автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Обоснование параметров и режимов интенсификации процесса анаэробного сбраживания помета

СТАВРОПОЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

РГБ ОД

МАРЧЕНКО ВИКТОР ИВАНОВИЧ

2 7 № 199?

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ ПОМЕТА

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного х производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук-

Ставрополь -1996

Работа выполнена в Ставропольской государственной сельскохозяйственной академии

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор В.И. ГРЕБЕННИК

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор В.П. КОВАЛЕНКО

кандидат технических наук, доцент В.А. ХАЛЮТКИН

Ведущее предприятие - НПО "Нива Ставрополья"

Защита диссертации состоится "7 " февраля 1997 г. в 10 часов на заседании диссертационного Совета К 120.53.04 при Ставропольской государственной сельскохозяйственной академии по адресу: 357017, г. Ставрополь, ул. Мира, 347, СГСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ставропольской государственной сельскохозяйственной академии.

Автореферат разослан 1 ¿0- декабря 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, кандидат технических наук, доцент

.В. Кузьменко

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Высокая концентрация птицы при клеточном се содержании явилась основной причиной накопления на птицеводческих предприятиях больших неиспользуемых объемов помета влажностью 85...95%. Это приводит к загрязнению грунтовых вод и воздушного бассейна, создает условия для биологической зараженности патогенными микроорганизмами окружающей среды, не решаются задачи использования энергетического и питательного потенциала, заключенного в псгллс.

Эффективным и энергорентабельным способом переработки помета в биогаз, высококачественные органические у-абренкя и белковый концентрат является анаэробное (метановое) сбраживание.

Опыт эксплуатации биогазовых установок показал, что в научном и техническом плане имеется еще значительное количество нерешенных проблем, из которых наиболее важной является проблема интенсификации процесса анаэробного сбраживания, позволяющая повысить производительность оборудования без увеличения рабочего объема биореакторов

Анализ работ по анаэробному сбраживанию помета позволил установить, что скорость процесса зависит от метаболической активности метановых бактерий, а решающим фактором, при этом, является создание однородного температурного поля по всему объему биореактора. В условиях промышленного производства это требование не выдерживается, ввиду чего удельный выход биогаза колеблется от 0,3 до 2,0 м* на 1 м3 биореактора, что составляет 48% и более от расчетного.

В связи с этим, создание однородного температурного поля в объеме биореакторов при анаэробном сбраживании помета является актуальным.

Цель исследования. Целью работы является обоснование параметров и режимов процесса интенсификации теплообмена при анаэробном сбраживании помета, обеспечивающего максимальный выход биогаза с единицы исходного сырья при сокращении-времени его переработки.

Объекты исследования. Объектами исследований явились: технологический процесс анаэробного сбраживания, тепловой пограничный слой элементарного объема сбраживания, процесс перемешивания сбраживаемого помета.

Методика исследований. Физико-механические и теплофизиче-ские свойства помета определяли по общеизвестным методикам с использованием приборов тензометрирования и калориметрирования. Теоретические и экспериментальные исследования процессов распространения теплоты в объеме сбраживания и перемешивания сбражи-

ваемого помета базируются на методах масштабных преобразований и размерностей теории подобия. Результаты исследований обрабатывались на. ЭВМ методами математической статистики и использовались для получения расчетных уравнений.

Научная новизна. Да основании исследований с помощью теории подобия были получены математические модели процессов распространения теплоты в объеме сбраживаемого помета в условиях свободного и вынужденного движения. В объеме сбраживаемого помета выявлено наличие неоднородного температурного поля, получены рабочие уравнения для определения коэффициентов теплоотдачи в объеме сбраживаемого помета в условиях свободного и вынужденного движений. Изучены вязкость, плотность, теплоемкость и теплопроводность сбраживаемого помета. Предложен критерий оптимизации процесса' перемешивания сбраживаемого помета - кратность циркуляции для выравнивания температурного поля в объеме сбраживания. Экспериментально установлены зависимости степени температурной однородности от концетрации сухого вещества помета и кратности циркуляции: Определены рациональные параметры процесса перемешивания при анаэробном сбраживании помета. , .

Практическая ценность работы. Разработаны рекомендации по обоснованию процесса перемешивания анаэробного сбраживания помета. Установлены режимы'перемешивания в зависимости от свойств сбраживаемого помета. Предложена номограмма для нахождения критерия оптимизации процесса перемешивания сбраживаемого помета -кратности циркуляции, характеризующего температурную однородность в сбраживаемом объеме.

Внедрение результатов исследований. Результаты исследований по оптимизации режимов перемешивания при анаэробном сбраживании пбмета обсуждены на заседании НТС агропромышленного комитета Ставропольского края (1988), использованы отделом перспективного проектирования института "Ставропольагропромпроект" при разработке рабочих проектов вновь строящихся и реконструирующихся птицеводческих предприятий (19'88), Балабановским отделением ВНПО "Союзнаучстандартдом" при разработке проекта "Биогаз" (г. Балабаково Калужской обл., 1989) и внедрены в цехе переработки помета на птицефзбрихе "Шпаковская" Ставропольского края (19871990).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались ка научных конференциях Ставропольского СХИ в 1984.;. 1994 гг.. Ленинградского СХИ в 1988 г., НПО "Нива Стазропо-. лья" 1987-1988 гг., на краевой научно-практической конференции молодых ученых в г. Ставрополе в 1985 г., на II и III всесоюзных совеща-.

ниях по технической биоэнергетике (г. Саратотз-1985 г. и г. Юрмала-!987г.), на республиканской научно-технической конференции "Анаэробная биологическая очистка сточных вод" в г. Кишиневе з 1988 г. на научно-техническихконференциях ВНИПТИМЭСХа (г. Зер-иоград) в 1990-1991гг.

следований изложены г наутг^х'отче! I" ;;афедры "Механизация технологий s животноводстве" Ставропольского СХИ по выполнению НИР за 1985-1939 гг. и 10 научных статьях.

Структура я объем диссертации. Диссер: анионная работа состоит iü введения, 5 разделов, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 120 наименований, из них 26 на иностранных языках, и приложений. Изложена диссертация на 182 страницах, в т. ч. 89 страниц машинописного текста, содержит 3 таб-. лицы. 54 рисунка и 27 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальноегь темы, дана краткая характеристика работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

Л персом паздгле "Состояние вопроса и задачи исследования" провезен анализ еущесгвующих способов переработки птичьего помета si наиболее перспективного из них - анаэробного сбраживания. проведен обзор биогазовых установок, осуществляющих процесс анаэробного сбраживания, и их технологических элементе», влияющих на параметры процесса образования биогаза.

Анализ работ Г.Д. Анаииашвили, В. Баадера, Х.А. Баркера, В.М. Бекера. С.Д. Вэрфоломесза, Г.А. Заварзина, C.B. Калюжного, П.Г? Ковалева, Н.Г. Ковалева, В.П. Лосякога, Л.Г. Логиновой, Е.Н.Мишустина, Г.Е.Мозсессза. Л.К Но?:евпиксвой. Е.С. Паицхааы, В.Н. Пашш-еикс. В.М Шрамтсона, М. Хаммера, П.Н. Хобсона и др. по нсс;.ец|>вато»ю процесса анаэробного сбраживания сельскохозяйственных отходов выявил законсмерности процесса анаэробного сбраживания и направления его интенсификации. Поскольку п оеноье про цесса лежат управляемые биохимические реакции, протекающие » кинетической области, поэтому метаболическая активность ба:.тгрий ме-тчкогенной ассоциации находшея в функциональной зависимости or температуры. Вопросам влияния температуры на процесс анаэробного сбраживания и выявления наиболее эффективных температурных пределов сбраживания посвящены работы С. Аубарта, М. Брайнта, С. Бушфилда, У.Э. Виестура, В.Ф. Гарбера, П.И. Гриднева, B.C. Дубров-скиса, И.Б. Креписа, Е.С. Панцхавы, Д.Р. Чена, А.Г. Хашимото и др.

Исследования показывают, что колебания температуры, особенно резкие перепады ее, оказывают отрицательное воздействие на скорость процесса. Значительное снижение интенсивности скорости процесса метаногенеза наблюдается при брожении в термофильном режиме, так как метановые бактерии в этом температурном интервале весьма чувствительны и реагируют на это снижением метаболической активности и способности к воспроизведению.

В результате анализа состояния вопроса и в соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи исследования:

1. Исследовать вязкость, плотность, теплоемкость и теплопроводность сбраживаемого помета, установить влияние их на интенсивность процесса теплообмена в сбраживаемой среде.

2. Обосновать способ интенсификации процесса теплообмена ь объеме сбраживаемого помета.

3. Исследовать и обосновать процесс распространения теплоты в объеме сбраживаемого помета з условиях свободною и конвективного движения субстрата с целью выравнивания температурного пол£.

4. Разработать практические рекомендации по обоснованию оптимальных параметров перемешивания для интенсификации процесса анаэробного сбраживания помета. /

Во втором разделе "Экспериментально-теоретические исследования процесса теплообмена при переработке помета в анаэробных условиях" рассмотрены -закономерности распространения теплоты в сбраживаемом помете в условиях свободного и вынужденного движений.

В основу аналитического описания процесса распространения теплоты в объеме сбраживаемого помета в условиях свободного движения положены тепловые и гидродинамические явления, которые описываются системой дифференциальных уравнений

а) теплообмена

Л (д1

где Ос - коэффициент теплоотдачи, Вт/ (м2 • К ); А ( - температурный напор, К; Я - коэффициент теплопроводности, Вт/ (м-К); ег / <7/1 - температурный градиент, К/м. б) теплопроводности

Ж 2

(2)

(¡1

где - субстанциональная производная температуры по времени;

с! Г д1 ш с?1 дг ш а Г _______ .....

--------(э)

где а - коэффициент температуропроводности, м2 /с;

а=Х!с-р, (4)

V"- оператор Лапласа,

где С - коэффициент теплоемкости, Дж/(кг-К); р - плотность, кг/м3; I - температура, К. в) движения

{«, ШУ п, д™г \

и дт ■ х * дх у ду 1 дг '

= -р^-Р-м + А —+

(6)

8хг ду2 ' дг

где § • ускорение свободного падения, м/с2; Р - температурный коэффициент, К1; М-температурный напор, К/м. г) сплошности среды ,

и условиями однозначности, которые отражают частные особенности рассматриваемого явления. Так, температура и скорость движения сбраживаемой среды вдали от поверхности теплоносителя постоянны

и равны соответственно и . Размер биореактора /9. Температура поверхности теплоносителя равна >'о,, так как .идет нагрев сбраживаемой среды.

Введем такж? обозначение.

У = 1~1о> . (8)

где I - температура сбраживаемой среды у поверхности теплоносителя, К.

Граничные условия, определяющие процесс теплообмена в биореакторе запишутся в виде:

1. вдали от поверхности нагрева (у = °о) V = V0*0;Wx=W0;Wy~0

2. на поверхности нагрева (у = 0,0 < х < /0,-«> < z < +оо) (9) К = = fc - f0 = const; Wx - Wy =W,=0

Преобразования системы уравнений ( 1,2,6,7,9 ) с помощью теории подобия, последующий' выбор характерных критериев, описывающих процесс распространения теплоты в объеме сбраживаемого помета, дает возможность получить степенную функциональную зависимость вида

Nu = K-Gr" ■Ртт, (10)

где Nu - критерий Нуссельта;

Gr - критерий Грасгофа;

Рг - критерий Прандтля;

• К - безразмерный множитель пропорциональности;

цт- показатели степени, постоянные числа.

Подставив в функциональную зависимость (10) значение критериев получим

g f/3-g-l1 -У-Р2)" (м-сУ

"У~=к'1—7-J лТ) ■ <51>

В результате исследования вязкости, плотности, теплоемкости и теплопроводности сбраживаемого помета, установлено, что однородность температуры непосредственно связана с явлениями, происходящими в тепловом пограничном слое, параметры которого зависят от свойств перерабатываемого материала. При этом, температурная неоднородность в объеме сбраживаемого помета достигает 10К. Коэффициент теплоотдачи, полученный по уравнению (11), составил 32,57

Вт/(м2 - К), а выход биогаза - 0,38м3 из 1 кг сухого органического вещества (СОВ) помета. Данное значение выхода биогаза почти в 2 раза меньше величины, полученной в условиях однородного температурного поля (0,71 м3 /кг СОВ). Это подтверждает вывод о значимости влияния температурного фактора на интенсивность скорости процесса метаногенеза.

■Вопросы равномерного распределения теплоты в движущейся среде широко и детально были изучены в работах В.М. Барабаша, JI.H. Брагинского, В.И. Бегзчева, А.С. Капустина, В.В. Кафарова, Г.С. Козлова, Ф. Стренка, 3.3. Штербачека, Е.С. Юдахина и др, посвященных процессам химических и биохимических превращений в химическом и микробиологическом производствах. Приемом, понижающим термическое сопротивление вязкого слоя, является перемешивание, позволяющее принудительно приводить жидкую среду в движение.

Эффективность работы перемешивающих устройств определяется скоростью установления термодинамического равновесия и качеством

однородности температурного поля. Для определения данных показателей были выявлены параметры, интенсифицирующие конвективный теплообмен в сбраживаемой среде: внутренний ди?:'летр биореактора D, внешний диаметр перемешивающего устройства d, число оборотов мешалки П, вязкость М , плотность р, теплоемкость С, теплопроводность Л, отношение вязкостей среды на поверхности теплоотдачи /Jcn в центре биореактора А', т.е. р! цс, учитывающее влияние направления теплового потока на коэффициент теплоотдачи. Нз основании второй теоремы теории подобия можно записать

а = f(n/p,c,. k,p,d,D,ii ! Mr)- (12)

После преобразований, зависимость (12) примет вид

Nu = K4-ReuA-PrB-VisE, (13)

где Rea - центробежный критерий Рейнольдса;

Vis - симплекс вязкостей пристеночного слоя сбраживаемого по мета и ядра, Vis=/i/ ¡-'-с\ АДЕ - показатели степени, постоянные числа. На основе экспериментальных данных, обобщенных в форме критериальной зависимости (13), было получено уравнение

f л V'67 г \0-» ( л°'ы ^гЛ1-51 п а ■ р) I и-с\ ц 1 | D \

-IxJ 'Ы • 04)

Анализ уравнения (14) показывает, что основное влияние на процесс теплообмена оказывают теплопроводность Л , плотность р и конструктивно- криологические параметры перемешивающего устройства - диаметр d и число оборотов п . Два последних параметра характеризуют интенсивность вынужденного движения сбраживаемого помета, изменяя при этом значение теплопроводности и плотности.

В условиях выравнивания температурных полей в качестве критерия эффективности перемешивания обычно применяют степень температурной однородности Т/Т oin . Как известно, степень температур. ной однородности характеризует интенсивность теплообмена в сбраживаемой среде, поэтому можно записать, что

а =7(Т/Т0„). (15)

Так как, в конечном счете степень температурной однородности Т/Т опт, а значит и коэффициент теплоотдачи а, зависит от кратности циркуляции К ц, поэтому зависимость (15) перепишется в следующем виде

т/т0,„=/(кц). Об)

. . Зависимости (15) и (16) отражают влияние закономерностей теплообмена на интенсивность процесса метаногенеза. Отыскание их вида

позволяет выявить критерий оптимизации перемешивания - кратность циркуляции, характеризующий все известные виды перемешивающих устройств, применяемых в процессе анаэробной переработки органических отходов для получения биогаза.

В третьем разделе "Программа и методики экспериментальных исследований" описана программа экспериментальных исследований и методика их проведения.

Для проверки теоретических предпосылок, определения численных значений экспериментальных коэффициентов и получения критерия оптимизации процесса перемешивания при анаэробном сбраживании помета предусматривалось проведение лабораторных и производственных опытов.

В задачу лабораторных исследований входило определение физико-механических свойств сбраживаемого помета, выявление наличия температурног о поля в объеме сбраживания, установление зависимости между величиной теплового пограничного поля и физико-механическими свойствами сбраживаемого помета, уточнение опта-. : мальной температуры термофильного режима сбраживания и значения распада органического вещества пбмета, выявление функциональной зависимости между стейенью температурной однородности в объеме сбраживания и кратностью циркуляции, определение удельного выхода биогаза в условиях свободного и вынужденного движений сбраживаемого помета. ■ • .

При проведении производственных опытов определяли технологические и количественные показателя процесса анаэробного сбраживания помета.

Концентрации сухого вещества и сухого органического вещества, зольность , теплоемкость , теплопроводность, вязкость и плотность сбраживаемого помета определяли по общеизвестным методикам с использованием лабораторного оборудования.

Температурную неоднородность в объеме сбраживания АТ измеряли при помощи изготовленных термических датчиков, подключенных к1 измерительному тензометрическому мосту ЦТМ - 5 (рис.1). Раз. баланс мостовой схемы осуществлялся изменением термического сопротивления медной проволоки от неоднородности температуры сбраживаемого помета. Наружная поверхность термических датчиков покрывалась слоем эпоксидного клея, предотвращающего попадание влаги в датчик. Регистрацию данных производили на перфораторе и печатающем устройстве.

Объем выделяющегося биогаза измеряли при помощи тарированного газгольдера мокрого типа объемом 1м3.

Для исследования интенсивности процесса теплообмена при метановом сбраживании помета в условиях вынужденного движения была смонтирована лабораторная установка на основе вертикального биореактора с якорной мешалкой, представляющего собой классиче-

ский пример лабораторного оборудования, использующегося в химической и микробиологической промышленностях .для исследования процессов интенсификации теплообмена в жидких средах. Во время опытов производились замеры температурных полей в объеме сбраживаемого помета, времени перемешивания и выхода биогаза.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для измерения температурных полей в объеме сбраживаемого помета: . 1- биореактор; 2- водяная рубашка; 3- термические датчики; 4- манометр; 5- обратный клапан; 6- водяной газгольдер; 7-электрический котел; 8 - щит управления; 9- регулятор температуры ПТР-3; 10- блок-схема; 11 - блок коммутации; 12-блок измерения ЦТМ-5; 13- печатающее устройство; 14- перфоратор.

Изучение процессов теплообмена в сбраживаемой среде в условиях свободного и вынужденного движений проводили на основе методов масштабных преобразований и размерностей теории подобия.

Определение свойств сбраживаемого помета, оптимальных режимов и параметров процессов перемешивания и анаэробного сбраживания производили с использованием математической теории планирования эксперимента.

Доверительная вероятность при оценке моделей.-принята 95%. Значимость отдельных коэффициентов регрессий производилась независимо, с помощью г-значения (критерия Стьюдента). Для проверки

гипотезы об адекватности моделей использовался критерий Фишера. В качестве меры эффективности моделей использовался коэффициент множественной детерминации.

В четвертом разделе "Результаты экспериментальных исследований и их анализ" представлены результаты выполненных исследований, дан их анализ и приведены рекомендуемые значения параметров и режимов перемешивания и сбраживания помета.

При исследовании физико-механических (/?,//. А, с) свойств • сбраживаемого помета установлено влияние факторов: концентрации сухого вещества С и температуры Т на явление теплообмена. Так, с увеличением сухого вещества сбраживаемый помет начинает обладать структурой и оказывает сопротивление деформации, проявляя свойства пластического материала. Перенос теплоты конвекцией в нем затухает и теплообмен осуществляется в основном теплопроводностью.

Рис. 2. Графическое изображение температурного поля в объеме сбраживаемого помета биореактора с радиусом г и высо- . той Ь.

Экспериментальные исследования процесса теплообмена в объеме сбраживаемого помега в условиях свободного движения показали, что основное изменение температуры наблюдается в слое сбраживаемого помета от значения, равного температуре теплоносителя' Тт

"(Ао®о). до значения, равного температуре ядра сбраживаемого помета (Л2в2) (рис.2). На границе двух сред: теплоносителя и сбраживаемого помета, разделенных стенкой биореактора формируется тепловой пограничный слой ( S ). Внутри объема сбраживания температурное поле по горизонтали выравнивается и становится однородным (линии А,В2 -А4В4). Кроме неравномерности температурного поля в горизонтальной плоскости, п объеме сбраживания устанавливается неравномерность температуры по вертикали, обуславливаемая термической стратификацией. Общее действие этих двух явлений образует температурную неоднородность в объеме сбражизания, достигаемую 10 К, которая определяется интенсивностью теплообмена в сбраживаемом помете.

Обобщение значений физико-механических свойств сбраживаемого помета, полученных экспериментальным путем, на группу подобных явлений проводилось согласно второй теоремы теории подобия в форме критериальной зависимости (10). В результате получено рабочее уравнение для расчета коэффициента теплоотдачи при анаэробном сбраживании помета в геометрически подобных биореакторах в условиях свободного движения

0,24 0,48 т0,76 о0,24 г/0,24 0,24

г, чей с • р ■ • я ■ • -У -g ■ а = 0,398-- 0.3.4 -• (17)

Значения чисел (Gr-Pr), равные !,62-Ю9...7,66-Ю10, полученные по уравнению (10), указывают на то, что движение помета протекает в двух режимах:

- при концентрации СВ в сбраживаемом помете от 2% до 5% теплообмен происходит при свободном переходном режиме движения, который отличается неустойчивостью. При нем теплообмен возрастает от значений, соответствующих ламинарному течению, до значений, соответствующих турбулентному движению сбраживаемой среды. Это становится возможным в силу низкого значения вязкости в данном интервале концентраций СВ помета, которая по своим характеристикам близка к воде. Передача теплоты в такой среде, в пределах теплового пограничного слоя, происходит конвекцией. Толщина теплового пограничного слоя, при этом, незначительна (0,01м ). Коэффициент теплоотдачи (рис. 3), определяющий интенсивность теплообмена при ceo бодном переходном режимб движения, имеет наибольшее значение, так как по своей величине приближается к коэффициенту теплообмена воды;

- в интервале концентраций СВ 8...20% теплообмен в сбраживаемом помете осуществляется в условиях свободного ламинарного режима движения. При этом силы внутреннего взаимодействия частиц помета уравновешивают подъемную силу свободного движения вблизи поверхности теплоносителя и передача теплоты естественной конвекцией в сбраживаемом помете в пределах теплового пограничного слоя

затрудняется. Теплота в объеме сбраживания распространяется преимущественно теплопроводностью. Значение коэффициента теплоотдачи в этом интервале концентрации СВ резко снижается ( в 2...3 раза ), а величина теплового пограничного слоя достигает своего максимального значения - 0,383 м. Выход биогаза в данных условиях составил 0,38 м3 /кгСОВ при концентрации СВ в помете 14...15%.

Рис. 3. Зависимость коэффициента теплоотдачи а сбраживаемого помета от температуры Т и концентрации СВ С.

Поскольку максимальный выход биогаза из 1 кг СОВ помета при однородном температурном поле больше, чем при свободном движении, поэтому имеются значительные резервы для увеличения количества биогаза.

Интенсивность метаногенеза напрямую зависит от интенсивности процесса теплообмена в сбраживаемой среде. Последняя возможна при замене свободного движения на вынужденное, причем в пределах теплового пограничного слоя, который и определяет закономерности теплообмена. Изучение явления теплообмена в объеме сбраживаемого помета при вынужденном движении проводилось на основе метода анализа размерностей теории подобия. Экспериментальные данные обрабатывались согласно уравнения 13. В результате получено рабочее

уравнение, описывающее данное явление н геометрически подобных б"^реякторах~~

N и - Ü,36-Reu0'67 Fru'JJ- Vis0,u • rD1,sl. П8)

' Анализ критериального уравнения (18) показывает, что с увеличением числа Re„ коэффициент теплоотдачи возрастает. При этом, величина теплового пограничного слоя в объеме сбраживаемого почета уменьшается, а следовательно, интенсивность процесса меганогенезг-. >ветичи?астся. Полученный, согласно уравнения (18), коэффициент те-!.лоотдачи сбраживаемого помета, равен 83,0 Вт/(м2-К), грп ¡¡е-репад температуры объеме сбраживчния соглаили 1 i рипуса. Ваход hiuiv^d ш i кг СОВ помета в данных условиях достигает 0,64 mj .

Получение однородного температурного поля в объеме сбраживания неразрывно связано с эффективностью работы перемешивающих устройств. В условиях организации температурных воздействий в качестве критерия эффективности перемешивания применяют степень температурной однородности Т / Тоот. Период достижения технологически допустимой степени температурной однородности характеризуется временем перемешивания. Непосредственно время перемешивания определяется кратностью циркуляции к стсттсиью т>"ч:>--лсптности перс-ме:::-;:-'.iMui: среды.

,■• и и' ■/.'обоиносег, бполо; !гаского раилилл CijKicpm'i мекшо-; . ■■ ч ■ . лалшш гк-пень i рбулелт.чосi и ¡:>kvi кос: .-.чипое зпачелт: ■ . V • ccpcMWiniH.iHHJ! гштчнч w оклч-юс», шкнм ипраюч. ере: .д-р ч. a;i!n :ü::;' ¡1 "чсдлиП'.илч:. ц симснь кчллда i урной оллю-'г 1 ! , ,'Г-р i А-м лсм v"-i"i"> по-кла :;tr>iicii • <"Н крл 1 ноегн цирку-

к' I <

' :. • ;:.■■■ - о ал л пи ьрпдегеа pacapoci pa леи;; л ,. мпер.! ¡уры в ооь-■ •■»•.:«,-¡.ч ••nMOiu vi^.üb.H.ioiio, ч1о степень «емиературней «олеймется в пределах'от 0,780 до 0,970, в зависимости от величины концентрации CR т»

. I,'. ;чал;> vöpa.aaaa, чг-:» ылллд л ллл!ч<:кя ишчи-■ ;•.:< 'I r.iK "рл вj-i. ..ihc концентрации СВ в по_____ t,<tnmm ¿"Л степень температурной однородности удовлетворяет

требуемому технологическому эффекту и равна 0,97. поэтому перемешивать его нет необходимости. При увеличении вели««»*' »""пхтпрч-loin СБ в noMW то ч . : ч н'ика-О; лпы

, ; . .¡.,м . л« а::»;, гр -a i, : < , к,па- рданр' ' илднлшю юл-,■ i . 1 ■ .л - ч -Ч'Л.ло: о (..тепг-т- Tf»«Trr>n!vp4oii о нка 1 \чп>лл а л/аалает-ч! дм '.лачепня

••• .. ' 1 ' -.<•, . С! 1.рС0Дп;|С1П1М UU 1чГ- ip.MIHvTO ,>-«||ОЧ>ДС11С11И1Ч ИС-

, .1. 4 ,.: -ачцьналис. Причем, величина кратности- циркуляции

резко увелииивается от 0,7 до 5.0. При увеличении значения концен-

трации СВ в помете до 24% последний теряет способность расслаиваться на жидкую и твердую фракции и степень температурной однородности резко снижается до 0,798. Для достижения величины Т/Топг технологически требуемого значения 0,96 кратность циркуляции Кц увеличивается и составляет 8,0.

■кц

Рис. 4. Зависимость степени температурной однородности Т / Топг сбраживаемого помета от кратности циркуляции Кц.

В пятом разделе "Рекомендации и указания производству" приведены условия выбора и технологический расчет перемешивающих устройств. Для обоснования технологических параметров работы перемешивающих устройств предложена номограмма (рис. 5), позволяющая в зависимости от содержания сухого вещества в сбраживаемом помете и требуемой степени температурной однородности определить величину кратности циркуляции, которая обеспечивает максимальный выход биогаза из единицы СОВ помета при сокращении времени его переработки. .

Проведенный технико-экономический расчет на примере вертикального биореактора с якорной мешалкой подтверждает целесообразность применения номограммы для определения кратности циркуляции при анаэробном сбраживании помета.

<1, вт/ЬМ)

) (00 1

— -- / 90

/ 80 /

У 70 Ж — » /

/ А' г 1 и /

/ — 50 Ж / *

-л »

ъо

/Г /4 И 8 5 • ^ С- концентрация Св; £ ¿-хоэ&рщигнт з тшоотдачи; ^ Т/Топа, - степень г-температурной оя- ^ неровное ти ; Ни - кратность ццр- 1 Я>№ тт. ,, ^ и,, а 0 085 £ $ 0.95/10

1

/

(

«а— ■ V

/ «

1 /

Рис. 5. Номограмма для определения кратности циркуляции помета в объеме биореактора при анаэробном сбраживании.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. По результатам теоретических и экспериментальных исследований установлено, что в объеме сбраживания помета на границе "теплоноситель - сбраживаемый помет" образуется тепловой пограничный слой, в пределах которого происходит основное изменение температуры сбраживаемого помета.

2. Основное влияние на величину теплового пограничного слоя оказывают физико-механические свойства помета: вязкость, плотность, теплопроводность, теплоемкость.

3. Определено, что выход биогаза с I кг СОВ сбраживаемого помета в условиях неоднородного температурного поля нри термофильном режиме сбраживания составил 0,38 м3. Низкий выход биогаза является следствигм большой температурной неоднородности сбраживаемой среды, которая при оптимальном содержании СБ в помете разном 14% достигает 10 К.

4. Установлено, что оптимальным значением температуры данного режима является 324 К (51° С), при этом выход биогаза с 1 кг

СОВ помета равен 0,71 м3.

5. Рекомендовано в качестве способа интенсификации процесса теплообмена и выравнивания температуры в объеме сбраживаемого помета использовать перемешивание. Критерием процесса перемешивания выбрана кратность циркуляции, которая определяется степенью температурной однородности в объеме сбраживания и является параметром, оценивающим процесс перемешивания независимо от вида применяемых мешалок.

6. Предложена номограмма для определения критерия оптимизации процесса перемешивания. Она позволяет по заданной концентрации сухого вещества в помете и температуре сбраживания определить степень температурной однородности и кратность циркуляции, обеспечивающие максимальный выход биогаза с 1 кг СОВ помета при сокращении времени его переработки.

7. При установленных, оптимальных параметрах процесса анаэробного сбраживания помета: концентрации СВ - 14%, температуре брожения Т - 324 К и степени температурной однородности Т / Тоетг -0,96, кратность циркуляции Кц составляет 5,7. При этом, выход биогаза с 1 кг СОВ помета равен 0,64 м3/кг, время переработки сократится на 24% (до 120 ч).

8. Расчетный экономический эффект от внедрения технологии анаэробного сбраживания яомета, выполненной на примере вертикального биореактора с якорной мешалкой, по сравнению с распространенными технологиями без перемешивания, на птицефабрике ''Шпаковская" Ставропольского края составляет в ценах 1990 года 5747 рублей в год.

■ Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Марченко В.И., Герасименко А.Н. Влияние технологических параметров на эффективность процесса анаэробного сбраживания птичьего помета И Научные достижения молодых ученых - сельскохозяйственному производству. - Ставрополь, 1985,- С. 96-97.

2. Марченко В.И., Гребенник В.И. Источник углекислого газа для промышленного культивирования хлореллы // Промышленное культивирование микроводорослей.- М., 1985,- С. 46-47.

3. Марченко В.И. Влияние температуры на интенсивность процесса метанового брожения отходов птицеводства / Ставропольский СХИ.- Ставрополь, 1986,- 11 е.- Деп. в БНИИТЭИагропром, 1987, N 451 ВС-86.

4. Интенсификация процесса метанового брожения птичьего помета / В.И.Марченко, В.И.Гребенник // Тезисы докл. совещания по технической биоэнергетике.- Рига, 1987.- С. 34.

5. Марченко В.И. Возобновляемый источник энергии в кормопроизводстве // Энергосберегающая технология в кормопроизводстве:' Сб. науч. тр. ССХИ,- Ставрополь, 1988,- С. 28-33.

6. Фактор интенсификации процесса анаэробного брожения помета /В.И. Гребенник, В.И. Марченко II Тезисы докл. республиканской на уч.-техн. конференции,- Кишинев, 1988,- С. 52.

7. Марченко В.И. Определение кратности циркуляции субстрата при метановом сбраживании помега // Энергосберегающая технология механизированных работ в сельском хозяйстве: Сб. науч. тр. ССХИ.-Ставрополь, 1990,-С. 6-8.

8. Использование микроводорослей в замкнутом цикле безотходного производства продуктов птицеводства / В.И. Марченко и др. // Тезисы докл. межзуз. науч.- практ. конференции.- Ставрополь, 1991,-

9. А. с. 1400651 СССР, МКИ С02 Р 11/04. Смеситель для сбраживания субстрата / Марченко В.И. и др.- N 4114041/31-26; Заявлено 01.09.86; Опубл. 07.06.88, Бюл. N 21.- 2 с.: ил.

10. А. с. 1675293 СССР, МКИ С 05 Р 3/00. Органс-минеральное удобрение / Марченко В.И. и др.- N 4413143/15; Заявлено 18.04.88; Опубл. 07.09.91, Бюл. N 33,- 4 г •

С. 24-25.

г.,</2МЛ ЛООъчъ.Л^л 4 ■ СтГСХ А. -<396,г