автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Определение закономерностей обезвоживания в вакууме и разработка структуры автоматизированного оборудования

Институт Машиноведения Российской Академии Наук им. А. А. Благонравова

На правах рукописи

ВЕСЕЛОВА Екатерина Львовна

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ В ВАКУУМЕ И РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Специальность 05.13.07 -Автоматизация технологических процессов и производств.

Диссертация на соискание ученой степени зндидата технических наук

Научный руководитель Проф., д. т. н. Деулин Е. А.

Москва -1998

Оглавление

стр.

Введение ...................................................................................................................3

Глава 1. Анализ методов и оборудования, использующихся для сушки органических веществ...........................................................................................7

1.1. Методы сушки. Преимущества и недостатки.....................................8

1.2. Предпосылки создания технологии низкотемпературного обезвоживания в вакууме...................................................................17

1.3. Цель и задачи работы........................................................................22

1.4. Заключение..........................................................................................23

Глава 2. Физико-математическая модель процесса низкотемпературного обезвоживания в вакууме (НОВ).......................................................................24

2.1. Кинетика и динамика НОВ.................................................................25

2.2. Физические основы технологии НОВ...............................................29

2.3. Заключение..........................................................................................38

Глава 3. Экспериментальные исследования физико-химических особенностей НОВ.........................................,........................'.„.„..................................................39

3.1. Цель и задачи исследования...............................................................40

3.2. Экспериментальное оборудование и методика исследования..........41

3.3. Выбор технологических режимов.......................................................45

3.4. Исследование показателей качества..................................................46

3.4.1. Исследование состава выхлопных газов в процессе НОВ....................46

3.4.2. Исследование конденсата, полученного в процессе обезвоживания куриного помета...................................................................................56

3.4.3. Исследование состава куриного помета после вакуумного обезвоживания. .....................................................................................60

3.5. Исследование областей возможного применения технологии НОВ...63 3.8. Заключение..........................................................................................66

Глава 4. Оборудование НОВ для органических веществ большой влажности......68

4.1. Методика расчета основных конструктивных параметров оборудования НОВ..............................................................................69

4.2. Автоматизация оборудования НОВ................................................75

4.3. Структура установки НОВ для переработки птичьего помета

на удобрение..................................................................................................83

4.4. Конструкция установки НОВ для переработки птичьего помета и перспективы -ее совершенствования..............................................................95

4.5. Заключение...........................................................................................105

Глава 5. Практическая целесообразность технологии и оборудования НОВ..........107

5.1. Универсальность технологии НОВ.......................................................108

5.2. Эффективность технологии НОВ........................................................110

5.3. Технико-экономическое обоснование реализации проекта, основанного на технологии НОВ................................................................113

5.4. Заключение.............................................................................................117

Общие выводы................................................................................................................118

Литература....................................................................................................................121

Приложения...................................................................................................................128

ВВЕДЕНИЕ

Процессы обезвоживания органических веществ большой первоначальной влажности (до 98%) характерны для целого ряда отраслей. Отрасли, использующие в производстве большие объемы воды, получают отходы с влагосодержанием до 98%. В электронной промышленности это отходы "мокрой" технологии, процессов производства печатных плат, фотолитографии и т. д. Подобные отходы есть в отраслях химической, медицинской и других промышленностях. Особенно остро стоит проблема обезвоживания ( до стандартной влажности 14%) для производств с годовыми объемами продукции в миллионы тонн, например, пищевая, комбикормовая промышленности и, особенно, при переработке различных отходов, шламов сточных вод.

Осложнившаяся экологическая ситуация во всем мире требует более пристального внимания к процессам переработки и утилизации отходов, в том числе птичьего, свиного, коровьего помета, которые зачастую просто сбрасываются в окружающее пространство.

Общее количество/осадков сточных вод только по России к 2000 г. составит от 120 до 140 млн. тонн в год [52, 54, 76]. Количество отходов сельского хозяйства (помет птиц, свиней, крупного рогатого скота) - в 1,5 раза больше. Вокруг Москвы, в некоторых случаях практически в черте города, располагаются 32 птицефабрики с суточным выходом птичьего помета от 100 Т/ сутки. Сегодня эти отходы, как правило, не перерабатываются, а по мере накопления в помещениях для содержания животных и птицы вывозятся на поля, где и складируются на долгие годы. Вешние воды, осенняя распутица и просто дожди смывают их в ближайшие водоемы, заражая воду болезнетворными микроорганизмами. Эти воды, в конечном итоге, попадают в мировой океан, заражая флору и фауну. А ближайшие водоемы - это источники пресной воды, которую мы потребляем. Поэтому по вопросам экологии эта проблема выходит на международный уровень.

Проблема переработки птичьего помета для России имеет большое значение, т.к. только здесь были организованы гигантские фермы с суточным выходом помета у птицеферм - до 300 т/ сутки, а в свинофермах - до 2000 т/сутки. Особенно остро стоит проблема для ферм, находящихся в черте города [34]. Для птицеводческих и животноводческих хозяйств, "вросших" в населенные пункты, основными условиями приемлемости технологий переработки помета являются:

- экологическая безопасность производства, т.е. минимизация степени влияния технологии переработки на окружающую среду;

- отсутствие потребности использования поглощающих материалов и наполнителей (торф, солома, опилки, минералы, например, бишофит, окись кальция и т. д.);

- минимизация объемов застройки под технологическое оборудование;

- сравнительная технологичность и окупаемость.

На сегодняшний день существуют следующие технологии по переработке помета:

- компостирование;

- высокотемпературная сушка (1=800 °С);

- аэробные технологии ферментации;

- анаэробные технологии с выделением биогаза;

- прямое сжигание.

Анализ перечисленных требований и рассмотрение применяемых технологий [2, 11, 22, 24, 49, 55, 56, 59, 65-68, 75, 83, 84, 93-99] показывают, что в настоящее время сведения о совмещении положительных качеств в реальной технологии, удовлетворяющих требованиям, отсутствуют, равно как и сведения о сравнительной эффективности той или иной технологии.

Проблема не в том, как переработать помет и любые другие отходы, но в большей степени, как обеспечить экологическую и санитарно-эпидемиологическую безопасность того или иного предприятия для окружающей среды [60]. Существующие на сегодняшний день технологии не могут обеспечить такую защиту.

Таким образом, проблема переработки отходов птицеводства и животноводства - это проблема не только конкретной фабрики и района, в котором она расположена, но и общегосударственная проблема, поднимающая вопросы утилизации отходов и получения высококачественного продукта ( удобрение, кормовая добавка), отвечающего мировым стандартам, т.е.:

- влажность, не более 14%;

- отсутствие в конечном продукте канцерогенов и других заразных и вредных веществ, вирусов и бактерий, т.е. получение экологически чистого продукта;

- сохранение структуры исходного продукта;

- сохранение процентного состава органической составляющей и всех других биологически ценных компонентов в конечном продукте, по сравнению с исходным сырьем.

Технологической основой для создания устройств, позволяющих решить эти проблемы, могут явиться процессы низкотемпературного обезвоживания в вакууме. Кроме птицеводства и животноводства, подобные установки смогут найти прямое применение для решения задач обезвоживания всех видов шламов, включая бытовые и промышленные, на городских станциях очистки сточных вод, что также является актуальной экологической проблемой.

Изучено низкотемпературное вакуумное обезвоживание, применительно к сушке древесины, сублимации продуктов питания, однако известные научные результаты не дают возможности решить вышеуказанные проблемы.

В связи с этим, целью данной работы является разработка научных основ экологически безопасной принципиально новой технологии низкотемпературного обезвоживания органических веществ большой влажности в вакууме (НОВ) и создание под эту технологию высокопроизводительного оборудования оборудования нового класса.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработана физико-математическая модель процесса низкотемпературного обезвоживания в вакууме;

2. Синтезирована структура машины НОВ и ее отдельных систем;

3. Разработана инженерная методика расчета как самой машины, так и отдельных ее модулей;

4. Проведены масс-спектрометрические исследования выходных продуктов;

5. Обоснована экономическая целесообразность разработки технологии НОВ.

Низкотемпературное обезвоживание в вакууме - это как раз тот инструмент, который обеспечивает не только экологическую безопасность процесса, но и экологическую чистоту самого продукта, получаемого в процессе переработки. Это безотходная энергосберегающая технология, в процессе которой происходит фракционирование исходного жидкого продукта на три составляющие: сухой остаток, чистую воду, которую можно использовать, и незначительный экологически безопасный выхлоп.

На защиту выносятся:

1. Физико-математическая модель процесса обезвоживания в вакууме;

2. Технология НОВ, созданная на основе физико-математической модели;

3. Инженерная методика расчета и выбора параметров отдельных модулей оборудования НОВ;

4. Методика проведения исследований химического состава выходных продуктов при вакуумном обезвоживании;

5. Задачи синтеза структуры оборудования НОВ;

6. Концепция высокопроизводительной машины НОВ вертикального типа.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Теоретически обоснована и создана физико-математическая модель процесса НОВ;

2. Впервые выявлена взаимосвязь химического состава выходных продуктов и технологических режимов НОВ;

3. Разработана идеология конструкции высокопроизводительной установки НОВ вертикального типа.

Практическая значимость.

1. Построена инженерная методика расчета оборудования НОВ;

2. Синтезирована структура оборудования НОВ;

3. Результаты исследований и разработок использованы в процессе создания участка по переработке птичьего помета на Красногорской птицефабрики и цеха -на Томилинской птицефабрики.

Практическая значимость работы состоит в разработке инженерной методики расчета отдельных узлов и всего модуля оборудования НОВ и методики проведения исследований химического состава выходных продуктов в процессе НОВ.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения.

ГЛАВА 1

АНАЛИЗ МЕТОДОВ И ОБОРУДОВАНИЯ\ ИСПОЛЬЗУЮЩЕГОСЯ ДЛЯ СУШКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

1.1. МЕТОДЫ СУШКИ.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ.

По данным Росптицепрома [52], в 1990 году в СССР птицеводством занимались 14 тысяч хозяйств, из которых 9 тысяч - колхозные фермы и фабрики, 5 тысяч государственных хозяйств, среди которых 1,5 тысячи наиболее крупных располагались вблизи больших промышленных центров.

В 1990 году в СССР было произведено 82 миллиардов штук яиц, 4,5 миллионов тонн мяса птицы, при этом, выход сырого помета составил около 45 миллионов тонн, из которых 35 миллионов тонн было использовано как органическое удобрение, а остальные 10 миллионов тонн, т.е. более 22%, остались в поме-тохранилищах, как источник возможного патогенного и экологического загрязнения. По экспертным оценкам, в 1997 году эти цифры сократились в 2,3 раза, т.к. почти половина птицефабрик была закрыта по причине экологической опасности.

Примерно 60 % помета птицефабрик имеет повышенную влажность - от 80 до 95 % и, следовательно, жидкую консистенцию, что резко увеличивает потребность в дополнительных площадях для его хранения. В то же время, 70 % птицефабрик России не имеют собственных земельных угодий, или имеют их в недостаточном количестве для нормального усвоения или очистки через севооборот внесенного помета. Отсутствие специализированных хранилищ в достаточных количествах и, как следствие, вывоз помета на поля в чрезмерных объемах, ежегодно приводит к отчуждению порядка 10 тысяч гектаров пахотной земли на сроки от 3 до 5 лет. С пометом вывозится огромное количество семян сорняков и патогенных микроорганизмов. При этом, как правило, из-за усиленного вывоза помета на поля, неусвоенные растениями питательные вещества смываются дождевыми и паводковыми водами в водоемы, вызывая их регулярное загрязнение.

Для ускоренной утилизации помета, в мировой практике используют несколько видов технологий, направленных на преобразование его в ценный продукт, лишенный вредных свойств:

- компостирование с различными видами углеродистых добавок;

- аэробные технологии, для улучшения качества исходного продукта;

- анаэробные технологии с получением биогаза для энергетических целей ;

- прямое сжигание помета или брикетов из него в специальных печах для получения тепловой энергии;

- высокотемпературная сушка помета для получения сухих гранулированных удобрений.

Все указанные методы имеют свои преимущества и недостатки, которые при выборе варианта способа переработки для конкретных эколого-географических условий каждой отдельной птицефабрики, в большинстве случаев, позволяют выбрать приемлемый вариант переработки помета. Так для птицефабрик, имеющих поблизости достаточное количество своих угодий или земельных угодий сопредельных хозяйств, а также достаточное количество углеродистых добавок, целесообразным является применение способа компостирования, который обеспечивает минимум энергозатрат при высокой экологической чистоте производства. В тоже время этот способ требует больших транспортных расходов на подвоз углеродистых добавок ( торфа, соломы, опилок и т. д.) и на вывоз готового компоста с влажностью до 50 %, что является определенным фактором ограничения.

При получении биогаза из условий нормального ведения процесса анаэробного сбраживания необходимо, чтобы обрабатываемая масса имела влажность 92 -96 % для повышения ее текучести. При этом, только суточный выход помета увеличивается примерно в 4, 3 раза, а объем реактора - в 10 раз. В результате, даже без хранилища жидких органических удобрений, рассчитанного на 3 - 4 месяца хранения, необходимые строительные объемы резко увеличивают площадь застройки. Кроме того повышенные биохимические требования к входящему в реактор субстрату по наличию ингибиторов процесса, делающих его неустойчивым при эффективном термофильном режиме (55 °С), заставляют проводить ферментацию при режимах (37 °С), снижающих производительность реактора вдвое, что, наряду с другими недостатками, существенно ограничивает распространение этого способа утилизации. Следует однако отметить, что новейшие разработки подобных технологий могут с успехом применяться для переработки отходов, улучшая их химический состав, но конечный продукт имеет влажность от 70 % (Технология БКАКАВЕЕ, В1СЖЕК - Дания) до 98 % ("Экогум" - Казань) [93, 94, 99], что требует дополнительной обработки для возможности его реализации.

Для реализации нормального процесса аэробной ферментации, необходимо приготовлять смесь, состоящую из углеродистой добавки, например, торфа - Т, как при компостировании, и закваски - возвращаемой небольшой части готового компоста ( ретура - Р), в соотношении объемов: П:Т:Р = 1:1:0,5, ( П - помет). Таким образом, суточный выход помета возрастает в 2,5 раза, а объем реактора - в 6 раз.

То есть необходимы значительные строительные объемы и подвоз торфа в тех же объемах, что и выход помета за сутки.

Прямое сжигание помета, или брикетов из него, приводят к полной потере органики и для использования в качестве удобрения остаются только зольные остатки. А газообразные продукты сжигания представляют собой вещества, загрязняющие воздушный бассейн. Прямое сжигание можно проводить при влажности не более 30 %, в то время, как исходный помет имеет влажность не ниже 76 % Для доведения до требуемой влажности, помет необходимо подсушивать и накапливать в специальных помещениях. При подсушке в естественных условиях, идет выделение запахов, которые надо деодорировать.

Значительное распространение получил способ высокотемпературной (700 -900 °С) сушки помета в специальных сушиль�