ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ПТИЦЕВОДСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОГАЗОВЫХ

На правах рукописи

СВАЛОВА МАРИАННА ВИКТОРОВНА

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ПТИЦЕВОДСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

Специальность 05.20.01 – технологии и средства механизации

сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2009

Работа выполнена на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» в ФГОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: доктор технических наук

Владимир Вениаминович Касаткин

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Борис Иванович Вагин

кандидат технических наук

Трутнев Михаил Алексеевич

Ведущая организация – Государственное научное учреждение «Северо – западный научно – исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук» (ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии)

Защита состоится 31 марта 2009 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д.220.060.06 в ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» по адресу: 196601, Санкт - Петербург- Пушкин, Петербургское шоссе, д. 2, СПбГАУ ауд. 2. 719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного аграрного университета, а с авторефератом на сайте http://www.spbgau.ru

Автореферат размещен на сайте и разослан «_27_» _февраля___ 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета В.А. Смелик

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В агропромышленном комплексе существуют предприятия повышенной экологической опасности, специфической характеристикой которых в настоящее время является то, что с наращиванием мощностей, увеличением объемов товарооборота, пропорционально возрастает их опасность для окружающей среды.

Представителем такого рода предприятий является птицеводческое хозяйство. Количество органических отходов, таких как куриный помет, скапливающихся на эффективно работающих птицефабриках, фактически превращает их в «экологическую бомбу» огромной разрушительной силы, отравляющую не только атмосферу самой птицефабрики, но и землю, и водные артерии, прилегающие к ней. По данным отечественных и зарубежных исследователей и практиков, используя прогрессивные технологии и правильно организовывая деятельность хозяйственного подразделения, руководители крупных птицефабрик могут превратить свои предприятия из «экологических бомб» в эффективные, экономически целесообразные и, главное, экологически чистые хозяйства. Основой такого перевоплощения является ценность утилизированных отходов, причем ценность многофакторная, так как утилизированный куриный помет используется для получения биогаза, а также является не только высокоэффективным многокомпонентным органическим удобрением, но и белковой кормовой добавкой и используется для выращивания шампиньонов

Актуальность отмеченной проблемы с её недостаточной теоретической и практической изученностью предопределила выбор темы диссертационного исследования.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА.

Цель исследований. Обоснование энергосберегающей технологии утилизации птичьего помета на основе разработки и применении биогазовых установок.

Объект исследования. Птичий помет для получения высокоэффективного многокомпонентного органического удобрения и биогаза.

Предмет исследований. Экспериментальные и аналитические зависимости, характеризующие влияние параметров процесса на утилизацию отходов отрасли птицеводства.

Теоретической и методической основой диссертационного исследования послужили труды ведущих ученых и специалистов отрасли по исследуемой проблеме. В процессе решения отдельных задач применялись аналитический, графический и расчетно-конструкторский методы, а также методики по оценке экономической эффективности работы.

Информационную базу исследования составляют материалы научных конференций, научно-техническая литература и публикации зарубежных и отечественных изданий.

Научная новизна исследования и технические преимущества по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными достижениями.

Проблема до сих пор решается либо на уровне подходов к созданию опытных образцов разрозненного оборудования, либо формированию завода по переработке помета на основе технологий, недостаточно экологически безопасных.

Исходя из этого научная новизна включает:

- использование методики структурной оптимизации по схеме сети Петри при разработке технологического процесса утилизации отходов птицеводства;

- обоснование научной предпосылки возможности объединения в единый цикл технологии сбраживания отходов птицеводства на установках непрерывного действия;

- обоснование полученных технологических закономерностей на основе микробиологической природы анаэробного распада, аккумуляции и использования энергии, освобождающейся в процессах утилизации отходов птицеводства;

- математическое моделирование процесса и получение научных зависимостей, расширяющих знания о разрабатываемом процессе;

- разработка модели утилизации отходов птицеводства с целью энерго- и ресурсосбережения на основе методики д.т.н Карпова В.Н.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. На основании проведенных теоретических и лабораторных исследований разработана, изготовлена и апробирована установка для утилизации отходов птицеводства на Глазовской птицефабрике, удовлетворяющая технологическим требованиям.

Защищаемые положения:

- структурная модель технологии процесса утилизации отходов птицеводства;

- научная предпосылка возможности объединения в единый цикл технологии сбраживания отходов птицеводства на установках непрерывного действия;

- математическая модель процесса выработки биогаза, полученная на основе использования методики планирования четырехфакторного эксперимента;

- результаты экспериментальных исследований;

- теоретическое обоснование технологических закономерностей получения биогаза с использованием установок непрерывного действия;

- технико-экономическое обоснование целесообразности использования энергосберегающей технологии утилизации отходов птицеводства.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-практических конференциях: «Инновационное развитие АПК. Итоги и перспективы», Ижевск, 2007; «Научный потенциал аграрному производству посвящается 450 летию вхождения Удмуртии в состав России», Ижевск, 2008г.

Публикации. Основные положения работы и результаты исследований опубликованы в 10 печатных изданиях, причем две статьи в изданиях рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 125 страницах машинописного текста, включая список использованных источников из 131 наименования, содержит 7 таблиц, 54 рисунка и 14 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит краткое изложение вопросов исследуемой проблемы, сущность выполняемой работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Состояние вопроса и задачи исследования" на основе анализа научных и литературных источников исследуется проблема утилизации отходов птицеводства. В нашей стране недостаточно отработанных промышленных технологий, позволяющих масштабно решать проблему утилизации отходов птицеводства.

В этой связи поставлены задачи научных исследований:

-разработать модель структурной оптимизации процесса утилизации отходов птицеводства с использованием графа сети Петри;

-обосновать научную предпосылку возможности объединения в единый цикл технологии сбраживания отходов птицеводства на установках непрерывного действия;

-исследовать технологический процесс выработки биогаза в естественных и изотермических условиях и обосновать технологические закономерности на основе микробиологической природы анаэробного распада отходов птицеводства;

-разработать математическую модель процесса выработки биогаза на основе использования методики планирования четырехфакторного эксперимента;

-разработать модель утилизации отходов птицеводства, определяющую условия энергосбережения;

Во второй главе "Обоснование научной предпосылки возможности объединения в единый цикл технологии сбраживания отходов птицеводства на установках непрерывного действия" с учетом микробиологических закономерностей процесса анаэробного сбраживания отходов птицеводства, выдвинута научная предпосылка возможности объединения в единый цикл трех стадий процесса.

В соответствии с научной предпосылкой при анаэробном сбраживании помета имеет место ступенчатость освобождения химической энергии окисляемого субстрата, так как процесс окисления связан с прохождением различных промежуточных стадий. Три стадии анаэробного превращения – мезафильную до 35С, промежуточную 35…45С и термофильную 45…55С предлагается объединить в единую технологию на базе установки непрерывного действия.

К обоснованию научной предпосылки возможности объединения в единый цикл трех стадий технологии сбраживания отходов птицеводства представлены теоретические исследования процесса анаэробного сбраживания птичьего помета.

Фундаментальный вклад в изучение процесса анаэробного разложения помета составили классические исследования В.Л. Омелянского, проведенные им в начале прошлого столетия. Омелянскому В.Л. удалось установить, что в анаэробном раз­ложении клетчатки принимают участие два вида бактерий. Одна из них образует среди продуктов сбраживания клетчатки значительные количества водорода, а дру­гая— значительные количества метана. Первая форма была названа Омелянским Вас. cellulosae hydrogenicus. Другая форма получила название Вас. cellulosae methanicus.

Наряду с указанными бактериями, вызывающими брожение целлюлозы при температуре 30…35°С, встре­чаются в природе и целлюлозоразлагающие бак­терии, развивающиеся при более высоких тем­пературах. Так, из экс­крементов животных уда­лось выделить Вас. Cellulosae dissolvens, лучше всего разлагающую клетчатку при температуре 45…55С.

Имшенецким А.А было показано, что ряд органических соединений фосфора способен аккуму­лировать энергию, освобождающуюся в окислительных процессах; однако подавляющее большинство их чрез­вычайно неустойчиво в водном растворе. Только аденозинтрифосфорная кислота обладает определенной устой­чивостью, и именно она выполняет основную функцию временного аккумулятора энергии. Каждая макроэргическая фосфатная связь равноцен­на примерно 40…48 кДж энергии.

Поскольку субстрат заражен инфекционным материалом (болотной жидкостью), споры метанового брожения прорастают с высокой скоростью. Мы полагаем, что в нашем случае на первой стадии утилизации птичьего помета сбраживание обусловлено действием мезафильных бактерий. После 35С активность мезафильных бактерий угасает. Дальнейшее участие энергии, аккумулированной в фосфатных связях, может происходить различными путями. В этот момент биомасса, зараженная болотной жидкостью, является средой для бактерий переходной стадии. В симбиозе с другими бактериями, когда развитие мезафильных бактерий еще не угасло и микрофлора среды благоприятна для их развития, прорастают термофильные бактерии.

В соответствии с предложенной научной предпосылкой объединения трех стадий цикла разработана модель структурной оптимизации в форме графа сети Петри. Для структурной оптимизации процесса анаэробного сбраживания применена логическая система правил, которая моделирует процес­сы рассуждения о связях образования из исходных материалов продукции и анализирует структуру процесса. При этом приемлемой теорией является логическая система правил и исчисления высказываний.

1- отходы птицеводства; 6-вторая секция реактора;

2- активатор процесса; 7-третья секция реактора;

3- источник подвода тепла; 8-биогаз;

4- первая секция реактора; 9-удобрение;

5- перемешивающая система; 10-белковая кормовая добавка;

11-шампиньоны.

Рисунок 1 Модель структурной оптимизации процесса в форме графа сети Петри

В модели отражены три этапа процесса сбраживания отходов птицеводства. Показан цикл процесса получения высокоэффективного многокомпонентного органического удобрения, биогаза и использования выработанного субстрата для получения белковой кормовой добавки и выращивания шампиньонов.

Выработку газа в реакторе можно описать математической моделью

(1)

где - общий эффект всего эксперимента;

- эффекты факторов;

-факторы.

Для вычисления коэффициентов модели (1) обычно исполь­зуют метод наименьших квадратов. При использовании метода наименьших квадратов минимизи­руется следующая функция:

(2)

где yu и - соответственно экспериментальные и рассчитанные по уравнению (1) значения у в и-м опыте; N — общее число опытов.

Минимум функции находят приравниванием нулю част­ных производных:

После дифференцирования и простейших преобразований по­лучим так называемую систему нормальных уравнений метода наименьших квадратов:

(3)

Решение системы дает оценки неизвестных коэффициентов модели. Каждый коэффициент может определяться независимо от другого из своего уравнения.

(4)

или в общем виде

i=0,2,3,…,k, (5)

Решение системы дает оценки неизвестных коэффициентов модели (1).

В третьей главе « Программа и методика проведения экспериментальных исследований энергосберегающего процесса утилизации отходов птицеводства» изложена программа экспериментальных исследований, методика проведения опытов и модель процесса утилизации отходов птицеводства с целью энергосбережения.

Для экспериментального обоснования научной предпосылки проведены исследования трех стадий анаэробного сбраживания птичьего помета. Программа экспериментальных исследований включает несколько этапов, предварительно однофакторных, а в последующем многофакторных экспериментов.

На первом этапе исследования проводились в естественных условиях на лабораторной установке. Одновременно с загрузкой биомассы в реактор, она заражалась болотной жидкостью. Полученный в результате сбраживания биогаз, проходя через водный затвор, подавался в ресивер. Измерение давления биогаза производилось жидкостным манометром.

1 – термошкаф; 2 – термометр; 3 – датчик; 4– реактор; 5 – биомасса; 7,8 – краны; 9,17– шланги; 10 – водный затвор; 11 – трубка; 6,12,13,14 – уплотнения, 15 – вода; 16 – манометр

Рисунок 2 Компоновочная схема лабораторной установки получения биогаза

Второй и третий этапы включают исследования в изотермических условиях. На втором этапе исследований реактор устанавливали в термошкаф. На третьем этапе исследования проводились на экспериментальной установке (рисунок 3).

1 – реактор; 2 – шнек; 3 –бункер; 4– накопитель; 5 – крыльчатка; 6,7 – электродвигатель;

8 – ременная передача; 9 – датчик давления; 10 – датчик температуры; 11 – задвижка; 12 – счетчик газовый; 13 – сливное отверстие; 14 – система обогрева.

Рисунок 3 Экспериментальная установка получения биогаза

В реактор подавалась шнеком сбраживаемая масса из бункера навозохранилища, связанного с накопителем. Для контроля параметров процесса внутри корпуса реактора устанавливались датчики температуры, давления и расходомера. Периодически биомасса перемешивалась крыльчаткой. Полученный биогаз накапливался в ресивере. Удаление отработанной биомассы производилось через сливное отверстие на днище реактора.

Для исследования процесса получения биогаза использована методика планирования многофакторного эксперимента. Реализован план Draper-lin small composite design и получена математическая модель процесса выработки биогаза. Математическая модель, связывающая критерий оптимизации с выбранными факторами, записывается в следующем виде:

= f(T, , , K) (6)

Для оптимизации процесса входными параметрами выбраны факторы: х1 – температура Т, С; х2 – время , часы; х3 – частота перемешивания , раз в день, X4 – начальная концентрация активатора в шихте K, %. В качестве критерия оптимизации выбрана выработка биогаза, г (). При использовании полного факторного эксперимента область определения факторов задана уровнями. Интервалы и уровни варьирования факторов представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Уровни и интервалы варьирования факторов

Факторы	Уровни			Интервал варьирования
	нижний (-1)	Основной (0)	верхний (+1)
х1, С	35	45	55	5
х2, часы	8	64	128	1
х3, раз в день	0	7	14	1
X4, %	0,1	0,14	0,18	0,02