РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ СБРАЖИВАНИЯ НАВОЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБЪЕМНОГО СВЧ –

На правах рукописи

Решетникова Ирина Валентиновна

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ СБРАЖИВАНИЯ НАВОЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБЪЕМНОГО

СВЧ – НАГРЕВА

Специальность 05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ижевск 2009

Работа выполнена на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Касаткин Владимир Вениаминович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Беззубцева Марина Михайловна

кандидат технических наук, доцент

Дородов Павел Владимирович

Ведущая организация: Государственное учреждение зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо – Востока им.И.В.Рудницкого (НИИСХ Северо-Востока им.Рудницкого)

Защита состоится «06» ноября 2009 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета КМ 220.030.02 в ФГОУ ВПО «Ижевская ГСХА» по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 9-315.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Ижевской государственной сельскохозяйственной академии», а с авторефератом на сайте http://izhgsha.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, д.11, Диссертационный совет. Телефон/факс: 58-99-47.

Автореферат размещен на сайте и разослан 03 октября 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук Н.Ю. Литвинюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Сегодня в мире использование нетрадиционных возобновляемых источни­ков энергии (НВИЭ) достигло промышленного уровня, ощутимого в энергоба­лансе ряда стран. Масштабы применения НВИЭ в мире непрерывно и интенсив­но возрастают. Это направление является одним из наиболее динамично разви­вающихся среди других направлений в энергетике.

В последнее время всё большее внимание привлекают нетрадиционные, - с технической точки зрения, источники энергии: солнечное излучение, морские приливы и волны, геотермальные источники, энергия ветра, энергия биомассы и мн. др. Некоторые из них, например, ветер и энергия биомассы, находили широ­кое применение и в прошлом, а сегодня переживают второе рождение.

Теоретические вопросы, посвященные переработке отходов АПК, рассматривали в своих работах российские ученые: Гужулев Э.П., Дубровский В.С., Бацанов И.Н., Ковалев Н.Г., Марченко В.И., Шрамков В.М., Зуев В.А. и др.; и зарубежные ученые Kelly W.F., Anderson P.A., Baker D.N. и др.

В ИжГСХА начиная с 1995 года на кафедре «Механизации и переработки сельскохозяйственной продукции», началось развитие одного из научных направлений по теме: Утилизация отходов сельскохозяйственного производства. С 2004 года этим направлением начал заниматься доцент Игнатьев Сергей Петрович. В составе творческой группы работала и Свалова Марианна Викторовна. Результатом наших исследований стали выигранные конкурсы в Министерстве природных ресурсов и охраны окружающей среды Удмуртской Республики и в Министерстве сельского хозяйства Российской Федерации. Поэтому можно говорить об актуальности выбранного направления исследований.

Цель работы. Интенсификация и повышение эффективности переработки навоза для получения биогаза как источника энергии на основе энергосберегающей электротехнологии.

Объект исследования. Электротехнологический трехстадийный процесс работы биогазовой установки.

Предмет исследования. Закономерности трехстадийного процесса работы биогазовой установки на основе энергосберегающей электротехнологии.

Основные положения, выносимые на защиту:

- энергосберегающий метод непрерывного сбраживания навоза с использованием СВЧ энергии;

- механизм расчета и оценки энергоемкости работы биогазовой установки;

- физические модели и математическое описание процессов сбраживания непрерывного действия с СВЧ нагревом;

- технология метанового сбраживания навоза с применением СВЧ излучения и изготовление образца биогазовой установки непрерывного действия, реализующего эту технологию;

- эффективность разработанной технологии.

Научную новизну работы составляют:

- способ нагрева навоза на биогазовых установках непрерывного действия с объемным электромагнитным излучением (СВЧ), реализующий трехстадийный процесс в едином цикле;

- физические модели и математическое описание процессов сбраживания навоза на метантенках непрерывного действия с СВЧ нагревом, позволяющие определять режимы технологического процесса и параметры проектируемого оборудования;

- математическая модель энергоемкости технологического процесса на метантенках непрерывного действия на основе метода конечных отношений, позволяющая оптимизировать энергоемкость процесса.

Практическая значимость и реализация результатов исследований.

- разработан и испытан опытный образец лабораторной непрерывно - действующей биогазовой установки, на основе которого может быть создана промышленная установка;

- температурные технологические режимы на основе переработки навоза;

- разработан лабораторный технологический процесс, обеспечивающий оптимизацию энергозатрат при переработке навоза за счет объединения стадий и применения СВЧ нагрева.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на научно-практических конференциях: в ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА «Инновационное развитие АПК. Итоги и перспективы», Ижевск, 2007; в ФГОУ ВПО Пермский ГСХА на всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Вклад молодых ученых в развитие АПК», Пермь, 2007 г; «Научный потенциал аграрному производству посвящается 450 - летию вхождения Удмуртии в состав России», Ижевск, 2008г.; в ГОУ ВПО «Магнитогорский Государственный университет им. Г.И.Носова» на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы территориального развития», 2008 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 статей, в том числе 3 статьи в научных журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 124 страниц, 32 рисунка, 11 таблиц и 5 приложений. Список литературы включает 184 наименования, в том числе 7 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность проблемы, цель, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе «Анализ состояния вопроса утилизации навоза в сельскохозяйственном производстве» на основе анализа научных и литературных источников исследуется проблема утилизации навоза в сельскохозяйственном производстве. В нашей стране недостаточно отработанных промышленных технологий, позволяющих масштабно решать проблему утилизации отходов АПК.

Проблема утилизации отходов имеет важное экологическое, экономическое и энергосберегающее значение. Наиболее перспективным вариантом переработки отходов производства в ценный удобрительный материал является анаэробное сбраживание, которое сопровождается получением биогаза.

Особое внимание уделяется развитию технологий получения биогаза, получающегося при утилизации отходов сельскохозяйственных производств.

Отходы биомассы ферм и жидкие составляющие являются загрязнителями окружающей среды. Повышенная восприимчивость сельскохозяйственных культур к отходам приводит к загрязнению грунтовых вод и воздушного бассейна, создает благоприятную среду для заражения почвы вредными микроорганизмами. В отходах животных жизнедеятельность болезнетворных бактерий и яиц гельминтов не прекращается, содержащиеся в нем семена сорных трав сохраняют свои свойства.

Для устранения этих негативных явлений необходима специальная технология утилизации отходов биомассы, позволяющая повысить концентрацию питательных веществ и одновременно устранить неприятные запахи, подавить патогенные микроорганизмы, снизить содержание канцерогенных веществ и получить дополнительно источник энергии.

Из анализа способов и методов утилизации отходов и ряда существующих проблем, вытекают задачи:

 - разработать энергосберегающий метод непрерывного сбраживания навоза с использованием СВЧ энергии;

- создать физические модели и дать математические описания процессов сбраживания непрерывного действия с СВЧ нагревом;

- разработать и изготовить образец биогазовой установки непрерывного действия, реализующий технологию метанового сбраживания навоза с применением объемного СВЧ излучения;

- обосновать эффективность разработанной технологии.

Во второй главе «Теоретические и лабораторные исследования интенсивных методов сбраживания отходов с/х производства» предложено соединить в единый цикл три стадии метанового сбраживания с целью интенсификации и оптимизации равномерного объемного разогрева метантенка. На основании анализа состояния вопроса, теоретических и лабораторных исследований определяем, что непрерывный процесс переработки навоза при объемном и СВЧ излучении, включает в себя комплекс взаимосвязанных сложных теплофизических процессов: дозированная загрузка отходов, нагрев биомассы, периодическое перемешивание, дозированная выгрузка переработанного субстрата, сбор и резервирование газа.

Для изучения этих процессов была разработана установка, состоящая из СВЧ шкафа, шлангов, водного затвора, жидкостного манометра, счетчика электрической энергии. Проводились эксперименты с двумя образцами: свиной и коровий навоз. Установка для проведения экспериментов трех стадий метанового сбраживания с СВЧ нагревом, показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Установка для проведения экспериментов трех стадий метанового сбраживания с СВЧ нагревом: 1 – СВЧ шкаф; 2 - Шланги; 3 – Водный затвор;

4 – Жидкостный манометр; 5 - Счетчик электрической энергии

На рисунке 2 показана кинетика выделения биогаза в зависимости от температуры и времени сбраживания при контактном нагреве свиного (1) и коровьего (2) навоза, а также контактный нагрев в трех режимах сбраживания.

Рисунок 2 – Кинетика выделения биогаза в зависимости от температуры и времени сбраживания при контактном нагреве свиного (1) и коровьего (2) навоза

На рисунке 3 приведены сравнительные характеристики выделения биогаза в зависимости от температуры и времени сбраживания свиного навоза при контактном и СВЧ нагреве.

Рисунок 3 - Кинетика выделения биогаза в зависимости от температуры и времени сбраживания свиного навоза при контактном и СВЧ нагреве

Анализируя полученные данные и графики на рисунках 2 и 3, выявили основные подходы к методам интенсификации процесса нагрева. Интенсификация за счет равномерного объемного разогрева метантенка до 55оС и объединения трех стадий сбраживания в единый цикл позволит потери тепла высокотемпературной зоны использовать для нагрева субстрата предыдущих стадий, что сократит время нагрева навоза при экономии энергии на разогрев.

За критерии оптимизации принимаем максимальный выход биогаза и минимизацию затрат энергии. На основе теоретических и экспериментальных данных разрабатываем схему физической модели процесса метанового сбраживания навоза с СВЧ нагревом, которая представлена на рисунке 4.

Схема физической модели процесса непрерывного метанового сбраживания с СВЧ нагревом разработана так, что высокотемпературная (термофильная) зона находится в центральной части метантенка, при этом температура центральной зоны разогревает мезофильную и психрофильную зоны за счет контактного разогрева через перегородки, разделяющие эти зоны, и диффузии субстрата.

Рисунок 4 – Схема физической модели процесса метанового сбраживания

В принципиальной схеме данной физической модели процесса метанового сбраживания идет непрерывный процесс газообразования, так как присутствуют все стадии анаэробной переработки навоза.

Диэлектрический нагрев в центральной секции метантенка осуществляется в пределах температуры 40…55оС, что соответствует термофильному режиму сбраживания. Эта температура поддерживается постоянно, для обеспечения непрерывного режима работы реактора. При поддержании заданного максимума температуры происходит постоянный теплообмен биомассы, который позволяет достичь двух других режимов сбраживания в метантенке. Теплообмену способствуют диффузионный процесс при загрузке и выгрузке сырья, а также циклическое перемешивание субстрата. Мезофильный режим сбраживания происходит во второй секции метантенка, где за счет конвективного нагрева достигается температура в пределах 25…40оС. В первой секции реактора диапазон температур соответствует психрофильному режиму сбраживания с диапазоном температур в пределах 8…25оС.

Диэлектрический нагрев является самым подходящим для этой технологии переработки навоза, так как идет практически выделение тепла во всем объеме обрабатываемого субстрата.

Исходя из проведенных экспериментов, обосновали объединение в единый цикл (реактор) трех стадий метанового сбраживания с объемным разогревом метантенка и выявили основные режимы сбраживания (психрофильный при 8…25оС, мезофильный при 25…40оС и термофильный при 40…55оС).

В третьей главе «Теоретическое обоснование интенсификации и энергосбережения при метановом сбраживании навоза» разработана математическая модель процесса сбраживания.

На рисунке 5 показан процесс передачи теплоты субстрату, который заключается в том, что энергия, подводимая к магнетрону по средством электрического преобразования, переходит в тепловую, тем самым происходит объемный разогрев метантенка путем послойной передачи теплоты qn.

Рисунок 5 - Схема нагрева биомассы СВЧ излучением

Расход энергии в расчете на нагрев 1 кг субстрата для конвективной камеры равен

(1)

где К - коэффициент теплопередачи стены метантенка; tр - среднее значение температуры субстрата внутри метантенка за весь рассматриваемый промежуток времени в расчетной зоне; to - среднее значение температуры окружающего воздуха за тот же промежуток времени; б - базисная плотность субстрата; Wн - влажность субстрата; Sк/Vк - отношение площади внутренней поверхности конвективной камеры к объему загрузки субстрата в нее; к - продолжительность оборота конвективной камеры; - рассматриваемый промежуток времени, в течение которого происходят потери тепла.

Передача теплоты через стенку, а также потери теплопередачи между секциями метантенка, записаны следующими выражениями:

(2)

, (3)

где - температуры внутренней и наружной поверхностей стенки, - температура сред, - коэффициенты теплоотдачи, - плотность теплового потока, и показаны на рисунке 6. Потери – передача теплоты, учитываются между всеми секциями метантенка, которые описываются уравнением (3).

Рисунок 6 – Теплопередача между секциями метантенка

Для окончательного расчета энергоемкости всей установки на основе метода конечных отношений разработали математическую модель. С этой целью схему физической модели установки метанового сбраживания (рис. 4), показываем в виде формализованного изображения процесса энергопотребления и энергопроизводства на основе которого и разрабатываем математическую модель энергоемкости, как отдельных стадий работы метантенка, так и всей установки в целом.

В формализованном изображении (таблица 1) энергопроизводство включает в себя энергоемкости стадий метанового сбраживания и энергоемкость полученного биогаза. Для обеспечения работоспособности оборудования необходимо, чтобы система управления поддерживала в метантенке необходимые режимы, заданные технологическим процессом.

Математическая модель энергоемкости технологии метанового сбраживания биомассы, на установках непрерывного действия с СВЧ нагревом, представлена в таблице 2, где индекс q21 есть произведение энергоемкости энергетических параметров затраченных на загрузку навоза. Остальные индексы (q31-q61) аналогичны соответствующим процессам, обеспечивающих работу метантенка. Общая энергоемкость q7 получается в результате суммы энергоемкости технологического процесса на произведение энергоемкости системы управления.

Таблица 1- Формализованное изображение процесса энергопотребления и энергопроизводства