Повышение эффективности очистки газов при переработке навоза крупного рогатого скота с разработкой биофильтра

На правах рукописи

КРИВОЛАПОВ Иван Павлович

Повышение эффективности очистки газов при переработке навоза крупного рогатого скота с разработкой биофильтра

Специальность 05.20.01 – Технологии и средства

механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Мичуринск-наукоград РФ, 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО МичГАУ) на кафедре «Прикладная механика и конструирование машин»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Миронов Владимир Витальевич

Официальные оппоненты: Капустин Василий Петрович,

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный

технический университет» / кафедра

«Автомобильная и аграрная техника»,

профессор

Макаров Валентин Алексеевич,

доктор технических наук, профессор,

ГНУ Всероссийский научно-исследовательский

и проектно-технологический институт

механизации животноводства

Россельхозакадемии, директор

Ведущая организация: ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт механизации животноводства Российской академии сельскохозяйственных наук» (ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии)

Защита диссертации состоится «25» мая 2012 года в 1000 часов на заседании Диссертационного совета ДМ 220.041.03 в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу: 393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101, корп.1, ауд. 206 «Зал заседаний диссертационных советов».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МичГАУ.

Объявление о защите и текст автореферата размещены на сайтах ФГБОУ ВПО МичГАУ http://mgau.ru и Министерства образования и науки Российской Федерации vak.ed.gov.ru

Автореферат разослан «24» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент Н.В. Михеев

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Согласно данным экологической комиссии Европейского Союза, свыше 80% аммиака, загрязняющего атмосферный воздух, и 10% метана, разрушающего озоновый слой, поступают от навоза и помета, в результате их несвоевременной заделке в почву и хранении в открытых накопителях. Экологи Европы полагают, что основной причиной образования азотосодержащих кислотных дождей является неудовлетворительная работа с навозом и пометом.

В системе переработки навоза особое значение имеет технология высокотемпературной аэробной биоферментации, протекающая при контакте соломонавозной смеси с кислородом воздуха и позволяющая получить высококачественное органическое удобрение с высокими агрохимическими свойствами. Данный процесс сопровождается микробиологическим разложением содержащихся в смеси компонентов, при этом образуется значительное количество более простых соединений, часть из которых выделяется в газообразном виде. Особую опасность при этом представляют аммиак и сероводород.

Существующие в настоящее время технологии очистки газов практически не применяются в сельском хозяйстве ввиду их высокой стоимости, сложности конструкции и требований к высококвалифицированному обслуживанию.

Для сельского хозяйства наиболее приемлемым способом очистки газов является биологическая фильтрация, как наиболее дешевый, простой и эффективный метод. Техническим средством реализации данного метода является биологический фильтр.

Существующие в настоящее время биофильтры, характеризуются высокой зависимостью от температуры окружающей среды и влажности поступающих газов, и как правило используются для очистки от газообразных органических соединений. Вследствие этого, в период наиболее интенсивного протекания биотермических процессов в компостируемой смеси биофильтр не обеспечивает достаточную очистку отходящих газов и снижение концентрации аммиака и сероводорода до предельно допустимых значений. Поэтому совершенствование конструктивно-режимных параметров биологического фильтра для очистки газов, выделяющихся при переработке навоза, является актуальной задачей и соответствует паспорту специальности области исследования - разработка инженерных методов и технических средств обеспечения экологической безопасности в сельскохозяйственном производстве.

Работа выполнена в соответствии с:

• программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006-2010 гг.: шифр 09.01.04 – Разработать высокопроизводительную технику нового поколения для производства конкурентоспособной продукции животноводства (включая пастбищное) и птицеводства, производства комбикормов в хозяйствах, уборки, переработки навоза и подготовки высококачественных органических удобрений (головной институт ГНУ ВНИИМЖ);
• государственным контрактом № 8313р/13102 от 01.07.2010 г. с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере на выполнение НИОКР по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.) на тему «Разработка биологического фильтра для очистки воздуха в животноводстве», срок выполнения до 1.07.2012 г.

Цель исследований. Снижение содержания вредных веществ, выделяющихся при ускоренном компостировании соломонавозной смеси.

Объект исследований. Технологический процесс биологической фильтрации газов, выделяемых в процессе ускоренного компостирования соломонавозной смеси в камерных установках.

Предмет исследований. Установление закономерностей взаимодействия газов с фильтрующим материалом.

Методы исследований. В теоретических исследованиях использовали элементы газодинамики, гидравлики, массопередачи, кинетики процесса сорбции и биотехнологии. В экспериментальных исследованиях нашли применение методики планирования экспериментов, ГОСТы на определение физических свойств, а также частные методики исследования процесса биологической фильтрации.

Обработка экспериментальных данных осуществлялась методами математической статистики. В исследованиях применяли серийные приборы для определения температуры, влажности, скорости движения и концентрации газов.

Научную новизну составляют:

• математическое описание процесса биологической очистки газов;
• теоретически обоснованные конструктивно-режимные параметры биофильтра;
• закономерности изменения физических свойств фильтрующего материала от его состава и влажности;
• зависимости изменения эффективности очистки газов от температуры, состава и влажности фильтрующего материала.

Практическая значимость работы заключается в разработке и обосновании оптимальных конструктивно-режимных параметров биологического фильтра для очистки газов, выделяющихся при ускоренном компостировании соломонавозной смеси, позволяющего обеспечить экологическую безопасность производства органических удобрений.

Реализация результатов исследований.

Результаты исследований процесса биологической фильтрации газов и конструкция биологического фильтра приняты к внедрению в ФГУП учхоз-племзавод «Комсомолец» Мичуринского района Тамбовской области, в научно-производственном предприятии ООО «Вектор», а также используются в учебном процессе кафедры «Механизация производства и безопасности технологических процессов» ФГБОУ ВПО МичГАУ и кафедры «Автомобильная и аграрная техника» ФГБОУ ВПО ТГТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на Всероссийской научно-практической конференции «Инновационно-техническое обеспечение ресурсосберегающих технологий в АПК» (г. Мичуринск, ФГБОУ ВПО МичГАУ, 2009 г.), научно-практической конференции ««Инженерное обеспечение инновационных технологий в АПК», (г. Мичуринск, ФГБОУ ВПО МичГАУ, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Интродукция нетрадиционных и редких растений» (г. Мичуринск, ФГБОУ ВПО МичГАУ, 2010 г.), Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в животноводстве – инновационные технологии и модернизация в отрасли» (г. Подольск, ГНУ ВНИИМЖ, 2011 г.), Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений Министерства сельского хозяйства РФ (г. Саратов, ФГБОУ ВПО СГАУ им. Н.И. Вавилова, 2011 г.), научно-технической конференции «Научные аспекты переработки органических отходов животноводства и растениеводства» (г. Ростов-на-Дону, 2012 г.).

Публикации результатов работы. Материалы диссертации отражены в 11 печатных работах, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Общий объем публикаций составляет 4,17 п.л., из которых 1,12 п.л. принадлежат лично соискателю. Техническая новизна работы подтверждена наличием 1 патента РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Работа содержит 170 машинописных страниц, 50 рисунков, 19 таблиц, 129 литературных источников и 5 приложений.

Содержание работы

Во введении представлена краткая характеристика состояния вопроса, обоснована актуальность темы, сформулированы цель исследований, научная значимость и практическая ценность проведенных исследований, изложены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Обоснование перспективной технологии очистки газов при переработке отходов животноводства» представлены результаты анализа биохимических процессов и состава газов при компостировании отходов животноводства, а также приведены современные технологии и технические средства очистки газов.

Обзор технологий очистки газов проведен на основании анализа работ Страуса В., Другова Ю.С., Никольского А.Е., Белова О.П., Швыдкого В.С., Беспалова В.И., Касаткина А.Г.

Вопросами процесса биологической фильтрации занимались Винаров А.Ю., Быков В.А., Смирнов В.Н., Соколов В.П., Яковлев С.В., Садыров О.А., Савельев Н.И., Воронов Ю.В., Миронов В.Н., Джанни А., Николаи Р., Курасава С.

Проведенный анализ показал, что наиболее перспективной технологией очистки газов, выделяемых в процессе ускоренного компостирования, является метод биологической очистки посредством биофильтра.

Эффективность работы биофильтра зависит от газодинамических параметров фильтрующего материала, состава и количества поступающих газов и разлагающей способности микроорганизмов.

По результатам проведенного анализа в соответствии с поставленной целью были сформулированы задачи исследований:

• экспериментально установить закономерности выделения газов от времени и интенсивности протекания микробиологических процессов при ускоренном компостировании соломонавозной смеси;
• провести теоретические исследования взаимодействия газов с фильтрующим материалом;
• исследовать физические свойства фильтрующих материалов;
• установить оптимальный состав и свойства фильтрующего материала для очистки газов, выделяющихся при ускоренном компостировании;
• определить оптимальные режимы работы и конструктивные параметры биофильтра для очистки газов;
• осуществить производственную проверку биофильтра и определить экономическую эффективность его использования.

Во второй главе «Теоретические исследования процесса биологической фильтрации газов» представлены теоретические исследования процесса взаимодействия газов с пористой структурой фильтрующего материала.

Фильтрующий материал может быть представлен моделью вязкопластического тела, состоящего из твердого скелета в виде пространственной волокнистой системы, полужидкого и газообразного вещества, заполняющего пространство между твердыми элементами.

Газообразные вещества, в процессе движения через свободные промежутки в фильтре, диффундируют из них к поверхности фильтрующего материала, покрытого жидкостной биопленкой, сорбируются на поверхности раздела фаз и разлагаются микроорганизмами биопленки.

Биологическая фильтрация газов включает процессы массопереноса, сорбции и биологического разложения и в общем виде может быть выражено уравнением

qвых=qвх – (qадс+qабс+qбио), (1)

где qвых – общее количество вещества, оставшееся после прохождения через материал биофильтра, моль; qвх – количество вещества поступающего в биофильтр, моль; qадс, qабс, qбио – количество вещества, поглощаемое в процессе адсорбции, абсорбции и микробиологического разложения соответственно, моль.

Скорость движения газов при массопереносе можно определить отношением его объемного расхода к площади поверхности

, (2)

где Qоб – объемный расход газов, м3/с; S – площадь поверхности фильтрующего материала, м2.

Объемный расход газов определяли в соответствии с законом Дарси, с учетом удельных потерь давления, по формуле

, (3)

где К – коэффициент проницаемости, характеризующий только пористый материал, м2; g – ускорение свободного падения, м/с2; Р – потери давления на участке hм, Па; v – кинематический коэффициент вязкости газов, м2/с; – плотность газов, кг/м3; hм – высота фильтрующего материала, м.

Объединяя и решая уравнения (2) и (3) получаем формулу для расчета скорости газа в биофильтре

. (4)

Потери давления включают в себя потери давления на входе в материал, Pвх, возникающие вследствие изменения газового потока при его проникновении в поры, потери давления внутри материала Pвн, возникающие из-за потери за счет трения молекул газа о поры и потери давления на выходе из материала Pвых, вследствие внезапного расширения струй потока на выходе из пор.

Потери давления в фильтрующем материале описываются выражениями

, (5)

, (6)

, (7)

где - коэффициенты гидравлического сопротивления соответственно на входе, внутри и на выходе из материала, зависящие от характеристик и структуры пористого тела и режима течения газа в порах; vx – средняя скорость газа на участке dx порового пространства, м/с; x – средняя плотность газа, кг/м3.

Гидравлические коэффициенты входных и выходных потерь давления определяются выражениями

, (8)

, (9)

где – динамическая вязкость газа, Па/с; dп.ср. – средний размер пор, м, который выражается, как математическое ожидание размера пор, по формуле

. (10)

Проницаемость пористой среды зависит от потерь давления газового потока, физических свойств пористого материала и скорости фильтрации.

Коэффициент проницаемости определяется из выражения (3)

. (11)

В расчетах учитывается, что использование закона Дарси возможно только при ламинарном потоке движения газа, характеристикой при этом может служить число Рейнольдса (Re), которое не должно превышать некоторого критического значения Reкр>Re.

Для определения критического значение числа Рейнольдса, может быть использована формула, предложенная В.Н. Щелкачевым

, (12)

где – критическая скорость потока, м/с; m – пористость.

Определяя экспериментально, пористость фильтрующего материала и значения потерь давления, а также рассчитав коэффициент проницаемости, критическая скорость движения газа в порах определяется согласно выражению

. (13)

После установления минимального времени фильтрации и критической скорости газового потока в порах, определяем минимальную высоту фильтрующего материала для обеспечения минимально заданного уровня эффективности, по формуле

. (14)

Следующим этапом работы биофильтра является процесс сорбции газа, который включает в себя процесс адсорбции пористым фильтрующим материалом и абсорбции жидкостной пленкой на поверхности твердых частиц.

Механизм процесса адсорбции газов, пористым фильтрующим материалом, представляется следующим образом. Газы, с начальной концентрацией с поглощаемого вещества, поступают в фильтрующий материал высотой ,

рисунок 1 а, по мере движения через материал, газы частично поглощаются и их концентрация снижается рисунок 1 б.

а)

б)