clean Cycle 125kW ORC Модулна диаграма (адаптирано от GE Energy) 59
Фигура 39: Начална точка на тръбопроводи за биогаз в сателитна централа за когенерация в Требон, Чехия (Източник: D. Rutz) Фигура 40: Тръбопровод за биогаз в сателитни блокове за когенерация (вляво) и система за микро отопление ( вдясно) 64
Таблица 10: Сравнение между различните характеристики на биогаз и топлинни тръби Характеристики Биогазови тръби Топлинни тръби Местоположение на блокове за когенерация Транспортиран агент Обикновено един блок за когенерация в местоположението на инсталацията за биогаз (за отопление на дигенератора) и няколко сателитни блока за когенерация в края на тръбата на биогаз Биогаз Един или повече когенерационни централи, централизирани в мястото на инсталацията за биогаз Топла вода от компресор/дърво Газов компресор Водна циркулационна помпа Брой тръби Загуба на тръби Мерки за подготовка Законодателна рамка Условия Разходи Зрелост на изпълнение Необходима е обща адекватност Газопроводи; устойчив на корозия; стоманени или синтетични тръби с антикорозионно покритие Малки загуби на газ Изсушаване на газ, десулфуризация (95% СН 4. По този начин енергийната плътност се увеличава. Същността на целия процес е технологията за пречистване, която може да бъде класифицирана в четири категории. 65
SolarFuel-Alpha-Anlage, Щутгарт 250-kW-Power-to-Gas-Piloting, Щутгарт Audi-e-gas-Anlage, Werlte Demonstrations- и Innovationsprojekt RH2, Werder/Kessin/Altentreptow Фигура 47: Концепцията за електричество - в - газ 71
има критична температура от 374 C (647 K), което е най-високата температура, при която може да съществува течна вода. Следователно в атмосферата при нормални температури газообразната вода (известна като водна пара) ще се кондензира в течността, ако нейното парциално налягане е достатъчно високо. Парите могат да съществуват едновременно с течност (или твърдо вещество). Водна пара: Водната пара е газообразната фаза на водата. Вижте ватови пари (W): Стандартна мерна единица (в системата SI) за скоростта, с която енергията се консумира от оборудването, или скоростта, с която енергията се прехвърля от едно място на друго. Това е и стандартната мерна единица за електричество. Терминът "KW" идва от "киловат" или 1000 вата. Терминът MW "идва от" мегават "или 1000000 вата. Зеолит: Микропорести, алумосиликатни минерали, често използвани като търговски абсорбенти. T: виж Температурна разлика (Термична гаранция) 84
Общи единици за преобразуване Таблица 11: Префикси за енергийни единици Фактор за съкращение на префикс Количество Дека Да 10 Десет Hecto H 10² Сто Кило K 10³ Хиляда Мега M 10 6 милиона Гига G 10 9 милиарда Tera T 10 12 трилиона Peta P 10 15 Quadrilion Exa E 10 18 Cvintilion 85
Таблица 12: Преобразуване на енергийни единици (килоджоули, килокалории, киловат вата на час, тон еквивалент на въглища - TCE, кубичен метър природен газ, тон петролен еквивалент, барел, британска термична единица - BTU) kwh TCE CH 4 m³ барел за пръсти 1 kj 1 0,2388 0,00 0278 3,4 0,00 10-8 0032 2,4 1,76 10-10 -8 7 1 kcal 4,1868 1 0,00 1163 14,3 0,00 10-8 013 7 1 10-7 7,35 10-1 kwh 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 m³ CH 4 31 736 7 580 6 8,81 0,00 1082 1 0,00 0758 0,0056 1 пръст 41 868 000 10 000 000 30 11,6 8 1,42 9 1, 31 1 7,4 1 барел 5,694. 048 1360. 000 2 1,58 0,19 421 42 179. 6 0,13 1 1 BTU 1,055 Таблица 13: Преобразуване на силови единици (килокалории в секунда, киловат, конски сили Англия - к.с., Pferdestärke = конски сили DIN - PS) kcal/s kw к.с. PS 1 kcal/s 1 4.1868 5.614 5.692 1 kw 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 Таблица 14: Преобразуване температурни единици Единица Целзий Келвин Фаренхайт s Целзий C - C = K 273.15 C = (F 32) 1.8 Kelvin KK = C + 273.15 - K = (F +459.67) 1.8 86
Fahre nheit FF = C 1,8 + 32 F = K 1,8 459,67 - Таблица 15: Преобразуване на мерните единици за налягане (Pascal, бар, техническа атмосфера, стандартна атмосфера, Torr, лири на квадратен инч - psi) Pa бар при atm Torr psi 1 Pa 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 Torr 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