автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности процесса производства удобрений из отходов животноводства аэробной ферментацией в установках закрытого типа путем разработки технологии и технических средств утилизации газовых выбросов

ВВЕДЕНИЕ

I. Обоснование перспективной технологии утилизации газового выброса при высокотемпературной аэробной ферментации отходов животноводсва.

1.1. Состав газовых выбросов при аэробном разложении отходов животноводческих ферм.

1.2. Анализ современных применяемых методов, способов и техни-* ческих средств поглощения аммиака из источников газовых выбросов в животноводстве сельского хозяйства и промышленности.

1.3. Выбор метода и технического средства для системы утилизации газового выброса из биореакгора при аэробной ферментация отходов животноводства .„

1.4. Цель и основные задачи исследований.

Наиболее предпочтительным для производства биологически активных и экологически безопасных твердых органических удобрении высокого качества аэробным способом является метод биологической ферментации при высокой температуре в стационарных закрытых емкостях, в том числе, и биореакторе барабанного типа. Для аэрации обрабатываемого материала в биореакгоре предусмотрена вентиляционная система с выходом отработанной газовоздушной смеси в атмосферу. Однако вместе с ней теряется часть полезных летучих соединений и наносится экологический ущерб.

Из всех видов отходов животноводства куриный помет является наиболее концентрированным материалом по питательным элементам. В результате биотермической ферментации, протекающей в биореакторе, происходит активное разложение органического вещества х потерей питательных элементов. К примеру, за цикл ферментации (48 часов) потери с одного килограмма обрабатываемого подстилочного помета составляют: азот - 6,9 г, углерод - 6,6 г, влаги (за счет ее испарения) - 119 г. Потери указанных элементов в биореакгоре происходят путем их эмиссии в отработанный воздух системы аэрации.

Учитывая ценность азота как необходимого элемента для развития растений, а также вредное влияние содержащихся летучих азотных и углеродных соединений в отработанном воздухе при аэробной ферментации отходов животноводства на здоровье человека и экосистему, возникает необходимость утилизации газовых выбросов.

Применяемые в производстве технологии по утилизации газового выброса при аэробной ферментации отходов животноводства путем уменьшения потерь питательных элементов и получения продуктов угализации пригодных для дальнейшего использования в цикле сельскохозяйственного производства в России практически отсутствуют. В Европе и США работы по данной проблеме велись в области применения биологических фильтров, однако сообщения о результатах работ в литературных источниках отрывисты и не отражают полностью состояния вопроса.

Таким образом целью работы является: повышение эффективности производства удобрений путем разработки технологии утилизации газового выброса установок закрытого типа по аэробной переработке навоза и помета и создание технических средств для ее реализации.

Разработка технологии и технических средств утилизации газового выброса при аэробной ферментации отходов животноводства на стационарных установках в виде закрытых емкостей (в том числе и барабанного типа) даст следующие преимущества: позволит понизить потери летучих продуктов распада органического вещества, так как они являются питательными элементами для растений, путем возврата их в цикл сельскохозяйственного производства. значительно повысит экологическую безопасность производства органических удобрений, так как основные загрязнения в данных технологических линиях выбрасываются в атмосферу. применение в технологических линиях закрытого типа переработки отходов животноводства технических средств утилизации газового выброса позволит повысить гигиену и культуру труда рабочих, что будет выгоднейшим образом отличать данный тип технологий переработки от технологий открытого типа (на специальных площадках).

S перечисленные выше достоинства дают возможность приоритета по выбору и применению данного вида технологий переработки. Негативным моментом применения в цепочке основного технологического оборудования дополнительных технических средств утилизации газового выброса является дополнительное увеличение капитальных и эксплуатационных затрат, что скажется на удельной себестоимости основной продукции. Дополнительные затраты на утилизацию в работе необходимо уменьшать на всех стадиях от выбора типа технологии и технических средств заканчивая выбором оптимальных режимов работы и конструктивных параметров.

1. ОБОСНОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ ГАЗОВОГО ВЫБРОСА ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ АЭРОБНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСВА.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

1. Газопаровоздушная смесь после биореактора при ферментации подстилочного помета насыщена аммиаком и диоксидом углерода. В интервале рабочих температур ферментации от 65 до 70 ^ концентрация аммиака максимальна и достигает 1200 мг/м\ а концентрация диоксида углерода снижается до 3 % об.

2. Утилизацию газовых выбросов при аэробной ферментативной переработке навоза и помета в закрытых установках наиболее целесообразно проводить методами конденсации паров в рекуперативных теплообменниках кожухового типа воздушного охлаждения (конденсаторах) и абсорбции в барботажных аппаратах с провальными тарелками. Определены основные компоновочные схемы системы утилизации: конденсатор, барботажный аппарат и их последовательное соединение, а также структура моделей работы схем, оцениваемых степенью очистки газовоздушной смеси по аммиаку и его концентрации в конденсате и растворе барботажного аппарата.

3. Конденсация паров при перепаде температуры газовоздуШной смеси от 5 до 65 °С обеспечивает концентрацию аммиака в конденсате от 6 г/л до 20 г/л и степень очистки газовоздушной смеси по аммиаку до 50 %. Максимальный поглощающий потенциал абсорбции аммиака находится при оптимальных параметрах и режимах работы элементарной ячейки барботажного аппарата: высота барботажного слоя равна 15,8 мм при рН=4,5 и 26,4 мм при рН=7,4; площадь ячейки - 15-25 см2; скорость истечения газовоздушной смеси из барботера - 0,25 м/с; расход поглощающего раствора - 26-35 л/ч.

4. Производство жидких удобрений путем утилизации газового выброса следует проводить с помощью аппаратов имеющих удельную площадь: поверхности теплообмена конденсатора -0,136 — 0,148 м2; - барботажного аппарата - 0,010 - 0,026 м2 на один м3/час.

5. Адекватность полученных моделей работы схем компоновки я . системы утилизации подтверждена проверкой в производственных условиях, которая обеспечивает величину концентрации аммиака в конденсате по первой и второй схемам 11 г/л, степень очистки по аммиаку 20 %; во второй схеме конце»трация аммиака в растворе барботажного аппарата - 0,6 г/л при его расходе 35 - 60 л/ч, степень очистки - 70 %; в третьей схеме концентрация аммиака в растворе барботажного аппарата - 0,58 г/л, степень очистки - 47 % при его расходе 35 -60 л/ч.

6. Экологически целесообразно применять схемы утилизации газового выброса при минимальных высотах выхлопного отверстия: первая схема - 4,3-4,9 м; вторая схема - 3,8-3,6 м; третья схема - 2,7-5,2 м. Годовой* экономический эффект: при первой схеме системы - 35,73 тыс. руб.; при второй - 63,72 тыс. руб.; при третьей — 33,99 тыс. руб. Срок окупаемости системы утилизации: первой схемы - 0,62 года; второй схемы - 0,4 года; третьей схемы - 0,51 года.

7. Проектирование системы утилизации газовой смеси следует производить в соответствии с разработанной методикой инженерного расчета, основанной на определении площадей аппаратов по удельным значениям их параметров, и техническими требованиями к аппаратам и вентилятору системы.

8. Получаемые в системе продукты утилизации имеют широкий спектр питательных и микроэлементов, в т.ч. концентрацию аммиака 11 и 0,6 г/л и пригодны для удобрительного полива сельскохозяйственных растений закрытого или открытого грунта, раскисления и обогащения азотом торфа, а также для получения многокомпонентных комплексных органомине-ральных удобрений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проверка технологических (концентрации аммиака в конденсате и (или) отработанном поглощающем растворе на выходе из системы) и экологических (полная степень очистки системы) моделей работы различных схем системы утилизации газового выброса из биореактора барабанного типа при ферментации куриного подстилочного на опилках помета показала, что существует высокая теснота связей между производственными данными и рассчитанными значениями по модели, кроме того, по всем схемам большинство производственных данных находятся внутри доверительного интервала модели при уровне значимости 0,95:

1. Первая и вторая схема (конденсатор) - коэффициент корреляции экспериментальных данных концентрации аммиака в конденсате и степени очистки газового выброса с их рассчитанными значениями равен 0,89 и 0,87 соответственно. В интервале перепада температуры газовоздушной смеси от 7 до 24 °С концентрация аммиака в конденсате изменяется от 6,5 до 11 г/л; степень очистки увеличивается от 7 до 20 %.

2. Вторая схема - коэффициенты корреляции концентрации аммиака в отработанном поглощающем растворе барботажного аппарата и степени очистки системы в целом с их рассчитанными по моделям значениями равны 0,91 и 0,6 соответственно. При изменении расхода отработанного поглощающего раствора от 35 до 360 л/ч концентрация аммиака в растворе изменяется от 0,6 до 0,1 г/л; степень очистки системой изменяется незначительно от 70 до 80 %. Оптимальный расход раствора для максимальных значений концентрации аммиака в нем находится в интервале 35-60 л/ч при условии, что первая ступень (конденсатор) выдает рассмотренные выше значения показателей.

3. Третья схема (барботажный аппарат) - коэффициент корреляции степени очистки газовоздушной смеси по аммиаку и концентрации аммиака в растворе с их рассчитанными по модели значениям равны 0,84 и 0,94 соответственно. В данной схеме при изменении расхода отработанного поглощающего раствора от 35 до 560 л/ч концентрация аммиака в растворе изменяется от 0,58 до 0,08 г/л; степень очистки изменяется от 47 до 85 %. Оптимальный расход раствора для максимальных значений концентрации аммиака в нем находится, так же как и во второй схеме в интервале 35-60 л/ч

Энергетические показатели работы различных схем компоновки системы следующие:

1. В первой схеме: потребляемая мощность - 0,48 кВт; затраты энергии на грамм уловленного аммиака ~ 0,5-0,3 кДж/г; затраты энергии на литр полученного удобрения - 252,8-64,4 кДж/л.

2. Во второй схеме: потребляемая мощность - 1,1-1,2 кВт; суммарные затраты энергии на грамм уловленного аммиака - 44,7-7,0 кДж/г; суммарные затраты энергии на литр полученного удобрения - 212,0-7,0 кДж/л.

3. В третьей схеме: потребляемая мощность - 0,37-0,76 кВт; затраты энергии на грамм уловленного аммиака - не более 10 кДж/г; затраты энергии на литр полученного удобрения - 48,8-3,7 кДж/л.

Из оценки экологической безопасности применения различных схем компоновки системы утилизации по предельно допустимым выбросам аммиака получены минимальные высоты нахождения выхлопного отверстия из системы в атмосферу при условии, что максимальное значение приземной концентрации аммиака не превышает его концентрацию в выбросах около устья источника. Минимальные высоты нахождения выхлопного отверстия при которых можно использовать систему утилизации следующие: первая ж схема - 4.3-4,9 м; вторая схема - 3,8-3,6 м; третья схема - 2,7-5,2 м; без утилизации - 4-9 м.

Экономическая оценка применения различных схем утилизации показала, что годовая экономия совокупных затрат позволяет эффективно применять все три схемы компоновки системы утилизации по отношению к базовому варианту (без утилизации). Наиболее эффективна первая схема, менее эффективна - вторая схема, и наименее эффективна—третья.

Разработана методика конструктивного расчета системы утилизации газо-# вого выброса из биореактора, состоящая из расчетов конденсатора и барботажного аппарата. Методика позволяет рассчитать конструктивные параметры аппаратов системы для биореакторов с различными рабочими объемами. Для экспериментального биореактора барабанного типа конструкции СЗ НИИМЭСХ объемом 20 м3 площадь поверхности теплообмена конденсатора составляет 4,3 м2. Площадь барботажного аппарата составит 0,42 м2; количество щелей - 2 шт; ширина щели -71 мм; условный рабочий объем-6,6x10"3 м3,

1. Айзенбуд М Б., Дильман В В. Химическая промышленность, 1961, №3 199 с.

2. Аксенов С М., Банкин М П. Физико-химические методы в агрохимии; Учеб. пособие. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1986, 136 с.

3. Александров А. А., Зубарев В. Н. Практикум по технической термодинамике. М.: Энергия, 1972.

4. Александров И. А. Массопередача при ректификации и абсорбции многокомпонентных систем. Л.: Химия, 1975.- 320 с.

5. Аранович Г. И., Коршунов Ю. Н., Ляликов Ю. С. Справочник по физико- химическим методам исследования обьектов окружающей среды. -Л.: Судостроение, 1979. 648 с.

6. Афанасьев В.Н., Максимов Д.А. Результаты экспериментальной проверки технологии производства биологически активных органических удобрений из помета it Сборник научных трудов СЗ НИИМЭСХ Вып. 70. Санкт-Петербург, 1999.

7. Аэров М.Э., Меньшиков В.А., Трайнина С.С Химическая промышленность, 1967, 2, 149 с.

8. Бакластов А. М. и др. Проектирование, монтаж и эксплуатация теп-ломассообменных установок. М.: Энероиздат, 1981. - 336 с.

9. Боровиков В. П., Боровиков И. П. STAT1STICA- статистический анализ и обработка опытных данных в среде Windows. М.: Информационно-издательский дом "Филинъ", 1998.-608 с.

10. Бояринов А. И., Кафаров В. В. Методы оптимизации в химической технологии. М.: Химия, 1975,-576 с,

11. Быховская М. С., Гинзбург С. П., Хализова О. Д. Методы определения вредных веществ в воздухе.- М.: Медицина, 1966. 315 с.

12. Велесов С. А Проектирование вентиляционных установок предприятий по хранению и переработке зерна М.; Колос, 1974,- 228 с.

13. Воронин Г. И., Дубровский Е. В. Эффективные теплообменники. -М.: Машиностроение, 1973.-96 с.14. Временная методика

14. Голубков Б.Н., Данилов О.Л., и др. Технологическое оборудование и теплоснабжение предприятий.-М.: Энергия, 1979,544 с.

15. Гришин В. К. Статистические методы анализа и планирования экспериментов,- Издательство Московского университета, 1975.

16. Диденко В.Г. Основы очистки и утилизации вентиляционных выбросов Волгоград: Изд. ВолгИСИ, 1992. т 70 с.

17. Дильман В.В., Жиляева Т А. Химия и технология топлив и масел, 1965, 12,36с.

18. Дяконов В, П., Абраменкова И. В. MathCAD 7.0 в математике, физике и в Internet. М.: "Нолидж", 1998.- 352 с.

19. Елеиии С. Н., Михайлова Г. В. Водоснабжение и санитарная техника,- М.: Строй из дат, 1974. 89с.

20. Жукаускас А. А. Конвективный перенос в теплообменниках. М.: Наука, 1982,- 472 с.

21. Зайкгейм А. Ю. Введение в моделирование химико- технологических процессов. М.: Химия, 1973.-224 с.

22. Иванов О. П. Конденсаторы и водоохлаждающие устройства. Л.: Машиностроение, 1980.- 165 с.

23. Ионоселективные электроды. /Под ред. Р. Дарста.- М.: Мир, 1972.

24. Исаченко В. П., Осипова В. А.,Теплопередача. М.: Энергия, 1975.

25. ИсаченкоВ. П. Теплообмен при конденсации.- М.: Энергия, 1977.

26. Кафаров В, В. Основы массопередачи. М.: Высшая школа, 1972.-496 с.

27. Кейс В. М. Конвективный тепло- и массообмен. М.: Энергия, 1972.- 447 с.

28. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. 2-е изд. М.: Химия, 1984. 592 с.

29. Коган В. Б. Теоретические основы типовых процессов химической технологии. М.: Химия, 1977,- 592 с.

30. Коузов П. А., Мальгин А. Д., Скрябин Г. М. очистка от пыли газов и воздуха в химической промышленности. J1.; Химия, 1982. 256 с.

31. Кутателадзе С. С,, Стариков М. А. Гидравлика газо-жидкостных систем. Госэнергоиздат, 1958.

32. Кушнырев В. И. и др. Техническая термодинамика и теплопередача. -М.: Стройиздат, 1986.-464 с.

33. Левич В.Г Физико-химическая гидродинамика. Физматгиз, 1960.

34. Лидин Р.А. др. Химические свойства неорганических веществ.-М.: Химия, 1997,480 с.

35. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа.- М.: Наука, 1973 847с.

36. Лукин В. Д., Курочкина М. И. Очистка вентиляционных выбросов в химической промышленности. Л.: Химия, 1980. 232 с.

37. Лыков А. В. Теплообмен, справочник. М.: Энергия, 1972.

38. Маркова Е. В., Рохваргер А. Е. Математическое планирование химического эксперимента. М.: Знание, 1971.- 32 с.

39. Методы вычисления физико- химических велечин и прикладные расчеты. Л : Химия, 1977,-360 с.

40. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи,- М.: Энергия, 1973.

41. Морачевский А.Г., Сладкое И.Б. Физико-химические свойства молекулярных неорганических соединений.-СПб.: Химия, 1996, 312 с.

42. Муропольский 3. Л. и др. Исследование теплопередачи при конденсации пара, движущегося в кольчевом канале с продольными и винтовыми ребрами. Промышленная теплотехника, 1980, №3 с.42-45.

43. Осипова В. А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена.- М.: Энергия, 1979.- 320с.

44. Очистка и рекуперация промышленных выбросов / Под. ред. Максимова В. Ф. и Вольфа И. В. Изд. 2-е. М.: Лесная промышленность, 1981. 640 с.

45. Очистка технологических газов / Под. ред. Семеновой Т. А. и Лей-теса И. Л. . 2-е изд. М.: Химия, 1977. 488 с.

46. Перегуд Е. А., и др. Быстрые методы определения вредных веществ в воздухе.-М.: Химия, 1970.

47. Плановский А. Н., Николаев Л. И. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1972. ~ 496 с.

48. Повх И. Л. Техническая гидромеханика.- Л.: Машиностроение, 1976.- 504 с.

49. Радионов А. И. и др. Техника защиты окружающей среды М.: Химия, 1989.-512 с.

50. Рамм В. М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1976,- 656 с.

51. Coy С. Гидромеханика многофазных систем.-М : Мир, 1971.

52. Страус В. Промышленная очистка газов. М.: Химия, 1981 616 с

53. Телегин А. С., Шведский B. C., Ярошенко Ю. Г. Термодинамика и тепломассоперенос. М.: Металургия, 1980.

54. Теория тепломассообмена /Под ред. А. И. Леонтьева. М.: Высшая школа, 1979.

55. Флореа О., Смигельский О. Расчеты по процессам и аппаратам химической технологии. М: Химия, 1971.-483 с.

56. Фрекс Р. математическое моделирование в химической технологии. -М : Химия, 1971.-272 с.

57. Хайлис Г. А., Ковалев М. М. Исследования сельскохозяйственной # техники и обработка опытных данных.-М.: Колос, 1994.- 169 с.

58. Хаузен Хельмут. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе: Пер. с нем.-М.: Энергоиздат, 1981,384 с.

59. Хоблер Массопередача и абсорбция.-Л.: Химия, 1964.

60. Циборовский Я. Основы процессов химической технологии. Л.: Химия, 1967.-720 с.

61. Чернов А. В. и др. Основы гидравлики и теплотехники. М,: Энергия, 1975.

62. Эккерт Э. Р., Дрейк Р. М. Теория тепло- и массообмена. М.: Госэнергоиздат, 1961.0 66. Ammonia emissions from livestock buildings and slurry spreading in the

63. Netherlands // материалы международного симпозиума проведенного в Упсале (Швеция) 10-12 июня 1987 г.

64. Ammonia toss from surface-applied animal slurry under sustained drying conditions in autumn. В. Т. Christensen // материалы международного симпозиума проведенного в Упсале (Швеция) 10-12 июня 1987 г.

65. В. Calor, W. Resnick, bid. Eng. Chem. Fundamentals, 1966, 5,1,15 c.

66. Control of ammonia emissions with biofilters and biosgrubbers. R. Scholtens. J. V. Kiarenbek and M. A. Bruins // материалы международного симпозиума проведенного в Упсале (Швеция) 10-12 июня 1987 г.

67. Experiences with the use of biofilters to remove odours from piggeries ^ and hen houses. Munchen T. U, // материалы международного симпозиумапроведенного в Упсале (Швеция) 10-12 июня 1987 г.

68. J Hanhart, Н. Kramers, K.R. Westerterp, Chem. Eng. Sci., 1963, 18, 503 c.

69. Kemppainen E. Ammonia binding capacity of peat, straw, sawdust and cutter shavings. Annals Agricultural Fannie. Journal of the Agricultural Researchm Center 26: 89-94. 1987.

70. Kirchmann H. and Witter E. Ammonia volatilization during aerobic and anaerobic manure decomposition. // Plant and Soil 115,35-41 1989.

71. P.H. Calderbank, Trans. Inst. Chem. Engrs., 1959, 37,173 c.

72. R. Shinnar, Ind. End. Chem., 1960,3,253 c.

73. Soil and compost filters of malodorant gases, //journal of air pollution control association, 1975, v.25, № 9, pp 953-955

74. Sweeten J. M., Childers R. E., Cochran J. S. Устранение неприятного запаха от установки по компостированию куриного помета с использованиемпочвенного фильтра. // материалы международного симпозиума проведенного в Упсале (Швеция) 10-12 июня 1987 г.

75. Witter E., Kirchmann 11, Peat, zeolite and bazalt as adsorbents of ammoniac nitrogen during manure decomposition. Plant and Soil 115. 43-52 1989.

76. Zeisig H. D. Experiences with the use of biofilters to remove odors from diggers and hew houses. // материалы международного симпозиума проведенного в Упсале (Швеция) 10-12 июня 1987 г.