7. Техніко-економічне обґрунтування виготовлення та використання біологічно активних органо-мінеральних добрив

7.1. Біоенергетична оцінка біоконверсних комплексів

7.1.1. Обґрунтування критеріїв оцінки біогазових установок

Біоконверсні технології переробки органічної маси вирішують одночасно триєдину задачу за допомогою якої, одержують біопаливо у вигляді біогазу, зберігають оточуюче середовище від забруднення органічними відходами та одержують біологічно активні добрива і кормові добавки.

В залежності від першочергової потреби й умов, що склалися на конкретних тваринницьких фермах, комплексах і птахофабриках, на перше місце ставиться одна із задач, яку вирішує біогазова установка (БГУ), але при обов’язковому вирішенні всіх інших, у противному випадку використання БГУ у виробничих умовах малоефективне.

Основними продуктами біоконверсної переробки органічної маси є біогаз,біоактивні добрива та кормові добавки. Біогаз являє собою суміш різних газів, основний із них є метан процентне відношення його в загальній кількості біогазу складає( 50-75%)

Другим компонентом або продуктом переробки є зброджена біомаса, тобто органо-мінеральна речовина підвищеної поживності.

В результаті біоконверсії органічної маси в умовах анаеробного збродження, тобто без доступу повітря і при певних температурах відбувається трансформація органічних речовин та зокрема азоту в легкодоступні для рослин з’єднання, це зумовлює підвищення урожайності сільськогосподарських культур та покращення родючості ґрунтів за рахунок збільшення гумусу.

У результаті біоконверсії органічних відходів в тій або іншій мірі ( в залежності від технологічного режиму біоконверсії) відбувається знезараження відходів, а саме гинуть яйця та личинки гельмінтів. Крім того, біконверсна переробка в анаеробних умовах спричиняє істотну дезодорацію органічних відходів, знижуючи в десятки разів хімічне і біологічне споживання кисню при їх аерації в аеротенках та викликає повну втрату схожості насіння бур’янистих рослин.

Розроблені технології і створені на їх основі технічні засоби, тобто біоенергетичні установки БГУ, які представлені в розділі 1.2, мають потребу, для прийняття рішення їх використанні на практиці, в порівняльній оцінці тих чи інших установок та визначення найбільш ефективних та доцільних в експлуатації.

Для порівняльної характеристики БГУ застосовують різні підходи, критерії оцінки та методики визначення їх коефіцієнті ефективності.

Провівши аналітичні та експериментальні дослідження прийшли до висновку для того, щоб визначити коефіцієнт ефективності БГУ, зокрема виробництво біоенергії (біогазу) тою чи іншою установко необхідно визначити основні техніко-технологічні показники установок, що характеризують їх технічний і технологічний рівень.

7.1.2. Визначення коефіцієнта біоенергетичної ефективності біогазових установок.

Результати експериментальних досліджень і випробувань різних за конструкцією і технологією БГУ дозволили виділити їх найбільш значущі параметри, а саме: V - добовий вихід біогазу за період експлуатації , м³ /доб.,;V'_к — корисний об'єм біореактора, м³; N- витрати електроенергії на технологічний процес, кВт год/доб; у — доза завантаження БГУ біомасою, т/доб; W— вологість біомаси, %: Т_3б - температура збродження, °С.

Для визначення коефіцієнта ефективності БГУ к_еф необхідно визначити наступні параметри, які представлені в (табл. 1)

( п — час обертання біомаси в реакторі, діб, д - доля завантаження біомаси в реактор, %; вихід біогазу з абсолютно сухої органічної речовини (АСОР) м³/кг АСОР)

Таблиця 1.

Нормативні дані виходу біогазу з органічної маси,

яка отримана в сільськогосподарському підприємстві

Субстрат	Суха Речовина (СР),%	Із них органіч- на речовина(ОР),%	Біогаз л/кгАСОР	Склад метану,%	Метан л/кгАСОР
Рідкий гній худоби із залишками гною.	8	80	370	55	204
Рідкий гній худоби без залишок корму.	8	80	280	55	154
Свинячий гній.	6	80	400	60	240
Твердий гній худоби.	25	80	450	55	248
Пташиний посл, сухий без соломи.	45	75	500	65	325
Конячий гній без соломи	28	75	300	55	164

Для визначення коефіцієнта ефективності БГУ(k_ф) вихідна біомаса при її зброджуванні повинна мати такі фізико-хімічні та мікробіологічні показники:

• концентрація сухої речовини в субстраті не повинна перевищувати 50%

• лужність в межах 1500-5000

• кислотність рH=6,5-7,5

• вміст летучих кислот в межах 600-1500,

• температура зброджування субстрату в межах 33-54⁰С

• відношення поживних речовин в субстраті:

• C:N:P=75:5:1 або 125:5:1;

• C:N=10:1 або 30:1

• N:P=5:1

Витримавши вимоги до вихідної біомаси й експериментально, одержавши техніко-технологічні показники визначаємо коефіцієнт ефективності БГУ за слідкуючою методикою.

Одним із основних показників ефективності біоконверсії органічної маси в анаеробних умовах( без доступу повітря) при експлуатації БГУ є фактичний вихід біогазу за добу, тобто фактична кількість виробленої енергії (МДж)

Для розрахунку коефіцієнта ефективності БГУ(k_еф) необхідно його визначати за показниками, що характеризують технологічний процес біоконверсії органічної маси та вихід кінцевого продукту в нашому випадку це біоенергія у вигляді біогазу СH_4.

Кількість енергії Е_еф,яку виробляє БГУ за 1 м³ корисного об’єму біореактора визначаємо за формулою:

(1)

де: V_ф- кількість біогазу виробленого установкою за добу. м³/доб ,V_к- корисний об’єм реактора( V_к=V_бр 0,8), , теплотвірна спроможність біогазу , ( -=22-24 ,)

Для визначення максимально можливої енергії Е_{max ,}яку виробляє БГУ за добу скористаємося виразом:

(2)

Максимальну кількість біогазу, яку може продуктувати БГУ визначаємо за формулою:

( 3)

Максимальну кількість абсолютної сухої органічної речовини визначаємо за виразом:

(4)

де: , k₁- коефіцієнт, який визначає долю органічної маси в абсолютно сухій, k₂ – вихід біогазу з 1 кг абсолютної сухої органічної речовини,м³/кгАСОР(k₂= 0,3-0.6 м³/кгАСОР) ,W_Б- вологість біомаси,%

Витрати електроенергії Е₁ за добу при експлуатації БГУ визначаємо за таким виразом:

(5)

де: N- витрати електроенергії при експлуатації БГУ, , k₃- перевідний енергетичний коефіцієнт( k₁ =3,6), , V_k-корисний об’єм біореактора,

Витрати теплової енергії E₂ визначають за такою формулою:

(6)

де: - доза завантаження біореактора, т/доб, - перевідний коефіцієнт теплоємкості, , - різниця температур відносно збродження і вихідної температури біомаси( ,V_k -корисний об’єм біореактора,

Інші витрати енергії Е₃ визначаємо з виразу:

(7)

Витрати енергії для експлуатації БГУ у виробничих умовах визначаємо за такою формулою:

(8)

де: Е₁₌витрати електроенергії, ,Е₂₌ витрати теплової енергії. Інші витрати енергії , які необхідні для експлуатації БГУ визначаємо слідуючим чином

(9)

Для оцінки конструктивно-технологічних параметрів БГУ застосуємо вираз, за допомогою якого визначаємо питомий вихід біогазу з 1 кг АСОР установки

Р= , (10)

Таким чином, коефіцієнт енергетичної ефективності визначаємо за таки виразом:

(11)

де: - максимально можлива енергія, яку може виробити БГУ,МДж; - фактично вироблена енергія БГУ,МДж; - енергія, яку використовує БГУ для технологічних затрат ,МДж.