Обоснование технологических и конструктивных параметров оборудования для получения органического удобрения и биогаза из птичьего помета

Размещено на http://www.allbest.ru/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК (СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ) СИБИРСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО УДОБРЕНИЯ И БИОГАЗА ИЗ ПТИЧЬЕГО ПОМЕТА

(05.20.01.) - технологии и средства механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МАРЧЕНКО ДМИТРИЙ БОРИСОВИЧ

Омск 2009

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время вопросы охраны природы и рационального использования ресурсов приобретают огромное государственное значение при производстве любого вида продукции. В промышленном птицеводстве как неотъемлемой части агропромышленного комплекса достигнут такой рубеж, когда дальнейший прогресс производства яиц и диетического мяса требует перехода от экстенсивного на интенсивный путь развития. Эта перестройка связана с разработкой и повсеместным внедрением новых технологических приемов, способов и процессов, гарантирующих удовлетворение потребностей страны в диетических продуктах питания. При этом должны обеспечиваться не только минимальная себестоимость продукции, но и ее производство, в условиях эффективного использования местных вторичных ресурсов, с недопущением негативного воздействия на экологию окружающей среды.

Одной из отличительных черт интенсификации птицеводства является масштабное внедрение на птицефабриках клеточного оборудования для содержания и выращивания птицы. Это позволяет улучшить использование производственных мощностей в 2-3 раза, увеличить выход основной продукции яиц и мяса птицы с единицы птицеводческого помещения, снизить материально-технические и трудовые затраты на выполнение технологических операций, отказаться от использования дефицитного подстилочного материала. Однако при внедрении на птицефабриках клеточных батарей для содержания птицы стали возникать серьезные проблемы с удалением и переработкой помета, очисткой и обеззараживанием сточных вод, поступающих из систем поения и после мойки технологического оборудования в процессе проведения санитарно-профилактических работ производственных помещений для содержания птицы. Жидкая пометная масса постоянно накапливается у птицефабрик на необорудованных площадках, в оврагах, складках рельефа, являясь потенциальным источником возникновения экологического неблагополучия не только на птицефабриках но в близи населенных пунктов и соседних прилегающих территориях, с другой стороны птичий помет является ценным органическим удобрением, следовательно необходимо проводить исследования направленные на решение данного комплекса проблем.

Цель исследований - повышение эффективности переработки птичьего помета на основе обоснования параметров технологического процесса и оборудования биогазовой установки.

Объект исследования - процесс термофильного сбраживания помета птицы при анаэробных условиях с использованием анаэробных микроорганизмов в температурном диапазоне от +48С⁰ до +58С^0. Технологическое оборудование биогазовой установки и длина теплообменника для 20м³метантенка.

Предмет исследований - закономерности протекания процессов переработки птичьего помета в термофильных условиях при анаэробном процессе с получением биогаза и органических удобрений.

Научная новизна. Впервые исследованы закономерности протекания процесса сбраживания помета в зависимости от режимов работы оборудования и его конструктивных параметров; обоснована форма и параметры метантенка, длина теплообменника; математические модели метантенка и технологического процесса анаэробного сбраживания птичьего помета. птичий помет биогазовый технологический

Методы исследований. В процессе работы проводились аналитические и экспериментальные исследования с использованием методов моделирования, оптимизации и математической статистики. Разработана и применена методика лабораторного исследования выхода биогаза. Разработана и применена методика производственных исследований на биоустановке по определению выхода биогаза.

Работа выполнялась в соответствии с постановлением Губернатора Омской области Л.К. Полежаева (№ 537-п от 26 ноября 1996г.) и региональной программой «По развитию альтернативных источников тепла». Биогазовая установка рассматривалась как комплекс для получения биогаза и органического высококонцентрированного удобрения с высоким экологическим эффектом от утилизации отходов птицефабрик.

Рабочая гипотеза. Выдвинуто предположение, что на основе анализа эффективности биогазовой установки можно определить оптимальные значения технологических и конструктивных параметров (температура субстрата, угол конуса метантенка, длительность переработки субстрата в метантенке).

Практическая значимость. В результате проведенных исследований получены количественные и качественные показатели параметров биогазовой установки (метантенка), обоснована оптимальная температура для переработки птичьего помета и получения биогаза.

Использование биогаза как энергоносителя находит практическое применение на птицефабрике «Иртышская» Омского района Омской области. Газовый котел КЧМ-5, работает на биогазе и отапливает помещение (цех) общей площадью 400м².

Органическое удобрение «Биорост-1» применяется в хозяйствах ЗАО «Овощевод» и СПК «Тепличное», где отмечено положительное влияние данного удобрения на продуктивность сельскохозяйственных культур и отрицательное воздействие на болезнетворную микрофлору тепличных культур.

Реализация результатов исследований. Полученные результаты исследований внедрены на биогазовом комплексе НПЭК «Сиббиогаз», расположенного на территории «Иртышской» птицефабрики Омского района Омской области. Применяемая ранее температура сбраживания +52⁰С увеличена до +54С⁰, также увеличена длина теплообменника с 14 до 16м. (Справка о внедрении результатов исследований на ЗАО «Овощевод» от 16.08.2005г. прилагается.)

Основные положения, выносимые на защиту. Закономерности протекания процесса сбраживания помета в зависимости от режимов работы оборудования и его конструктивных параметров; параметры температурного режима при переработке птичьего помета в метантенке; технологические и конструктивные параметры оборудования для производства биогаза и органических удобрений из отходов птицефабрик.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались:

· на региональной научной конференции молодых ученых аграрных вузов Сибирского федерального округа, в г.Омске 20-21 мая 2003г.;

· на областной научно-практической конференции, посвященной пятидесятилетию освоения целинных и залежных земель, в г.Омске 2-3 марта 2004г;

· на межрегиональной конференции молодых ученых, в г.Омске 15-16 апреля 2004г.

Публикации. Основное содержание работы изложено в 10 печатных работах, из них две публикации в изданиях рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, библиографического списка использованной литературы и приложений. Общий объем составляет 110 страниц, из них 89 страниц основного текста, 31 рисунок, 13 таблиц, и 4 приложения. Библиографический список включает 118 источников, из них 18 на иностранных языках.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, ее научная и практическая новизна, сформулирована цель, выбрано направление исследования, а также изложены основные положения работы выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» изложены общие сведения о разработках в области биогазовой технологии применяемой при переработке органических отходов птицеводства и животноводства для получения органических высококонцентрированных удобрений и биогаза.

Основным источником пополнения гумуса в плодородном слое почвы является органическое удобрение. Однако в последние годы из необходимых 10-12 млн. тонн органики в Омской области вносится лишь 2-2,5 млн. тонн (выход помета и навоза по области составляет 10-11 млн. тонн), остальная часть органики является систематическим загрязнителем окружающей среды. Через органику может передаваться более ста возбудителей болезней животных с острым хроническим течением, опасных для человека.

Сейчас многие страны мира усиленно ведут работы по разработке и внедрению технологии и оборудования метанового сбраживания органических отходов сельскохозяйственного производства и в первую очередь навоза и помета. Биогазовые установки можно изготавливать из общеинженерных элементов (емкость, насосы, трубопроводы и др.), что позволяет сооружать их во всех районах страны. В результате метанового сбраживания помета получают 0,2...0,5 м³ биогаза с 1 кг сухой органической массы, его каллорийность составляет 20 МДж/м³.

Реализация проекта биогазового производства позволяет улучшить экологическую обстановку по следующим направлениям:

1.Уменьшение вредных выбросов в атмосферу за счет частичной замены твердого или жидкого топлива биогазом.

2.Уменьшение выбросов аммиака и сероводорода из открытых навозохранилищ.

3.Улучшение санитарной обстановки в районе птицефабрик и животноводческих комплексов.

4.Уничтожение семян-сорняков растений в органических удобрениях.

Существенные результаты в этой области получили такие ученые как: А.А. Ковалев, В.Баадер, Е.Доне, М.Бренндерфер, С.В. Калюжный, П.И. Гриднев, В.Г. Некрасов, А.Г. Пузанков, H.G. Konstandl и другие ученые.

Отмечая научную значимость и практическую ценность этих работ, необходимо отметить, что применяемые технологии и технические средства для анаэробного сбраживания все еще недостаточно эффективны. Несмотря на определенные достижения в области анаэробной переработки помета для производства биогаза и удобрений, далеко не все вопросы успешно решены. Значительные трудности связаны с выбором технологии анаэробного сбраживания, режимами работы и обоснованием параметров технологического оборудования. Отсутствуют научно-обоснованные методы построения технологических линий для производства биогаза и удобрений.

Анализ литературных источников показывает, что биогазовые установки разрабатывались как правило без учета их использования в технологических линиях утилизации помета, а получение биогаза и удобрений рассматривалось без взаимосвязи с параметрами установок и температурой окружающей среды. При этом параметры установок и технологических процессов назначаются с помощью экспертных оценок - на основе опыта практиков в этой области. Но, поскольку опыт эксплуатации таких установок крайне незначителен, а решения технологических задач без критического осмысления переходят в установки новых поколений, возникли противоречия между теорией процесса анаэробного сбраживания помета с получением биогаза и удобрений и методами построения и расчета технических средств для его осуществления.

В настоящее время выяснены лишь некоторые интервалы технологических параметров:

1. Показатель кислотности субстрата, подаваемого на обработку, должен быть в пределах 6,2<Ph<7,8;

2. Концентрация субстрата в метантенке должна быть такой, чтобы обеспечивался хороший массообмен С<10%;

3. Содержание летучих жирных кислот 50-2000 мг/л;

4. Полное отсутствие кислорода в метантенке;

6. Температура 52-58° С для термофильных групп микроорганизмов;

7. Продолжительность обработки помета в метантенке должна быть больше времени удвоения метаногенных микроорганизмов (200-300 часов).

Как показали наши расчеты эти параметры не всегда точны или обоснованны, (для длительности обработки указан слишком большой интервал, что не позволяет пользоваться этой рекомендацией.) Кроме того, рекомендация “больше” допускает и значения 400, 500 часов, поэтому требуется более обстоятельный анализ этих параметров. Оптимальное значение (240 часов) длительности обработки, полученное в нашей работе, действительно лежит в указанном интервале, однако границы интервала существенно уменьшают значение критерия эффективности установки. Так же, данные эмпирические рекомендации не дают возможности получать значения технологических параметров при переходе к новым условиям эксплуатации (например, при существенном изменении стоимости киловатт-часа электроэнергии).

На основе анализа эксплуатации биогазовых установок по переработке птичьего помета, для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:

Выявить закономерности процесса сбраживания помета в зависимости от технологических и конструктивных параметров оборудования (метантенка).

Обосновать основные технологические и конструктивные параметры оборудования для производства биогаза и органических удобрений из отходов птицефабрик.

Определить эффективность эксплуатации биогазовой установки.

Во второй главе «Теоретические исследования режимов и параметров установки (метантенка) для получения органических удобрений и газа» приводится материалы по обоснованию длительности обработки помета в метантенке, по минимизации затрат на производство корпуса метантенка, а так же приводятся данные по обоснованию режимов доведение сырья до оптимальной температуры.

В процессе переработки на биогазовой установке, исходное сырье, (птичий помет) разделяется на три составляющие: газообразная фаза - биогаз, содержащий 60-70% метана, окись углерода 2-5% и других газов; жидкая фаза - стоки, получаемые после разделения отферментированного помета и представляющие собой обеззараженную жидкость с содержанием сухого вещества 2-5% (наличие в стоках азота, окиси фосфора и калия позволяет использовать их в качестве жидких органических удобрений).

В биогазовых установках непрерывного действия для стабильного протекания сбраживания необходимо равномерно подавать помет в метантенк, то есть порциями не только одинакового объема, но также с одинаковым содержанием сухих органических веществ. Нагрузка по сухому органическому веществу в зависимости от вида и исходной влажности помета составляет 8-20 кг на 1 м³ метантенка в сутки и для каждого конкретного субстрата должна быть строго дозированной.

Интенсивность сбраживания можно повысить механическим расщеплением и разрушением структуры твердых органических компонентов или механической деструкцией, приводящей к увеличению активной поверхности, обрабатываемой метанобразующими микроорганизмами, разрушению клеток и высвобождению способной к сбраживанию внутриклеточной жидкости, содержащей легкорастворимые органические вещества, рисунок 1.



Рис. 1 Технологическая схема анаэробной переработки помета в биогазовом реакторе (метантенке). 1 - секция 1; 2 - секция 2; 3 - секция 3; 4 - секция 4; 5 - уровень перерабатываемого помета; 6 - исходный помет; 7 - удобрения; 8 - биогаз; 9 - механизм смесителя; 10 - водяной радиатор (теплообменник)

Одна из основных задач по обоснованию режима биогазовых установок - определение оптимальной длительности переработки помета в метантенке: недостаточно долгое пребывание помета в анаэробных условиях приводит к неполной переработке помета, излишне долгая переработка уменьшает массу утилизированного за год помета и ведет к экономическим потерям. Ниже приводится формула (5), позволяющая обосновать длительность переработки помета.

Пусть - энергия сгорания 1м³ биогаза = 69,4 Дж/м³;

h - стоимость 1Дж. получаемого тепла = 0,26·10^-6 руб/Дж;

с - плата за утилизацию одного центнера помета =38 руб/ц.;

х - длительность нахождения помета в метантенке (сутки);

R = 0,16 - 0,11/х - выход биогаза (м³/кг) в зависимости от длительности нахождения помета в метантенке.

М - вместимость метантенка (ц);

Т - количество суток в году (365);

0,16 - 0,11 - эмпирические константы.

Численные значения переменных и коэффициентов приведены в справочной литературе. Введем целевую функцию, учитывающую доход от утилизации помета в течение года (первое слагаемое) и стоимость энергии, полученной в результате сжигания биогаза (второе слагаемое):

(1)

После преобразований получим следующее выражение для целевой функции:

(2)

Продифференцируем F(x) и приравняем производную к нулю:

(3)

Отсюда

(4)

x_opt = 22h

^{с+16 h} (5)

x_opt = 10 суток. (6)

Оптимальная длительность переработки помета x_opt не зависит от вместимости метантенка (М) и равна 10 суткам.

Минимизация затрат на корпус метантенка. Технических вариантов реализации метаногенеза биомассы достаточно много, начиная с конструктивно простых, непрофессионально изготовленных местными силами установок и кончая технологически совершенными установками долговременного непрерывного действия с использованием автоматизированных систем.

Процесс сбраживания осуществляется в специальных герметичных емкостях метантенках.

Метантенк имеет форму цилиндра длинной L, основания которого конусы высотой Х с круговым основанием радиуса R.

Объем метантенка равен:

(7)

где m - боковая сторона конуса,

- боковая поверхность конуса,

- боковая поверхность цилиндра,

- площадь поверхности метантенка.

Целевой функцией является отношение площади поверхности метантенка к его объему, график функции F(х) приведен на рис.2.

(8)



Рис. 2 Зависимость целевой функции от высоты конуса

Для нахождения минимума F(х) найдем ее производную и приравняем к нулю:

(9)

После элементарных преобразований получаем квадратное уравнение

(10)

учитывая, что высота конуса - положительная величина, получаем его единственное решение

(11)

Пример: При R=2м, L=8м; - высота конуса (на практике по обзорным данным R)

. (12)

Таким образом, расход металла на стенки метантенка в расчете на один кубический метр рабочего объема метантенка достигает минимума при высоте конуса, равной 2,4м.

Выбор угла наклона вертикальной части метантенка.

Метантенк представляет собой цилиндр радиуса r, в основании которого - конус, причем основания цилиндра и конуса совпадают, а вершина конуса является нижней точкой метантенка. Исходное сырье насосом поднимается на высоту метантенка, на что затрачивается энергия, которую необходимо ввести в целевую функцию. Цилиндрическая часть метантенка от l не зависит и потому ее высота принята равной нулю. Будем считать, что в течение достаточно большого периода времени Т (срока эксплуатации метантенка) метантенк загружается на а дней (как показал расчет, а чаще всего для оптимального режима эксплуатации близко к десяти дням), после чего освобождается от жидких и твердых фракций и загружается снова.

Целевая функция зависит от длины образующей конуса l и равна

(13)

где с - стоимость одного джоуля энергии;

g - ускорение свободного падения;

m - масса сырья, поступившая в течение периода Т;

S - площадь боковой поверхности конуса:

; (14)

q - стоимость одного квадратного метра металла, из которого изготовляется конус;

р - стоимость утилизации одного килограмма помета;

, (15)

V - объем конуса;

, (16)

d - удельный вес помета.

Отсюда

. (17)

Найдем производную F(l) и приравняем ее нулю.

В результате после преобразований получим алгебраическое уравнение второй степени

, (18)

где

. (19)

Уравнение решается с помощью стандартных математических пакетов при заданных значениях входящих в него параметров. При этом следует брать те корни уравнения, которые удовлетворяют условию

, (20)

где tga - коэффициент трения удобрения о боковую поверхность конуса. Для мягкого железа коэффициент трения равен 0,49, для инструментальной стали - 0,48, для хромовольфрамовой стали - 0,47.

Для стального корпуса метантенка при заданной стоимости утилизации одного килограмма помета (р), коэффициенте трения по стали с 0,4 - 0,5% углерода (0, 47), удельном весе помета, равном 1,09 кг/л, выяснилось после решения уравнения четвертой степени, что отношение

l/r1,8 (21)

что соответствует форме конуса, полученной в предыдущем разделе. Таким образом, в отличие от коэффициента трения, стоимости помета и стоимости одного Джоуля энергии, на форму метантенка влияют прежде всего затраты, связанные с производством его корпуса.

Обоснование режима доведения температуры сырья до рациональной +54⁰С.

При заданных величинах, объем - ежесуточной загрузки и ежесуточной выгрузки метантенка, ставилась задача определить время нагрева субстрата до оптимальной температуры. Экспериментальное исследование температуры сырья в метантенке после его загрузки при начальной температуре +12° С, дает возможность сделать вывод о линейном росте температуры от начальной (ф) до оптимальной t₀ (54°С):

t(и)=ф+и(t₀-ф)/T, и (22)

где: t(и) - температура субстрата по прошествии и часов после загрузки;

Т - длительность доведения температуры субстрата до температуры t₀;

В эксперименте при общей загрузке 20т и ежесуточная выгрузка и загрузка составляет 2 тонны.

Слишком длительное доведение температуры субстрата (большое Т) до оптимальной означает уменьшение выработки биогаза, так как при температурах менее оптимальной выработка биогаза с одного килограмма помета уменьшается; быстрое доведение температуры до оптимальной требует дополнительных затрат. Проведенный анализ различных современных систем подогрева субстрата позволил аппроксимировать зависимость стоимости доведения одного килограмма субстрата до оптимальной температуры эмпирической формулой

С(Т) =

где b=0,50·10^-3.

Параметр b и тенденция его применения за пять лет составили по годам:

2000 - 0.42 х 10^-3; 2001 - 0.44 х 10^-3; 2002 - 0.46 х 10^-3; 2003 - 0.48 х 10^-3; 2004 - 0.50 х 10^-3.



Рис. 4 Зависимость стоимости доведения 1 кг субстрата до рациональной температуры

Функция С(Т) построена на основании данных по а) кожухотрубным теплообменникам, состоящим из пучка труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда и на сальниках; б) оросительным теплообменникам, состоящим из змеевиков, орошаемых снаружи жидким теплоносителем; в) погруженным теплообменникам, состоящим из змеевиков, помещенных в сосуд с жидким теплоносителем (другой теплоноситель движется внутри змеевиков; г) пластинчатым теплообменникам, имеющим плоские поверхности теплообмена (обычно такие теплообменники состоят из ряда параллельных пластин, изготовленных из тонких металлических листов); д) спиральным теплообменникам, состоящим из двух спиральных каналов прямоугольного сечения. Длина трубы теплообменника также принимает различные значения, что приводит к изменению поверхности трубы теплообменника (и, тем самым, к изменению потока тепла от теплообменника), и его стоимости. Теплообменник изготовляется из стали 10СП диаметром 20 мм стоимостью 55 руб./м. (2005г.)

Поток тепла в последнем случае определяется по формулам:

W=U²T/R, (24)

R=сl/S, (25)

где U - напряжение,

R - cопротивление постоянного проводника;

l - длина проводника,

с - удельное сопротивление (для железа с = 8,7·10^-8 ом·м);

S - площадь сечения проводника.

Варьируя тип проводника и длину теплообменника получаем ряд точек в системе координат, причем по оси абсцисс откладывается величина Т, а по оси ординат - С(Т). Погрешность аппроксимации (гиперболы) не превышает 6%.

Рис. 5 Затраты на обеспечение нагрева субстрата до рациональной температуры

Введем целевую функцию F(T), равную разности стоимости выработанного в течение суток биогаза и затрат на обеспечение нагрева субстрата до оптимальной температуры:

 (26)

где у(t) - выход биогаза с одного килограмма субстрата;

б = 129,9 - выход биогаза;

в = 0,967·10^-3 руб./дм³ - стоимость одного кубического дециметра биогаза;

24 - длительность суток (часы).

Стоимость 1дм³ биогаза составлена по годам 2001 - 0.813 х 10^-3; 2002 - 0.883 х 10^-3; 2003 - 0.902 х 10^-3; 2004 - 0.959 х 10^-3; 2005 - 0.967 х 10^-3.

Для нахождения оптимального значения величины Т продифференцируем F(T) и приравняем производную к нулю. При нахождении производной используем формулу Лейбница:

(27)

(28)

(29)

Таким образом, длительность нагревания равна часа.

Для сравнения произведем расчет по этой формуле используя данные 2001г.

(30)

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных и производственных исследований». Показано что, экспериментальные исследования разделены на два этапа: 1) Определить выход биогаза из жидкого помета в зависимости от температуры сбраживания; 2) Определить выход удобрений и биогаза в зависимости от температуры сбраживания в зависимости от длины теплообменника влияющего на подогрев куриного помета в метантенке.

Лабораторные исследования проводились с целью получения данных о процессе выделения биогаза при разных температурах. В эксперименте задавалась температура в диапазоне от +48^оС до +58^оС для определения оптимальной температуры сбраживания куриного помета и выделения биогаза.

Целью производственных исследований является подтверждение лабораторных данных на промышленной биогазовой установке.

Методика лабораторного исследования по выходу биогаза

Лабораторная установка по определению выхода газа из жидкого помета в зависимости от температуры протекания процесса состоит из суховоздушного термостата, газового счетчика, емкости из полипропилена, соединительных силиконовых трубок.

Объект исследования. Куриный помет вещество серо-зеленого цвета, имеет вязкую структуру, редкие включения из продуктов кормления, составляющих рацион питания птицы. Куриный помет имеет сильный специфический запах.

При современном содержании птицы в клетках и на сетках, применяется гидросмывная технология, в результате чего получают большое количество жидкого бесподстилочного помета. Помет из системы пометоудаления при клеточном содержании кур содержит в среднем 90-92% влаги.

Из вышеперечисленного оборудования смонтирована и запущена в работу установка для определения количества вырабатываемого биогаза из помета по нижеприведенной технологической схеме.

1 л (1дм³) помета помещали в термостат, выдерживали в течение десяти суток (сбраживание), затем ежедневно в течение десяти суток из емкости с пометом удаляли 0,1 л (0,1 объема емкости) жидкого помета и дополняли освободившийся объем таким же количеством жидкого помета.

Для каждого температурного режима 48-58 °С брали свежие пробы из системы пометоудаления и помещали в термостат. В течение каждой серии исследований (20 суток) ежедневно в одно и то же время регистрировали количество (объем) образовавшегося биогаза по показаниям газового счетчика ГСБ-4.

Таким образом, учет образования биогаза при одной температуре производили в течение 20 суток, в том числе с 1 по 10 сутки - подготовительный период (сбраживание помета), с 11 по 20 - контрольный период (технологический).

Методика проведения производственных исследований на биоустановке

Методика состояла в следующем: птичий помет с помощью асенезаторской машины УОМ - 50 после отделения посторонних включений попадает в приемную емкость для накапления, после чего закачивается в биореактор (метантенк) и подается доза метанобразующих бактерий. Следующий этап состаит в подогреве субстрата до температуры 48-58^оС, и выдержевании данного режима в течении 10 суток при периодическом перемешивании. Для каждого интервала времени (не менее 4 часов) фиксировалась температура находящегося внутри метантенка помета и одновременно фиксировался с помощью электрографического устройства выход биогаза.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» приведены результаты лабораторных и производственных исследований по определению выхода биогаза из жидкого помета в зависимости от температуры протекания процесса. Установлено, что при повышении температуры сбраживания, поддерживаемой в метантенке, повышается выход биогаза, но при этом возрастают затраты на повышение температуры помета. Таким образом, существует рациональная температура переработки помета, включающая как объемную теплоту сгорания биогаза, так и затраты на поддержание температуры сбраживания.

Чтобы проанализировать первый фактор, был поставлен эксперимент, с помощью которого удалось выявить зависимость объемной теплоты сгорания от температуры анаэробного процесса в метантенке.

Оборудование:

1. Термостат суховоздушный с контрольным ртутным термометром с ценой деления 0,2 градуса.

2. Газовый счетчик большой лабораторный ГСБ-4, поверенный перед исследованиями отделом метрологии ОмГАУ.

3. Емкости по 1 л (1дм³) из полипропилена.

4. Соединительные трубки силиконовые.

Из вышеперечисленного оборудования смонтирована и запущена в работу установка для определения количества вырабатываемого биогаза из помета.



Рис. 6 Лабораторная установка

Описание эксперимента. Исследования проводились в лаборатории кафедры гигиены и безопасности жизнедеятельности Института ветеринарной медицины Омского государственного аграрного университета.

Помет в объеме 1 дм³ помещали в 1 литровую полипропиленовую (ПЕТ) бутылку. В крышке (бутылки) прорезали отверстие и вставляли силиконовую трубку, с условием плотного соединения, для обеспечения герметичности всех стыков.

Бутыль с пометом помещали в термостат, выводили силиконовую трубку и подсоединяли ее к газовому счетчику, так же обеспечивая плотное соединение со штуцером счетчика, из газового счетчика выводили силиконовую трубку и подсоединяли ее к вытяжки, для сброса газа в атмосферу.

В термостате выдерживали температуру +48^оС в течение десяти суток, затем ежедневно в течение десяти суток из емкости с пометом удаляли 0,1 л (0,1 объема емкости) жидкого помета и дополняли освободившийся объем таким же количеством помета, при этом фиксировали показания газового счетчика, и записывали данные в таблицу. Через 20 суток эксперимент повторяли с увеличением температуры на 2^оС.

Для каждого значения температуры в интервале +48-58°С брали свежие пробы из системы пометоудаления и помещали в термостат. В течение каждой серии исследований (20 суток) ежедневно в одно и то же время регистрировали количество (объем) образовавшегося биогаза по показаниям газового счетчика ГСБ-4.

Таким образом, учет образования биогаза при одной температуре производили в течение 20 суток, в том числе с 1 по 10 сутки - подготовительный период (сбраживание помета), с 11 по 20 - контрольный период (технологический).

В диапазоне температур, характерного для анаэробного процесса, а именно для температурного интервала от +48°С до +58°С с интервалом в 2° и массы жидкого помета 5,71г в течение 20 дней определялся выход биогаза и пересчитывался на массу помета 1 кг. Период в 20 дней был взят явно больше оптимального интервала (10 дней), и эксперимент показал незначительный рост выхода биогаза (у, дм³/кг) после оптимального периода. Всего было исследовано 12 проб одной и той же массы: Результаты усредненные по каждой температуре приведены на рисунке 8.

В результате проведенного эксперимента установлен рост выхода биогаза при повышении температуры. При этом наблюдается уменьшение прироста, то есть вторая производная аппроксимирующей функции является отрицательной. График представляет собой возрастающую кривую, имеющую выпуклость вверх, причем рост ее с повышением температуры замедляется.



Рис. 8 Выход биогаза при повышении температуры на лабораторной установке

Эта функция имеет горизонтальную асимптоту, поэтому при аппроксимации имеет смысл использовать уравнение гиперболы

(31)

где a, b - неизвестные константы, у = a - уравнение асимптоты.

Чтобы применить метод наименьших квадратов, введем новую переменную

ф = 1/t. (32)

Использование стандартной процедуры из пакета Excel для построения линейной регрессии у от ф дает следующее выражение:

(33)

Абсолютная погрешность полученной аппроксимации равна 0,3 дм³ /кг, что является, безусловно, удовлетворительным для обоснования температурного режима в метантенке. Введем целевую функцию, равную разности полученного биогаза от одного килограмма жидкого помета (в энергетических единицах) и затрат - в тех же единицах - на поддержание температуры сбраживания:

(34)

где в - объемная теплота сгорания биогаза, в=69,4 Дж/дм³;

г - теплоемкость жидкого помета, г = 4,18 КДж/кг·град.

Обоснование температурного режима означает в данном случае максимизацию целевой функции; следовательно, необходимо найти ее производную:

(35)

так как ограничения на t отсутствуют. Отсюда:

(36)

Таким образом, оптимальная температура сбраживания равна + 54°С. Предлагаемый метод расчета температурного режима можно применять не только для анаэробного сбраживания; поскольку известна функция y(t), данный подход дает возможность оценить потери, вызванные эксплуатацией метантенка при неоптимальных температурах.

Для того, чтобы убедиться в том, что полученная формула действительно обеспечивает максимум целевой функции, найдем ее вторую производную:

(37)

при любых значениях аргумента t: Следовательно, полученное значение t_opt обеспечивает максимум целевой функции. При этой температуре выход биогаза (с учетом затрат на поддержание температурного режима) является максимальным.

Для проверки результатов эксперимента на лабораторной установке был поставлен эксперимент на промышленной биогазовой установке.

Исследования показали, что производительность установки при работе двух реакторов составляет: по удобрению 3 м³ в сутки, по биогазу 75 м³ в сутки.

Технологический процесс состоит в следующем. Птичий помет птицефабрики, содержащий порядка 8% сухого остатка, после отделения от него крупных фракций неорганических примесей, подается ассенизационной техникой в приемную емкость, представляющую собой заглубленный бетонный резервуар объемом 20 м³. При необходимости помет разбавляется водой до влажности 92%, перемешивается насосом до однородности смеси и этим же насосом закачивается в биореакторы объемом около 80%, рисунок 9.

После загрузки реакторов и налаживания циркуляции смеси в змеевик реакторов подается горячая вода и начинается постепенный разогрев биомассы до температуры 48-58 °С, которая поддерживается автоматически во время процесса.

При этой температуре происходит обеззараживание помета. После первоначальной загрузки биомассы в реакторы процесс анаэробного сбраживания длится 10 суток, при периодическом перемешивании (циркуляции) биомассы в реакторах насосом.

По истечении 10 суток из реакторов отбирается проба сброженной биомассы на анализ. При получении результатов, каждые последующие сутки из реакторов насосом отбирается 3м³ (по 1,5м³ на каждого) готового удобрения, которое тем же насосом закачивается в емкость для дальнейшей расфасовки в тару или закачки в автовоз. После отбора удобрения реакторы дополняются тем же объемом свежего объема из емкости для продолжения процесса сбраживания.

Рис. 9 Метантенк

Биогаз из реакторов поступает в газгольдер мокрого типа, где происходит его накопление. Полный объем газгольдера 5,5 м³. Из газгольдера биогаз забирается компрессором и с давлением Р = 1,5-2,5 Кгс/см² подается в ресивер, где происходит его сепарация от влаги и накопление в сжатом состоянии.

Регулирующий вентиль, установленный на шунте компрессора, позволяет регулировать производительность компрессора в широких пределах. Из ресивера биогаз направляется на использование в качестве топлива для нужд самой установки.

Температура задавалась в том же диапазоне, что и в лабораторных условиях, - по три дня на каждое значение температуры. Как и следовало ожидать, выход биогаза соответствовал кривой, полученной в лабораторных условиях.

Так же наблюдается снижение прироста выхода биогаза при повышении температуры, что позволяет с достаточной точностью аппроксимировать экспериментальные данные кривой (гиперболой)

, (38)

где у - суточный выход биогаза;

t - температура внутри метантенка.

Таким образом, для обоснования температурного режима можно использовать имеющую ту же кривую, полученную в лабораторных условиях.

Рис. 10 Выход биогаза в зависимости от температуры на промышленной установке

Для оценки влияния длины трубы теплообменника (l) - на температуру субстрата в метантенке, был поставлен эксперемент. Площадь внешней поверхности теплообменника определялась по формуле S=2рrl, где r - радиус внешней окружности трубы (r=42 мм). Длина трубы менялась через каждые 2 метра путем добавления дополнительных отрезков. После того как температура установилась (принимался интервал один час), измерялась температура субстрата. Данные влияния длинны теплообменника на температуру субстрата приведены в таблице 1.

Таблица 1

Влияние длины теплообменника на температуру субстрата

	S(м2)	2	4	6	8	10
	t	45,2	53,1	62,0	67,3	70,8

Полученные экспериментальные данные аппроксимируются нелинейной зависимостью:

, (39)

причем погрешность аппроксимации не превышает 0,2. Введем целевую функцию, равную разности начальных затрат на теплообменник и дохода от того, что температура выше исходной температуры и, следовательно, выше выход биогаза:

(40)

где с - стоимость одного метра трубы (164 руб./м), изготовленной горячекатаной стали ЗСП4, n - плановая длительность эксплуатации оборудования (10 лет), m - число дней в году, , в и S₀ - константы в эмпирической зависимости температуры от площади теплообменника, у(t) - выведенная ранее зависимость суточной выработки газа в зависимости от температуры субстрата.

Для нахождения оптимальной длины теплообменника продифференцируем целевую функцию по его длине l и приравняем производную нулю:

(41)

Полученное трансцендентное относительно площади теплообменника уравнение решается с помощью пакета Mathcad 2000. Его единственное действительное решение l=16 м дает возможность выбрать расположение теплообменника так, чтобы минимизировать затраты на подогрев субстрата. В этом подходе применяется формула зависимости выхода биогаза от температуры субстрата, выведенная нами для промышленной установки.

В пятой главе «Определение экономического эффекта от реализации результатов исследований» рассматривается экономическая эффективность внедрения полученных результатов. По формуле оптимальной температуры при заданных значениях параметров

г = 4,18·10³ Дж/кг,

в = 6,94·10³ Дж/м³,

b =1756 град²·дм³/кг,

оценим прибыль при оптимальной температуре (t₀ = 54°) вместо применяемой ранее t₁ = 52°:

 (42)

Таким образом, на каждом килограмме свежего помета прибыль при оптимальной температуре сбраживания составляет 16,42 килоджоулей; за сутки одной двадцатитонной установкой (метантенком) перерабатывается две тонны помета, прибыль за сутки (в Джоулях) составит

(16,42·10³)·(2000)=32,84·10⁶Дж. (43)

Определим стоимость одного Джоуля. Один киловатт/час (на март 2005г.) стоит 1,18 руб. Так как один киловатт/час равен 3,62·10⁶, один Джоуль стоит (1,18/3,62·10⁶) = 0,326·10^-6 руб. Следовательно, суточная прибыль при оптимальной температуре составит (32,84·10⁶)·(0,326·10^-6) = 10,7 руб. С 10 тонн перерабатываемого помета составит 53.5 руб. в сутки, соответственно ежегодная прибыль составит 19 527 руб.

Таблица 2

Потери связанные с эксплуатацией биогазовой установки при нерациональной температуре

t0	48	50	52	54	56	58
у	25.2	16.8	10.7	-	9.3	14.5

Смена температурного режима с + 52⁰С на +54⁰С при ежесуточной переработке 10 тонн птичьего помета позволит получить ежегодную прибыль - 19 527 рублей.

t0 - температура сбраживания;

у - рубли.

Сравнительный экономический анализ “Биорост-1” (удобрения полученного на биогазовой установки) и минеральных удобрений показали, что одна тонна “Биорост-1” стоит 240 руб. По питательности одна тонна “Биорост-1” эквивалентна 250 кг минеральных удобрений; причем одна тонна минеральных удобрений (аммофос) стоит 8 тыс.руб. Произведем расчет относительно поставленного эксперимента на культуре огурца в закрытом грунте. Площадь теплицы составляет 29400 м²; за период с 24 декабря 2003 г. по 08 августа 2004г. внесено 544667 кг. удобрения “Биорост-1”. Эта величина эквивалентна 544767 / 4 = 136,19 тонн минераль- ных удобрений. Затраты хозяйства на “Биорост-1” составляют 544767кг х 240руб. = 130 744руб.; затраты на минеральные удобрения составляют 136,19т. х 8000руб. = 1 089 520 руб.

Таким образом, экономический эффект от применения “Биорост-1” за один оборот в расчете на одну теплицу составляет:

1 089 520 руб. - 130 744руб. = 958 776 руб. (44)

Таблица 3

Прибавка урожайности огурца от применения органических удобрений «Биорост-1»

Месяц	«Биорост-1» (собрано), кг	Минеральные удобрения (собрано)	Прибавка в кг	Полив «Биорост-1»
Февраль	374,5	371,5	3	4 раза
Март	2839	2598	241	2 раза
Апрель	3725	3713	12	3 раза
Май	5148	4897	251	1 раз
Июнь	4567	4325	242	2 раза
Июль	2264	2315	-51	Не применяли
Итого	18917,5	18219,5	698	12 раз

Прибавка урожайности от минеральных удобрений на 50% теплицы составила 2719,5 кг, от «Биороста-1» - 3417,5 кг, что на 698 кг больше, (таблица 3).

Следовательно, со 100% площади теплицы прибавка урожайности после применения «Биороста-1» составит в среднем 1398 кг, с блока 27960 кг, с комбината 139800 кг (за один оборот).

Общие выводы

1. Обоснование длительности обработки показала, что пребывание помета в анаэробных условиях менее 10 суток приводит к неполной его переработке, а более 10 суток уменьшает количество массы, перерабатываемой за год. Увеличение периода переработки помета на 1 день (по сравнению с рациональным), снижает эффективность биогазовой установки на 0.14%.

2. Определено, что при низких температурах выработка биогаза с одного килограмма помета уменьшается. Слишком длительное доведение помета до оптимальной температуры ведет к уменьшению вырабатываемого биогаза, быстрое доведение температуры до оптимальной, требует дополнительных затрат энергии. Установлено, что для метантенка объемом 20м³ время выхода на стационарный технологический режим составляет 4 часа.

3. Максимальный выход биогаза при переработке птичьего помета обеспечивается при оптимальной температуре сбраживания (+ 54⁰С, - 0.2⁰С), что подтверждено данными полученными как на лабораторной, так и на промышленной биогазовой установке. Повышение температуры свыше +54⁰С приводит к повышению энергетических затрат, а снижение температуры менее +54⁰С ведет к не до получению биогаза.

4. Обоснованны параметры метантенка обеспечивающие получение наибольшего эффекта. Боковые поверхности метантенка имеют форму конуса высотой 2м, при L = 8м., R = 2м. Данные размеры обеспечивают минимизацию расхода металла на стенки метантенка в расчете на 1м³ рабочего объема.

5. Рассчитана оптимальная длина теплообменника метантенка, для объема 20м³ равная 16 метров. Это позволяет выбрать расположение трубы (теплообменника) так, чтобы минимизировать затраты на подогрев субстрата, с учетом выхода биогаза от температуры субстрата.

6. Расчет экономического эффекта от внедрения алгоритма оптимального температурного режима сбраживания +54⁰С вместо применяемого ранее +52⁰С показал, что ежегодная прибыль при переработке 10 тонн помета в сутки, составляет 19 527 руб.

7. При использовании органического удобрения полученного на биогазовой установке, вместо применяемых ранее минеральных удобрений, только одно овощеводческое хозяйство Омской области (ЗАО «Овощевод») может получить ежегодную прибыль 1 917 552 рубля.

Список работ опубликованных по теме диссертации

1. Марченко Д.Б. Выбор высоты конуса-днища метантенка: Информ. листок №15-2004. / Д.Б. Марченко; ОмЦНТИ. Омск, 2004. 4 с.

2. Марченко Д.Б. Описание интеллектуального продукта «Биогазовоя технология в птицеводстве». / Д.Б. Марченко. М., 2004. 3 с. Всерос. науч.-техн. информ. центр 07.04.2004., № 73200400133.

3. Марченко Д.Б. Оптимизация мощности перемешивающих устройств при метаном сбраживании помета. / Д.Б. Марченко // Сельское хозяйство Сибири. 2004. №9. С. 16-17.

4. Марченко Д.Б. Оптимизация формы биогазовой установки. / Д.Б. Марченко, Л.З. Шрайбер. // Материалы региональной научной конференции молодых ученых аграрных вузов Сибирского федерального округа. (20-21 мая 2003). Омск, 2003. С. 119.

6. Марченко Д.Б. Применение метанного сбраживания навоза для получения экологически чистых удобрений. / Д.Б. Марченко, Л.З. Шрайбер // Полвека целине: сб. науч. тр., посвящ. 50-летию освоения целинных и залежных земель. Омск, 2004. С. 179 - 182.

7. Марченко Д.Б., Шрайбер Л.З. Оптимизация режима эксплуатации биогазовой установки: Информ. листок №14-2004. / Д.Б. Марченко, Л.З. Шрайбер; ОмЦНТИ. Омск, -2004. 4 с.

8. Марченко Д.Б. Экологические проблемы птицеводческих предприятий. / Д.Б. Марченко // Молодые ученые сибирского региона - аграрной науке: Материалы межрегион. конф. Молодых ученых, проводимой в рамках празднования 50-летия освоения целинных и залежных земель (г.Омск, 15-16 апреля 2004г). Омск, 2004. Вып.№4. С. 208 - 212.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Марченко Д.Б. Эффективность применения органических удобрений «Биорост-1» под зерновые и овощные культуры / Д.Б. Марченко // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. Вып. 3. Барнаул, 2009. С. 12 - 17.

2. Марченко Д.Б. Обоснование параметров формы метантенка / Д.Б. Марченко // Достижения науки и техники АПК. Вып. 3. Москва, 2009.

Размещено на Allbest.ru

...