Разработка технологии снижения (устранения) неприятных запахов от продуктов жизнедеятельности птицы. ускорения процессов их подготовки к использованию в сельском хозяйстве

Титульный лист и исполнители

РЕФЕРАТ

Отчет 287 с., 1 кн., 65 рис., 7 табл., 290 источн., 7 прил.

РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ, ПОМЕТ, ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ, БИОГАЗ, БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОДУКТЫ, ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ.

Объектом исследования является технология переработки птичьего помета способствующая, снижению (устранению) неприятных запахов от продуктов жизнедеятельности птицы, ускоряющая процесс их подготовки к использованию в сельском хозяйстве.

Цель исследований — повышение эффективности переработки отходов птицеводства на основе ресурсосберегающей механизированной технологии с получением биологически активныхудобрений, используемых для питания растений, регулировки плодородия почвы.

В процессе работы проводились экспериментальные исследования установок для анаэробного сбраживания помета и разделения сброженного субстрата.

В результате исследований было установлено, что:

процесс метанового сбраживания птичьего помёта способствует, снижению (устранению) неприятных запахов при этом в качестве рабочего органа для перемешивания применяется колоколообразный смеситель;

при концентрации сухого вещества 14 %, температуре брожения 324 К и степени температурной однородности Т/Т_опт 0,96 кратности циркуляции К_ц составляет 5,7, длительность переработки сократится на 24%;

рабочим органом для осуществления разделения сброженного субстрата служит фильтровальный барабан, совершающий качательное движение вокруг своей оси с определённой амплитудой и частотой.

С точки зрения экономической эффективности,окупаемость при внедрении биореактора составит 0,84 года, а установки для разделения субстрата 0,32 года.

Результаты исследований можно рекомендовать для внедрения в птицеводческие предприятия.

ВВЕДЕНИЕ

Укрупнение птицеводческих комплексов, применение бесподстилочного способа содержания птицы наряду с гидромеханическими и гидравлическими системами пометоудаления привело не только к существенному увеличению объемов производимого помета,но и огромной его концентрации в местах хранения. Неправильное хранение огромных объемов птичьего помета приводит к загрязнению окружающей среды, нарушению экологического равновесия и санитарно-эпидемиологического состояния на территориях, примыкающих к птицеводческим предприятиям. Так, например, суточный выход жидкого и полужидкого помета влажностью 85…95% на птицефабриках яичного направления средней мощности составляет в пределах200 м³ [234,]. Мировая и отечественная практика использования птичьего помёта показывает, что наиболее традиционной формой утилизации помета является использование его в качестве органического удобрения. Содержащиеся в нем гумусовые вещества улучшают структуру почвы и способствуют увеличению плодородия.

Однако непосредственное внесение в почву птичьего помёта с птицеводческих комплексов затруднено вследствие:

1. Наличияпатогенной микрофлоры опасной для здоровья людей и животных (неудовлетворительные санитарно-гигиенические характеристики), а также присутствия большого количества семян сорных трав (негативные агротехнические характеристики)птичьего помёта;

2.Содержания огромного количества потенциальной энергии (20000 кДж/кг АСВ) и питательных веществ (N, P, K), вызывающих при внесении птичьего помёта стрессовое состояние у почвенных микроорганизмов, призванных в природе завершить разложениеорганических отходов;

3.Отрицательного воздействия на окружающую среду – распространение резкого запаха, загрязнение грунтовых вод и заражение почвы болезнетворными микроорганизмами.

Перечисленные негативные стороны существующей проблемы накопления, хранения и традиционного использования птичьего помета показывают, что научные исследования, связанные с решением данной проблемы, являются актуальными, при этом немаловажным является создание комплексной технологии, позволяющей заметно снизить порог запаха при переработке птичьего помета и получении дополнительных полезных продуктов, которые можно использовать при выращивании сельскохозяйственных культур.

1 ИЗУЧЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ ОБЩЕРОССИЙСКОЙ И МИРОВОЙ ПРАКТИКИ АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ ОТХОДОВ ПТИЦЕВОДСТВА

1.1 Технологические особенности производства птичьего помёта и анализ его физико-механических свойств

Птичий помет – материал, органического происхождения, обладает физико-механическими и химическими свойствами, которые определяют его дальнейшую переработку и применение.

По своим физико-механическим свойствам помет представляет собой полидисперсную систему, состоящую из жидких, твердых и газообразных веществ [32]. Основную часть помета составляет дисперсная среда – влага, представленная мочой и технологической водой. Ее количество определяет влажность исходного помета [1, 4, 251]. Дисперсная фаза в помете представлена калом, остатками кормов и семенами различных сорных растений. Данная часть определяет химический состав исходного помета [104]. Газообразная часть состоит из пузырьков газов, получаемых в результате деятельности разнообразных микроорганизмов. На вид жидкий помет представляет собой липкую массу серо-зеленого цвета с включениями коллоидов [87].

Фракционный состав дисперсной фазы помета таков: основная масса представлена частицами размером 0,1…1 мм, 30 % – это частицы размерами 0,1 мм и менее, и остальная часть – это микроорганизмы и мелкая органическая взвесь [86].

В исходном птичьем помёте содержится значительно меньше воды, чем в навозе крупного рогатого скота и свиней. В зависимости от влажности различают помёт:

— подстилочный, состоящий собственно из птичьего помёта и подстилочного материала, применяемого при напольном содержании птицы на глубокой подстилке; влажность подстилочного птичьего помёта равна 15…40 %; количество подстилочного птичьего помёта, получаемого в РФ, примерно составляет 30…40 % от общей массы всего производимого [162, 178];

— нативный влажностью 65…73 % получают при клеточном содержании птицы; уборка помета может быть скребковая или ленточная без предварительной подсушки [165,167];

— полужидкий и жидкий влажностью 85…95 %, получают при скребковой уборке и клеточном содержании кур-несушек, при грубом нарушении технологической дисциплины; имеет характерный неприятный запах [102].

Влажность птичьего помёта зависит от возраста и породы кур, условий их содержания, кормления, применяемого оборудования, и от соблюдения технологической дисциплины работниками отрасли [141]. Ее значение в исходном помете влияет на содержание питательных веществ.

Таблица 1.1 – Влияние влажности на содержание питательных веществ в птичьем помёте

Влажность птичьего помёта, %	Содержание питательных веществ, %
Влажность птичьего помёта, %	N	P₂O₅	K₂O
70	1,20	0,75	0,60
50	2,00	1,25	1,00
30	2,80	1,75	1,40
14	4,00	2,50	2,00

По своему химическому составу птичий помёт является неоднородной сложной структурой, которая представлена на Рисунок 1.1.

При пересчёте на сухое вещество (СВ) в птичьем помёте содержится сырого протеина – 30,2…35,6 %, сырой клетчатки – 12,3…14,3 %, безазотистых экстрактивных веществ (БЭВ) – 30,0…37,6 %, жира – 3,4…5,0 % и золы – 11,5…16,6 % [166]. Высокая концентрация в нём (до 70 %) питательных веществ в форме органических соединений делает его наиболее ценным органическим удобрением по сравнению с навозом других сельскохозяйственных животных [212].

Рисунок 1.1– Химический состав птичьего помёта

Ценность птичьего помёта как удобрения зависит от рациона кормления птицы. Для предварительных расчётов, согласно РД-АПК 1.10.15.02-17, следует руководствоваться следующими данными по содержанию азота, фосфора и калия в процентах от массы свежего помёта: азот общий – 6,2 %, фосфор (P₂O₅) – 3,5 %, калий (K₂O) – 2,1 % [175, 190]. Для определения удобрительной ценности помёта рекомендуется рассчитывать количество биогенных веществ, учитывая содержание жидкого и сухого вещества в каждой фракции. При этом общее содержание азота в жидкой фракции птичьего помёта принимается равным 50 %, фосфора – 40…50 %, калия – 70…80 %. Также в птичьем помете содержатся микроэлементы:магний (Mg), сера (S), марганец (Mn), медь (Cu), цинк (Zn), хлор (Cl), бор (B), железо (Fe) и молибден (Mo) [111].

Сырой птичий помёт является не только быстродействующим эффективным органическим удобрением, но и опасным источником загрязнения и заражения окружающей среды: почвы, водных источников, воздушного бассейна, что создает неудобства жителям населенных пунктов в процессе его транспортировки, хранения и внесения в почву.

Кроме питательных веществ в сыром птичьем помете содержится огромное количество семян сорных трав. В 1 тонне такого сырья содержится до 10 тыс. семян сорняков, которые, пройдя через желудочно-кишечный тракт птицы, не теряют способности к прорастанию [170]. Семена сорняков, внесённые с сырым птичьим помётом, сохраняют всхожесть в течение 10 лет и более. Однократное запахивание в почву необработанного птичьего помёта приводит к обильному посеву и всходам семян сорняков в течение нескольких лет.

Также в сыром жидком помете содержится болезнетворная микрофлора, которая является основной причиной инфекционных заболеваний среди животных и опасна для людей. Патогенные микроорганизмы, попадая в водоёмы, приводят к вспышкам инфекционных заболеваний среди людей. Исследованиями установлено, что вода в водоёмах, расположенных вблизи птицеводческих комплексов имеет индекс кишечной палочки выше 90 %, в 16,7 % исследованных пробах обнаружены патогенные бактерии кишечной группы, в 21,5 % встречались шигеллы, сальмонеллы, возбудители туберкулёза и различные вирусы [4].

Согласно ст.1 № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления» птичий помет относится к категории отходов как продукт, который образуется в результате производственной деятельности птицефабрик [176], поэтому он подлежит сбору, хранению, утилизации и захоронению (согласно требованиям, ст. 51 2002 № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды»).

Но приведенные ранее характеристики исходного птичьего помета согласно ГОСТа 31461-2012 «Помет птицы. Сырье для производства органических удобрений. Технические условия» [229] переводят его в категорию сырья, которое можно использовать для производства новых органических удобрений и других полезных продуктов. Для этого необходимо иметь надлежащие технологические разработки, которые максимально используют весь его потенциал для получения полезных продуктов, с целью снижения себестоимости, производимой основной продукции.

Поэтому в дальнейшем рассмотрим способы переработки птичьего помета, из которых можно будет сконструировать комбинированную технологическую схему его переработки с максимальным использованием, заключенных в нем питательного и энергетического потенциала.

1.2 Современные способы переработки птичьего помёта

В настоящее время существует множество различных способов переработки помета, различающихся по конечному результату использования его питательного и энергетического потенциала. Существует три направления переработки птичьего помёта: физические, химические и биологические (Рисунок 1.2).

Рисунок 1.2– Классификация способов переработки птичьего помёта

Их физических способов можно выделить тепловые, механические и электрические [175, 305].

Тепловой способ переработки птичьего помёта широко использовался в период советской экономики, когда цена на энергоносители была очень низкой. В настоящее время он применяется за редким исключением, когда птицефабрика расположена вблизи крупных населённых пунктов и решить проблему утилизации помета другими способами нет возможности. Одним из распространённых способов тепловой обработки был метод искусственной сушки в барабанных и распылительных устройствах. К положительным чертам этого способа можно отнести значительное уменьшение массы исходного сырья и улучшение санитарно-гигиенических характеристик (устранение зловонного запаха). Отечественными учёными были разработаны агрегаты для сушки птичьего помёта типа УПП-100, ОПП-2, УСПП-1 [169, 170]. В качестве агрегата сушки в них применяются дымовые газы от сжигания дизельного топлива или природного газа с температурой 650…900 °С. В настоящее время производителем из Китая выпускается серия барабанных сушилок С-2, -6, -7, -8, -9 для исходного помета, которые можно заказать в случае необходимости решения проблемы его переработки [233].

В последнее время за счёт усовершенствования барабанных сушилок способ тепловой сушки птичьего помёта находит применение в некоторых странах Европейского Союза (ЕС). Так, румынские специалисты фирмы«ZAHORGANIC» совместно с китайским производителем Shanghai Exceed Industry разработали барабанную сушилку, которая снабжена турбулизаторами (завихрителями), что значительно интенсифицирует процессы тепло- и массообмена[83]. Основным продуктом данной технологии является обезвоженный птичий помёт в виде сухой крошки или гранул, упакованный в мешки, его легко хранить и транспортировать. Основная задача, которая решается технологией сушки – это снижение экологического давления на земельные территории вокруг больших городов, которое выражается в снятии таких негативных сторон как полное обеззараживание помета и значительное снижение порога зловонного запаха [69].

В основномптичий помет,получаемый с птицеводческих комплексов для кур-несушек, имеет влажность 85…93 % и более. Его тепловое обезвоживание требует огромного количества энергетических затрат,например, тепловая сушка 1 тонны птичьего помёта влажностью 90 % требует 480 кг затрат условного топлива, поэтому широкого применения данный способ в настоящее время не нашел [170]. Его можно использовать только в исключительных случаях, где нет возможности использовать другие виды его переработки.

Среди механических способов обезвоживания птичьего помёта наиболее распространенными являются отстаивание, центрифугирование, фильтрование и сепарирование.

Разделение птичьего помёта в отстойниках (фильтрование) происходит медленно, причём большая часть мелких и твёрдых коллоидных частиц не осаждается. Так по данным исследователей [302] скорость осаждения мелких частиц в птичьем помёте составляет 6,410⁷ м/с, поэтому устройства, работа которых основана на этом принципе имеют низкую производительность.

Несколько эффективнее процесс разделения (центрифугирование) птичьего помёта протекает в отстойных центрифугах типа ОГШ 352К-06/07 или ЦН-Ф-50 и УОН-Ф-835 Б [190, 266]. В них во время отделения влаги органические вещества не успевают разложиться, и газообразование не препятствует разделению птичьего помёта. Скорость осаждения частиц птичьего помёта при центрифугировании значительно больше, потому что фактор разделения достигает значений 3140. Исследованиями инженеров [319] установлено, что при разделении отходов сельскохозяйственных животных оптимальное значение фактора разделения должно находиться в пределах 1000…1500. Превышение указанных пределов ведёт к значительному увеличению затрат электроэнергии в процессе центрифугирования. Влажность твёрдой фракции (ТФ) птичьего помёта после разделения на упомянутых устройствах составляет 72…85 % [321].

Механическое обезвоживание птичьего помёта значительно отличается от обезвоживания навоза КРС и свиней в силу специфики физико-механических характеристик птичьего помёта.Наличие коллоидных частиц в помете не способствует качественному проведению процесса на существующих установках [35].

Для обезвоживания отходов в настоящее время применяются шнековые пресс-сепараторы разных производителей[275]. В итоге получаютжидкуюфракцию помета влажностью 94…97 %,а такжетвердую фракцию влажностьюне более 80 % и более. Последнюю в дальнейшем используют для компостирования [33, 34] или сжигают в сушильных установкахдля получения агента сушки исходного помета [126, 127].Жидкуюфракцию после дополнительного разбавления водой вносят на поля [117].

Как видим, только механическая обработка самостоятельно не может решить проблемупереработкиптичьего помёта. После егоразделения остаётся твёрдый органический осадок влажностью 70…80 %, обладающий теми же недостатками, что и исходное сырьё, а именно высокой влажностью и наличием в нём огромного количества болезнетворных бактерий, семян сорных трав, иЖФ с влажностью 96…98 %, причем как твердая, так и жидкая фракции обладают тем же резким запахом, что и исходное сырье.

Из электрических способов обработки птичьего помёта можно выделить электроосмос и СВЧ-обработку [199, 285]. Электроосмос используется для снижения влажности птичьего помёта и частично для обеззараживания, а вот неприятный запах помета так и остается. Способ основан на движении под действием электрического поляжидкости относительно твердой органики. Основным недостатком способа является большой расход электроэнергии. СВЧ-обработка птичьего помёта позволяет также снижать его влажность, а кроме того частично производит обеззараживающий эффект. В настоящее время оборудования для указанных способов не выпускается, поэтому они не нашли применения на практике [123].

Использование химических средств при переработкептичьего помёта применяется для профилактики возможного распространения инфекционных заболеваний и заражения гельминтами животных и людей. По мнению многих специалистов [103, 161, 162] этот способ только обеззараживает помет, является дорогостоящим из-за большого расхода препаратов и высокой их стоимости. Кроме того, удобрительные свойства помёта ухудшаются, а в некоторых случаях обработанный птичий помёт должен храниться более трёх лет на специальных площадках.

Перечисленные способы переработки птичьего помёта в различные формы органических удобрений или кормовые добавки позволяют в той или иной степени решить поставленные задачи, но достигается это за счёт дополнительных затрат энергии, нерационального использования энергетического и химического потенциала сырьяи отрицательного воздействия на окружающую среду (распространениянеприятных запахов в округе и патогенная зараженность получаемых продуктов).

По мнению многих отечественных и зарубежных специалистов наиболее перспективный путь решения проблемы переработки огромных объёмов птичьего пометадолжен предусматривать создание малоотходного или безотходного производства[246], что является эффективной формой ресурсосбережения при производстве сельскохозяйственной продукции [143].

Поскольку безотходное производство практически невозможно создать, поэтому основными критериями, оценивающими эти технологии, будут:

— отходы, которые не нарушают естественное функционирование природных систем, т.е. экологическая ситуация вокруг птицефабрик стабильно устойчивая;

— на каждом этапе переработки отходов, получаемый продукт является сырьем для последующей его переработки в новый полезный продукт;

— и так до полного замыкания цепочки и получения окончательных продуктов, используемых в сельскохозяйственном производстве;

— попутно решаются проблемы обеззараживания продуктов и максимальной их дезодорации.

В основе такого решения должны применяться биологические способы переработки сырья, призванные в природе завершать разложение органических отходов [220]. К ним относятся: различные виды компостирования, аэробная и анаэробная переработка птичьего помёта.

Компостирование является традиционной формойпереработки и утилизации животноводческих отходов. К отрицательным сторонам этого способа следует отнести потери питательных веществ и энергии. В зависимости от срока хранения потери азота и фосфора соответственно составляют 25…50% и 20…40% [286]. Одновременно с азотом в атмосферу улетучивается большое количество водорода и углерода. Из одной тонны органического вещества влажностью 80% за 6 месяцев хранения теряется 45 кг углерода и 6,6 кг водорода, что эквивалентно 2,44 ГДж [20, 171]. В настоящее время существуют такие способы компостирования:

Большая влажность получаемого птичьего помёта несколько ограничила применение этого способа ввиду использования огромных объёмов абсорбирующих материалов (торфа, опилок, соломы и т.п.). Поэтому данный способ переработки птичьего помёта практикуется на птицефабриках, расположенных вблизи массового скопления этих наполнителей. Кроме того, для выполнения комплекса технологических и санитарно-ветеринарных требований при компостировании необходимы бетонированные площадки, навесы над компостными буртами, система отвода атмосферных осадков и т.п. А это по экономическим соображениям птицефабриками зачастую игнорируется и продукт на выходе получают не качественный.

Использование калифорнийского червя для переработки птичьего помёта получило широкое распространение в Северной Америке, а также Англии, Японии, Италии[164]. В России для этой цели вывели свою селекцию червя – «старатель». Такая обработка преследует три цели: утилизацию птичьего помёта, получение кормового белка и повышение плодородия почвы. Широкого распространения вермикомпостирование не получило из-за климатических и технологических условий.

Ускоренное компостирование птичьего помёта стало развиваться сравнительно недавно. Были разработаны ряд технологий, оборудование, позволяющее значительно интенсифицировать данный способ, который заключается в усилении аэрации компостной смеси с постоянным её перемешиванием. Это дало возможность сократить длительность переработки птичьего помёта с шести месяцев до нескольких суток [122, 123, 161, 196, 300].Основным недостатком данной технологии является потребность в больших количествах наполнителей и добавок.

Аэробная обработка, эффективно использующаяся обычно при обработке бытовых и сточных вод,положительных результатов при переработке птичьего помёта не дала. Такой переработке подвергается птичий помёт высокой влажности. Активный ил, образующийся в аэротенках в процессе биологической обработки, отличается выраженной санитарной эпидемической опасностью. В зависимости от погодных условий плотность бактерий вблизи аэротенков составляет 1…1,5 тыс. бактерий на 1м³, на расстоянии 300м – 400…500 тыс. бактерий на 1 м³ [189]. В результате аэротенки становятся источниками микробного заражения.

Перспективным направлением переработки птичьего помёта является технология, основанная на микробиологическомразложении органической части птичьего помёта в анаэробных условиях – анаэробное (метановое) сбраживание.

Применение данного способа переработки птичьего помёта имеет ряд преимуществ:

1. В результате анаэробного сбраживания выделяется биогаз – энергетическое сырьё, состоящее на 50…70% из метана (СН₄) и 30…50% из углекислого газа (СО₂) с теплотворной способностью 21… 25 МДж/м³ [17, 84, 85];

2. Анаэробная переработка птичьего помёта приводит к минерализации питательных веществ: азота, фосфора и калия, а также к их сохранению в легкоусвояемых формах [15, 86, 208];

3. В процессе анаэробного сбраживания происходит обеззараживание птичьего помёта от патогенной микрофлоры и полное подавление всхожести семян сорных трав [75, 200, 201];

4. Сброженный птичий помёт (СПП), получаемый в процессе переработки, лишён резкого неприятного запаха и готов к непосредственному внесению в почву [221].

5. Использование анаэробной переработки птичьего помёта позволяет в дальнейшем подготовить его для извлечения из СПП новых биологических продуктов[70, 264].

В итоге применяя данный способ переработки птичьего помета можно сконструировать совместно

1.3 Анализ современных технологий анаэробной переработки отходов сельскохозяйственных животных

Огромный опыт в области получения биогаза из отходов сельскохозяйственных животных для удовлетворения локальных энергетических потребностей имеется в странах Азии и Тихого океана: Китай, Индия, Южная Корея, Таиланд и т.д. [17, 32, 60, 70, 84, 119, 138, 147, 175, 223, 307, 337].

Китай в настоящее время является мировым лидером по внедрению технологий производства биогаза. Суммарный выпуск биогаза в стране составляет 14 млрд. м³/год. По данным компании Abercade, занимающейся аналитикой в области исследования мирового рынка биогаза, на данный момент наибольшее количество биогазовых установок (БГУ) действует в Китае более 30 млн. шт. Следует отметить, что основная доля биогазовых установок в Китае приходится на бытовой сектор – около 99 % [4, 33]. В основном это мелкие биогазовые установки с рабочим объёмом биореактора 6…10 м³, используемые в крестьянских хозяйствах. Производимый биогаз используется на бытовые нужды этих хозяйств. Имеются также крупные биогазовые установки (более 100 тыс.), эксплуатируемые коммунами [293].

За ним на второй позиции находится Индия, на территории которой работает около 10 млн. установок малого объема. Эти биогазовые установки, находящиеся во владении одной семьи. В будущем число таких биогазовых установок мощностью 1,72 м³ биогаза в сутки планируется довести до 18,75 млн. [101]. В тоже время в Индии ведутся работы по созданию крупных БГУ с объёмом биореакторов от 100 до700 м³. Производство биогаза в стране предполагается увеличить до объёма, который обеспечит на 44% потребность страны в электроэнергии, 15% – в угле и 79% – в древесном топливе [222].

Вафриканских странах сегодня работает 2 млн. биогазовых установок. Получаемый биогаз идет на мелкие бытовые нужды, а твердый остаток используется в качестве органических удобрений [8].

Подобно Китаю и Индии биогазовые установки (БГУ) сооружаются в соседних с ними странах Тихоокеанского региона. Так в Южной Корее работает около 55 тыс. БГУ, в Пакистане 436 ед., в Непале – чуть меньше 200 установок, в Таиланде – 95 шт. [223].

Более успешный промышленный опыт по использованию процесса анаэробной переработки отходов животноводства на биогазовых заводах, основанный на автоматизированном и механизированном управлении технологического процесса, наблюдается в экологически развитых странах Западной Европы и Северной Америки.

После принятия закона об энергетике в странах ЕСежегодный объём производимого биогаза увеличивается не менее чем на 20%. В настоящее время объём получаемого биогаза составляет чуть более 12,0 млн. т н.э. На данный момент встранах ЕС действует свыше 14000 установок с годовым производством биогаза 13,5 млрд. м³. Лидером по производству биогаза по праву считается Германия – 8,2 млрд. м³. В ряде стран ЕС созданы промышленные фирмы, специализирующиесянапромышленном выпуске БГУ.Выпускаются, биогазовые установки с различной ёмкостью биореакторов от 7 м³ до 1000 м³и более [178].

Данные Немецкой биогазовой ассоциации приводят количество действующих БГУ в Германииравноене менее 9 000 шт. Три из шести крупнейших европейских компаний в биогазовой отрасли – это немецкие фирмы: «Strabag Umweltanlagen GmbH», «Schmack Biogas AG» и «Biotechnische Abfallverwertung». В их распоряжении находятся более 280 заводов с объёмом производства биогаза равным 3,7 млн. т н.э. По прогнозаманалитиков рынка биогаза, количество установок в Германии в2020 г. достигнет 20 тыс. шт. Перспективное конструирование установок идёт по принципу двухступенчатого сбраживания сырья и усовершенствования технологий перемешивания и подогрева. По расчетам западногерманских специалистов при анаэробной переработке всего годового объёма отходов сельскохозяйственных животных и птицы можно получить энергию, равную 4 % общенациональной потребности[273].

Италия является второй страной после Германии по количеству биогазовых установок. В 2009 году, когда в Италии была введена новая льготная политика для возобновляемой энергетики, в стране наблюдается ускоренное развитие биогазового рынка. В 2011 году 667 заводов производили биогаз, из них 200 установок осуществляли сбор свалочного газа. В 2015 году вклад энергии, произведённой из биогаза составил 545 МВт установленной мощности, что соответствует 2,397 ГВт·ч валовому производству электричества[273].

Успешно развивается строительство БГУ в Великобритании, Голландии, Дании, Норвегии, Польши, Словакии, Франции, Чехии, Финляндии, Швейцарии, Швеции. Научные исследования в этих странах направлены на создание новых конструкций установок, которые позволят наиболее оптимально организовать процесс анаэробного сбраживания отходов животноводства и птицеводства. По масштабности применения биогаза лидирует Дания: данный вид топлива обеспечивает почти 20 % энергопотребления страны.

Вопросами создания БГУ в США занимается ряд научных учреждений и фирм. Для мелких и средних животноводческих ферм, являющихся основными производителями продукции, разработаны и выпускаются серийные и внутрифермерские установки, рассчитанные на переработку навоза от 100 до 200 голов коров или 1000 голов свиней [8].

В 2000 году в стране за счёт переработки отходов сельскохозяйственных животных и птицы с малых и средних животноводческих ферм было получено 582 млн. м³ метана [33].

Большое внимание в США в последнее время уделяют переработке отходов животноводства непосредственно на крупных фермах и комплексах. В настоящее время в США действует 171 биогазовая установка на молочно-товарных фермах для выработки электроэнергии. Суммарная установленная мощность этих биогазовых объектов составляет 100 МВт. Наибольшее их количество приходится на штат Висконсин – 26 шт., 23 биогазовые установки действуют в Нью-Йорке и 22 – в Пенсильвании. Предполагаемая суммарная электрическая мощность всех этих хозяйств составляет 13 млн. МВт·ч/год, которая способна заместить 1670 МВт энергии, выработанной ископаемым топливом. Особый интерес представляют очистные сооружения, принадлежащие компании «DEW FRECH EGGS». На них перерабатываются отходы от 1,2 млн. кур-несушек и 10 тыс. КРС в количестве 50 тыс. тонн в год [119].

Исследования отечественных и зарубежных специалистов [17, 24, 32, 38 71, 84, 114, 119, 120, 113, 124, 196, 300] показали, что наиболее перспективный путь решения проблемы переработки отходов птицеводства и животноводства должен предусматривать создание малоотходного или полностью безотходного производства. В основе такого решения лежит переработка отходов птицеводства и животноводства с помощью биологических способов, которые призваны в природе завершить деструкцию органических веществ сельскохозяйственных отходов [81]. Их совместное применение с другими способами переработки органики на различных этапах позволяет максимально использовать химический и энергетический потенциал перерабатываемого сырья. Комбинированное применение различных способов переработки органики позволяет организовать безотходную ресурсосберегающую переработку птичьего помёта/навоза с получением новых биологических продуктов. В качестве примера такой технологии можно привести ресурсосберегающую технологию переработки птичьего помёта/навоза, разработанную сотрудниками кафедры машины и технологии АПК Ставропольского государственного аграрного университета [173-179, 228].

В основе технологической разработки лежит микробиологическая деструкция органической части птичьего помёта/навоза в анаэробных условиях – метановое сбраживание. Применение других способов переработки органики при утилизации птичьего помёта/навоза позволяет максимально использовать химический и энергетический потенциал этого сырья с получением новых биологических продуктов. Одновременно решаются задачи обеспечения охраны окружающей среды, санитарно-гигиенического благополучия птицеводческих и животноводческих комплексов и использования нетрадиционных источников энергии.

Предложенный нами технологический процесс утилизации состоит из пяти этапов (Рисунок 1.3).

На первом этапе происходит подготовка исходного сырья для процесса анаэробного сбраживания. Птичий помёт/навоз в количестве суточной дозы загрузки в биореактор закачивается в подогреватель-выдерживатель.

$H:\Все по КД\0001\$Folder000C7B2D\Схема технологии отчет .jpg$

Рисунок 1.3 – Предлагаемая технологическая схема ресурсосберегающей

утилизации птичьего помёта/навоза

Подогрев исходного сырья осуществляется до температуры анаэробного сбраживания его в термофильном режиме. На этом этапе гетерогенная группа анаэробных бактерий «первичные анаэробы» подвергают ферментативному гидролизу сложные многоуглеродные вещества. Результатом деятельности этих микроорганизмов является подготовка птичьего помёта/навоза к анаэробному сбраживанию.

На втором этапе подготовленное сырье подвергается «качественному» сбраживанию в анаэробных условиях. В процессе сбраживания выделяется биогаз, содержащий 60…80 % метана (СН₄) и 40…20 % углекислого газа (СО₂) [17]. Биогаз используют для получения электроэнергии или теплоносителя (горячей воды). Сброженный птичий помёт/навоз обеззаражен от патогенной микрофлоры, лишен резкого запаха, а семена сорных трав, находящиеся в нём, полностью лишены всхожести.

Следует отметить, что во время метанового сбраживания химические соединения минерализуются, в результате чего в сброженном птичьем помёте/навозе практически полностью сохраняются питательные вещества. Содержание питательных веществ в сброженном птичьем помёте/навозе 15 % влажности (по АСВ) составляет азота – 8…12 %, фосфора – 8…10%, калия – 2…4 %, в нём также содержится более 30 различных макро- и микроэлементов, необходимых для полноценного развития растений [178,179].

В процессе анаэробного сбраживания в птичьем помёте/навозе происходит развитие микроорганизмов p. Bacillus и Staphylococcus, для которых характерна способность вырабатывать антибиотические вещества и подавлять рост фитопатогенных грибов и патогенных микроорганизмов. Так культуры Bacillus pumilus и Staphylococcus hominis подавляют фитопатогенные грибы рода Fusarium sp., Bipolaris sp. и Sclerotinia sp. более чем на 50…80 %. Представители p. Bacillus развиваясь в ризосфере растений, используют корневые выделения, обеспечивая быструю хелатизацию минеральных солей, снимая «ионную блокаду» корня, возникающую в результате избытков ионов. Кроме того, бактерии p. Bacillus способны стимулировать рост и увеличивать урожай растений [183].

Деятельность бактерий метаногенной ассоциации, осуществляющих анаэробное сбраживание, ведёт к насыщению сброженного птичьего помёта/навоза гумусовыми и гуминовыми веществами, синтезу витаминов В₁, В₂, В₆, В₁₂ и растительных гормонов – индолилуксусной кислоты, гиббереллина, зеатина и предшественника индолилуксусной кислоты – триптофана. В результате удобрительное действие сброженного птичьего помёта/навоза выходит на совершенно другой качественный уровень [178].

На третьем этапе сброженный птичий помёт (СПП) разделяется способом принудительной фильтрации на жидкую фракцию (ЖФ) влажностью 98…99 % и ТФ – влажностью 58…65 %, состоящую из частиц органического вещества СПП/Н. Процесс обезвоживания осуществляется в устройстве, в качестве рабочего органа которого применяется фильтрующий барабан, совершающий качательные движения. Таким образом, на этапе получают два промежуточных продукта ТФ СПП и ЖФ СПП, причём жидкая фракция является уже готовым продуктом – экологически чистым биологически активным удобрением (ЭКОБАУ) [7, 173, 178]. Содержание большого количества питательных веществ в ЭКОБАУ дает возможность использовать их в качестве жидких органических удобрений. Наличие в ЭКОБАУ продуктов жизнедеятельности бактерий метаногенной ассоциации позволяет также использовать их в качестве протравителя семян, стимулятора роста растений, и как средство для борьбы с заболеваниями зерновых культур (корневые гнили, септориоз колоса, головни) [179-181].

Четвёртый этап – приготовление экологически чистых гранулированных органических удобрений (ЭКОГОУ) из ТФ СПП. Для этого используется способ влажного гранулирования (Приложение ). Для реализации способа применяется шнековый пресс со сборной прессующей матрицей, состоящей из двух частей: прессующей и релаксационной. Способ влажного гранулирования позволяет получать гранулы влажностью 54…58 % при плотности не менее 1255 кг/м³. Гранулы по размеру, плотности, прочности и крошимости полностью удовлетворяют требованиям технических условий на гранулированные органические удобрения [178, 264].

Пятый этап – сушка гранул ЭКОГОУ. Гранулы в процессе влажного прессования нагреваются до температуры 50…60 ºС, их влажность составляет 54…58 %. Для доведения гранул до товарного вида (влажность 12…14 %) используется процесс охлаждения и сушки. Для реализации процесса разработано устройство – ленточная сушка с регулируемым воздушным потоком. На выходе получают готовый продукт – гранулированные органические удобрения с характеристиками: влажностью 12…14%, прочностью – не менее 2,5 МПа, плотностью – не менее 1126 кг/м³ и крошимостью – не более 1,5 %. Это достигается за счёт обдува влажных и нагретых гранул воздушным потоком. В процессе обдува создается темп охлаждения нагретых гранул и совместно с теплом из гранулы выводится влага [180-182].

Предложенная технология утилизации птичьего помёта/навоза позволяет полностью переработать его в новые биологические продукты с переходом в них той или иной доли питательных веществ и энергетического потенциала, первоначально находящихся в исходном сырье. В итоге это позволило решить народнохозяйственную проблему утилизации огромных объемов птичьего помёта/навоза, вырабатывающегося на птицеводческих и животноводческих комплексах страны. Попутно решаются задачи охраны окружающей среды и санитарно-эпидемиологического состояния территорий вблизи комплексов.

1.3.1 Обзор биогазовых установок, анализ факторов, влияющих на процесс метаногенеза

Простейшей и наиболее широко распространенной является биогазовая установка под названием «Габор» (Рисунок 1.4).

1 – животноводческое помещение; 2 – загрузочная горловина; 3 – навоз;

4 – газосборник; 5 – бродильная камера; 6 – сброженный навоз; 7 – отбор

сброженного навоза; 8 – водяная пробка; 9 – газопровод; 10 – манометр

Рисунок 1.4– Биогазовая установка «Габор» (Китай)

Работает она в дискретном режиме однокамерных установок колодезного типа. Подогрев и перемешивание не применяются, процесс протекает стихийно и бесконтрольно. Используются в мелких хозяйствах, расположенных в районах с тёплым климатом. Продолжительность переработки отходов – 40 дней, выход биогаза от 0,3 до 0,5 м³ на 1 м³ камеры сбраживания [175].

Установки Швейцарской фирмы «HUC АG» снабжены пластиковыми цилиндрическими биореакторами объёмом 60, 80, 100 м³(). Свежее сырье загружают одновременно в среднюю и верхнюю части биореактора. Подогрев осуществляют от змеевика, расположенного в нижней части биореактора, при помощи тёплой воды [71]. Схема установки не предусматривает перемешивающих устройств. Считается достаточным естественная циркуляция отходов, вызванная подогревом в нижней части биореактора. Продукция биогаза с 1 м³ биореактора составила 0,6 м³.

1 – биореактор; 2 – переливная камера; 3 – сливная труба; 4 – змеевик;

5 – сборник сброженного навоза; 6 – сливной трубопровод;

7 – водонагреватель; 8 – водяные пробки; 9 – газовый счётчик;

10 – нормализатор газа; 11 – газопровод; 12 – манометр; 13 – питающая труба

Рисунок 1. 5 – Биогазовая установка (Швейцария)

Одновременное наличие системы перемешивания и подогрева животноводческих отходов в процессе сбраживания воплощено в индийской установке с биореактором ёмкостью 100 м³ (рисунок 1.5).

1 – резервуар; 2 – трубопровод подачи; 3 – трубопроводы горячей воды;

4 – змеевик; 5 – площадка змеевика; 6 – трубопровод выгрузки; 7 – приёмник сброженного навоза; 8 – газопровод; 9 – перекрытие газосборника;

10 – электропривод насоса; 11 – уровень навоза в биореакторе

Рисунок 1. 6– Биогазовая установка (Индия)

В качестве подогревателя в центре биореактора установлен змеевик, внутри которого помещён шнековый насос. При работе насос засасывает отходы из нижней части биореактора и подаёт их в верхнюю часть, осуществляя, таким образом, перемешивание. Работа насоса не регламентирована. В общих чертах установка сохраняет черты примитивных БГУ. Сбраживание отходов длится 15…20 дней при мезофильном режиме протекания процесса 33…35 °С, выход биогаза составляет 0,6…0,7 м³ на 1 м³ биореактора [84].

В конструкции БГУ института физики и математики Молдавии использована система, обеспечивающая более стабильное поддерживание температуры по всему объёму сбраживаемых отходов за счёт интенсивного перемешивания (рисунок 1.6). Техническое несовершенство перемешивающих устройств, и при этом неэффективное использование объёма биореактора за счёт размещения в нём громоздких технологических элементов не способствовали внедрению БГУ в практику [20].

Проточный цикл работы БГУ с целью предотвращения проскока, не прореагировавшего сырья в удалённый шлам, был осуществлён в установках систем «Липп» и «Райки», используемых в Германии. В них используют цилиндрические горизонтально расположенные биореакторы.

1 – водонагреватель; 2, 3 – питатель; 4 – резервуар; 5 – приёмная ёмкость; 6 – щит управления; 7 – нормализатор биогаза; 8 – гидравлический

затвор; 9 – газгольдер; 10 – манометр; 11 – газовый счётчик; 12 – биореактор;

13 – блок контроля; 14 – труба; 15 – насос; 16 – терморегулятор

Рисунок 1.7– Биогазовая установка (Молдова)

1 – насос; 2 – обшивка биореактора; 3 – теплоизоляция; 4 – внутренняя

обшивка со змеевиком; 5 – устройство удаления осадка; 6 – бетонная

стенка; 7 – привод мешалки; 8 – трубопровод удаления сброженного шлама;

9 – ограничительная перегородка; 10 – щиток удаления плавающей корки;

11 – мешалка; 12 – люк загрузки твёрдой фракции; 13 – трубопровод биогаза

Рисунок 1.8 – Биогазовая установка «Липп» (ФРГ)

Биореакторы системы «Липп» снабжены механической мешалкой, основной целью которой является перемещение свежего сырья по длине биореактора. Объём биореакторов составляет 60 м³ (рисунок 1.7).

Потери тепла при сбраживании снижаются за счёт применения трёхслойных стенок биореактора: внутренняя облицовка двухслойная с каналами для теплоносителя, наружная выполнена из теплоизоляционного материала. Торцевые стенки биореактора железобетонные. Выход биогаза равен 0,9 м³ на 1 м³ биореактора.

БГУ системы «Райки» (рисунок 1.8) имеет горизонтальный цилиндрический биореактор вращающийся на двух опорах. Он помещён в железобетонную ванну с подогреваемой водой. Перемешивание отходов происходит лопастной мешалкой, закреплённой внутри биореактора, и вращения последнего на двух опорах. Выход биогаза 2 м³ на 1 м³ биореактора. Приведённые схемы установок широкого применения не нашли ввиду недостаточно стабильного температурного режима сбраживания, неоправданно сложной конструкции и больших эксплуатационных затрат на их содержание.

1 – навозоприёмник; 2 – трубопровод подачи биогаза для перемешивания;

3 – шнек подачи навоза; 4 – герметизирующая вставка; 5 – опора; 6 – биореактор; 7 – теплообменник; 8 – бетонная ванна; 9 – шнек выгрузки сброженногосубстрата; 10 – газопровод; 11 – канал удаления жидкой фракции;12 – теплоизоляция; 13 – электропривод биореактора; 14 – водяная ванна

Рисунок 1. 9– Биогазовая установка «Райки» (ФРГ)

Осуществление проточного режима работы в вертикально расположенных цилиндрических биореакторах, а также разделение процесса анаэробного сбраживания на кислотогенную и метаногенную фазы стало возможным в БГУ, работающих по принципу Шмидта-Эггерглюса (рисунок 1.9) [10].

газ к потребителю

1 – животноводческое помещение; 2 – смеситель; 3 – насос; 4 – трубопровод сброженного навоза; 5 – биореактор; 6 – переливная труба;

7 – гидравлическая насадка; 8 – ёмкость для хранения навоза; 9 – газгольдер

Рисунок 1. 10– Биогазовая установка Шмидта-Эггерглюса (ФРГ)

Установка снабжена двумя биореакторами вместимостью каждого по 6000 м³, предназначенными для проведения той или иной фазы брожения. Подогрев отходов осуществляется острым паром, подаваемым через насадку перемешивающего устройства. Последнее выполнено в виде телескопической системы труб с гидравлической насадкой, совершающей возвратно-поступательные и вращательные движения. Перемешивание проводится 1…4 раза в день по 10…15 минут. Температура сбраживания 30…35°С при экспозиции 20…25 суток. Выход биогаза – 0,8…0,9 м³ на 1 м³ объёма биореактора. Усовершенствованный вариант БГУ системы Шмидта-Эггерглюса применялся в Чехии с 1973 года [307].

1 – навозоприёмник; 2 – насос; 3 – газовый подогреватель;

4 – компрессоры; 5 – газгольдер; 6 – биореакторы; 7 – трубопровод жидкой

фракции; 8 – центрифуга; 9 – твёрдая фракция; 10 – промежуточная ёмкость;

11 – накопительная ёмкость; 12 – активатор; 13 – отстойник; 14 – отделитель

Рисунок 1.11– Биогазовая установка (ЧССР)

Аналогичная конструкция БГУ действовала с 1987 по 1996 гг. в Эстонии [5]. Максимальный выход биогаза на данной установке достиг значения чешской БГУ и составил 1 м³ на 1м³ объёма биореактора. Негативной стороной чешской и эстонской БГУ, на наш взгляд, является огромный объём биореакторов, не позволяющий создать оптимальные температурные условия для жизнедеятельности бактерий метаногенной ассоциации, что заметно снижает интенсивность метаногенеза.

Дальнейшее развитие система двухступенчатого сбраживания нашла в БГУ с горизонтально расположенным биореактором, имеющим поперечные перегородки. Такое конструктивное решение было использовано финскими специалистами фирмы «Энбом» при изготовлении БГУ «АВЕ» [208]. Биореактор установки (рисунок 1.11) представляет собой горизонтально расположенную ёмкость объёмом 60, 120 или 175 м³, разделённую на 4 секции в поперечном направлении. Перемешивание происходит за счёт особенностей направленного течения отходов, создаваемого загрузкой свежего сырья и выгрузкой сброженного шлама. Подогрев сбраживаемой среды осуществляется в первой секции при помощи водяного радиатора. Продолжительность брожения 8…12 дней, температура сбраживания – 54 °С, выход биогаза достигает 2 м³ с 1 м³ объёма биореактора.

1 – смесительное устройство; 2 – насос подачи навозной жижи;

3 – водяной радиатор; 4 – резервуар для навозной жижи; 5 – перегородки;

6 – уровень навоза; 7 – выгрузной трубопровод; 8 – газовая ёмкость;

9 – газовый трубопровод; 10 – реакторный сосуд

Рисунок 1. 12 – Биогазовый реактор «ABE» (Хельсинки)

БГУ подобной конструкции было изготовлено специалистами предприятия «Огре» совместно с учёными Института микробиологии им. Д. Кирхенштейна в Латвии (рисунок 1.12) [24].

на обогрев помещений

1 – ёмкость для свежего навоза; 2 – ёмкость для шлама; 3 – биореактор;

4 – газгольдер; 5 – котёл; 6 – ёмкость для подготовки навоза; 7 – бойлер

Рисунок 1.13– Принципиальная технологическая схема биогазовой установки на ферме «Пападерс» совхоза «Огре» (Латв. ССР)

В отличие от финской установки перемешивание сбраживаемых отходов происходит с помощью мешалки расположенной в нижней части биореактора. Для иммобилизации микроорганизмов в последних двух секциях размещены специальные контейнеры. Температура брожения поддерживается нагревательным устройством, которое расположено по всей длине биореактора в виде змеевика на внутренней стенке корпуса. Сбраживание идёт при температуре 54 °С, выделение биогаза составляет 2,55 м³ с 1м³ объёма биореактора. При переработке животноводческих отходов с содержанием сухого вещества, превышающим 6 %, их разводят водой, чтобы обеспечить гидродинамические условия движения сбраживаемой среды из секции в секцию.

Исследования по интенсификации процесса анаэробного сбраживания [84] показали, что на скорость процесса метаногенеза значительное влияние оказывает рациональный способ перемешивания и предварительная подготовка сырья к сбраживанию. Экспериментальная БГУ (рисунок 1.13) имеет биореактор объёмом 10 м³ и выдерживатель – 3 м³.

1 – насос; 2, 14 – промежуточные ёмкости; 3 – измельчитель-нагреватель;

4 – выдерживатель; 5, 6 – управляемые клапаны; 7 – вакуумный насос;

8 – пеносборник; 9 – газовый клапан; 10 – биореактор; 11 – дозатор;

12 – смеситель; 13 – насос; 15 – питающий патрубок; 16 – отборный патрубок

Рисунок 1. 14 – Биогазовая установка ВНИИКОМЖ

Для обеспечения высокой активности метановых бактерий производится периодическое перемешивание массы вакуумным устройством (10 минут перемешивание, 20 – пауза). Температура брожения – 40 °С. Выход биогаза составляет 3,7 м³ на 1 м³ биореактора.

Комплект оборудования К-Р-1-9 «Кобос» для анаэробной переработки навоза имеет 2 горизонтально расположенных биореактора объёмом 125 м³ каждый. Навоз проходит предварительную подготовку в подогревателе-выдерживателе: нагревается до температуры сбраживания (40 °С) в выносном теплообменнике и перемешивается винтовой мешалкой. Продолжительность брожения 5 и более суток, выход биогаза 2…3 м³ с 1 м³ биореактора [119].

Биореактор германской фирмы «МВБ» (рисунок 1.14) изготовлен в форме вертикального цилиндрического резервуара ёмкостью 300…500 м³ разделённый плёночной пластиковой кольцевой перегородкой на две зоны, сообщающиеся в нижней части биореактора. Навоз подогревается в выносных теплообменниках. Перемешивание гидравлическое, осуществляемое за счёт перетекания навозных стоков из зоны в зону. БГУ предназначено для переработки навоза влажностью 94 % и выше. Выход биогаза составляет 4 м³ с 1 м³ биореактора [17].

1 – смеситель с теплообменником; 2 – теплообменник; 3 – биореактор;

4 – плёночная перегородка; 5 – фильтр биогаза; 6 – устройство отчистки

от сероводорода; 7 – компрессор; 8 – газгольдер;

9 – газовая магистраль; 10 – энергоблок

Рисунок 1. 15– Схема установки МББ (ФРГ)

Из анализа представленных схем биогазовых установок следует, что основное внимание при их конструировании уделяется технологическим элементам, которые способствуют поддержанию параметров процесса метаногенеза в пределах близких к оптимальным по всему объёму сбраживания. Это позволяет сократить время переработки сырья, уменьшить объём биореакторов и получить максимальный выход биогаза.

Основными элементами установок являются биореактор (метантенк), нагревательные и перемешивающие устройства.

Исходя из особенностей технологического процесса брожения, к биореакторам предъявляются следующие требования: герметичности и коррозионной стойкости стенок, совершенства теплоизоляции, надёжности загрузки и выгрузки. Форма, размер и конструкция биореакторов влияют в основном на расход сбраживаемой среды при заполнении и степень её сбраживания. Наиболее характерные формы биореакторов показаны на рисунке 1.15. Выбор той или иной формы зависит от параметров исходного сырья и от его влажности. Так, в вертикально расположенных биореакторах цилиндрической формы обычно сбраживают исходное сырье влажностью 90 % и ниже. Биореакторы с горизонтальным расположением в основном применяют для сбраживания сырья влажностью выше 90 %. Объясняется это соответствием форм биореакторов гидродинамическим законам движения сбраживаемой среды, обладающей определенными характеристиками.

а – овальная; б – цилиндрическая; в – цилиндроконическая;

г – наклонно-горизонтальная

Рисунок 1.16 – Формы ёмкостей биореакторов

Однако самостоятельно конструкция биореактора не может оказать решающее значение на степень устойчивости процесса метаногенеза, так как её влияние на управление факторами самого процесса незначительное [71].

Наиболее значимое влияние на процесс сбраживания оказывают процессы нагревания и перемешивания сбраживаемой среды.

Как известно, процесс анаэробного сбраживания идёт с поглощением теплоты. Чтобы получить необходимую для процесса брожения температуру и по возможности поддерживать её на постоянном уровне, следует, прежде всего, подогреть исходное сырьё до нужной температуры и, в дальнейшем, дополнительно компенсировать тепловые потери. С этой целью необходимо разделить процессы брожения на два этапа. На первом будет идти гидролизная и кислотогенная фазы в подогревателе-выдерживателе, а на втором в биореакторе – заключительная фаза анаэробного сбраживания органики – метаногенез с образованием биогаза.

Поскольку, перепады температуры, а также неравномерное распределение в сбраживаемой среде бактерий метаногенной ассоциации отрицательно влияют на ход технологического процесса, подвод теплоты необходимо сочетать с интенсивным перемешиванием. Для этих целей в биореакторах предусматриваются перемешивающие устройства. Схемы применяемых перемешивающих устройств в биореакторах приведены на [17, 305].

Механические перемешивающие устройства в виде вращающихся мешалок (рисунок 1.16, а) во избежание застойных зон предъявляют высокие требования к форме ёмкости биореактора. Такие мешалки могут эффективно и с допустимым расходом энергии использоваться в биореакторах малых размеров при воздействии на тяжёлые сбраживаемые среды. При сбраживании животноводческих отходов с малой вязкостью, склонных к осаждению, механические мешалки оказываются эффективными и в относительно крупных биореакторах [119].

а– механические, б– гидравлические, в– барботажные

Рисунок 1. 17 – Схемы перемешивающих устройств в биореакторах

В биореакторах большого объёма, особенно цилиндрической формы, животноводческие отходы обычно перемешивают гидравлическим способом (рисунок 1.16, б). В многочисленных зарубежных биогазовых установках хорошо зарекомендовала себя система с подвижным соплом [348]. При горизонтальном направлении сопла, которое вращается вокруг своей оси и может перемещаться вдоль неё, струя жидкости проникает во все зоны рабочего объёма биореактора.

Гидравлические системы с неподвижным соплом требуют тщательного выбора места установки в соответствии с размерами и формой биореактора, чтобы обеспечить достаточное перемешивание во всех зонах биореактора [328].

Хорошее качество перемешивания можно получить, нагнетая произведённый в результате брожения биогаз в жидкую сбраживаемую среду (рисунок 1.16, г). При этом она не должна обладать большой вязкостью и быть склонной к образованию поверхностной корки [293].

Применение того или иного способа перемешивания определяется конкретными технологическими условиями: необходимой степенью перемешивания, вязкостью сбраживаемой среды, формой и размерами биореактора, конструкцией перемешивающего устройства. Кроме того, необходимо учитывать губительное воздействие на бактерии метаногенной ассоциации кратковременных изменений давления среды, которые возникают в перемешивающих устройствах при высоких скоростях перемешиваемых слоёв [137].

1.3.2 Основные технологические элементы биогазовых установок

Окончательное преобразование органики происходит на третьей стадии анаэробного процесса при участии метанобразующих бактерий. Эти реакции протекают одновременно, причем метанобразующие бактерии предъявляют к условиям своего существования значительно более высокие требования, чем кислотообразующие [61, 154]. В основе этих реакций, в конечном счете, лежат управляемые биохимические процессы превращения веществ как внутри организма, так и вне него. Сложные биохимические превращения обеспечивают получение требуемого количества продуктов жизнедеятельности бактерий, выход которых зависит от скорости процесса.

В общем виде производительность процесса метанового брожения характеризуется изменением во времени нарастающего количества конечного продукта – биогаза. Математическое описание производительности процесса (U) имеет вид [54, 58]:

, (1.1)

где G – текущее количества продукта;

t – длительность процесса.

Уравнение (1.1) характеризует вид процесса, но не отражает технологических характеристик. Поэтому для расчетов наиболее часто применяют общее уравнение скорости процесса, выраженное через степень превращения основного вещества:

, (1.2)

где k – константа скорости процесса;

ΔC – движущая сила процесса.

Движущая сила процесса ΔC для гомогенных реакций определяется концентрацией вещества, потребляемого в лимитирующей реакции. Текущая концентрация этого вещества зависит от концентрации органических веществ (OВ) в сбраживаемой среде [52].

В промышленных условиях ведения процесса метанового брожения концентрация органического вещества в помёте/навозе является величиной постоянной и зависит от технологии содержания животных. Следовательно, производительность процесса метаногенеза определяется константой скорости процесса k. Константа скорости процесса выражает зависимость скорости процесса от его физических характеристик. Для процессов, протекающих в кинетической области, а именно таким является процесс метаногенеза, эта зависимость выражается уравнением Аррениуса [16]:

, (1.3)

где k₀ – предэкспоненциальный множитель;

Е – энергия активации, Дж/моль;

К – молярная постоянная, Дж/(моль·град);

Т – температура, К.

Анализ уравнения (1.3) показывает, что метаболическая активность и репродуктивная способность бактерий метаногенной ассоциации находится в функциональной зависимости от температуры.

Исследованию влияния температуры на процесс газообразования и выявлению наиболее эффективных температурных пределов сбраживания посвящены работы Г.Д. Ананиашвили [9], В. Баадера [17], Н.А. Баркера [325], С. Бушфилда [326], Н.Д. Иерусалимского [97], Е.Н. Мишустина [198], Д.Р. Чена [323], А.Г. Хашимото [342] и др.

В природе метаногены существуют в широком диапазоне температур − от 0 до 97 °С [139]. Обычно выделяют три температурных интервала жизнедеятельности бактерий: психрофильный, мезофильный и термофильный. Границы интервалов разные исследователи определяют по-разному, но большинство придерживаются следующих значений: психрофильный – до 20 °С; мезофильный – 20…40 °С и термофильный – 50…60 °С [149, 154, 161]. Оптимальное значение температурных интервалов не имеет фиксированного значения и зависит от качественного состава сбраживаемого сырья, вида животных.

Для мезофильных бактерий оптимальное значение температуры составляет 30…35 °С [17, 51, 47]. Свыше 40 °С наблюдается резкое снижение продукции биогаза и, поэтому считают, что мезофильные бактерии достигли своих пределов развития [138].

Оптимальный уровень температуры для термофильных штаммов составляет по данным [17, 22, 43] 43…55 °С, но не выше 60 °С [46]. О преимуществах термофильного режима сообщалось многими исследователями [81, 86]. К основным достоинствам данного режима относят большее выделение биогаза на единицу сбраживаемой камеры и полное обеззараживание перерабатываемого сырья от болезнетворных бактерий, а также 100 % потерю всхожести семян сорных трав [17, 9, 104, 120]. Однако при анаэробном сбраживании помета/навозапри температуре 50…60 °С наблюдается некоторая неустойчивость процесса.

Колебания температуры, особенно её резкие перепады, оказывают негативное воздействие на скорость образования биогаза, а, следовательно, и получение качественного сброженного сырья. Этому вопросу посвящены работы М. Брайнта [328], С. Бушфилда [346], В.Х. Варела [358], И.Б. Креписа [132], А.В. Фишера [338]. Всеми исследователями отмечается, что даже незначительные колебания температуры (3…4 градуса) резко сказываются на интенсивности процесса метаногенеза.

Так Ф.Р. Хаукер [344] при сбраживании помета/навозав мезофильном режиме поддерживал температуру 35 ±1 °С, выход биогаза при этом изменялся от 0,37 до 0,51 м³ с 1 кг органического вещества.

И.Б. Креписом [132] были проведены исследования по влиянию температуры на скорость метаногенеза в мезофильном режиме на примере бактерий Methanococcue Maz’ei. Выход биогаза с 1 кг сухого органического вещества в зависимости от температуры изменялся в пределах, указанных в таблице 3.1.

Таблица 1.2 – Выход биогаза в зависимости от температуры

Температура, °С	10	15	20	25	30
Выход биогаза, л	450	530	610	710	760

Автор отмечает, что даже кратковременное изменение температуры заметно снижает интенсивность газовыделения. При снижении температуры метаногенеза распад органического вещества замедляется от 20 дней при температуре 32 °С до 120 дней при 8 °С.

Особенно резко снижается интенсивность процесса метаногенеза при брожении в термофильном режиме, так как скорость газовыделения в этом случае выше и поэтому ответная реакция бактерий на снижение или увеличение температуры соответственно больше [138, 149, 150].

Многие исследователи считают, что при 35…38 °С допустимое колебание (неравномерность) температуры составляет ± 2,8 градуса, а при 53…55 °С – ± 1 градус [154, 163].

Следовательно, температурный интервал существования белковых структур клеток бактерий метаногенной ассоциации очень мал и при повышении или понижении температуры даже на 2 градуса необходимо время для их адаптации к новым температурным условиям, что выражается в конечном итоге снижением производительности процесса.

На практике, как известно, равномерное температурное поле в сбраживаемой среде создать не удается не только ввиду несоответствия способов и систем подогрева, но и особенностей теплопередачи в ней. Подогрев сбраживаемого сырья в биореакторе происходит через стенку нагревательного устройства, что аналогично явлению теплообмена между жидкостью (в данном случае сбраживаемой средой) и твердой поверхностью (стенкой теплоносителя) (рисунок 3.1) [14, 178].

Q – тепловой поток; t_c – температура сбраживаемой; t_я– температура ядра сбраживаемой среды; Δt– перепад температур; среды у стенки;

δ – тепловой пограничный слой

Рисунок 1.18– Схема процесса теплообмена между сбраживаемой средой и поверхностью теплоносителя в биореакторе

Особенность данного процесса состоит в том, что передача теплоты в сбраживаемой среде осуществляется не только одновременным действием теплопроводности и конвекции, но и за счет ее движения, происходящего в результате выделения биогаза. Их совокупное действие носит название конвективного теплообмена или теплоотдачи.

Внутренний механизм явления теплопереноса объясняется на основе молекулярно-кинетических представлений: перенос энергии осуществляется вследствие теплового движения и энергетического взаимодействия между микрочастицами, из которого состоит сбраживаемая среда. Тепловое состояние отдельных частей в ней различно и в этом случае температура t является функцией координат х и у при установившемся процессе:

t = f (х, у). (1.4)

Одинаковые температуры точек в сбраживаемой среде образуют изотермические поверхности, которые не пересекаются друг с другом (рисунок 3.2).

t + ∆t; t; t – ∆t – изотермы; n – нормаль

Рисунок 1. 19– Изотермические поверхности

При этом изменение температуры в сбраживаемой среде наблюдается в направлениях, пересекающих изотермические поверхности. Причем, резкое изменение происходит в направлении нормали n к поверхностям [99].

Предел отношения изменения температуры Δt к расстоянию между изотермами Δn представляет температурный градиент:

. (1.5)

Наличие температурного градиента обусловливает неоднородность температуры в сбраживаемой среде. Формирование температурной неоднородности в ней осуществляется около поверхности теплоносителя. При этом образуется слой (δ), в пределах которого происходит основное изменение температуры сбраживаемой среды от значения равного температуре поверхности теплоносителя t_c до температуры ядра сбраживаемой массы t_я. Называется этот слой тепловым пограничным слоем.

Для области внутри теплового пограничного слоя справедливо условие:

на внешней границе и вне него

При неоднородном температурном поле в сбраживаемом объеме скорость метаногенеза будет складываться из скоростей процесса в точках сбраживаемой среды с различной температурой. Отличие температур в этих точках от оптимального значения заметно снизит микробиологическую активность метановых бактерий, а значит и общую скорость процесса метаногенеза в помете/навозе.

Следовательно, интенсивность процесса метаногенеза определяется закономерностями распространения теплоты в сбраживаемой среде.

На основании вышеописанного можно сделать вывод, что выбор формы биореактора, в котором будет реализовываться процесс анаэробного сбраживания помёта/навоза, находится во взаимосвязи с выбором нагревательного и перемешивающего устройств. Оптимизация их позволит создать оптимальный температурный режим анаэробного сбраживания с целью интенсификации процесса метаногенеза в сбраживаемой среде, и повышения производительности применяемого оборудования.

С этой целью нами предложена конструктивно-технологическая схема устройства для анаэробного сбраживания птичьего помета/навоза, позволяющая оптимизировать температурные воздействия на перерабатываемое сырье и таким образом осуществлять процесс при оптимальных режимах сбраживания с получением сброженных отходов для дальнейшего извлечения из них новых биологических веществ.

1.4 Способы и установки для разделения сброженного птичьего помета

1.4.1 Классификация существующих способов и средств обезвоживания дисперсных средств

Для разделения сброженного птичьего помёта (СПП) на твёрдую фракцию (ТФ) и жидкую фракцию (ЖФ) используют механические способы, которые можно представить двумя видами: осаждением и фильтрованием. Осуществляются они под воздействием различных действующих сил (рисунок 1.19) [7].

Разделение птичьего помёта путём принудительного фильтрования через пористую перегородку, способную задерживать твёрдые частицы и пропускать жидкость, широко применяется в технологических линиях переработки отходов. Фильтрование осуществляется в полях механических сил: гравитационных, инерционных (центробежных) и поверхностных сил давления [39, 143, 158, 273].

Наиболее простым и распространенным способом разделения птичьего помёта является подсушка в отстойниках и отстойниках-накопителях в естественных условиях. Отходы с влажностью от 90 до 99 % по илопроводящему лотку поступают на иловую площадку [122]. Влага из отходов частично испаряется, а частично фильтруется через дренажный слой из песка, гравия и просачивается в грунт. Осадок, подсушенный до влажности 75…80 %, удаляется механизированными средствами.

Рисунок 1. 20– Классификация способов и существующих средствразделения сброженного птичьего помёта на твёрдую и жидкую фракции

Разделение отходов на фракции происходит под действием гравитационных сил давления. Этот способ имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, он требует огромных территорий, которые можно использовать для выращивания сельскохозяйственных культур. Во-вторых, он зависит от климатических и гидрологических факторов, что негативно влияет на окружающую среду, и при этом происходят потери питательных веществ.

Важным показателем работы оборудования, характеризующим его разделяющую способность, и работающих по принципу осаждения или фильтрования суспензий под воздействием поля сил тяжести, центробежных и инерционных сил, является индекс производительности [268]. Поскольку процесс осаждения или фильтрования осуществляется в поле сил тяжести, то индекс производительности определяется из выражения:

Σ = F, (1.6)

где Σ – индекс производительности;

F – площадь поверхности осаждения или фильтрования, м³;

а при разделении в поле центробежных или инерционных сил:

Σ = F · F_r, (1.7)

где F_r – фактор разделения, показывающий во сколько раз ускорение

центробежного или инерционного поля выше гравитационного.

Индекс производительности является также основным показателем, влияющим на производительность этого оборудования [269]:

Q = a’ · Σ, (1.8)

где а’ – параметр, характеризующий свойства дисперсной среды и условия процесса осаждения или фильтрования.

Таким образом, для разделения СПП на жидкую и твёрдую фракции при одинаковых условиях фильтрования или осаждения сравнительный анализ потенциальных возможностей различного оборудования можно произвести по величине индекса производительности и другим показателям, отнесённым к единице индекса производительности (таблица 1.3) [7, 39, 102, 113].

Таблица 1.3 – Результаты анализа существующих средств разделения

СПП на фракции по величине индекса их производительности

Вид процесса	Наименование машин и сооружений	Площадь поверхности осаждения или фильтрования, м2	Фактор разделения	Индекс производительности, м2
осаждение	Отстойник вертикальный из сборного железобетона (т.п. 902-2165)	28,3	1	28,3
	Отстойник горизонтальный с оборудованием ОСС-25	35,0	1	35,0
	Отстойник-накопитель	3150	1	3150
	Осадительная центрифуга ОГШ-502-К-04	1,2	2000	2400
фильтрование	Помётохранилище с камерой фильтрации (т.п. 815-19)	15,0	1	15,0
фильтрование	Вибрационный фильтр ИВ-87	0,72	до 4	2,9
фильтрование	Грохот вибрационный барабанный ГБН-100	1,65	до 4	6,6
	Дуговое сито ВНИПТИМЭСХ	5,4	1	5,4
	Вибрационный грохот ГИЛ-52	7,9	до 4	31,6
	Фильтрующая центрифуга ВНИИМЖ	0,85	100	85,0

Анализ данных таблицы 1.3 показывает, что среди оборудования для разделения СПП на фракции, работающего как по принципу осаждения, так и фильтрования, лучшие показатели имеют центрифуги. Также выявлено, что величина индекса производительности центрифуг обуславливается фактором разделения, а процесс разделения в любой из существующих центрифуг происходит по одинаковой технологии. Например, единичный объём СПП поступает на фильтрующую поверхность ротора и движется вместе с ним или вдоль него под воздействием различных сил. При движении происходит выделение ЖФ СПП, и образование на поверхности ротора ТФ, а также дополнительный отжим ЖФ из пор осадка, и частично механическая сушка ТФ – все три стадии центробежного фильтрования. На первой стадии в момент загрузки СППв ротор скорость фильтрования максимальная. Далее она резко снижается. Снижение на первой стадии связано с увеличением слоя ТФ на фильтрующей перегородке, что влечёт увеличение сопротивления течению ЖФ, при этом давление фильтрования по мере уменьшения слоя СПП над ТФ снижается. Следовательно, значительная часть фильтрующей поверхности ротора в зоне первого периода фильтрования используется непроизводительно. Этот недостаток присущ всем фильтрующим центрифугам как при перемещении объёма СПП вдоль ротора (центрифуги с инерционной, пульсирующей, шнековой выгрузкой), так и вместе с ним (центрифуги с ножевой выгрузкой).

Вместе с тем при центрифугировании дисперсных сред с низким содержанием ТФ, каковым является СПП, важно обеспечить высокую скорость фильтрования именно в первом периоде, так как в это время отделяется основная часть объёма жидкости. Для этого необходимо мгновенно удалять с фильтрующей перегородки образующуюся ТФ и, таким образом, повышать давление фильтрования.

Разделение СПП способом принудительного фильтрования через пористую перегородку, способную задерживать ТФ и пропускать ЖФ, широко применяется в технологических линиях обработки птичьего помёта на птицеводческих комплексах [104]. Принудительное фильтрование почти полностью освобождает СПП от грубодисперсных частиц (ТФ) и в этом отношении имеет преимущество перед другими способами разделения таких суспензий.

Такое фильтрование осуществляется в полях механических сил: гравитационных, инерционных и поверхностных сил давления. Принудительное фильтрование под действием гравитационных сил осуществляется в барабанных и дуговых ситах, инерционных сил – в виброгрохотах, виброфильтрах, центрифугах; поверхностных сил давления – в фильтр-прессах и вакуум-фильтрах [102, 122].

Инерционные наклонные грохоты широко применяются для разделения жидких отходов, полученных на животноводческих фермах и комплексах с гидравлической системой уборки в помещениях. Это инерционные наклонные грохоты легкого типа (ГИЛ-32, ГИЛ-42, ГИЛ-51) [102]. Конструкция грохотов принципиально одинакова (рисунок 1.20).

жидкие отходы

фильтрат

1 – короб; 2 – распределительный лоток; 3 – ограждение дисбаланса;

4 и 5 – фильтровальные перегородки; 6 – опора; 7 – стойка; 8 – поддон;

9 – пружинная опора; 10 – инерционный вибратор; 11 – привод

Рисунок 1.21– Схема инерционного наклонного грохота типа ГИЛ

Наклонный инерционный грохот работает следующим образом. Жидкие отходы подаются на верхнее сито по лотку, обеспечивающему равномерное распределение их по ширине фильтровальной перегородки. Здесь выделяются грубые механические включения (ТФ), которые направляются в отвал. Очищенные от грубых включений отходы попадают на нижнее сито, где фильтруются с выделением ЖФ, которая стекает в поддон и отводится на дальнейшую переработку. Инерционные наклонные грохоты просты в устройстве и эксплуатации, имеют высокую надёжность и устойчивость технологического процесса при изменении концентрации и расхода исходного сырья. Недостатки виброгрохотов: низкая эффективность процесса разделения, значительное содержание в ЖФ мелкодисперсных взвешенных частиц, высокая влажность ТФ и большая металлоёмкость. В процессе работы грохотов постепенно закупориваются ячейки фильтровальной перегородки частицами ТФ и бетоном, поэтому их каждую смену необходимо промывать водой [38, 113].

Механизм процесса вибрационного фильтрования таков. В результате интенсивного вибрационного воздействия фильтровальной перегородки на поступающие жидкие отходы возникают инерционные силы, величина которых пропорциональна массе обрабатываемых отходов и ускорению колебаний. Они интенсифицируют процесс фильтрования вследствие разрушения структуры и перепада давления в слое обрабатываемых отходов. Под действием инерционных сил также происходит непрерывная регенерация фильтровальной перегородки. Производительность и качественные показатели виброгрохотов в значительной степени зависят от режимов работы и параметров фильтровальной перегородки.

Барабанный виброгрохот ГБН-100, разработанный КТИСМ совместно с УНИИМЭСХ представлен на рисунке 1.21 [38, 308].

1 – амортизатор; 2 – вибратор; 3 – вал вибратора; 4 – опора;

5 – барабан; 6 – кожух; 7 – привод; 8 – поддон; 9 – рама

Рисунок 1. 22– Схема устройства барабанного виброгрохота

Барабанный виброгрохот работает в двух режимах: без вибрации при исходной влажности исходного материала выше 97,6 % и с вибрацией при меньших значениях влажности обрабатываемого материала. Недостатки: сложность обслуживания и контроля технологического процесса, значительная восприимчивость к изменению физико-механических свойств разделяемого жидкого СПП.

Виброфильтры служат для предварительного разделения СПП на фракции (рисунок 1.22) [102].

Они имеют следующие преимущества перед другими вибрационными разделительными установками: простота конструкции, малая металлоёмкость и компактность. Недостатки виброфильтров: сложность обслуживания, высокая энергоемкость, низкий срок службы фильтровальной перегородки, перетирание ТФ в процессе перемещения по вибрирующей перегородке (сетке) и повышенный вынос ТФ с фильтратом и низкое качество разделения СПП.

1 – мотор-вибратор; 2 – пружина; 3 – коническое дно; 4 – нижний бункер;

5 – лоток для вывода твёрдой фракции; 6 – верхний бункер;

7 – фильтровальная перегородка; 8 – основание вибросита; 9 – рама

Рисунок 1.23 – Схема виброфильтра

Известны следующие виды фильтрующих центрифуг: с ножевой выгрузкой твёрдой фракции (снимается ножом или скребком специального механизма); со шнековой выгрузкой (с помощью шнека вращающегося относительно ротора); с центробежной (инерционной) выгрузкой (ТФ выгружается под действием центробежных сил) [21, 72, 113, 146].

Основное преимущество фильтрующей центрифуги конструкции ВНИИМЖ [72] заключается в простоте конструктивного исполнения по сравнению с другими центрифугами. Её недостатки – быстрое истирание ножа для съёма ТФ и фильтровальной перегородки, дополнительное перетирание частиц при съёме ТФ ножом, высокая влажность снимаемой ТФ, забивание пор фильтровальной перегородки, высокая загрязненность ЖФ мелкодисперсными частицами.

Центрифуги со шнековой выгрузкой осадка разработаны ВНИПТИМЭСХ совместно с Ярославским моторным заводом (рисунок 1.23) [38].

1 – корпус; 2 – шнек; 3 – ротор; 4 – конусообразная перегородка;

5 – диски; 6 – вал; 7 – фильтровальные перегородки

Рисунок 1. 24– Схема фильтрующей центрифуги конструкции

ВНИПТИМЭСХ

Дуговые сита применяют для предварительного разделения жидких отходов на фракции. Работает дуговое сито следующим образом (рисунок 1.24) [21, 38, 102].

1 – входной патрубок; 2 – приёмная камера; 3 – переливной гребень;

4 – фильтровальная перегородка; 5 – корпус; 6 – отражатель;

7 – патрубок отвода фильтрата; 8 – шнековый транспортёр

Рисунок 1. 25– Схема дугового сита

Жидкие отходы через переливной гребень подаются на сито по касательной направляющей, и равномерно распределяясь по ширине криволинейной перфорированной поверхности, фильтруются. Выделившаяся ТФ направляется на окончательное обезвоживание, а ЖФ по выводным патрубкам отводится на последующую переработку. Недостатки дуговых сит: необходимость ежемесячной промывки и очистки фильтровальной перегородки, ТФ имеет высокую влажность, а ЖФ содержит много тонкодисперсных частиц.

Шнековый пресс-сепаратор FAN PSS для разделения жидкого навоза и птичьего помёта является лучшим из доступного в настоящее время оборудования для разделения животноводческих стоков на фракции (рисунок 1.25) [243, 337].

1 – осциллятор; 2 – отжимающее устройство; 3 – мотор-редуктор;

4 – станина; 5 – шнек; 6 – сито; 7 – выходное отверстие; 8 – труба для

подачи отходов; 9 – патрубок для выдачи ЖФ; 10 – противовесы

Рисунок 1. 26 – Схема шнекового пресс-сепаратора

Он работает следующим образом. Жидкие отходы подаются по трубе 8 и шнеком 5 продвигаются к выходу. По мере продвижения свободная и частично связанная вода через ячейки сита 6 выходит наружу через патрубок 9, а ТФ поступает к выходному отверстию 7. В нем она скапливается и создает дополнительное сопротивление следующим частицам, выходящим из сепаратора. Сопротивление усиливается при помощи отжимающего устройства 2 и противовесов 10. Дополнительным сопротивлением выходу ТФ из сепаратора регулируется ее влажность. Пресс-сепараторы имеют те же недостатки, что и дуговые сита, а, кроме того, они сложнее в изготовлении.

1.4.2 Анализ работы барабанных фильтров

Для дальнейшей эффективной переработки СПП необходимо получать ЖФ с наименьшим количеством мелких органических веществ, а ТФ с меньшей влажностью. Это даст возможность более рационально использовать их для получения новых биологических продуктов.

Применение вышеперечисленных машин для разделения СПП не представляется возможным, так как они не обеспечивают максимального снижения влажности, получаемой ТФ. На наш взгляд для этого необходимо применить способ разделения дисперсных сред, позволяющий максимально отбить влагу из отходов. Для этого наиболее подходит рабочий орган в виде вращающего фильтрующего барабана, который позволит максимально выделить влагу из СПП.

Сотрудниками УНИИМЭСХ [38,113] разработано устройство для обезвоживания навоза и помёта (рисунок 1.26).

1 – барабан; 2 – ось барабана; 3, 5 – подшипниковый узел; 4 – кривошип;

6 – стойка; 7 – карданная передача; 8 – платформа; 9 – подводящая труба;

10 – лоток; 11 – транспортёр; 12 – противовес; 13 – винтовой механизм

Рисунок 1.27 – Схема устройства для обезвоживания навоза

Оно выполнено в виде наклонно расположенного перфорированного барабана 1, установленного на оси 2, один конец которой закреплён на кривошипе 3, а другой – шарнирно на опоре 4 и связан с механизмом привода 5. Кривошип закреплён на валу 6, снабжённом приводом 7 и установленным под острым углом к геометрической оси, соединяющей центр шарнирной опоры с центром вращения барабана. Устройство имеет низкую производительность вследствие вращательного движения барабана, и малую эффективность. Влажность фильтрата составляет 97 %, а твёрдого органического осадка – 78…80 %.

Исследовательским коллективом Запорожского КТИСМ [122] разработано устройство для обезвоживания жидкого навоза и птичьего помёта. Оно включает наклонно расположенный перфорированный барабан, закреплённый на оси, один конец которой опирается на опорный подшипник, а другой на подшипник кривошипа. Подача обрабатываемого материала внутрь осуществляется через патрубок, вывод ТФ – транспортёром, а ЖФ – сливным лотком. Сложность конструкции и механизма привода не позволяет эффективно разделять на нём жидкий навоз и птичий помёт на фракции.

Известна также упрощённая конструкция обезвоживателя (рисунок 1.27) [6, 122].

1 – ротор; 2 – лопасти; 3 – ось ротора; 4 – подшипниковый узел;

5 – кривошип; 6 – труба; 7 – сопло; 8 – лоток; 9 – отвод

Рисунок 1. 28– Схема упрощенной конструкции обезвоживателя

В нём упрощена конструкция механизма привода и установлены лопасти ковшеобразной формы для лучшего распределения навоза по внутренней поверхности барабана. Вращение ротора не обеспечивает эффективного разделения СПП на фракции, так как происходит закупоривание выходных отверстий перфорированного барабана.

1.4.3 Краткий анализ исследований по центробежному фильтрованию

Центробежное фильтрование является частью общей теории фильтрования. К настоящему времени имеется большое количество исследований, посвящённых фильтрованию (в том числе и центробежному) как теоретического, так и экспериментального характера. Детальный анализ имеющихся исследований проведён в работах Д.В.Шкоропада [120], В.И.Соколова [100], П.Г. Романкова [95], Д.А. Жужикова [33], Н.А.Урсова [110], М.И.Бейлина [10], Ю.И. Шарецкого [117], Т.А.Малиновской [63] и других авторов. Поэтому нами рассмотрен лишь ряд основных работ отечественных и зарубежных авторов с целью определения применимости полученных ими зависимостей для описания процессов, происходящих в разработанном рабочем органе, и обоснования путей и методов проведения исследований.

В фильтрующем барабане происходит центробежное фильтрование дисперсной среды – сброженного птичьего помета. В результате получается осадок – твердая фаза и фильтрат – жидкая фаза. Процесс центробежного фильтрования состоит из трёх периодов, имеющих различные закономерности. Поэтому анализ исследований проведен по периодам фильтрования, а также по определению удельного сопротивления осадка, удельного сопротивления фильтрующей перегородки и энергоёмкости процесса.

Первый период центробежного фильтрования характеризуется непосредственным фильтрованием жидкости через пористую перегородку с образованием на ней осадка. Основой общей теории фильтрования служит закон Дарси, полученный в результате опытов по фильтрованию воды в песчаных грунтах. Дальнейшее развитие теория фильтрования получила в работах Льюиса и Альми, Сперри, Кармана, Рутса, А.Г. Белкина, В.А. Жужикова и других исследователей. Ими был получен ряд зависимостей, которые после обобщения можно представить уравнением, известным как основное дифференциальное уравнение фильтрования с образованием осадка [33, 43, 111, 63, 121]:

, (1.9)

где – объем фильтрата, м³;

– время фильтрования, с;

– давление фильтрования, Па;

– удельное массовое сопротивление осадка;

– удельное сопротивление фильтрующей перегородки;

– масса осадка, отложившегося на перегородке при

прохождении через нее единицы объема жидкости;

– удельное сопротивление фильтрующей перегородки.

В общем виде уравнение (1.4) запишем:

, (1.10)

где – сопротивление осадка;

– сопротивление фильтрующей перегородки.

Уравнение (1.10) справедливо как для несжимаемых, так и сжимаемых осадков. В последнем случае величина удельного сопротивления зависит от перепада давления и свойств осадка.

В отличие от обычного фильтрования центробежное фильтрование имеет ряд особенностей. Первый период центробежного фильтрования в общих чертах сходен с процессом обычного фильтрования с образованием осадка и к нему могут быть применены дифференциальные уравнения, характеризующие этот процесс [95, 100, 120].

Исходя из основного уравнения фильтрования профессором В.И. Соколовым [99] получено уравнение производительности периодически действующих центрифуг для разделения промышленных суспензий. Данная зависимость определена при допущениях, что перепад давления в процессе фильтрования постоянен, осадок несжимаем, а сопротивлением фильтрующей перегородки можно пренебречь. Аналогичные уравнения получены М.М. Полещуком [87], Б.Н. Терешиным [106], М.М. Васильевым [25] и другими исследователями.

В центрифугах непрерывного действия процесс фильтрования происходит более сложно. Кроме непрерывного образования осадка на фильтрующей перегородке, уменьшается слой суспензии над осадком и непрерывно снижается давление фильтрования. Исследованиям процесса разделения жидкого навоза на фазы в непрерывно действующих центрифугах с центробежной и вибрационной выгрузкой и ножевым съёмом осадка посвящены работы И.Е. Карнаухова [41, 40, 42], А.П. Рухленко [57, 98], И.И. Лукьяненкова [58, 60]. В исследованиях авторами использованы виды основного дифференциального уравнения фильтрования. Зависимость, полученная И.И. Лукьяненковым для центрифуги с ножевым объёмом осадка, учитывает непрерывное падение давления фильтрования и увеличение толщины слоя осадка на перегородке. Уравнения, выведенные И.Е. Карнауховым для центрифуги с центробежной выгрузкой и А.П. Рухленко для вибрационной центрифуги, получены при допущении, что радиус ротора, толщина слоя осадка и скорость перемешивания материала в роторе постоянны и равны их средним значениям.

Анализируя результаты исследований, можно сделать вывод, что описание первого периода центробежного фильтрования все исследования производили аналитическим методом. Основным допущением исследований является допущение о ламинарном радиальном движении в порах осадка. При этом условии скорость фильтрования прямо пропорциональна разности давлений и обратно пропорциональна жидкости и общему гидравлическому сопротивлению. Для выбора теоретических зависимостей все авторы использовали различные виды основного дифференциального уравнения фильтрования. Уравнение является частным случаем общего закона гидромеханики, согласно которому скорость процесса прямо пропорциональна движущей силе и обратно пропорциональна сопротивлению [43, 104]. Основными параметрами процесса, согласно уравнению (1.5), является давление фильтрования, удельное сопротивление осадка и удельное сопротивление фильтрующей перегородки.

Анализ конечных теоретических зависимостей также выявил, что ни одна из них не может быть принята для описания первого периода фильтрования, происходящего в начале камеры ротора фильтрующей центрифуги для разделения навоза на фазы. Большинство зависимостей получено для периодически действующих центрифуг и разделению промышленных суспензий. Другие не учитывают конструктивного устройства разработанной центрифуги, наличия в первой камере ротора постоянного объёма дисперсной среды, а вместе с ним и постоянного фильтрования, периодического съёма осадка с фильтрующей перегородки, режима работы и параметров шнека для удаления осадка навоза.

Важней характеристикой осадка навоза, образующегося на перегородке при фильтрации, является его удельное сопротивление. Рядом авторов сделана попытка определить удельное сопротивление по теоретическим зависимостям как функции параметров, характеризующих следующие свойства осадка и твердых частиц: пористость осадка и удельную поверхность твердых частиц [33], структуру [33, 44, 45], пористость осадка и размеры частиц [76, 88], сдвига частиц и структуру осадка [36, 37, 92].

Все теоретические зависимости получены, исходя из допущения, что осадок однороден по составу и размерам частиц и может быть представлен в виде упорядоченных моделей – нескольких слоёв одинакового размера, пучка паровых трубок и др.

Однако на практике эти допущения почти всегда не выполняются и имеющиеся зависимости не могут быть использованы вследствие невозможности получения надёжных данных о свойствах твёрдых частиц и структуре осадка [33]. Поэтому удельное сопротивление в большинстве случаев определяют экспериментально [33, 43, 119] и выражают одним из следующих эмпирических уравнений:

, (1.11)

, (1.12)

где – постоянные коэффициенты, определённые опытным путём;

– показатель сжимаемости осадка.

Определение удельного сопротивления осадка может производиться двумя экспериментальными методами: фильтрованием с непрерывным возрастанием осадка и фильтрованием через слой осадка постоянной величины [63] на установках, работающих под воздействием поверхностных сил, или в лабораторной центрифуге в поле центробежных сил. Однако условия фильтрования в центробежном поле отличаются от фильтрования в поле поверхностных сил давлением, действующим на скелет осадка, что в первую очередь сказывается на величине его удельного сопротивления [107]. В связи с этим удельное сопротивление осадка необходимо определить на лабораторной центрифуге [63, 120].

Поскольку определение удельного сопротивления осадка на лабораторной центрифуге методом фильтрования с непрерывным возрастанием осадка затруднено, то опыты проводят путём фильтрования через слой осадка постоянной величины.

Основным фактором, влияющим на удельное сопротивление осадка, является давление фильтрования. Однако осадок образуется на фильтрующей перегородке с определёнными параметрами: диаметром отверстий, пористостью, которые в некоторой степени влияют на формирование слоя осадка, его структуру и удельное сопротивление. Поэтому при использовании результатов экспериментов в расчётах центрифуг, имеющих различные параметры фильтрующей перегородки, необходимо определить их степень влияния на удельное сопротивление осадка.

Имеющиеся экспериментальные зависимости [56, 58, 60, 62,] удельного сопротивления осадка навоза определены без учета специфических факторов центробежного фильтрования и поэтому использование их в расчётах ввиду сжимаемости осадка [18] может привести к большим погрешностям.

Сопротивление фильтрующей перегородки И.Е. Карнаухов [39] определяет теоретически исходя из формулы Пуазейля, то есть каждое отверстие фильтрующей перегородки принимается как короткий отрезок трубы или насадок круглого сечения, выходящий из резервуара. Потери напора при прохождении жидкости через отверстие перегородки в этом случае должны складываться из местных потерь на входе и потерь на трение по длине [16]. При небольшой длине местные потери соизмеримы с потерями на трение по длине, следовательно, необходимо учитывать и те, и другие потери.

Отверстия в фильтрующей перегородке можно принять за насадок только при условии, что длина его больше или равна 3…4 диаметрам [16]. Однако для фильтрующих перегородок с круглыми отверстиями, применяемых в центрифугах, это условие не выполняется, поскольку толщина перегородки не намного превышает диаметр отверстий или даже меньше его. При таком соотношении длины отверстия и его диаметра струя жидкости отрывается от стенок отверстий и не заполняет все сечение, таким образом, потери по длине уменьшаются и становятся очень малы. В этом случае отверстие фильтрующей перегородки необходимо принимать не как насадок, а как отверстие в стенке, для которого потери напора определяются местным сопротивлением на входе отверстия [16].

Коэффициент местного сопротивления для одного отверстия определяется экспериментальным путём. При наличии нескольких расположенных рядом отверстий коэффициент местного сопротивления одного из них будет отличаться от коэффициента для отдельного отверстия. Это происходит вследствие неизбежного влияния течения жидкости в одном отверстии на течение жидкости в другом отверстии. В связи с этим общие потери жидкости, обусловленные сопротивлением фильтрующей перегородки течению жидкости, определяются не арифметической суммой сопротивлений, оказываемых каждым отверстием, а в целом совокупностью диаметром отверстий, их расположением и количеством отверстий на единице площади фильтрующей перегородке.

Поэтому для характеристики фильтрующей перегородки экспериментально определяют её удельное сопротивление, то есть сопротивление, оказываемое течению жидкости единицей площади фильтрующей перегородки [59, 63, 58]. При небольших колебаниях толщины перегородки (0,5…1мм) основными факторами, влияющими на удельное сопротивление перегородки, является диаметр отверстий и пористость.

Второй и третий периоды центробежного фильтрования отличаются сложностью самих процессов [120]. Это обстоятельство затрудняет точное описание их теоретическими зависимостями.

Профессором В.И.Соколовым на основе общих теоретических познаний динамики грунтовых масс получены уравнения, описывающие процесс центробежного фильтрования во втором периоде [99, 100]. Зависимости определены при допущении постоянства твёрдой фазы в роторе и сопротивления отжиму из неё жидкой фазы при условии, что свободная поверхность жидкости совпадает с внутренней поверхностью осадка. Аналогично этому получено уравнение для фильтрования отхода из осадка гравитационной влаги. Однако даже для периодически действующих центрифуг, в которых осадок формируются и затем находится на фильтрующей перегородке, данные допущения не выполняются [117]. В ходе второго периода центробежного фильтрования по мере снижения уровня жидкости в осадке начинают появляться элементы третьего периода. Для описания этого переходного периода Нежиггером и Сторроу предложена система уравнений, которая может быть решена в виде бесконечного вида [120]. При этом целый ряд величин выбирается произвольно или определяется по эмпирическим формулам.

Третий период центробежного фильтрования В.И. Соколов рассматривает с помощью теории капиллярного давления Г.И. Покровского [86, 99]. При допущении, что осадок распределен равномерно по всей толщине, состоит из одинаковых зерен, имеющих кубическую длину, и центробежное поле имеет одинаковую напряженность по той толщине слоя, В.И. Соколов получил дифференциальное уравнение для скорости уменьшения капиллярно-стыковой влаги в осадке [99, 100].

Другими авторами определены зависимости, описывающие выход из осадка различных видов влаги: пленочной [120], суммарной капиллярно-стыковой и пленочной [100], а также зависимости определения общей насыщенности осадка влагой [33, 116].

Д.Е. Шкоропад предложил уравнение для определения насыщенности осадка влагой с учетом течения в его порах воздуха [120].

И.И. Лукьяненков [58], И.Е. Карнаухов [42], А.П. Рухленко [97] в исследованиях центробежного фильтрования навоза не подразделяли процесс на периоды и используют в целом для процесса фильтрования уравнения, характерные для первого периода. Однако второй и третий период центробежного фильтрования имеют совершенно другие закономерности, поэтому применение уравнений первого периода для расчета второго и тем более третьего периода неправомерно [63].

Анализ исследований, а также данных по экспериментальному влиянию отдельных факторов на процесс обезвоживания разделяющихся осадков показывает, что содержание влаги в осадке определяется фактором разделения центрифуги, временем обезвоживания, толщиной слоя осадка на фильтрующей перегородке и исходной влажностью осадка [34, 99, 100]. Кроме указанных основных факторов, конечная влажность осадка зависит от целого ряда параметров осадка, определяемых условиями его формирования, свойствами дисперсной среды и другими факторами, количественная оценка которых пока невозможна [120]. Все имеющиеся зависимости содержат параметры, коэффициенты, которые определяются экспериментально по эмпирическим уравнениям. Все теоретические уравнения справедливы лишь при допущениях, которые не выполняются в реальных условиях. В связи с этим зависимость конечной влажности осадка от различных факторов по втором и третьем периодах центробежного фильтрования может быть определена только в результате экспериментального исследования [63].

Энергоемкость процесса разделения дисперсных сред на фазы является одним из важных технико-экономических показателей работы центрифуги. Вопрос об определении энергоемкости процесса разделения неоднородных систем наиболее подробно разработан в трудах К.А. Филькельштейна [111] для шнековых осадительных центрифуг непрерывного действия. Основные затраты энергии происходит при сортировании осадка шнеков внутри ротора центрифуги. При тщательном изучении процесса установлено, что на расход энергии влияет ряд факторов, основным из которых является количество материала, находящегося одновременно в роторе центрифуги. От массы материала зависит величина центробежной силы, прижимающей материи к внутренней поверхности ротора. Однако учет этого фактора усложняет расчетные уравнения и поэтому теоретические расчеты приводят применительно к единице массы вещества осадка, и величину центробежной силы, прижимающей осадок к внутренней поверхности ротора в конической части определяют для среднего диаметра.

1.5 Выводы

1. На границе «теплоноситель – сбраживаемый птичий помёт» образуется тепловой пограничный слой, в пределах которого происходит основное изменение температуры сбраживаемого птичьего помёта.

2. Основное влияние на величину теплового пограничного слоя, оказывают физико-механические свойства птичьего помёта: вязкость, плотность, теплопроводности, теплоёмкость.

3. Экспериментальные зависимости, определяющие явление теплообмена при свободном и конвективном движениях в объёме сбраживаемого птичьего помёта/навоза, вполне корректно описывают данные процессы в геометрически подобных биореакторах.

4. В качестве способа интенсификации процесса теплообмена и выравнивания температуры в объёме сбраживаемого птичьего помёта целесообразно использовать его перемешивание. Критерием оптимизации процесса перемешивания выбрана кратность циркуляции К_ц, которая определяется степенью температурной однородности в объёме сбраживания и является параметром, оценивающим процесс перемешивания независимо от вида применяемых мешалок.

2. ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ ОБОРУДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПТИЦЫ, УСКОРЕНИЯ ИХ ПОДГОТОВКИ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

2.1 Обоснование выбора рациональных параметров и режимов работы устройства для анаэробного сбраживания птичьего помета с перемешивающим устройством

2.1.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы биореактора

Из анализа представленных схем биогазовых установок [132, 120] следует, что основное внимание при их конструировании уделяется технологическим элементам, которые способствуют поддержанию числовых значений параметров процесса метаногенеза в пределах близких к оптимальным по всему объему сбраживания.

Основными элементами установок являются камеры сбраживания (биореактор), нагревательные и перемешивающие устройства. Исходя из особенностей технологического процесса брожения к биореакторам предъявляются следующие требования: герметичности стенок, коррозионной стойкости, совершенства теплоизоляции, надежности загрузки и выгрузки. Форма, размер и конструкция биореактора влияют на такие факторы, как расход сбраживаемой среды при заполнении и степень её сбраживания. Наиболее характерные формы биореакторов представлены в [17, 178].

Выбор той или иной формы зависит от параметров исходного сырья и в основном от его влажности. Однако самостоятельно конструкция биореактора не может оказать решающее значение на степень устойчивости процесса метаногенеза, так как ее влияние на управление факторами самого процесса незначительное [232].

Наиболее значимое влияние на процесс анаэробного сбраживания оказывает нагревание и перемешивание сбраживаемой среды. Поскольку перепады температуры, а также неравномерное распределение в сбраживаемой среде бактерий метаногенной ассоциации отрицательно влияют на ход технологического процесса, поэтому подвод теплоты необходимо сочетать с интенсивным перемешиванием. Схемы применяемых перемешивающих устройств представлены в [53].

Анализ форм биореактора и перемешивающих устройств позволил нам предложить следующую конструкцию биогазовой установки с перемешивающим устройством (рисунок 2.1) [232].

1 – цилиндрическая ёмкость; 2 – решётка нижняя; 3 – тепловая рубашка; 4 – перемешивающее устройство; 5 – штанга; 6 – перепускной клапан; 7 – верхняя решетка; 8 – верхняя газовая камера; 9 – газопровод;

10 – газгольдер; 11 – газовые краны;

Рисунок 2. 1– Схема предлагаемой биогазовой установки

Работает биогазовая установка следующим образом. В начальном положении в нижней части цилиндрической ёмкости 1 перепускной клапан 6, который предназначен для выхода биогаза, накопившегося под колоколом перемешивающего устройства 4, закрыт. В процессе анаэробного сбраживания птичьего помёта выделяется биогаз в количестве 0,5…0,8 м³ с 1 кг сухого органического вещества (СОВ) [172]. Биогаз поступает в верхнюю газовую камеру 8 цилиндрической ёмкости, а далее по газопроводу 9 через газовый кран 11 в газгольдер 10. Из субстрата, находящегося под колоколом перемешивающего устройства 4 биогаз накапливается в верхней его части. По мере накопления биогаза образуется подъёмная сила, с помощью которой перемешивающее устройство 4 начинает всплывать. В процессе его всплытия субстрат, находящийся в биореакторе перемешивается, причём основное перемешивание его осуществляется в пристенном слое, где и образуется температурная неоднородность в объёме сбраживания. При этом верхние слои субстрата устремляются вниз через зазор, образуемый между колоколом и внутренней стенкой биореактора, смешиваясь с нижними слоями субстрата. При достижении колоколом верхнего уровня клапан 6 ударяется в верхнюю решётку 7 и открывается. Скопившийся под колоколом перемешивающего устройства 4 биогаз поступает в верхнюю газовую камеру биореактора, а из неё по газопроводу 9 в газгольдер 10. По мере удаления биогаза из-под колокола, последний постепенно опускается на дно биореактора. В процессе движения вниз колокол выдавливает нижний слой субстрата, который поступает вверх через зазор между внутренней стенкой биореактора и колокола. Таким образом, вновь происходит перемешивание сброженного субстрата в пристенном слое. Штанга 5 упирается в нижнюю решётку 2, и клапан закрывается.

Таким образом, движение перемешивающего устройства достигается за счёт подъёмной силы биогаза, скапливающимся под колоколом. Поскольку диаметр колокола составляет 0,85 диаметра биореактора, то при его всплытии перемешивание сброженного субстрата происходит в пристенном слое (тепловом пограничном слое) сбраживаемого объёма. Это очень важно, так как именно в нём из-за термического сопротивления вязкого слоя сбраживаемого субстрата происходит снижение температуры от температуры субстрата вблизи стенки до температуры ядра СПП/Н. Причём величина данного слоя, определенная опытным путём, весьма значима и составляет 0,15…0,30 диаметра цилиндрической ёмкости биореактора [232]. Перемешивающее устройство, выполненное в форме колокола, имеет большую площадь поверхности, что весьма важно для закрепления (иммобилизации) бактерий метаногенной ассоциации на этой поверхности. Это увеличивает скорость сбраживания поступившего птичьего помёта/навоза на переработку и предотвращает вымывание бактерий в процессе непрерывной выгрузки и отработанного шлама и загрузки новой дозы свежей порции. И самое главное – это значительное снижение энергетических затрат, которые при использовании данного перемешивающего устройства отсутствуют [178].

2.1.2 Определение производительность процесса анаэробного сбраживания в условиях свободного движения в биореакторе

Процесс распространения теплоты в сбраживаемой среде осуществляется одновременным действием теплопроводности, свободной конвенции и ее движения, вызванного выделением биогаза. Принимая во внимания, что максимальная скорость движения сбраживаемой среды в биореакторе в результате выделения биогаза не превышает 0,3 м/с, следовательно, вынужденное движения сбраживаемой среды можно считать несущественным [20].

Закономерности распространения теплоты теплопроводностью и свободной конвекцией определяется тепловыми и гидродинамическими явлениями, которые описываются системой дифференциальных уравнений: теплообмена, теплопроводности, движения и сплошности среды [30].

В основу расчёта теплообмена положены законы Ньютона-Рихмана и Фурье [197]. Дифференциальное уравнение теплообмена описывает процесс теплопередачи на границе «поверхность теплоносителя – сбраживаемая среда»:

, (2.1)

где α – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К);

Δt– температурный напор, К;

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

– температурный градиент, К/м.

Температурный градиент может быть получен из дифференциального уравнения теплопроводности Фурье-Кирхгофа [42], с учётом закона сохранения энергии:

(2.2)

где dt/dτ – субстанциональная производная температуры по времени;

(2.3)

где α – коэффициент температуропроводности, м²/с;

– оператор Лапласа;

(2.4)

где с – коэффициент теплоёмкости, кДж/(кг·К); ρ – плотность, кг/м³; t – температура, К.

Как следует из теплопроводности, температурное поле в движущейся среде зависит от распределения скорости и описывается дифференциальным уравнением движения, которое выводится на основании второго закона Ньютона [54]. При принятых условиях (рисунок 3.2) течение происходит в основном в направлении от оси 0х, в соответствии с уравнением движения:

, (2.5)

где g – ускорение свободного падения, м /с²;

β – температурный коэффициент, К^-1;

Δt – температурный напор, К/м.

В результате разности температур сбраживаемой среды возникает свободное движение, поэтому к имеющимся уравнениям необходимо добавить уравнение сплошности:

. (2.6)

Записанные дифференциальные уравнения (2.5), (2.6), и (2.7) описывают бесчисленное множество процессов. Для выделения процесса теплообмена в биореакторе к системе дифференциальных уравнений необходимо присоединить условия однозначности, которые отражают частые особенности рассматриваемого явления. Так, температура и скорость сбраживаемой среды вдали от поверхности теплоносителя постоянны и равны соответственно t_o и W₀. Размер биореактора l_o, температура поверхности теплоносителя равна t_c. t>t_o, так как идёт нагрев сбраживаемой среды. Введём также обозначение

, (2.7)

где t – температура сбраживаемой среды у поверхности теплоносителя, К.

На основании изложенного запишем граничные условия, определяющие процесс теплообмена в биореакторе:

1) вдали от поверхности нагрева

(2.8)

2) на поверхности нагрева

Преобразование системы управлений (2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9) с помощью теории подобия [262] даёт возможность получить критериальную зависимость между величинами, которые определяют процесс распространения теплоты в сбраживаемой среде. Для этого рассмотрим две подобные между собой системы:

модели

(2.9)

и образца

(2.10)

Основываясь на положениях второй теоремы подобия [197] интеграл системы дифференциальных уравнений (2.10), описывающий процесс теплообмена в сбраживаемой среде, может быть представлен в виде функциональной связи между критериями подобия:

. (2.11)

Вид функции (2.11) определяется экспериментальным путем. Для этого, на основании анализа полученных критериев, выбираем характерные критерии подобия, описывающие конкретный процесс распространения теплоты в сбраживаемой среде [99, 155]. К ним относятся критерии Нуссельта (Nu), Грасгофа (Gr) и Прандтля (Pr). Критерий Нуссельта Nu содержит в себе коэффициент теплообмена – искомую величину при исследовании теплопередачи, следовательно, он является определяемым критерием, и критериальное уравнение для процесса теплообмена в сбраживаемой среде в условиях свободного движения будет иметь вид:

. (2.12)

Согласно теоремы подобия [2.35] между всеми существующими величинами для рассматриваемого процесса имеет место степенная функциональная зависимость вида:

, (2.13)

где K – безразмерный множитель пропорциональности;

n, m – показатели степени, постоянные числа.

Подставив в функциональную зависимость (2.13) значение критериев получим

. (2.14)

Уравнение (2.14) представляет собой критериальную связь между параметрами, определяющими процесс теплообмена в сбраживаемой среде. Исследование физико-механических (ρ, μ, λ, с) свойств СПП выявило зависимости, отражающие влияние влажности и температуры – основных слагаемых движущей силы скорости процесса, на явление теплообмена. Обобщение полученных экспериментальных данных на группу подобных явлений проводилось согласно второй теоремы подобия в форме критериальной зависимости (2.13) [99]. Для этого запишем уравнение в логарифмическом виде:

. (2.15)

Обозначая lgNu через Y, lgGr через X, lgPr через Z и lgK через A, можно записать:

. (2.16)

Искомая величина Nu является функций двух аргументов, поэтому на графике получается семейство прямых; второй аргумент берётся в качестве параметра.

Показатель степени n при критерии Грасгофа представляет собой тангенс угла наклона одной из прямых к оси абсцисс. Определяется он с помощью графического представления опытных данных в координатах:

. (2.17)

Показатель степени m при критерии Прандтля определяется на графике по зависимости:

. (2.18)

Постоянная К определяется из соотношения:

, (2.19)

которому удовлетворяет любая точка прямой.

В результате функциональная зависимость (2.16) приняла вид обобщенного уравнения:

. (2.20)

После расшифровки критериев подобия выражение (2.20) было преобразовано в рабочее уравнение для расчёта коэффициента теплоотдачи при анаэробном сбраживании птичьего помёта в условиях свободного движения в геометрически подобных биореакторах:

. (2.21)

Температура воздействия – как фактор, в наибольшей степени влияющий на скорость процесса метаногенеза, изучались на экспериментальной установке. В результате было выявлено наличие температурного поля в объёме сбраживаемого птичьего помёта, графически представленном на рисунке 37, из которого видно, что основное изменение температуры в объеме СПП от температуры вблизи поверхности теплоносителя (А₀, В₀) до температуры ядра СПП (А₂, В₂) происходит в пределах теплового пограничного слоя.

Неоднородность температуры при оптимальных значениях концентрации сухого органического вещества СПП (15…12 %) и температуре брожения (51 °С) в эксперименте составила около 10 градусов. Коэффициент теплопередачи α, вычисленный по уравнению (2.20), равен 32,57 Вт/(м²·К).

Низкое значение коэффициента теплопередачи αв СПП является следствием определённого состояния его физико-механических и теплофизических свойств (ρ, μ, λ, с), определяющих явление распространения теплоты в нём.

Анализ зависимости (2.21) показывает, что основное влияние на конвективный теплообмен оказывает теплопроводность λ, так как показатель степени у этого параметра самый большой. Следовательно, теплота в СПП в большей степени распространяется теплопроводностью.

В результате преобладания данного способа распространения теплоты над остальными в СПП возникает температурная неоднородность. Она тем выше, чем меньше значение имеет коэффициент теплопередачи α.

Таким образом, низкое значение коэффициента теплопередачиαвызывает неоднородность температуры в СПП, что соответственно снижает интенсивность процесса метаногенеза. Выход биогаза в эксперименте составил 0,38 м³ с 1кг СОВ птичьего помёта.

В работах [44, 59, 107], посвященных исследованию метанового брожения отходов сельскохозяйственных животных в термофильных условиях, выход биогаза с 1 кг СОВ составил 0,7…0,8 м³.

С целью выявления максимальной газопроизводительности метановых бактерий при разложении СОВ птичьего помёта в температурных условиях, приближенных к идеальным, были проведены опыты в биореакторах малого объёма. На основании полученных данных было установлено, что оптимальной температурой для жизнедеятельности бактерий метаногенной ассоциации, выращенной на птичьем помёте, взятом на ЗАО «Птицефабрика Шпаковская» Ставропольского края, является температура 324 К (51 °С) (рисунок 41). Поэтому во всех дальнейших опытах в биореакторах поддерживалась температура, равная 324 К. Максимальный выход биогаза при однородном температурном режиме с 1 кг СОВ птичьего помёта составил 0,71 м³.

Коэффициент корреляции, вычисленный для значений выхода биогаза при идеальных температурных условиях и неравномерном температурном поле равен нулю, поэтому данные значения некоррелированы. Это подтверждает вывод о значимости влияния температурного фактора на интенсивность скорости процесса метаногенеза, так как достижение однородного температурного поля в СПП в производственных условиях позволит увеличить производительность оборудования без увеличения рабочего объёма биореакторов.

2.1.3 Определение производительность процесса анаэробного сбраживания в условиях конвективного движения в биореакторе

Вопросами равномерного распределения теплоты в движущейся среде занимались В.В. Кафаров [112], Г.С. Козлов [124], З.З. Штербачек [315], Ф. Стренк [276] и др. В своих трудах они широко осветили процессы биохимических превращений в химическом производстве.

В результате исследований, проведенных нами, установлено, что однородность температуры в движущейся среде непосредственно связана с явлениями, происходящими в тепловом пограничном слое, параметры которого зависят от свойств перерабатываемого материала. Эффективным приёмом, понижающим термическое сопротивление вязкого слоя, является перемешивание, позволяющее принудительно приводить жидкую среду в движение. В результате нагретые объёмы перерабатываемого материала отводятся от поверхности нагрева, а новые порции подвергаются нагреванию.

Многообразие технических средств для перемешивания подразделяется на устройства механические, гидравлические и барботажные [315].

Эффективность работы перемешивающих устройств определяется скоростью установления термодинамического равновесия и качеством однородности температурного поля. Для определения данных показателей необходимо выявить параметры, интенсифицирующие конвективный теплообмен в сбраживаемом птичьем помёте. С этой целью рассмотрим явления, происходящие в тепловом пограничном слое в условиях вынужденного движения в биореакторе, и определим факторы, имеющие существенное влияние на теплоотдачу.

Как известно, в биореакторе с перемешивающим устройством коэффициент теплопередачи зависит от размеров биореактора и мешалки [276]. Обычно за характерные размеры биореактора и перемешивающего устройства принимают внутренний диаметр биореактора D и внешний диаметр перемешивающего устройства d. Теплопередача также зависит от скорости движения сбраживаемой среды – частоты вращения мешалки n, от физико-физических свойств сбраживаемой среды: вязкости μ, плотности ρ, теплоёмкости c, теплопроводности λи от отношения вязкостей среды на поверхности теплоотдачи μ_c и в центре биореактора μ, т.е. μ/μ_c. Последнее отношение учитывает влияние направления теплового потока на коэффициент теплопередачи.

На основании изложенного можно записать:

. (2.22)

Используя анализ размерностей [262], зависимость (3.27) представим, как степенную функцию:

. (2.23)

Исходя из однородности этого уравнения, его можно выразить как функцию степенных комплексов и симплексов, состоящих из величин, входящих в выражение (2.23). Для этого определим показатели степеней в нем, заменяя физические величины через единицы измерения, представленные в основных единицах международной системы единиц (СИ):

. (2.24)

Члены с нулевой размерностью соответственно превратились в множители равные единицы.

Сравнивая показатели степени у одинаковых размерностей, получим следующие равенства:

(2.25)

Для определения семи неизвестных имеем систему четырех алгебраических уравнений. Если принять что e, h, i нам известны, то из системы четырех уравнений найдём:

(2.26)

Подставляя найденные значения показателей в исходное степенное уравнение (2.26), имеем:

. (2.27)

После преобразования до безразмерных комплексов, получим:

. (2.28)

Уравнение (2.28) можно написать в другой форме, используя критерии подобия Нуссельта (Nu), Рейнольдса (Re), Прандтля (Pr), а также, выражение

Которое является инвариантом геометрического подобия и его можно записать, как

а выражение

является симплексом вязкостей пристеночного слоя сбраживаемого птичьего помёта и ядра.

Тогда окончательно получим:

, (2.29)

где e=A, h=B, c=E.

Следовательно, уравнение (2.29) это критериальное уравнение, описывающее теплопередачу в сбраживаемом птичьем помёте в условиях вынужденного движения.

После расшифровки критериев подобия выражение (2.29) примет вид:

. (2.30)

Подобное уравнение было получено Т.О. Козловым [124], А.С. Капустиным [103], Г.С. Юдахиным [320] и др. для различных случаев конвективного теплообмена. В зависимости от исследуемого материала, данное уравнение будет иметь различные показатели степеней и константу.

Для определения показателей степеней и константы относительно теплообмена в сбраживаемом птичьем помете были проведены опыты и на основе полученных данных, обобщенных в форме критериальной зависимости (2.30), было получено уравнение:

. (2.31)

Решая уравнение (3.36) относительно искомой величины, найдём:

. (2.32)

Уравнение (2.32) пригодно для вычисления величины теплопередачи в сбраживаемом птичьем помёте в условиях вынужденного движения.

Вычисленный коэффициент теплоотдачи в процессе сбраживания птичьего помёта с помощью перемешивания составил 83 Вт/(м²·К). Перепад температуры в биореакторе равен 2 градусам. Выход биогаза с 1 кг СОВ птичьего помёта составил 0,64 м³.

Анализ уравнения (2.32) показал, что основное влияние на процесс теплопередачи в сбраживаемом птичьем помёте оказывают теплопроводность λ, плотность ρ и конструктивно-технологические параметры перемешивающего устройства – диаметр d и число оборотов n. Два последних параметра характеризуют интенсивность вынужденного движения сбраживаемого птичьего помёта, изменяя при этом значение теплопроводности и плотности.

На практике, применяют большое многообразие перемешивающих устройств. Параметры n и d характеризуют перемешивающие устройства якорного и рамного типов. Чтобы оценить эффективность действия любого из всех других перемешивающих устройств применительно к перемешиванию сбраживаемой среды необходимо выявить критерий, соответствующий процессу анаэробной переработки птичьего помёта.

Е.З. Зигмунд, В.В. Кафаров [94, 112] и др. в своей практике эффективность перемешивающих устройств оценивали такими критериями, как время перемешивания t и комплекс (t·n). При анаэробной переработке птичьего помёта вышеуказанными критериями воспользоваться не представляется возможным, так как гидродинамический характер движения сбраживаемого птичьего помёта, в силу особенностей биологического развития бактерий метаногенной ассоциации, имеет свои особенности [139].

При организации температурных воздействий в качестве критерия эффективности перемешивания можно применить степень температурной однородности T/T_опт.

Как известно, степень температурной однородности характеризует интенсивность теплообмена в сбраживаемой среде, т.е. можно записать, что

. (2.33)

В конечном счёте, степень температурной однородности T/T_опт, а значит и коэффициент теплоотдачи α зависит от кратности циркуляции K_ц [53], поэтому зависимость (2.33) перепишется в следующем виде:

. (2.34)

Зависимости (2.33) и (2.34) отражают влияние закономерностей теплоотдачи на интенсивность процесса метаногенеза. Отыскание их вида позволит выявить критерий, характеризующий все виды перемешивающих устройств, использующихся в процессе анаэробной переработки органических отходов с получением биогаза.

2.2 Методика исследования процесса анаэробного сбраживания помета в биореакторе с перемешивающим устройством

Для исследований параметров и режимов функционирования процесса анаэробного сбраживания птичьего помёта нами разработана и изготовлена установка, схема которой показана на рисунке 2.2.

1 – биореактор; 2 – водяная рубашка; 3 – якорная мешалка;

4 – электродвигатель; 5 – термические датчики; 6 – манометр; 7 – обратный клапан; 8 – газгольдер; 9 – электрический котел; 10 – преобразователь частоты Delta; 11 – регулятор температуры ZET 7121; 12 – усилитель 8-АНЧ-23;13 – модуль «Sigma USB» АЦП ЦАП; 14 – персональный компьютер;15 – сумматор СБ-3

Рисунок 2.2– Схема экспериментальной установки с перемешивающим устройством для анаэробного сбраживания помёта

Установка состоит из биореактора 1, в котором происходит метановое сбраживание птичьего помёта, манометра 4, обратного клапана 5, газгольдера 6 для сбора и измерения объема выделяющегося биогаза, электрического котла 7 для нагрева воды, температурного регулятора 9 марки ПТР-3 с датчиком, прибора 8 для измерения температуры горячей воды, блока автоматического управления 8, термических датчиков 3, приборов 12, 13, 14 модели ЦТМ-5 для регистрации температуры в объёме биореактора и блок-схемы 10 для подсоединения датчиков к прибору ЦТМ-5.

Биореактор представляет собой цилиндрический вертикально расположенный сосуд СЭрн-2,0 объёмом 2,0 м³ с тепловой рубашкой. Температура брожения поддерживается при помощи полупроводникового температурного регулятора ПТР-3, датчик которого установлен в рубашке биореактора, и системы автоматического управления. Во избежание тепловых потерь в окружающую среду биореактор покрыт слоем пенополиуретана толщиной 0,06 м.

Загрузка птичьего помёта осуществляется через загрузочный патрубок, а выгрузка через люк, расположенный в центре дна биореактора.

Для сбора биогаза изготовлен газгольдер мокрого типа. Объём внутренней ёмкости газгольдера, предназначенной для измерения количества выделяющегося биогаза, составляет 1,0 м³.

Внутри биореактора расположены термические датчики для измерения температуры в объёме сбраживаемого помёта. Величина сопротивления датчиков 50 Ом. Каркас датчика сопротивления изготовлен из меди в форме втулки. На неё в несколько слоёв намотан чувствительный элемент, состоящий из тонкой эмалированной проволоки диаметром 0,1 мм с выводами из медной проволоки диаметром 1,5 мм. Сверху датчик покрыт слоем эпоксидной смолы (рисунок 2.3).

$C:\Users\admin\Downloads\Улучшенное_фото (2).jpg$

Рисунок 2.3– Термический датчик

Для тарировки датчиков смонтировали измерительную цепь на разъёмах типа ШР по схеме, представленной на рисунке 4.4. В качестве образцового термометра применили ртутный термометр второго разряда. Так как, датчики предполагалось использовать в интервале температур 278…368 К, то в соответствии с методикой [62], их тарировку производили на дистиллированной воде.

Рисунок 2. 4– Схема измерительной цепи для тарировкитермических датчиков

После тарировки датчиков, измерительную цепь, в том же виде установили на опытную установку. Монтировали термические датчики в объёме биореактора в горизонтальных и вертикальных плоскостях, как показано на рисунке 2.5.

$C:\Users\admin\Downloads\Улучшенное_фото (1).jpg$

Рисунок 2. 5 – Фрагмент расположения термических датчиков в биореакторе

Обоснование расстояний установки датчиков в опытном биореакторе предварительно произведено замером температур в разных точках объёма сбраживания птичьего помёта на геометрически подобной лабораторной установке объемом 0,07 м³ (рисунок 2.6). Для этого датчики, устанавливаемые в объёме сбраживания, фиксировали по отношению друг к другу на различных расстояниях. Наименьший перепад температуры, технологически влияющий на скорость газообразования, оказался при расстоянии, расположенном между двумя ближайшими точками объёма сбраживания 0,2 м.

$C:\Users\admin\Downloads\Улучшенное_фото.jpg$

Рисунок 2. 6– Общий вид установки для измерения температурной неоднородности в объёме сбраживаемого птичьего помёта

Сигналы от датчиков поступали через блок-схему на регистрирующее устройство ЦТМ-5. Запись сигналов производилась с помощью печатающего устройства 13 и перфоратора 14 (рисунок 2.2). Измерение температурных полей в объёме сбраживаемого птичьего помёта в условиях свободной конвекции проводили следующим образом. Первоначально запускали электрический котёл, который подогревал воду, поступающую в тепловую рубашку биореактора, до температуры термофильного режима. Затем в биореактор загружали птичий помёт в объёме 1,6 м³. После начала интенсивного процесса распада СОВ птичьего помёта, о чём судили по объёму выделяющегося биогаза, производили регистрацию температуры в объёме сбраживания с использованием цифрового тензометрического моста. Запись значений температуры осуществляли посредством аппаратно-программного комплекса АЦП-ЦАП ZET 210, работающего в программе термических измерений.

При этом постоянно определяли количество выделяющегося биогаза и раз в сутки записывали показания в журнал наблюдений. Объём биогаза приводили к нормальным условиям (т.е. давлению 101,3 кПа и температуре 293 К) по формуле:

(2.35)

где V – объём биогаза при температуре Т и давлении Р, л;

Р – барометрическое давление, Па;

Т – температура газа, К;

Р – давление паров воды. Па.

Для обеспечения вынужденного движения сбраживаемого птичьего помёта в биореакторе 1 установили перемешивающее устройство, в качестве которого использовали якорную мешалку, как и при известных исследованиях интенсификации процессов теплообмена в жидких средах [14, 32, 36]. Перемешивающее устройство состоит из якорной мешалки 3, редуктора и электродвигателя 4, скорость которого регулируется преобразователем частоты Delta 10. Скорость вращения электродвигателя исследовали в диапазоне: 0,75, 1,13, 1,48, 2,30 с^-1.

Расход электроэнергии на поддержание заданной температуры брожения определяли с помощью счётчика ИЕА-ЗУ ГОСТ 6570-60.

Для контроля температуры сбраживания птичьего помёта и определения тепловых потерь в окружающую среду на входном и выходном патрубках тепловой рубашки биореактора были установлены хромель-копельные термопары. Термопары соединялись с цифровым термодатчиком ZET 7121.

При работе установки сначала включали систему подогрева воды, затем в биореактор загружали исходный птичий помёт. В течение некоторого времени следили за пуском биореактора и выводом его на рабочий режим. В это время контроль за температурой сбраживания осуществлялся при помощи регулятора температуры ПТР-3 и цифрового термодатчика ZET 7121.

После стабилизации процесса метанового сбраживания птичьего помёта, о чём судили по степени распада СОВ и выделению биогаза, биореактор переводили в непрерывный режим с ежесуточной загрузкой определенной дозы исходного птичьего помёта, который предварительно подогревался до температуры термофильного режима. Таким образом, достигали максимальной скорости процесса метаногенеза за счёт создания оптимальных условий для бактерий метаногенной ассоциации по питательным веществам.

Во время метанового сбраживания птичьего помёта включали перемешивающее устройство. В процессе исследований определяли влияние скорости и количества движений сбраживаемого птичьего помёта на интенсивность газообразования. Скорость движения птичьего помёта устанавливали варьированием частоты вращения якорной мешалки посредством частотного преобразователя Delta в пределах 0,75…2,3 с^-1. Количество движений или кратность циркуляции сбраживаемой массы получали в результате измерения времени перемешивания.

Измерение температуры в объёме биореактора производили цифровым терморегулятором ZET 7121 11. Регистрация значений температуры осуществлялась при помощи персонального компьютера 14. Выход биогаза определяли по положению верхней тарированной ёмкости газгольдера 8.

2.4 Результаты исследования работы биореактора с перемешивающим устройством

Ранее нами отмечено, что температура является параметром, в наибольшей степени влияющим на скорость технологического процесса.

При анаэробном сбраживании отходов животных и птицы всегда считалось, что температура во всех точках объёма биореактора является одинакова. Такое представление основывалось на том, что отходы животных и птиц в основном состоят из воды, в которой распространение теплоты неразрывно связано с движением макрообъёмов (конвекцией) вследствие температурной разности слоёв. Распространением теплоты в животноводческих отходах теплопроводностью обычно пренебрегали, ввиду малости толщины пограничного слоя.

Поскольку птичий помёт представляет собой сложную полидисперсную систему, которая состоит из воды, органического вещества и коллоидных частиц, нами была предпринята попытка исследовать процесс теплообмена в сбраживаемом объёме.

Исследования проводили в лабораторных геометрически подобных биореакторах ёмкостью 0,07 м³ (рисунок 2.7) и 2 м³ (рисунок2.9) в термофильном режиме в условиях свободного движения. Результаты исследований и обработки экспериментальных данных представлены на рисунке2.7.

Поверхность отклика (рисунок 2.7) показывает распределение температуры в объёме сбраживаемого птичьего помёта. Основное изменение температуры наблюдается в слое сбраживаемого птичьего помёта от температуры теплоносителя Т_т (А₀, В₀) до температуры ядра сбраживаемого птичьего помёта Т_я(А₂, В₂). Формируется слой на границе двух сред: теплоносителя и сбраживаемогоптичьегопомёта, разделенных стенкойбиореактора и называется тепловым пограничным слоем. Внутри объёма сбраживания температурное поле по горизонтали выравнивается и становится однородным (линии А₂, В₂ — А₄, В₄). Кроме неравномерности температурного поля в горизонтальной плоскости, в объёме сбраживания устанавливается неравномерность температуры по вертикали, вызываемая термической стратификацией. Общее действие этих двух явлений образует температурную неоднородность в объёме сбраживания, которая определяется интенсивностью теплообмена в ней. Причём, основной перепад температур наблюдается в пределах теплового пограничного слоя.

Рисунок 2. 7– Графическое изображение температурного поля в объёме сбраживаемого птичьегопомёта биореактора радиусом r и высотой h

Т=321,875-8,87x-8,75x²+9,875·y, (2.36)

Анализ критериального уравнения 2.36, описывающего явление теплообмена в сбраживаемом помёте в приближении пограничного слоя, показал, что основное влияние на его интенсивность оказывают физико-механические и теплофизические свойства птичьегопомёта. В процессе проведённых исследований было установлено,что указанные свойства СПП зависят от температуры сбраживания и концентрации СВПП. Значит и величина теплового пограничного слоя (δ) также зависит от температуры и концентрации СВ птичьегопомёта. Но, так как неоднородность температурного поля в опытах не превышает 10 градусов (рисунок2.8), то основное влияние на δоказывает концентрация СВ птичьего помёта.

Влияние концентрации СВ на величину δ представлено на рисунке2.8. Анализ графика показывает, что величина теплового пограничного слоя линейно возрастает в пределах концентрации СВ помёта наиболее благоприятной для проведения процесса анаэробной обработки (от 5% до 20%). В указанном интервале 5 возрастает на 0,363 м.

Рисунок 2. 8– Зависимость величины теплового пограничного слоя δот концентрации CВ св сбраживаемом птичьем помёте

С целью обобщения опытных данных и распространения исследований на другие подобные явления, последние, согласно второй теоремы подобия, обрабатывались в форме критериальной зависимости [54]. Обработка опытных данных позволила получить уравнение, описывающее процесс теплообмена в сбраживаемом птичьем помёте в приближении пограничного слоя в геометрически подобных биореакторах:

. (2.37)

Применимость полученного уравнения и значения постоянных безмерных чисел проверяли по методу линеаризации [30]. Так как все опытные точки располагаются на одной общей прямой (рисунок2.9), то уравнение (2.37) достоверно описывает процесс теплообмена в объёме сбраживаемого птичьего помёта.

$E:\ДЛЯ Виктора Ивановича\ГРАФИКИ МВИ\рис 42.jpg$

Рисунок 2. 9– Теплообмен в условиях свободного движения в объёме сбраживаемого птичьего помета

Анализ уравнения 2.37показывает, что теплообмен в объёме сбраживания осуществляется в условиях свободного движения птичьего помёта. Значения чисел (Gr·Pr), равные 1,62·10⁹…7,66·10¹⁰, указывают на то, что движениептичьегопомёта протекает в двух режимах.

При концентрации СВ в СПП от 2 % до 5% теплообмен происходит при свободном переходном режиме движения. Он отличается неустойчивостью процесса течения и теплообмена. В среднем теплообмен при переходном режиме возрастает от значений, соответствующих ламинарному течению, до значений, соответствующих турбулентному движению сбраживаемой среды. Это становится возможным в силу низкого значения вязкости в данном интервале концентрации СВ птичьего помёта, которая по своим характеристикам близка к воде. Передача теплоты в такой среде в пределах теплового пограничного слоя происходит конвекцией. Толщина теплового пограничного слоя при этом незначительна (рисунок2.10). Коэффициент теплообмена (α), определяющий интенсивность данного явления, имеет наибольшее значение (рисунок 2.11), так как по своей величине приближается к коэффициенту теплообмена воды.

Рисунок 2. 10– Зависимость коэффициента теплоотдачи αсбраживаемого птичьего помёта от температуры Т и концентрации СВ C

В интервале концентрации СВ 8…20% теплообмен в сбраживаемом птичьем помёте осуществляется в условиях свободного ламинарного режима движения. При данной концентрации СВ силы внутреннего взаимодействия частиц птичьего помёта уравновешивают подъемную силу свободного движения вблизи поверхности теплоносителя, и передача теплоты естественной конвекцией в сбраживаемом птичьем помёте в пределах теплового пограничного слоя затрудняется. Теплота в объёме сбраживания распространяется преимущественно теплопроводностью. Значение коэффициента теплообмена α в этом интервале концентрации СВ резко снижается (в 2…3 раза), а величина теплового пограничного слоя δ достигает своего максимального значения – 0,383 м.

Наличие температурной неоднородности в объёме сбраживаемого птичьего помёта снижает интенсивность процесса метаногенеза. Как было установлено, даже незначительные отклонения температуры в 2…3 градуса резко снижают скорость газообразования. Так, при создании оптимальной температуры жизнедеятельности метановых бактерий в пристенном слое (тепловом пограничном слое) – центральная зона сбраживания будет иметь температуру ниже оптимальной. В результате воздействия данной температуры на метановой бактерии последние будут вынуждены адаптироваться к новым температурным условиям. Адаптация бактерии будет длиться некоторый срок. При этом белковые структуры бактерий перестраиваются для функционирования в новом температурном интервале и, следовательно, заложенный в них генетический потенциал метаболической активности будет использован лишь частично. Выход биогаза в зоне расположения метановых бактерий с низкой метаболической активности будет низкий.

Установление оптимальной температуры брожения в центральной зоне вызывает повышение температуры в пристенном слое, что приводит к снижению газопроизводительности метановых бактерий в нём, так как воздействие повышенной температуры порождает у метановых бактерий аналогичные явления, что и температура ниже оптимальной.

Изучая производительность метановых бактерий в вышеперечисленных условиях, был исследован выход биогаз с 1 кг СОВ птичьего помёта. Выход биогаза определялся в пределах концентрации СВ, характерной для концентрации СВ в исходном птичьем помёте, полученном на птицефабриках с клеточным содержанием птицы, в том числе, и на предприятии «Птицефабрика Шпаковская», равной 7…15%. В опытах максимальный выход биогаза составил 0,38 м³/кг СОВ при концентрации СВ в помёте 14…15%.

Анализ данных по удельному выходу биогаза, приведённых в трудах В. Баадера [17], В.С.Дубровскиса и У.Э.Виестура [85], и опытных данных показывает, что полученное в исследованиях значение выхода биогаза соответствует самым низким значениям его, полученным другими исследователями. Наряду с низким значением выхода биогаза многими исследователями был получен значительно больший удельный выход биогаза с единицы СОВ. Так, J. Vutasala [360] при метановом брожении помёта в термофильных условиях получил 0,5…0,75 м³ биогаза с 1 кг распавшегося СОВ. Большой интервал варьирования его выхода указывает на то, что в опытах видимо был использован птичий помёт с различным химическим составом.

Предельный выход биогаза, который возможно получить в условиях термофильного режима с 1 кг СОВ по В. Баадеру [17] составляет 0,8…1,0 м³. Его ещ1 называют теоретическим выходом биогаза. Как видим, максимально возможный выход биогаза с единицы распавшегося СОВ в 2,1…2,6 раза превышает продукцию биогаза, полученную в экспериментальных условиях при свободном движении сбраживаемого птичьего помёта. Это означает, что процесс метаногенеза при свободном движении проходит неэффективно. Следовательно, при анаэробном сбраживании птичьего помёта в условиях свободного движения имеются значительные ресурсы для увеличения продукции биогаза.

Для определения предельной величины продукции биогаза, оптимального температурного режима и влияния однородной температуры на процесс анаэробного сбраживания птичьего помёта были проведены многочисленные опыты на биореакторах объемом 0,003м³. В биореакторах в режиме одноразовой загрузки сбраживали ПП с одинаковым химическим составом при разных температурах от 312 К до 328 К.

Ввиду малого объ1ма биореакторов в сбраживаемом птичьемпомёте достигалось однородное температурное поле по всему объёму. Результаты опытов приведены на рисунках 2.11, 2.12, 2.13 и в приложении И.

Рисунок 2. 11– Зависимость выхода биогаза от длительности сбраживания

При низких температурах (312 К…316 К) процесс анаэробного брожения протекает медленно (рисунок 4.2.5). Наибольшего значения выход биогаза в процессе сбраживания достигает на 11…13 сутки. Резко выделяющихся точек на кривой продукции биогаза при низких температурах не наблюдается, газообразование проходит равномерно. С повышением температуры до 324 К уже в первые сутки происходит выделение больших количеств биогаза. Максимальное значение продукции биогаза достигается на 6 сутки брожения, после чего идёт резкий спад газогенерации. При достижении температуры 328Кгазопроизводительность метановых бактерий несколько снижается. Максимальное выделение биогаза наблюдается на 9-10 сутки брожения. Таким образом, в исследуемом диапазоне температур выявлен один пик на кривой продукции биогаза, который соответствует температуре 324 К (51°С).

В литературе единого мнения на счёт величины оптимальной температуры термофильного режима сбраживания нет. Исследователи называют разные значения оптимума: J. Vutsala [360]327К, Л.Г. Логинова [154] – 326 К, Н.Д. Иерусалимский [97] – 328 К. Объясняется это различием состава ассоциаций микроорганизмов в биореакторах и сырья по химическому составу.

Полученная кривая 1 (рисунок 4.2.6) больше согласуется с кривой Дубровскиса B.C. [84], так как в исследуемом диапазоне температур наблюдается повышение выхода биогаза с одним пиковым значением. Ожидается, что при более длительном сбраживании общий выход биогаза при низких температурах возрастет и приблизится к величинам общего выхода, полученных при более высоких температурах.

Рисунок 2. 12– Зависимость выхода биогаза V и времени сбраживания τ от температуры броженияТ

Одним из главных преимуществ проведения процесса анаэробного сбраживания при высоких температурах является интенсивность, которая дает возможность вести процесс с меньшими затратами времени. Так, сбраживание птичьего помёта при оптимальной температуре равной 324 К уменьшает время распада СОВ на 76,9% отТ= 312 К, на 50% от Т = 316К, на 25,6% от Т =32 К, на 42,2% от Т = 32 К (рисунок 4.2.7). Соответственно и газовыделение при 324 К было выше, чем при других температурах.

Рисунок 2. 13– Зависимость степени разложения СВ птичьего помёта от времени сбраживания

Таким образом, при оптимальном температурном режиме (324К) анаэробного сбраживания птичьего помёта и однородном температурном поле удельный выход биогаза из 1 кг СОВ составил 0,71 м³, что соответствует величинам, полученным другими исследователями [60, 84, 360], и значительно отличается от величины выхода биогаза, полученного в условиях неоднородного температурного поля.

Интенсификация теплообмена в сбраживаемой среде возможна при замене свободного движения на вынужденное, в пределах теплового пограничного слоя, который определяет закономерности теплообмена. Согласно критериального уравнения (3.34), описывающего процесс теплообмена независимо от способа перемешивания, режим движения сбраживаемой среды характеризуется значением числа Рейнольдса (Re_ц). Определяющей величиной режима движения является частота вращения п мешалки.

Очевидно с увеличением п будет увеличиваться числоRe_ц, а также число Nu, характеризующее интенсивность теплоотдачи в сбраживаемой среде. Однако, при анаэробном сбраживании помёта значительно повышать частоту вращения мешалки не рекомендуется, так как в силу биологических особенностей жизнедеятельности бактерии метаногенной ассоциации скорость движения помёта не должна превышать 0,5 м/с [139]. В экспериментах линейная скорость якорной мешалки не превышала данного значения и изменялась в пределах 0,13…0,4 м/с.

Кроме того при фиксированном значении частоты вращения мешалки на однородность системы влияет также длительность перемешивания τ. Совместное влияние этих величин обычно представляется в виде комплекса τ·п, который выражает количество оборотов мешалки.

На рисунке 4.2.8 представлены графики, характеризующие изменение температурной однородности объема сбраживаемого помёта при значениях скоростей движения W₁= 0,13м/с, W₂= 0,20м/с, W₃= 0,27м/с, W₄= 0,40м/с.

По характеру полученных графических зависимостей можно сделать вывод, что наиболее интенсивно перемешивание происходит при скорости движения сбраживаемого птичьего помёта, близкой к максимально допустимой и равной 0,4 м/с. Причем, расход энергии при этой скорости наименьший. Подтверждением сказанного служит график (рисунок 4.2.9), отражающий зависимость расхода энергии перемешивающего устройства от его скорости.

Рисунок 2. 14– Зависимость температурного перепада ΔТ сбраживаемого помёта от количества перемешиваний h

Рисунок 2. 15– Зависимость расхода энергии при перемешивании сбраживаемого птичьегопомёта от скорости перемешивающего устройства

При перемешивании сбраживаемой среды со скоростью движения 0,4 м/с после 50 оборотов мешалки достигается температурная однородность, соответствующая требованиям технологического процесса, а затем после 80 оборотов она стабилизируется, и дальнейшее перемешивание не оказывает заметного влияния на эту величину. Это свидетельствует о снижении интенсивности воздействия мешалки на перемешиваемую среду, а также подтверждает общепринятую многими исследователями [94, 102, 124, 320] характеристику процесса перемешивания равную постоянному значению, т.е.

, (2.37)

где С’ — постоянная, зависящая от свойств сбраживаемого птичьего помёта и конструктивной формы мешалки.

Соответственно росту температурной однородности сбраживаемой среды в зависимости от интенсивности перемешивания растёт и значение коэффициента теплоотдачи α, который определяет скорость распространения теплоты в объёме сбраживаемого птичьего помёта. Для описания явления теплоотдачи в сбраживаемой среде и определения коэффициента теплоотдачи в ней было выведено критериальное уравнение в приближении пограничного температурного поля

. (2.38)

Полученные экспериментальные данные обрабатывались согласно приведенному уравнению. В результате обработки получено уравнение, описывающее явление теплоотдачи в геометрически подобныхбиореакторах при сбраживании птичьего помёта

(2.39)

Правомерность выбора постоянного числа K₁и показателей степенейА, В, С и Е уравнения (2.39) проверяли по методу линеаризации (рисунок 4.2.10) [99]. Сопоставление опытных и расчётных значений при перемешивании показывает, что корреляция экспериментальных данных удовлетворительна. Из анализа критериального уравнения (2.39) можно сделать вывод, о том, что с увеличением числа Re_w коэффициент теплоотдачи увеличивается. При этом, величина теплового пограничного слоя δ уменьшается и, следовательно, интенсивность процесса метаногенеза увеличивается.

Влияние отношения D/d_M возрастает с увеличением этого отношения, что объясняется изменением структуры потока.

$E:\ДЛЯ Виктора Ивановича\ГРАФИКИ МВИ\рис 49.jpg$

Рисунок 2. 16– Теплоотдача при вынужденном движении в объёме сбраживания птичьего помёта

Для удобства практических расчётов и выявления влияния исследуемых параметров на коэффициент теплоотдачи полученное уравнение (4.5) решено относительно последнего

. (2.40)

Для установления производительности метановых бактерий ввышеупомянутых условиях при оптимальных значениях концентрации СОВ и температуры был исследован выход биогаза с 1 кг СОВ (рисунок4.2.11).

Рисунок 2. 17– Выход биогаза V в зависимости от интенсивности теплообмена в объеме сбраживаемого помёта

Максимальное значение выхода биогаза 0,64м³/кг СОВ получено при 15% концентрации СОВ, температуре брожения 324 К, интенсивности теплоотдачи в сбраживаемом помёте, равной 83,0 Вт/(м²·К).

На основании исследований отечественных и зарубежных специалистов, а также проведенных нами (см. рисунок 4.2.5) выявлено, что максимальная производительность метанового сбраживания достигается в объёме с однородным температурным полем.Для этого необходимо, чтобы выполнялись условия (рисунок4.2.1):

и , (2.41)

при которых температура во всех точках объема сбраживаемого птичьего помёта будет однозначна :

. (2.42)

В этом случае достигается максимальная температурная однородность сбраживаемой среды, которая определяется минимально возможным отклонением местных температур (T_i) от оптимального значения её (Т_опт),т.е.

. (2.43)

Получение однородного температурного поля в объёме сбраживания неразрывно связано с эффективностью работы перемешивающих устройств. Эффективность перемешивания по Ф.Стренку [276] определяется количеством энергии, затрачиваемой на перемешивание для достижения требуемого технологического эффекта. Поскольку на практике для интенсификации процесса теплоотдачи применяются различные типы биореакторов и множество видов перемешивающих устройств, то в качестве общей оценки работы последних данный критерий использоваться не может.

Кафаров В.В. [112], Зигмунд Ф.Ф., Часовский Е.З. [94], Капустин А.С. [103] процесс перемешивания характеризуют с другой стороны – качеством перемешивания. Очевидно, что качество перемешивания при интенсификации процессов теплообмена характеризуется степенью температурной однородности перемешиваемой среды, которая определяется значением:

. (2.44)

Обычно степень температурной однородности перемешиваемой среды задают по условиям технологического процесса. Период, необходимый для достижения заданной температурной однородности среды, называется длительности перемешивания. Непосредственно длительность перемешивания определяется кратностью циркуляции и степенью турбулентности перемешиваемой среды [315]:

, (2.45)

где τ — длительность перемешивания, с;

К_ц — кратность циркуляции;

V — рабочий объем перемешиваемой среды, м³;

Q_ц — объемный расход циркуляции, м³/с.

Ввиду особенностей биологического развития бактерий метаногенной ассоциации степень турбулентности имеет постоянное значение и на длительность перемешивания влияния не оказывает. Таким образом, длительность перемешивания τ, а, следовательно, и степень температурной однородностиТ/Т_оптсбраживаемого птичьего помёта зависит от кратности циркуляции К_ц в биореакторе:

. (2.46)

Теоретическая температурная однородность перемешиваемой среды (Т/Т_опт=1) достигается при числе циркуляций, стремящихся к бесконечности (). На практике необходимое количество циркуляций зависит от условий технологического процесса. Технологически допустимая степень температурной однородности соответствует значениям 0,96 и выше [53].

В объёме сбраживаемого птичьегопомёта степень температурной однородности колеблется в пределах от 0,798 до 0,970. Основное влияние на Т/Т_опт оказывает величина концентрации СВ в птичьемпомёте.

С целью зависимости кратности циркуляции К_ц, влияющей на длительность перемешивания и энергозатраты, и выявления зависимости степени температурной однородности Т/Т_опт от концентрации СВ в птичьем помёте были проведены исследования на лабораторной установке ёмкостью 2 м³ (рисунок2.18). Результаты исследований обработаны по методу наименьших квадратов использованием пакета стандартных программ [42]. В итоге получены зависимости (рисунки 2.18, 2.19), описываемые уравнениями:

(2.47)

(2.48)

Рисунок 2. 18– Зависимость степени температурной однородностиТ/Т_опт от концентрации СВ С сбраживаемого птичьегопомёта

Рисунок 2. 19– Зависимость степени температурной однородностиТ/Т_оптсбраживаемого птичьего помёта от кратности циркуляции К_ц

Как видно из полученной зависимости (рисунок2.19), кратность циркуляции К_цсбраживаемого птичьегопомёта изменяется значительно: от 0,7 до 8,8. Так, при величине концентрации СВ в помёте равной 2% степень температурной однородностиТ/Т_опт удовлетворяет требуемому технологическому эффекту и равна 0,97 (рисунок 2.20). В этом случае сбраживаемый птичийпомёт по своему качеству напоминает воду, в которой величиной теплового пограничного слоя можно пренебречь и, следовательно, перемешивать его нет необходимости.

При увеличении концентрации СВ в птичьем помёте с 5% до 8% в объеме сбраживания возникают силы внутреннего взаимодействия, препятствующие распространению теплоты при помощи свободного движения. Степень температурной однородностиТ/Т_опт снижается до значения Т/Т_опт= 0,931 ниже технологически требуемого, поэтому для преодоления сил внутреннего взаимодействия используется перемешивание. Причём величина кратности циркуляции К_ц резко увеличивается от нулевого значения до 3,2.

Дальнейшее увеличение концентрации СВ в помёте с 8% до 17% заметно снижает степень температурной однородностиТ/Т_оптдо значения 0,870. В данном интервале концентраций СВсбраживаемый птичийпомёт напоминает аморфное тело, в котором распространение теплоты преобладает теплопроводностью. Поэтому для достижения технологически заданной степени температурной однородностиТ/Т_опт кратность циркуляции К_ц постепенно возрастает до значения 5,0.

При увеличении концентрации СВ в птичьем помёте до 24% последний теряет способность расслаиваться на жидкую и твёрдую фракции и степень температурной однородностиТ/Т_опт резко снижается до 0,798. Для достижения величинойТ/Т_опт технологически требуемого значения 0,96 кратность циркуляции К_цувеличивается и составляет 8,0.

2.5 Определение режимных и конструктивных параметров работы обезвоживающего устройства

2.5.1 Обоснование конструктивно-технологической схемы обезвоживателя

При разделении неоднородных сред (каковой является сброженный помет) в зависимости от того, какая фаза движется относительно другой, различают два основных метода разделения: осаждение и фильтрование.

Процессы осаждения осуществляются в механических полях: гравитационном и центробежном. Осаждение осуществляется в том случае, когда на частицы обеих фаз одинакового размера действует силовое поле с различной интенсивностью.

Фильтрование может осуществляться при воздействии на систему всех сил, не зависимо от их размера и плотности.

Практическое использование этих методов показывает, что фильтрование, причем активное, наиболее широко применяется на практике очистки отходов любого производства. Этот метод позволяет более интенсивно использовать машины и получать продукты на выходе при низких энергетических затратах. При фильтровании дисперсная система проходит через специально предназначенное для разделения пористое тело – фильтрующий элемент.

В «чистом» виде ни один из этих методов не имеет место. Процессы фильтрации в той или иной степени сопровождаются и фильтрованием и осаждением.

Решающее значение при разделении системы имеет отношение скорости фильтрования к скорости осаждения твердых частиц под действием сил тяжести и центробежных сил, т.е.

(2.49)

где – объем жидкой фазы, прошедший за единицу времени

через единицу площади , м³;

– скорость осаждения твердой фазы под действием сил тяжести

и центробежных сил, м/с.

Величина определяется по формуле:

(2.50)

Скорость осаждения определяется по формуле Стокса:

(2.51)

где – размер твердых частиц, м;

, – масса, соответственно, твердой и жидкой фазы, кг/м³.

После подстановки значений и в (2.51) имеем:

(2.52)

Исследователь В.А. Жужиков указывает, что фильтрование при значении отношения идет с закупоркой пор, при значении в диапазоне идет промежуточный процесс и при значении отношения идет фильтрование с образованием осадка. Как показал предварительный расчет для обезвоживания сброженного помета, значение находится в пределах 3…650.

Таким образом, обезвоживание сброженного помета в фильтрующем барабане можно отнести к первой группе – фильтрование с образованием осадка. Поскольку фильтрующий барабан совершает колебательные движения вокруг оси, поэтому в данном случае фильтрование с образованием осадка происходит в центробежном поле.

Сам процесс осуществляется устройством для обезвоживания (см. рисунок 2.20) следующим образом.

В начале процесса сброженный помет влажностью 92…94% подается в фильтрующий барабан. В нем он ведет себя как дисперсная система, которая состоит из твердой и жидкой фазы, с высокой влажностью и низкой вязкостью. Фильтрующий барабан совершает периодические колебательные движения по окружности с определенным сектором движения, равным амплитуде колебаний барабана. Твердая фаза сброженного помета постепенно накапливается в нижней части внутренней поверхности барабана. В это время большая часть жидкой фазы (свободная влага) проходит через поры капилляров фильтрующего элемента и выводится из обезвоживателя. Постепенно на внутренней поверхности барабана образуется осадок, состоящий из твердой фазы и небольшого количества свободной влаги. Влажность данного осадка составляет 78…80%. На этом этапе обезвоживания сброженного помета превалирует метод осаждения твердой фазы.

Дальнейшее удаление оставшейся свободной влаги, которая располагается между твердыми частицами сброженного помета, и физико-механически связанной влаги рассмотрим на примере объема осадка сброженного помета, совершающего колебательное движение совместно с фильтрующим барабаном (рис. 2.20).

В фильтрующем барабане происходит постепенное формирование осадка из твердой фазы. Осадок заполняет половину объема фильтрующего барабана, совершая колебательные движения вместе с барабаном.

Рисунок 2. 20– Схема формирования осадка сброженного помета в фильтрующем барабане:

а) исходное положение осадка; б) положение при совершении периода колебания; в) положение осадка при совершении колебания

При движении осадка вверх за счет сил трения с внутренней поверхностью фильтрующего барабана на него начинает воздействовать давление, которое состоит из сил, создаваемых центробежным и гравитационным полями. Совместное воздействие этих сил способствует тому, что в осадке твердые частицы постепенно сближаются между собой, т. е. происходит их уплотнение. В результате происходит выдавливание свободной и физико-механически связанной влаги из осадка. Поднимаясь вверх вместе с внутренней поверхностью осадок, доходит до максимально возможной верхней точки. Как только силы сцепления снижаются до минимального значения, осадок начинает резко падать вниз. При этом он разрушается. Кроме того, при скатывании его вниз происходит уплотнение органических частичек твердой фазы. Это способствует выдавливанию свободной и физико-механически связанной влаги из осадка.

Важным моментом при таком движении осадка и фильтрующего элемента является то, что происходит постоянное обновление его поверхности. В итоге капилляры не закупориваются, и влага без препятствий выводится из барабана.

Совершая постоянно повторяющиеся колебания, осадок постепенно уплотняется. Это происходит до тех пор, пока давление, создаваемое гравитационными и центробежными силами достаточно для сжатия осадка. При установлении равновесия между силами, сжимающими осадок, и силами сопротивления сжатию твердой фазы обезвоживание сброженного помета заканчивается. Дальнейшее воздействие данного явления на процесс обезвоживания становится невозможным. Влажность осадка после фильтрования в фильтрующем барабане составляет 65…68%. Жидкая фаза в процессе всего времени постоянно отводится через капилляры фильтрующего элемента в кожух, в котором имеется патрубок для ее удаления из обезвоживающего устройства.

При сравнении объемов поступившего сброженного помета на обезвоживание и объема уплотненного осадка, состоящего из органических частичек твердой фазы установлено, что объем уплотненного осадка составляет ¼ часть от его первоначального объема, поступившего на обезвоживание. Следовательно, процесс обезвоживания сброженного помета на разработанном устройстве позволил уменьшить его первоначальный объем на ¾ части.

Анализ процесса обезвоживания показал, что особое значение при фильтровании имеет движение, которое совершает осадок совместно с фильтрующим барабаном. Для выявления закономерностей обезвоживания сброженного помета в фильтрующем барабане рассмотрим это движение.

2.5.2 Теоретическое исследование рабочего процесса обезвоживания сброженного помета в фильтрующем барабане

Анализ движения, которое совершает осадок, сформированный из твердой фазы сброженного помета, показывает, что это механическое колебательное движение, причем с одной степенью свободы. Сам осадок представляет собой систему, состоящую из твердых частичек органического вещества сброженного помета. Положение системы определяется одной обобщенной координатой , а движение системы под действием приложенных к ней сил – изменением этой координаты с течением времени. Система совершает колебания в вертикальной плоскости (рис. 2.2). Расстояние, пройденное системой, определяется одной обобщенной координатой – углом между конечными плоскостями и , проходящими через центр тяжести осадка.

Колебательное движение системы с одной степенью свободы относится к периодическим колебаниям, при которых значения физических величин , изменяющихся во времени в процессе колебаний, повторяются через равные промежутки времени :

(2.52)

где – время, с;

– период колебаний, с.

За период осадок совершает одно полное колебание. Число полных колебаний в единицу времени определяется как:

(2.53)

где – частота периодических колебаний, с^-1.

а)

б)

Рисунок 2. 21– Характер движения осадка в фильтрующем барабане:

а) схема колебаний фильтрующего барабана;б) общий ход колебательного движения

Поскольку осадок совершает периодические колебания, при которых изменение во времени физической величины происходит по закону синуса или косинуса, тогда такое движение можно представить в виде:

(2.54)

где – отклонение колеблющегося осадка от его начального

положения, м;

– амплитуда колебания, рад;

– начальная фаза периодических колебаний, рад;

– частота колебания, рад/с.

Колебательное движение передаются осадку посредством фильтрующего барабана, который в свою очередь приводится в действие от механической системы. Характер колебаний формируемых механической системой является вынужденным. Вследствие этого начальная фаза колебания теряет свой смысл, и движение осадка описывается уравнением:

(2.55)

Частота периодических колебаний связана с периодом колебаний соотношением:

(2.56)

Выражение под синусом является комплексной величиной и определяет фазу периодических колебаний.

Следовательно, фильтрующий барабан совершает периодические вынужденные колебания с частотой возмущающей силы. Амплитуда вынужденных колебаний барабана не зависит от начальных условий и времени.

Предварительные поисковые опыты позволили определить значения основных величин, характеризующих периодическое колебательное движение осадка, состоящего из твердой фазы сброженного помета в фильтрующем барабане. Так, частота колебаний осадка составляет 4,89рад/с, амплитуда колебаний равна 2,44рад, период колебания осадка равен 1с, при этом линейная скорость осадка находится в пределах 0,5…0,7м/с.

На основании общей схемы работы устройства в фильтрующем барабане происходит фильтрование сброженного помета с образованием осадка при изменяющемся давлении и периодической подаче в барабан перерабатываемого материала.

Движущей силой процесса фильтрования с образованием осадка является гидростатическое давление создаваемое над осадком и в его порах. При прохождении жидкой фазы через поры осадка развиваемое давление полностью расходуется на преодоление сопротивления слоя осадка и на сообщение жидкой фазе некоторой кинетической энергии. Значение величины этой энергии настолько мало, что ею можно пренебречь. Гидростатическое давление слагается из давления, создаваемого центробежным полем и давления, создаваемого гравитационным полем.

При постоянной скорости сброженный помет в фильтрующем барабане будет находиться в состоянии относительного покоя. Для установления закономерностей этого состояния используем дифференциальное уравнение гидростатики Эйлера:

, (2.57)

где – давление в любой точке сброженного помета, Па;

– плотность сброженного помета, кг/м³;

– проекция ускорения на координатные оси.

В нашем случае на произвольно выбранную элементарную частицу сброженного помета будет действовать центробежная сила, проекции которой на координатные оси равна:

. (2.58)

Кроме того, на эту частицу будет действовать сила тяжести по направлению оси :

. (2.59)

Подставляя эти значения ускорений в уравнение (2.57), и интегрируя его, получим:

. (2.60)

Постоянную интегрирования найдем из условия, что при значении координат избыточное давление на поверхности сброженного помета равно нулю, следовательно, постоянная интегрирования . Далее, заменив плотность удельным весом и текущую координату радиусом вращения фильтрующего барабана, найдем:

, (2.61)

. (2.62)

Выражение (2.62) дает представление о мере соотношения центробежных и гравитационных сил.

Давление центробежных сил найдем, умножая правые части выражений (2.61) и (2.62) на удельный вес и вычитая почленно, получим:

. (2.63)

Радиус в выражении (2.63) является средним радиусом сечения осадка сброженного помета, который равен половине сумме радиусов всей высоте осадка в барабане и определяется выражением:

, (2.64)

а полная сумма радиусов осадка равна высоте всего слоя осадка и обозначается , т. е.

, (2.65)

где — расстояние от оси барабана до нижнего слоя осадка, м;

— расстояние от оси барабана до верхнего слоя осадка, м.

После подстановки новых значений в уравнение (2.63) и соответствующих преобразований запишем:

. (2.64)

Величина представляет собой фактор разделения для среднего радиуса осадка. В итоге полное давление на осадок в центробежном и гравитационном поле можно определить выражением:

, (2.65)

где – гидростатическое давление осадка, Па;

– фактор разделения.

Гидростатическое давление высоты слоя осадка определяется выражением:

. (2.66)

Следовательно, при центробежном осаждении давление увеличивается по сравнению с гидростатическим давлением в гравитационном поле пропорционально фактору разделения. Совместное действие давлений является движущей силой процесса, от которой зависят его технологические параметры.

С целью выявления значимости давления развиваемого в гравитационном поле и давления развиваемого в центробежном поле нами были проведены сравнительные опыты. Расчеты показали следующее. Значение центробежной скорости элементарной частицы жидкой фазы составило 4,07м/с2. Значение ускорения силы тяжести составляет 9,81м/с2. Как видим, сила тяжести превосходит центробежную силу в 2,4 раза. Поэтому можно сделать вывод, что давление, развиваемое гравитационной составляющей разделения, оказывает большее влияние на процесс обезвоживания сброженного помета в фильтрующем барабане, чем давление создаваемое центробежными силами. В дальнейших расчетах следует учитывать действие гравитационных и центробежных сил, так как общее давление на осадок является величиной равной произведению значений двух величин: фактора разделения и гидростатического давления.

Таким образом, анализ теоретических исследований позволяет сделать ряд допущений, положенных в основу дальнейших исследований.

1. Течение жидкой фазы в порах осадка и капиллярах фильтрующего барабана радиальное и подчиняется ламинарному режиму течения.

2. За основу для дальнейших исследований применяем дифференциальное уравнение фильтрования. Так как масса осадка сброженного помета , накапливаемая на фильтрующей перегородке непостоянна, и зависит от влажности, то ее рационально заменить массой сухого вещества осадка . Удельное сопротивление осадка в данном случае будет выражать среднее удельное сопротивление осадка сброженного помета, содержащего единицу массы сухого вещества.

Тогда основное уравнение фильтрования будет иметь вид:

, (2.67)

где – объем жидкой фазы сброженного помета, м³;

– время фильтрования, с;

– давление фильтрования, Па;

– площадь фильтрования, м²;

– удельное сопротивление фильтрующего элемента;

– масса сухого вещества осадка, образующегося на единице

площади перегородки при прохождении через нее единицы

объема фильтрата, кг.

– удельное массовое сопротивление осадка;

– удельное сопротивление фильтрующего элемента;

3. Колебательное движение фильтрующего барабана является следствием интенсификации процесса обезвоживания сброженного помета, так как способствует постоянному обновлению площади фильтрующей поверхности барабана.

4. Так как в качестве фильтрующего элемента используются металлическая сетка, допускаем, что он в пределах исследуемых давлений несжимаем и его удельное сопротивление с учетом закупорки капилляров в процессе работы остается постоянным.

2.5.3 Определение режимных и конструктивных параметров работы обезвоживающего устройства

Анализ процесса фильтрования сброженного помета показал, что процесс осуществляется в фильтрующем барабане за счет действия гравитационных и центробежных сил. В предлагаемом устройстве для обезвоживания, в отличие от центробежных устройств, происходит постоянное обновление поверхности фильтрующего элемента, разрушение осадка твердой фазы и постепенное уплотнение ее частиц. Перечисленные действия способствуют активному выделению свободной влаги по сравнению с другими устройствами и, следовательно, увеличению скорости фильтрования.

Для подтверждения данной гипотезы был проведен теоретический анализ уравнения, описывающего процесс обезвоживания сброженного помета в фильтрующем барабане, совершающим периодическое колебание. В фильтрующий барабан поступает сброженный помет объемным расходом , который распределяется по внутренней его поверхности. За время в фильтрующий барабан поступает сброженного помета. При этом из него уходит объем жидкой фазы , образуя на фильтрующем элементе объем осадка, равный .

Из условия материального баланса можно записать:

. (2.68)

К моменту времени объем сброженного помета составит:

. (2.69)

В общем случае давление фильтрования, определяемое зависимостью (2.63), является величиной переменной ввиду постоянного изменения внутреннего радиуса слоя осадка в фильтрующем барабане.

Выразив суммарный объем, осадка твердой фазы, находящегося в фильтрующем барабане, который имеет цилиндрическую форму, через радиус и рабочую длину , получим:

, (2.70)

откуда найдем радиус осадка

. (2.71)

Тогда, подставив выражение (2.71) в формулу для определения давления фильтрования (2.63), получим:

. (2.73)

После замены объема через , из уравнения материального баланса (2.68) получим выражение:

. (2.74)

С учетом полученного выражения (2.74) основное уравнение фильтрования (2.67) после преобразования приняло вид:

. (2.75)

Поскольку осадок сброженного помета сжимаем, удельное сопротивление его также непостоянно и изменяется с изменением давления фильтрования. Формула для определения удельного массового сопротивления осадка сброженного помета имеет вид линейной зависимости [54]:

, (2.76)

где – постоянное число;

– коэффициент, учитывающий структурное сопротивление

осадка.

Таким образом, с учетом (2.76) окончательное уравнение обезвоживания с образованием осадка для общего случая:

. (2.77)

Уравнение (2.77) является универсальным и позволяет проанализировать возможные режимы и выявить параметры процесса обезвоживания сброженного помета в фильтрующем барабане.

1. Объем жидкой фазы, выделенной из сброженного помета, значительно зависит от площади фильтрующего элемента . Поскольку площадь фильтрующего барабана величина неизменная, и увеличивать размеры барабана не имеет смысла, поэтому в данном случае под площадью понимаем периодическое обновление фильтрующей поверхности.

2. Несколько меньшая зависимость наблюдается от объема выделившейся жидкой фазы и от частоты колебаний фильтрующего барабана .

3. Сопротивление фильтрующего элемента оказывает тем меньшее влияние, чем большее значение имеет площадь его обновления . Поскольку обновление поверхности фильтрующего барабана происходит постоянное, при каждом колебательном движении барабана, поэтому данным фактором можно пренебречь.

4. Процесс обезвоживания является периодическим, так как сброженный помет поступает на переработку порциями. поэтому остальные величины, входящие в уравнение (2.77) незначительно влияют на интенсивность процесса обезвоживания.

5. Для интенсификации процесса обезвоживания необходимо применить такой прием, который бы способствовал максимальному выделению влаги за короткий промежуток времени без лишних энергетических затрат. В качестве такого приема использовано движение фильтрующего барабана – периодическое колебание с амплитудой и периодом , определенной величины, способствующих увеличению круговой частоты, перемещению внешних и внутренних слоев осадка относительно друг друга и постоянному обновлению фильтрующего элемента. В результате время процесса обезвоживания уменьшается и увеличивается объем перерабатываемого сброженного помета.

2.5.4 Определение производительности обезвоживающего устройства

Исходя из схемы работы обезвоживающего устройства. Его производительность определяется режимом процесса фильтрования в условиях периодического колебания фильтрующего барабана. В общем случае производительность устройства равна:

, (2.78)

где – соответственно объемная производительность по жидкой фазе и осадку, м³.

Для определения объемной производительности барабана установим зависимости для и . Так как процесс фильтрования осуществляется при давлении , поэтому для вывода зависимости величины используем основное уравнение фильтрования:

, (2.79)

где – объем жидкой фазы с единицы фильтрующего элемента

барабана за время , м³.

При постоянном давлении фильтрования в уравнении (2.79) переменными являются и . Разделив переменные в этом уравнении, получим выражение:

, (2.80)

и проинтегрировав уравнение (2.80) от 0 до и от 0 до , запишем:

. (2.81)

Зависимость для объема жидкой фазы найдем, решая квадратное уравнение (2.81). При решении уравнения определяли только положительный корень, так как с физической точки зрения объем жидкой фазы не может быть величиной отрицательной:

. (2.82)

Удаление осадка осуществляется периодически за определенное время. Период обезвоживания одной порции сброженного помета равен одному циклу работы устройства. Время удаления одной порции – , тогда за единицу времени произойдет циклов удаления осадка т.е.

. (2.83)

В свою очередь зависит от такого фактора как круговой частоты колебаний :

. (2.84)

Так как зависимость (2.84) выражает суммарный объем жидкой фазы, полученный за время с единицы площади фильтрующего элемента, то средняя теоретическая скорость фильтрования будет равна:

, (2.85)

где – средняя теоретическая скорость фильтрования, м³/с;

а теоретическая производительность устройства для обезвоживания по жидкой фазе составит:

. (2.86)

Подставляя в выражения (2.85) и (2.86) значения для , а также уравнение для площади фильтрующего элемента:

, (2.87)

получим теоретическую скорость фильтрования:

, (2.88)

и теоретическую производительность устройства по жидкой фазе:

. (2.89)

Входящее в формулу (2.89) давление фильтрования определяется по зависимости (2.38):

а удельное сопротивление осадка – зависимостью общего вида:

Объемную производительность обезвоживающего устройства по осадку определяли с учетом влажности и плотности осадка по формуле:

, (2.90)

где – производительность по сухому веществу осадка, м³/ч;

– влажность осадка, %;

– плотность осадка, кг/м³.

Выразив через и , получим уравнение:

. (2.91)

Для определения плотности осадка и отношения массы сухого вещества осадка к объему жидкой фазы использовали зависимость [123], а затем выразили ее через :

, (2.92)

где – процентное содержание сухого вещества в исходном сброженном помете, %.

Формулу (2.92) можно записать, выразив через влажность исходной массы сброженного помета:

, (2.93)

где – влажность исходной массы сброженного помета.

Кроме того, при работе обезвоживающего устройства необходимо внести в уравнение производительности (2.88) коэффициент . Так при совершении колебательного движения осадок поднимаясь вверх по окружности барабана, при переходе из горизонтальной плоскости начинает осыпаться, т.е. верхняя его часть скатывается вниз на дно фильтрующего барабана. Это происходит до тех пор, пока силы сцепления осадка с барабаном и внутренние силы сцепления в осадке не уравновешиваются с гравитационными силами массы осадка. Таким образом осыпается половина объема осадка вниз. В это время происходит обновление поверхности фильтрующего элемента барабана. Обозначим действие этого эффекта коэффициентом .

После определения всех составляющих формулы (2.77) с учетом формул (2.77), (2.88) и (2.91) запишем окончательное выражение для определения объемной производительности обезвоживающего устройства:

. (2.94)

Анализ выражения (2.94) и уравнений, по которым определяются входящие в нее величины, показал, что производительность устройства для обезвоживания зависит от факторов конструктивного характера и технологических факторов, связанных с обрабатываемым сброженным пометом:

— давление фильтрования ;

— угловая частота фильтрующего барабана ;

— влажности и плотности получаемого осадка;

— удельного сопротивления осадка твердой фазы .

— коэффициента обновления поверхности фильтрующего элемента ;

— радиуса и длина фильтрующего барабана;

— удельного сопротивления фильтрующей перегородки ;

— влажности исходной массы сброженного помета ;

— коэффициент динамической вязкости и плотности жидкой фазы

сброженного помета;

— плотности сухого вещества сброженного помета ;

Основными параметрами процесса фильтрования сброженного помета в фильтрующем барабане характеризующими движущую силу процесса и сопротивление среды, является давление фильтрования , удельное сопротивление фильтрующей перегородки и удельное массовое сопротивление осадка .

Для анализа влияния основных конструктивных и кинематических параметров обезвоживающего устройства на его производительность упростим формулу (2.94). Принимаем, что удельное сопротивление перегородки равно нулю, то есть . Это объясняется тем, что в процессе колебаний поверхность фильтрующего барабана постоянно обновляется за счет его колебательного движения. Причем, за время одного полного колебания происходит полное обновление фильтрующей поверхности барабана. Это резко повышает производительность устройства. В итоге:

. (2.95)

Для упрощения проведения качественного анализа, формулы производительности обезвоживающего устройства удельное сопротивление осадка вместо линейной зависимости выразим степенной зависимостью вида:

. (2.96)

Степень силы давления учитывает уплотнение, которому подвергаются частички твердой фазы сброженного помета при скатывании на дно фильтрующего барабана.

Для осадка сброженного помета влажностью 91,9…97,6% показатель сжимаемости равен = 0,90…0,99 [38].

Подставив степенную зависимость для удельного сопротивления осадка в формулу (2.95), после преобразования получим:

, (2.97)

где – показатель степени, равный 0,05…0,005 при = 0,90…0,99.

Для упрощения формулы (2.97) обозначим:

, (2.98)

где – коэффициент, характеризующий постоянные величины,

относящие к параметрам центрифуги и обрабатываемого

материала при определении производительности.

Тогда, после преобразований запишем:

. (2.100)

Так как радиус фильтрующего барабана , имеющего форму цилиндра, и длина барабана есть линейные размеры обезвоживающего устройства, то

, (2.101)

где – любой линейный размер фильтрующего барабана цилиндрической формы, м.

Для давления фильтрования воспользуемся уравнением (2.48):

Подставив уравнение (2.48) в выражение (2.100), введя и в коэффициент и приняв, что , после преобразований получим:

. (2.102)

Анализ зависимости (2.102) показывает, что наибольшее влияние на производительность обезвоживающего устройства оказывают линейные размеры фильтрующего барабана с показателем степени . С увеличением линейных размеров фильтрующего барабана и соответственно площади фильтрующей поверхности производительность обезвоживающего устройства резко возрастает, увеличивается также и интенсивность роста производительности обезвоживателя. Так как при работе устройства происходит постоянное обновление фильтрующей поверхности барабана за счет колебательного движения, то данное свойство устройства подтверждается.

Немаловажное влияние на интенсивность процесса оказывает угловая скорость фильтрующего барабана , что видно по показателю степени данной величины равной . Причем, совместно с частотой колебаний значимо влияет на интенсивность процесса обезвоживания амплитуда колебаний , от которой зависит величина движущей силы процесса.

2.6 Методика исследования процесса обезвоживания в фильтрующем барабане

Для возможности изучения интенсификации процесса обезвоживания в условиях вынужденного движения разработана и изготовлена установка, схема которой представлена на (рисунок 2.22).

Комплект оборудования для проведения исследования включает также контрольно-измерительную аппаратуру, датчики для регистрации опытных данных, переходные блоки-согласования, силовые и управляющие приборы.

Рисунок 2. 22– Схема установки для обезвоживания влажных дисперсных систем с высокой эффективностью разделения:

1 – станина; 2 – кожух; 3 – сливной патрубок; 4 – расходный бак; 5 – заслонка; 6 – винтовой механизм; 7 – электродвигателя переменного тока; 8 – редуктор; 9 – кулисный механизм; 10 – фильтрующий барабан; 11 – подшипниковый узел; 12 – ременная передача; 13 – блок управления.

Рисунок 2. 23 – Общий вид установки для обезвоживания влажных дисперсных систем с высокой эффективностью разделения

1 – станина; 2 – кожух фильтрующего барабана; 3 – сливной патрубок; 4 – расходный бак; 5 – заслонка; 6 – винтовой механизм; 7 – электродвигателя переменного тока; 8 – редуктор; 9 – кулисный механизм; 10 – фильтрующий барабан; 11 – подшипниковый узел; 12 – ременная передача.

Устройство для обезвоживания сброженного птичьего помета состоит из станины 1, на которой смонтирован кожух 2, имеющий в нижней части сливной патрубок 3 для отвода жидкой фазы, а в верхней расходный бак 4 с заслонкой 5 для подачи сброженного птичьего помета. Кожух 2 устанавливается под углом к горизонту при помощи винтового механизма 6. В верхней части кожуха 2 устроен механизм привода, состоящий из электродвигателя постоянного тока 7, редуктора 8 и кулисного механизма 9. Колебательное движение от кулисного механизма 9 передается на наклонно расположенный фильтрующий барабан 10 рабочий орган устройства через подшипниковые узлы 11 при помощи ременной передачи 12. Амплитуда колебания наклонно расположенного фильтрующего барабана 10 устанавливается подбором длины плеча кулисного механизма 9 и передаточного соотношения шкивов ременной передачи 12. Частота колебаний наклонно расположенного фильтрующего барабана 10 регулируется блоком управления 13, который снабжен для этого реостатом 14. В нижней части наклонно расположенного фильтрующего барабана 10 устроена заслонка 15 с рукояткой 16. Наклонно расположенный фильтрующий барабан состоит из цилиндрического остова 17 и натянутого на нем фильтрующего элемента 18.

Осуществления процесса обезвоживания сброженного птичьего помета на предлагаемом устройстве.

Наклонно расположенный фильтрующий барабан 10 устанавливается под углом к горизонту в 3 градуса при помощи винтового механизма 6. При включении блока управления 12 установка начинает работать. При этом вращательное движение электрического двигателя 6 постоянного тока передается к мотор-редуктору 7 и далее к кулисному механизму 8. Кулисный механизм 8 преобразует вращательное движение в колебательное движение. Так, в ходе экспериментов для обезвоживания сброженных птицеводческих отходов амплитуда колебаний имеет значение 12…160°, частота колебаний составляла 0,83…1,17с^-1. Затем из расходного бака 4, подаются сброженные птицеводческие отходы. В начале из отходов через фильтрующий элемент 18 выделяется свободная влага не связанная с твердой фазой. По мере прохождения отходов по внутренней части наклонно расположенного фильтрующего барабана 9 вниз из твердой фазы начинает формироваться осадок, который также совершает колебательные движения вместе с наклонно расположенным фильтрующим барабаном 9. При этом осадок, поднимаясь вверх по его внутренней поверхности, достигает максимально верхнего положения, скатывается вниз и разрушается. В это время происходит перемещение слоев осадка. Внутренние слои перемещаются наружу, а наружные слои перемещаются внутрь. При этом происходит более активное высвобождение свободной влаги. Кроме того, в процессе такого движения в осадке происходит уплотнение твердых частиц отходов, которые более плотно укладываются между собой, уменьшая объем, также вытесняя свободную влагу сброженных птицеводческих отходов. Далее свободная влага проходит сквозь фильтрующий элемент 17 и, попадая на внутреннюю поверхность кожуха 2, выходит через сливной патрубок 3 из устройства. Твердая фаза по мере уплотнения, о чем можно судить по окончании выхода свободной влаги из устройства, выводится наружу через заслонку 15, установленную в нижней части наклонно расположенного фильтрующего барабана 9. Открывается заслонка 14 при помощи рукоятки 15. Цикл обезвоживания сброженных птицеводческих отходов повторяется.

Эксперименты проводили в следующем порядке. Жидкий сброженный помет влажностью 92% из биореактора подавали в расходный бак постоянного уровня с объемной подачей, необходимый расход субстрата для эксперимента. Подачу субстрата, поступающего из расходного бака в фильтрующий барабан, производили пропорционально и регулировали ее с помощью задвижки на подводящем трубопроводе. Выгрузку загустевшей массы производили с помощью открытия заслонки через заданный момент времени. При установившемся режиме работы барабанного фильтра производили замеры объемной и массовой производительности по фильтрату, потребляемой мощности и осуществляли отбор проб для определения качественных показателей процесса обезвоживания и физико-механических свойств субстрата и его фаз, необходимых для расчета теоретических зависимостей. Для определения теоретических зависимостей фильтровального барабана измеряли объем фильтрата за определенный промежуток времени. Измерение объема фильтрата производили с помощью мерной емкости, времени секундомером, а частоту колебаний измеряли механическим тахометром путем замера скорости вращения двигателя постоянного тока. Определение объемной производительности фильтрующего барабана по исходной массе производили косвенно через массовую производительность по твердой фазе.

В ходе теоретических исследований и поисковых опытов установлено, что существенное влияние на процесс обезвоживания с образованием осадка в экспериментальном фильтрующем барабане оказывают следующие факторы: амплитуда колебаний, частота колебаний и время обезвоживания. Таким образом, для исследования процесса обезвоживания с образованием осадка в экспериментальном фильтрующем барабане следует провести трехфакторный факторный эксперимент. Для проведения трехфакторного эксперимента был выбран некомпозиционный трехуровневый план Бокса-Бенкина [102], позволяющий неизвестную функцию отклика описать уравнением регрессии второго порядка, а именно:

, (2.103)

где – коэффициенты регрессии;

– число факторов.

Результаты выбора основных факторов, интервалов их варьирования и уровней для трехфакторного эксперимента сведены в таблицу 2.1.

Таблица 2.1 –Уровни и интервалы варьирования исследуемых факторов

Факторы, уровни	Амплитуда колебания, град	Частота колебания, с^-1	Время фильтрования, с
Натуральное обозначение
Верхний	160	1,17	360
Основной (нулевой)	140	1	240
Нижний	120	0,83	120
Кодированное обозначение	Х₁	Х₂	Х₃
Верхний	+1	+1	+1
Основной (нулевой)	0	0	0
Нижний	-1	-1	-1

Опыты реализованы по некомпозиционному плану второго порядка Бокса-Бенкина для исследования процесса обезвоживания сброженного птичьего помета на экспериментальной установке в последовательности, имеющей случайный характер.

Пользуясь таблицей случайных чисел, была принята следующая последовательность опытов: 3^й, 2^й, 7^й, 9^й, 12^й, 1^й, 4^й, 11^й, 13^й, 10^й, 5^й, 8^й, 15^й, 6^й, 14^й.

За критерий оптимизации были взяты влажность твердой фазы субстрата и влажность жидкой фазы .

2.7 Результаты экспериментального исследования обезвоживателя для разделения сброженного птичьего помета на твердую и жидкую фракции

На основании теоретических исследований, а также отсеивающими экспериментами установлено, что наибольшее влияние на процесс обезвоживания оказывают следующие факторы:

— амплитуда колебаний фильтрующего барабана , град;

— частота колебаний фильтрующего барабана, с^-1;

— время фильтрования одной порции , с.

Опыты проведены по матрице плана Бокса-Бенкина (таблица 2.2) в последовательности, имеющей случайный характер.

Таблица 2.2 – Матрица плана Бокса-Бенкина и результаты опытов трехфакторного эксперимента

№ опыта	Уровни варьирования факторов и их взаимодействие										Значение параметров оптимизации
№ опыта	Х₀	Х₁	Х₂	Х₃	Х₁₂	Х₁₃	Х₂₃	Х₁²	Х₂²	Х₃²	y_Wтв.ф	y_Wж.ф
1	+1	+1	+1	0	+1	0	0	+1	+1	0	73,42	97,80
2	+1	+1	-1	0	-1	0	0	+1	+1	0	73,28	98,10
3	+1	-1	+1	0	-1	0	0	+1	+1	0	75,43	97,90
4	+1	-1	-1	0	+1	0	0	+1	+1	0	75,51	97,95
5	+1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	67,9	97,93
6	+1	+1	0	+1	0	+1	0	+1	0	+1	68,28	97,58
7	+1	+1	0	-1	0	-1	0	+1	0	+1	82,26	98,43
8	+1	-1	0	+1	0	-1	0	+1	0	+1	71,45	97,75
9	+1	-1	0	-1	0	+1	0	+1	0	+1	84,41	98,20
10	+1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	67,87	97,89
11	+1	0	+1	+1	0	0	+1	0	+1	+1	68,99	97,47
12	+1	0	+1	-1	0	0	-1	0	+1	+1	81,21	98,34
13	+1	0	-1	+1	0	0	-1	0	+1	+1	68,25	97,81
14	+1	0	-1	-1	0	0	+1	0	+1	+1	82,02	98,30
15	+1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	67,85	97,86

За критерий оптимизации были взяты влажность твердой фазы субстрата и влажность жидкой фазы .

Результаты реализации некомпозиционного плана Бокса-Бенкина представлены в приложении К.

Пользуясь матрицей планирования полного трехфакторного эксперимента, была проведена обработка данных известным методом и составлена статистическая математическая модель в кодированном виде:

, (2.104)

. (2.105)

В натуральном виде:

W_тв.ф=395,60358-2,8975644·А-173,05753·ν-0,234465·t+0,016176·А·ν+ +0,018995·ν·t+0,0100996·А²+83,117023·ν²+0,000336·t², (2.106)

W_ж.ф=94,15495+0,0285498·А+3,213213·ν+0,00715·t-0,018382·А·ν-

-0,0000416·А·t — 0,0046568·ν·t+0,0000036·t². (2.107)

Полученные уравнения регрессии устанавливают зависимость между параметром оптимизации – влажности твердой фазы – , влажностью жидкой фазы – и амплитудой колебания, частотой колебаний и временем 1-го цикла фильтрования.

С помощью критерия Кохрена была определена оценка однородности дисперсий. С помощью критерия Стьюдента проверена гипотеза о значимости коэффициентов уравнения регрессии. Установлено, что коэффициенты , ,, являются незначимыми. Пользуясь критерием Фишера, проверена адекватность математической модели. Выяснено, что полученная математическая модель адекватна.

Используя адекватную математическую модель, геометрической интерпретацией которой является поверхность отклика, были составлены в кодированном и натуральном видах уравнения сечений поверхности отклика, и построены двумерные сечения поверхностей отклика.

Из анализа уравнения кривых (изолиний) равного отклика следует:

1. Из трех регулированных факторов в исследуемых пределах наибольшее влияние на параметр оптимизации W_{тв ф} оказывает время одного цикла х₃, а наименьшее частота колебаний х₂.

2. Из трех регулированных факторов в исследуемых пределах наибольшее влияние на параметр оптимизации W_{ж. ф} оказывает время одного цикла х₃, а наименьшее амплитуда колебаний х₃.

3. С увеличением времени цикла более 240…250 с, влажность твердой фазы приближается к некоторому предельному значению и остается постоянной (рис. 2.24), это объясняется удалением свободной и физико-механической влаги. Полученные результаты хорошо согласуются с данными экспериментов по определению соотношений влаги различных видов в сброженном помете.

4. При увеличении амплитуды колебаний влажность твердой фазы W_{тв ф} увеличивается, влажность жидкой фазы W_{ж. ф} также увеличивается.

5. При увеличении частоты колебаний влажность твердой фазы W_{тв ф} увеличивается, а влажность жидкой фазы W_{ж. ф} уменьшается.

Двумерные сечения, наиболее значимые для дальнейшего исследования, представлены на рис. 2.24 – 2.29.

В результате определения рациональных конструктивно технологических параметров экспериментального фильтрующего барабана при помощи построения поверхности отклика выявлено, что высокое качество обезвоживания сброженного птичьего помета (, ) обеспечивается при линейных размерах фильтрующего барабана диаметра D = 0,17 м, длины l = 1 м, наименьшее время обезвоживания и в следствии этого высокая производительность обеспечивается при угле наклона фильтрующего барабана 3°, амплитуде А=140°, частоте ν =1с^-1 и времени одного цикла t = 240с.

Рисунок 2. 24 – Изолинии влажности твердой фазы W_тв.ф, при постоянной амплитуде колебаний Х₁=0

Рисунок 2. 25– Изолинии влажности жидкой фазы Wж.ф, при постоянной амплитуде колебаний Х1 =0

Рисунок 2. 26– Изолинии влажности твердой фазы W_тв.ф, при постоянном времени цикла Х₃=0

Рисунок 2. 27– Изолинии влажности жидкой фазы W_ж.ф, при постоянном времени цикла Х₃=0

Рисунок 2. 28– Изолинии влажности твердой фазы W_тв.ф, при постоянной частоте колебаний Х₂=0

Рисунок 2. 29– Изолинии влажности жидкой фазы W_ж.ф, при постоянной амплитуде колебаний Х₂=0

В результате экспериментальных исследований при постоянных размерах фильтрующего барабана и физико-механических свойствах птичьего помета, при её обезвоживании на фазы получены зависимости производительности фильтрующего барабана, от различной исходной влажности помета.

Исходя из результатов исследования, построена номограмма влияния влажности исходного материала на производительность.

Рисунок 2. 30– Номограмма определения производительности установки для разделения сброженного помета

2.8 Выводы

Таким образом, на основе результатов экспериментальных исследований установлено:

1. На границе «теплоноситель – сбраживаемый птичийпомёт» образуется тепловой пограничный слой, в пределах которого происходит основное изменение температуры сбраживаемого птичьегопомёта.

2. Основное влияние на величину теплового пограничного слоя, оказывают физико-механические свойства птичьего помёта: вязкость, плотность, теплопроводности, теплоемкость.

3. Экспериментальные зависимости, определяющие явление теплообмена при свободном и конвективном движениях в объеме сбраживаемого птичьегопомёта вполне корректно описывают данные процессы в геометрически подобных биореакторах.

4. Выход биогаза с 1 кгСОВ сбраживаемого птичьего помёта в условиях неоднородного температурного поля при термофильном режиме сбраживания составил 0,38 м³. Низкий выход биогаза является следствием большой температурной неоднородности сбраживаемой среды, которая при оптимальном содержании СВ в помёте равном 15% достигает 10 К.

5. Оптимальным значением температуры термофильного режима сбраживания птичьего помёта является 324 К (51 °С), при этом, выход биогаза с 1 кг СОВ помёта увеличивается до0,71 м³. Анаэробное сбраживание втермофильном режиме обладает наиболее выраженным экологическим эффектом (98…100%) обеззараживания и дегельминтизации, полной потерей всхожести семян сорных растений и дезодорацией.

6. В качестве способа интенсификации процесса теплообмена и выравнивания температуры в объеме сбраживаемого птичьего помёта целесообразно использовать его перемешивание. Критерием оптимизации процесса перемешивания при анаэробном сбраживании помёта выбрана кратность циркуляции К_ц, которая определяется степенью температурной однородности в объеме сбраживания и является параметром, оценивающим процесс перемешивания независимо от вида применяемых мешалок.

7. При установленных оптимальных параметрах процесса анаэробного сбраживания птичьегопомёта: концентрации СВ – 14 %, температуре броженияТ – 324 К и степени температурной однородности Т/Т_опт– 0,96 кратность циркуляции К_ц составляет 5,7. При этом выход биогаза с 1 кг СОВ помёта равен 0,64м³/кг, а длительностьпереработки сократится на 24% (до 120 ч).

8. Для режимов работы, возможных в фильтрующем барабане, следует принять в расчетах: коэффициент трения осадка о поверхность фильтрующей перегородки 1,45…1,40; угол наклона барабана 3°. Для более точного определения коэффициентов трения осадка помета могут быть использованы полученные по результатам экспериментов уравнения регрессии.

9. На фрикционные свойства осадка птичьего помета оказывает вли-яние его влажность, нормальное давление и скорость колебания, с увели-чением которых коэффициенты трения уменьшаются. При варьировании частоты колебаний от 0,4 до 0,8 м/с, амплитуды колебания от 0,83 до 1,17с-1 угла наклона от 3° до 5° и влажности от 65 до 94%, коэффициенты трения имеют следующие значения: коэффициент трения скольжения по стали 1,12…1,21, по поверхности фильтрующей перегородки 1,22…1,34.

10. Основными факторами, влияющими на интенсивность процесса обезвоживания осадка сброженного птичьего помета и его конечную влажность, действуют следующие факторы: амплитуда колебаний, частота колебаний и время обезвоживания и исходная влажность осадка. С увели-чением исходной влажности помета от 88 до 98% время фильтрования увеличивается с 240 до 560с.

11. Влажность осадка, поступающего из фильтрующего барабана, не зависит от исходной влажности помета и находится в пределах 65…68%.

3 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТОРСКО – ТЕХНИЧЕСКОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ НА ОСНОВЕ ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПИЛОТНОГО ОБРАЗЦА ОБОРУДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПТИЦЫ

3.1 Разработка на основе проведенных исследований и имеющегося научного задела конструкторско-технической документации и изготовление пилотного образца промышленной установки для анаэробного сбраживания помета

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработано пилотного образца промышленной установки для анаэробного сбраживания помета. (рисунок 3.1) [193].

Работает биогазовая установка следующим образом. В начальном положении в нижней части цилиндрической ёмкости 1 перепускной клапан 3, который предназначен для выхода биогаза, накопившегося под колоколом перемешивающего устройства 4, закрыт. В процессе анаэробного сбраживания птичьего помёта выделяется биогаз в количестве 0,5…0,8 м3 с 1 кг сухого органического вещества (СОВ) [150]. Биогаз поступает в верхнюю газовую камеру цилиндрической ёмкости, а далее по газопроводу через газовый кран в газгольдер. Из субстрата, находящегося под колоколом перемешивающего устройства 4 биогаз накапливается в верхней его части. По мере накопления биогаза образуется подъёмная сила, с помощью которой перемешивающее устройство 4 начинает всплывать. В процессе его всплытия субстрат, находящийся в биореакторе перемешивается, причём основное перемешивание его осуществляется в пристенном слое, где и образуется температурная неоднородность в объёме сбраживания. При этом верхние слои субстрата устремляются вниз через зазор, образуемый между колоколом и внутренней стенкой биореактора, смешиваясь с нижними слоями субстрата.

а)	$H:\МСХ РФ 2020\Рисунки\Установка анаэробного сбраживания помёта.jpg$
б)	$H:\МСХ РФ 2020\Рисунки\Безымянный.jpg$

а – схема установки для анаэробного сбраживания помета; б – 3d модель общий вид; 1 – цилиндрическая ёмкость; 2 – тепловая рубашка; 3 – перемешивающее устройство;4 – перепускной клапан;

Рисунок 3. 1 – Установка для анаэробного сбраживания помета

При достижении колоколом верхнего уровня клапан 4 ударяется в верхнюю часть биореактора и открывается.

Скопившийся под колоколом перемешивающего устройства 3 биогаз поступает в верхнюю газовую камеру биореактора, а из неё по газопроводу в газгольдер. По мере удаления биогаза из-под колокола, последний постепенно опускается на дно биореактора. В процессе движения вниз колокол выдавливает нижний слой субстрата, который поступает вверх через зазор между внутренней стенкой биореактора и колокола. Таким образом, вновь происходит перемешивание сброженного субстрата в пристенном слое. Трос натягивается и перемещает золотник клапан и он закрывается.

Основным элементом установки для анаэробного сбраживания помета являются перемащивающее устройство(Рисунок 3. 2). В модели имеется возможность изменять параметры этого элемента.

$C:\Users\dimas\Downloads\устройство перемешивания 2.jpg$

Рисунок 3. 2 – Изменение параметров привязки перемешивающего устройства,установки для анаэробного сбраживания помета

На основании проведенных расчетов был разработан цифровой параметрический модельи конструкторская документация (Приложение и Приложение ) установки для анаэробного сбраживания помета в Компас 3d.

Таким образом, каждая деталь в устройстве, имеет определенные параметры, изменение которых ведет к изменению других элементов установки для анаэробного сбраживания помета.

Производственную проверку и возможности работы установки для анаэробного сбраживания помета проводили в условиях ЗАО «Птицефабрика Шпаковская» Ставропольского края, где была смонтирована технологическая линия () для переработки птичьего помета и устранения неприятного запаха.

$H:\МСХ РФ 2020\Рисунки\photoplant (2).jpg$

Рисунок 3. 3 – Общий вид пилотного образца промышленной установки для анаэробного сбраживания помета

Основной продукцией цеха переработки помета является жидкие удобрения «ЭКОБАУ» (экологически чистые биологически активные удобрения), гранулированные органические удобрения «ГОУ» (гранулированные органические удобрения). Цех по переработки помета обеспечивает охрану окружающей среды и улучшает санитарно-гигиеническое состояние на птицефабрике [68, 71,75].

3.2 Разработка на основе проведенных исследований и имеющегося научного задела конструкторско-технической документации и изготовление пилотного образца промышленной установки для разделения сброженного субстрата

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан пилотный образца промышленной установки для разделения сброженного субстрата. (Рисунок 3. 4) [5,6].

Устройство для разделения сброженного субстрата состоит из станины 1, на которой смонтирован кожух 2, имеющий в нижней части сливной канал 3, заканчивающийся сливным патрубком 4 для отвода жидкой фракции, а в верхней части приёмную ёмкость 5 для сброженного субстрата. Кожух 2 устанавливается под углом α к горизонту при помощи винтового механизма 6. Над кожухом 2 расположен механизм привода, состоящий из электродвигателя 7, редуктора 8 и кривошипно-коромыслового механизма 9. Фильтрующий барабан 10 установлен на подшипниковых узлах 11. Качательное движение на фильтрующий барабан 10 передаются через промежуточный вал 12 и ременную передачу 13. Пуск устройства для разделения сброженного субстрата осуществляется посредством частотного преобразователя 14, при помощи которого происходит регулировка частоты колебаний фильтрующего барабана 10. Состоит фильтрующий барабан 10 из остова 17 и фильтрующего элемента 18, представляющего собой сетку их нержавеющей стали с размером ячеек равным 0,25мм. Амплитуда угловых колебаний фильтрующего барабана 10 устанавливается подбором плеча кривошипа 19, который соединен с шатуном 20 и коромыслом 21 через промежуточный вал 12 с подбором соотношения шкивов ременной передачи 13.

а)	$H:\МСХ РФ 2020\Рисунки\Устройство разделения сброженного субстрата _ УРСС.000000.001 (2).jpg$
б)

Рисунок 3. 4 – Устройство разделения сброженного субстрата:

а – схема устройство разделения сброженного субстрата; б – общий вид; 1 – станина; 2 – кожух; 3 – канал сливной; 4 – сливной патрубок; 5 – приёмная

ёмкость; 6 – винтовой механизм; 7 – электродвигатель; 8 – мотор-редуктор;

9 – кривошипно-коромысловый механизм; 10 – барабан фильтрующий; 11 – узлы подшипниковые; 12 – промежуточный вал с ременной передачей; 13 – частотный преобразователь; 14 – заслонка; 15 – рукоятка; 16 – остов; 17 – элемент фильтрующий; 18 – кривошип; 19 – шатун; 20 – коромысло

Устройство для разделения сброженного субстрата работает следующим образом. Фильтрующий барабан 10 совершает качательное движения вокруг своей оси с определенной частотой и амплитудой. Сброженный субстрат подается в фильтрующий барабана 10 из приёмной ёмкости 5. Сначала идёт разделение сброженного субстрата за счёт отвода свободной воды через ячейки фильтрующего элемента 18. Затем из твердой фракции сброженного субстрата постепенно формируется ком, который, начинает перекатываться по внутренней поверхности совместно с фильтрующим барабаном 10, повторяя качательное движение вместе с ним. При этом ком, перекатываясь по поверхности наклонно расположенного фильтрующего барабана 10, сначала поднимается вверх, и, дойдя до максимально верхней точки, скатывается вниз и разрушается. Потом происходит обратное движение фильтрующего барабана 10 и вновь ком поднимается по поверхности до максимально возможной точки. Как только силы сцепления между частицами твердой фракции сброженного субстрата, составляющей ком и материалом фильтрующего элемента 18, уменьшаются, ком начинает падать вниз по внутренней его поверхности, снова разрушаясь. При разрушении кома его внутренние слои перемещаются наружу, а внешние – вовнутрь кома. При этом происходит более активное высвобождение свободной влаги из твердой фракции полидисперсной системы. Таким образом, ком совершает совместные качательное движение по внутренней поверхности наклонно расположенного фильтрующего барабана 10 с определенной амплитудой и частотой. Свободная влага через поры фильтрующего элемента18 поступает на внутреннюю поверхность кожуха 2 и стекает по сливному каналу 3 в сливной патрубок 4 из устройства. Обезвоживание идёт до тех пор, пока из твердой фракции сброженного субстрата не высвободится около 2/3 от общего объёма свободной влаги. Как только свободная влага перестаёт выделяться из кома, процесс обезвоживания завершается. Использование привода с кривошипно-коромысловым механизмом позволяет получать качательное движение фильтрующего барабана 10 вокруг своей оси с определённой амплитудой и частотой. Это позволяет формировать из твердой фракции сброженного субстрата ком, у которого при перекатывании по внутренней поверхности наклонно расположенного фильтрующего барабана 10 внутренние слои постепенно смещаются наружу, а наружные – внутрь. Это позволяет интенсифицировать процесс выделения влаги из сброженного субстрата.

На основании проведенных расчетов был разработан цифровой параметрический прототип и конструкторская документация (Приложение Г и Приложение ) на устройство для разделения сброженного субстрата в системе Компас 3d.

Таким образом, каждая деталь в устройстве, имеет определенные параметры, изменение которых ведет к изменению других элементов устройства для разделения сброженного субстрата.

Основными элементами устройства разделения сброженного субстрата являются фильтрующий барабан (Рисунок 3. 6) и рама (). В моделях имеется возможность изменять параметры этих элементов.

Рисунок 3. 5 – Изменение параметров привязки рамы устройства разделения сброженного субстрата

Рисунок 3. 6 – Изменение параметров фильтрующего барабана

Производственную проверку и возможности работы устройства разделения сброженного субстрата проводили в условиях ЗАО «Птицефабрика Шпаковская» Ставропольского края, где была смонтирована технологическая линия ()для переработки птичьего помета и устранения неприятного запаха.

Рисунок 3. 7– Общий вид пилотного образца промышленной установки для анаэробного сбраживания помета

3.3 Выводы

Полученные цифровые прототипы позволяет полностью в автоматическом режиме изменять конструктивные параметры устройств для сбраживания и разделения сброженного субстрата:

Диаметры валов, осей;
Типы подшипниковых узлов;
Параметры фильтрующего барабана, рамы.

Полученные цифровые прототипы позволяют подобрать оптимальную конструктивную схему и могут быть изготовлены при помощи технологии быстрого прототипирования.

4 РАСЧЁТ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОБОРУДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПТИЦЫ

4.1 Расчёт технико-экономических показателей установки для анаэробного сбраживания помета

Исходные данные приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 — Данные для расчёта экономических показателей

Наименование показателей	Величина показателя
Наименование показателей	исходного	проектируемого
1. Балансовая стоимость, руб.	828000	732800
2. Потребляемая мощность, кВт·ч	15,0	0,5
3. Число дней работы в году, дн.	365	365
4. Масса биореактора, кг	15400	14300
5. Время обслуживания, мин.	180	174
6. Часовая оплата труда, руб.	57,5	57,5
7. Объем произведенных удобрений, т.	2920	3650
8. Обслуживающий персонал, чел.	1	1

Для экономической оценки механизмов принято брать в расчёт только прямые затраты труда, т. е. затраты труда рабочих, занятых непосредственно на выполнении работ.

Затраты труда на единицу работы рассчитываются по формуле [18].:

, (4.1)

где — трудоёмкость процесса в часах на 1т удобрений;

— суммарные затраты труда рабочих, обеспечивающих производство, ч;

— годовое производство удобрений, т.

Суммарные затраты труда рабочих, обслуживающих производство определяются по формуле:

, (4.2)

где — количество дней работы в году, дней;

— дневная продолжительность работы, ч;

— количество рабочих занятых на выполнение процесса, чел.

Экономия труда на единицу работы определяется как разность в затратах руда по сравниваемым вариантам (в исходном и проектируемом):

, (4.3)

где — затраты на единицу продукции в исходном варианте, ч;

— затраты труда в проектируемом варианте, ч.

Годовая экономия труда определяется по формуле:

где — годовое производство переработанных отходов в проектируемом варианте, т.

Степень снижения затрат труда определяется по формуле:

, (4.4)

Производительность труда на операции в рабочем процессе определяется по формуле:

Рост производительности труда определяется по формуле:

где — производительность при проектируемом варианте;

— производительность при исходном варианте.

4.1.1 Расчёт эксплуатационных затрат

Так как показатели трудоёмкости и производительности труда не дают полной экономической характеристики сравниваемого проектируемого механизмов, то для более полной экономической оценки применяется стоимостной показатель, которым являются эксплуатационные затраты. Размер данных затрат по каждому варианту определяется по формуле [18].:

, (4.5)

где — эксплуатационные показатели затрат, связанные с выполнением производственного процесса;

— затраты на заработную плату рабочим, руб.;

— амортизационные отчисления, руб.;

— отчисления на ремонт и техническое обслуживание, руб.;

— затраты на электроэнергию, руб.;

— прочие эксплуатационные затраты, руб.

При расчётах эксплуатационных затрат пользуются действующими справочными и нормативными материалами.

Элементы эксплуатационных затрат рассчитываются по формулам:

1. Затраты на заработную плату рабочим, занятым на выполнение производственного процесса составляют:

где — количество дней работы в году, дней;

— дневная продолжительность работы на выполнении производственного процесса в часах;

— количество рабочих, занятых на выполнении процесса, чел.;

— часовая тарифная ставка с дополнительным начислением на социальные и пенсионные нужды, руб./ч;

2. Амортизационные отчисления равны:

, (4.6)

где — балансовая стоимость машины, руб.;

— норма амортизационных отчислений, %;

3. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машин:

где — норма ежегодных отчислений на ремонт и техническое обслуживание, %.

4. Затраты на расходуемую электроэнергию равны:

где — стоимость одного кВт·ч электроэнергии, = 7,34руб.

Годовой расход электроэнергии рассчитывается по формуле:

, (4.7)

где — потребляемая мощность установленного оборудования, кВт;

— продолжительность смены, ч;

— число смен работы в год;

— коэффициент загрузки оборудования, = 0,85;

— коэффициент одновременности работы оборудования, = 0,7;

— коэффициент, учитывающий потери в сети,= 0,96;
— коэффициент полезного действия электродвигателей, = 0,9.

Прочие эксплуатационные затраты планируются в размере 5%.

Общая сумма годовых эксплуатационных затрат с учетом прочих эксплуатационных затрат рассчитываются по формуле:

4.1.2 Определение ожидаемого экономического эффекта

Экономическая эффективность применения выражается экономией затрат, которые определяются путем сопоставления эксплуатационных издержек по формуле [18]:

, (4.8)

где — годовая экономия эксплуатационных затрат при внедрении новых машин, руб.;

— эксплуатационные затраты при использовании исходного и проектируемого варианта, руб.;

— годовой объём в проектируемом варианте.

Степень снижения затрат определяется по формуле:

(4.9)

Приведённые затраты по каждому из сравниваемых вариантов представляют сумму текущих (эксплуатационных или прочих затрат) и капиталовложений, приведенных к одинаковой соразмерности, т.е. в расчёте на нормативный срок окупаемости капиталовложений.

Приведённые затраты, по сравниваемым вариантам в расчёте на год определяются по формулам:

(4.10)

где — приведённые затраты по каждому сравниваемому варианту, руб.;

— сумма текущих удельных эксплуатационных затрат по каждому сравниваемому варианту, руб./т;

— удельные капиталовложения по каждому варианту, руб./т;

— нормативный коэффициент окупаемости капиталовложений, =0,15.

Удельные капиталовложения определяются по формуле:

, (4.11)

где — балансовая стоимость оборудования, руб.

Тогда годовой эффект можно определить по формуле:

(4.12)

4.1.3 Определение срока окупаемости капиталовложений и коэффициента их эффективности

При оценке выработанного комплекса оборудования необходимо определить срок окупаемости капиталовложений по формуле [18]:

, (4.13)

где — срок окупаемости дополнительных капиталовложений, лет;

— капиталовложения в проектируемом и исходном вариантах, руб.;

— годовая экономия, полученная от снижения эксплуатационных затрат при внедрении нового варианта, руб.

Коэффициент экономической эффективности капиталовложений рассчитываются по формуле:

(4.14)

4.1.4 Расчёт материалоёмкости производственного процесса

Материалоёмкость определяется на отношении массы оборудования к их годовой производительности:

(4.15)

где — удельная материалоёмкость оборудования, кг/т;

— масса конструкции, кг;

— годовой объем производства.

Степень снижения материалоёмкости определяется по формуле:

(4.16)

4.1.5 Расчёт энергоёмкости производственных процессов.

Энергоёмкость определяется как отношение затраченной энергии за год на объём продукции:

(4.17)

где — энергоёмкость на 1т переработанных отходов, кВт·ч;

— затраты энергии, кВт·ч.

Степень снижения энергоёмкости определяется по формуле:

(4.18)

4.2 Расчёт технико-экономических показателей установки для разделения сброженного субстрата

Исходные данные предлагаемой разработки приведены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 — Данные для расчета экономических показателей

Наименование показателей	Величина показателя
Наименование показателей	исходного	проектируемого
1. Балансовая стоимость, руб.	144000	154200
2. Потребляемая мощность, кВт·ч	5,5	4,5
3. Число дней работы в году, дн.	365	365
4. Масса обезвоживателя, кг	140	130
5. Время обслуживания, мин.	180	120
6. Часовая оплата труда, руб.	32,3	32,3
7. Производительность по сырью, т	1900	2920
8. Обслуживающий персонал, чел.	1	1

Для экономической оценки механизмов принято брать в расчет только прямые затраты труда, т. е. затраты труда рабочих, занятых непосредственно на выполнении работ.

Затраты труда на единицу работы рассчитываются по формуле [18]:

, (4.19)

где — трудоёмкость процесса в часах на 1т перерабатываемого сырья;

— суммарные затраты труда рабочих, обеспечивающих производство, ч;

— годовое производство по сырью, т.

Суммарные затраты труда рабочих, обслуживающих производство определяются по формуле:

, (4.20)

где — количество дней работы в году, дней;

— дневная продолжительность работы, ч;

— количество рабочих занятых на выполнение процесса, чел.

Экономия труда на единицу работы определяется как разность в затратах руда по сравниваемым вариантам (в исходном и проектируемом проекте):

, (4.21)

где — затраты на единицу продукции в исходном варианте, ч;

— затраты труда в проектируемом варианте, ч.

Годовая экономия труда определяется по формуле:

где — годовое производство удобрений в проектируемом варианте, т.

Степень снижения затрат труда определяется по формуле:

, (4.22)

Производительность труда на операции в рабочем процессе определяется по формуле:

Рост производительности труда определяется по формуле:

где — производительность при проектируемом варианте;

— производительность при исходном варианте.

4.1.1 Расчёт эксплуатационных затрат

Размер данных затрат по каждому варианту определяется по формуле:

, (4.23)

где — эксплуатационные показатели затрат, связанные с выполнением производственного процесса;

— затраты на заработную плату рабочим, руб.;

— амортизационные отчисления, руб.;

— отчисления на ремонт и техническое обслуживание, руб.;

— затраты на электроэнергию, руб.;

— прочие эксплуатационные затраты, руб.

При расчетах эксплуатационных затрат пользуются действующими справочными и нормативными материалами.

Элементы эксплуатационных затрат рассчитываются по формулам:

1. Затраты на заработную плату рабочим, занятым на выполнение производственного процесса:

где — количество дней работы в году, дней;

— дневная продолжительность работы на выполнении производственного процесса в часах;

— количество рабочих, занятых на выполнении процесса, чел.;

— часовая тарифная ставка с дополнительным начислением на социальные и пенсионные нужды, руб./ч;

2. Амортизационные отчисления:

, (4.24)

где — балансовая стоимость машины, руб.;

— норма амортизационных отчислений, %;

3. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машин:

где — норма ежегодных отчислений на ремонт и техническое обслуживание, %.

4. Затраты на расходуемую электроэнергию равны:

где — стоимость одного кВт·ч электроэнергии, = 2,75руб.

Годовой расход электроэнергии рассчитывается по формуле:

, (4.25)

где — потребляемая мощность установленного оборудования, кВт;

— продолжительность смены, ч;

— число смен работы в год;

— коэффициент загрузки оборудования, = 0,85;

— коэффициент одновременности работы оборудования, = 0,7;

— коэффициент, учитывающий потери в сети, = 0,96;
— коэффициент полезного действия электродвигателей, = 0,9.

Прочие эксплуатационные затраты планируются в размере 5%.

4.2.2 Определение ожидаемого экономического эффекта

Экономическая эффективность применения выражается экономией затрат, которые определяются путем сопоставления эксплуатационных издержек по формуле:

, (4.26)

где — годовая экономия эксплуатационных затрат при внедрении новых машин, руб.;

— эксплуатационные затраты при использовании исходного и проектируемого варианта, руб.;

— годовой объем в проектируемом варианте.

Степень снижения затрат определяется по формуле:

(4.27)

Приведенные затраты по каждому из сравниваемых вариантов представляют сумму текущих (эксплуатационных или прочих затрат) и капиталовложений, приведенных к одинаковой соразмерности, т.е. в расчете на нормативный срок окупаемости капиталовложений.

Приведенные затраты, по сравниваемым вариантам в расчете на год определяются по формулам:

(4.28)

где — приведенные затраты по каждому сравниваемому варианту, руб.;

— сумма текущих удельных эксплуатационных затрат по каждому сравниваемому варианту, руб./т;

— удельные капиталовложения по каждому варианту, руб./т;

— нормативный коэффициент окупаемости капиталовложений, =0,15.

Удельные капиталовложения определяются по формуле:

, (4.29)

где — балансовая стоимость оборудования, руб.

Тогда годовой эффект можно определить по формуле:

(4.30)

4.2.3 Определение срока окупаемости капиталовложений и коэффициента их эффективности

При оценке выработанного комплекса оборудования необходимо определить срок окупаемости капиталовложений по формуле:

, (4.31)

где — срок окупаемости дополнительных капиталовложений, лет;

— капиталовложения в проектируемом и исходном вариантах, руб.;

— годовая экономия, полученная от снижения эксплуатационных затрат при внедрении нового варианта, руб.

Коэффициент экономической эффективности капиталовложений рассчитываются по формуле:

(4.32)

4.2.4 Расчет материалоемкости производственного процесса

Материалоемкость определяется на отношении массы оборудования к их годовой производительности:

(4.33)

где — удельная материалоемкость оборудования, кг/т;

— масса конструкции, кг;

— годовой объем производства.

Степень снижения материалоемкости определяется по формуле:

(4.34)

4.2.5 Расчет энергоемкости производственных процессов

Энергоемкость определяется как отношение затраченной энергии за год на объем продукции:

(4.35)

где — энергоемкость на 1т переработанного сырья, кВт·ч;

— затраты энергии, кВт·ч.

Степень снижения энергоемкости определяется по формуле:

(4.36)

4.3 Выводы

На основе анализа предложены новое оборудование, позволяющее значительно улучшить экономические показатели птицеводческого хозяйства.

Предложенные к реализации на предприятии вертикальный биореактор и устройство для разделения сброженного помета позволяют наладить экологически чистую технологию переработки отходов птицеводства. Разработанный вертикальный биореактор по сравнению с имеющимися имеет преимущество – качественная переработка отходов птицеводства.

Применение биореактора позволяет снизить затраты труда на переработку отходов с 0,42 до 0,36 ч на 1т удобрений, материалоёмкость операции снизить с 5,27 до 3,9кг на 1т удобрений.

При применении разработанного вертикального биореактора производительность труда возрастает в 1,21 раза, годовой экономический эффект составил 113515 рублей. Срок окупаемости дополнительных капиталовложений при внедрении биореактора составил 0,84 года.

Внедрение устройства для разделения сброженного субстрата позволяет на ¾ уменьшить первоначальный объем обезвоживаемых отходов, его внедрение позволит получить годовой экономический эффект в размере 105320 рублей, срок окупаемости дополнительных капитальных вложений составит 0,32 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Максимально возможное использование питательного и энергетического потенциала возобновляемого сырья – птичьего помёта возможно при совершенствовании технологии его переработки и разработки новых технических средств, способствующих получению новых биологических продуктов. Примером такой технологической разработки является ресурсосберегающая технология переработки птичьего помета/навоза разработанная в Ставропольском государственном аграрном университете, и позволяющая получать новые биологические продукты (экологически чистые биологически активное и гранулированное удобрения), которые можно использовать для организации органического земледелия.

2. Технология переработки птичьего помета состоит из пяти этапов переработки органики. Процессы на каждом из этапов представлены моделями биохимического превращения органики птичьего помёта, механического разделения сброженного птичьего помёта. Работу технологии переработки птичьего пометацелесообразно осуществлять в непрерывно-поточном режиме с определенным чередованием способов переработки органики.

3. Основу технологии переработки птичьего помета составляет процесс метанового сбраживания, осуществляемый в термофильном режиме, наиболее отвечающий современным требованиям охраны окружающей среды, снижению неприятных запохов и получению новых удобрений с качественными характеристиками.

4. Процесс метанового сбраживания птичьего помёта целесообразно проводить в биореакторе со перемешивающим устройством, работающим без подвода энергии. В качестве рабочего органа для смешивания применяется колоколообразный смеситель, совершающий возвратно-поступательные движения за счет подъемной силы газообразной смеси, накапливающейся в нем, и выпуска ее наружу при помощи клапана (Патент РФ №1400651 Смеситель для сбраживания субстрата).

5. Полученный сброженный субстрат после анаэробного сбраживания является продуктом, из которого получают экологически чистые биологически активные и гранулированные удобрения. Биогаз, выделяющийся как попутный газ в процессе анаэробного сбраживания применяется в качестве энергетического ресурса для осуществления процесса анаэробного сбраживания.

6. При установленных оптимальных параметрах процесса анаэробного сбраживания птичьего помёта при концентрации сухого вещества 14 %, температуре брожения 324 К и степени температурной однородности Т/Т_опт 0,96 кратность циркуляции К_ц составляет 5,7. При этом выход биогаза с 1 кг сухого органического вещества помёта равен 0,64 м³/кг, а длительность переработки сократится на 24% (до 120 ч).

7. Процесс разделения сброженного птичьего помета осуществляется в предложенном устройстве разработанном на основе конструктивно-технологической схемы обезвоживателя для дисперсных систем (Патент РФ №191624). Рабочим органом для осуществления обезвоживания служит фильтрующий барабан, использующий привод с кривошипно-коромысловым механизмом, который позволяет получать качательное движение вокруг своей оси с определённой амплитудой и частотой.

8. Качательное движение фильтрующего барабана позволяет интенсифицировать процесс выделения влаги из сброженного птичьего помета, и повысить эффективность обезвоживания. Кроме того, такой механизм привода упрощает саму конструкцию обезвоживателя, сокращает энергетические затраты на привод наклонно расположенного фильтрующего барабана и значительно облегчает эксплуатацию устройства при работе.

9. Реализация предложенной схемы фильтрующего барабана с ячейками равными 2 мм обеспечивает повышение его производительности на 29…32 %, снижает эксплуатационные затраты на 21,4 %, удельные затраты энергии на 41 %.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Приложения

Автор НИР

ФГБОУ-ВО-Ставропольский-ГАУ

Животноводство, Заготовки продукции сельского хозяйства, Общие вопросы сельского хозяйства

Титульный лист и исполнители

ВВЕДЕНИЕ

1 ИЗУЧЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ ОБЩЕРОССИЙСКОЙ И МИРОВОЙ ПРАКТИКИ АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ ОТХОДОВ ПТИЦЕВОДСТВА

1.1 Технологические особенности производства птичьего помёта и анализ его физико-механических свойств

1.2 Современные способы переработки птичьего помёта

1.3 Анализ современных технологий анаэробной переработки отходов сельскохозяйственных животных

1.4 Способы и установки для разделения сброженного птичьего помета

1.5 Выводы

2.1 Обоснование выбора рациональных параметров и режимов работы устройства для анаэробного сбраживания птичьего помета с перемешивающим устройством

2.2 Методика исследования процесса анаэробного сбраживания помета в биореакторе с перемешивающим устройством

2.4 Результаты исследования работы биореактора с перемешивающим устройством

2.5 Определение режимных и конструктивных параметров работы обезвоживающего устройства

2.6 Методика исследования процесса обезвоживания в фильтрующем барабане

2.7 Результаты экспериментального исследования обезвоживателя для разделения сброженного птичьего помета на твердую и жидкую фракции

2.8 Выводы

3.3 Выводы

4 РАСЧЁТ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОБОРУДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ПТИЦЫ

4.1 Расчёт технико-экономических показателей установки для анаэробного сбраживания помета

4.2 Расчёт технико-экономических показателей установки для разделения сброженного субстрата

4.3 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Приложения

Добавить комментарий Отменить ответ