автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка технических средств подготовки навоза в системах получения биогаза

од

На правах рукописи

ОРЛОВ Игорь Геннадьевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПОДГОТОВКИ НАВОЗА В СИСТЕМАХ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА

Специальность 05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1998

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ).

Научь.ый руководитель

Официальные оппоненты:

Ведуи.ая организация

кандидат технических наук, старший научный сотрудник A.A. Ковалев

доктор технических наук, старший научный сотрудник П.И. Гриднев

кандидат технических наук, старший научный сотрудник С.Д. Дурдыбаев

ОАО Научно-исследовательский институт комплексных проблем машиностроения для животноводства и кормопроизводства (ОАО ВНИИКОМЖ)

Защита состоится 'У&З" —1958 г. в "/¿{^ч■

на заседании диссертационного совета К 020.15.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства по адресу: 109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, дом 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВИЭСХ.

Автореферат разослан хч г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Н.Ф. Молоснов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На животноводческих и птицеводческих фермах и комплексах Российской Федерации ежегодно образуется около 640 млн.тонн навоза и помета. К настоящему времени наиболее эффективным методом переработки навоза и помета в биогаз и органические удобрения является переработка их в биогазовых установках.

Одним из важнейший, наименее изученные факторов, влияющий, на интенсивность процесса метанового сбраживания навоза (помета), является подготовка исходного сырья к сбраживанию.

Это влияние объясняется тем, что в навозе и помете, поступающем, непосредственно на переработку в биогазовые установки с фермы^содержится большое количество посторонних включений (пух, перо, щетина, песок, щебень и др.;, а также других частиц с размерами включений более 1 мм, которые не только не участвуют в процессе брожения, но и •тормозят его, вызывая забивание трубопроводов, запорно-регулирующей арматуры и повышенное коркообразование в зоне сбраживания.

В этой связи работа, направленная на разработку технических средств подготовки навоза в системах получения биогаза^является актуальной и своевременной.

Работа выполнялась в соответствии с проектом "Опытно-промьгшлеыная биоэнергетическая установка с повышенным выходом биогаза для переработки сельскохозяйственных отходов" Государственной научно-технической программы Миннауки РФ на 1996-1998 гг., "Экологически чистая энергетика"

Цель настоящей работы - разработка устройства, обеспечивающего отделение посторрнних включений и сохранение максимального количества органических веществ в навозе, предназначенного для сбраживания в биогазовых установках.

- В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

- провести теоретические исследования по обоснованию принципиальной схемы и конструктивно-технологических параметров устройства для отделения посторонних включений;

- выявить направления совершенствования рабочего процесса в устройстве и разработать для этой цели технические решения;

■■■'-■ - Разработать программу и провести испытания опытного ■ образца в производственных условиях;

- на основе принятой для исследований конструктивно-технологической схемы .и результатов теоретических и экспериментальных исследований разработать методику инженерного расчета устройства для отделения крупных включений и стабилизации исходного сырья по гранулометрическому составу.

Провести производственные испытания биоэнергетической установки с устройством для отделения посторонних включений л стабилизацией исходной массы по гранулометрическому составу и определить ее экономическую эффективность.

Объектами исследований являлись экспериментальный и опытный образец фильтрующей центрифуги и технологическая линия метанового сбраживания птичьего помета.

Методика исследований. Теоретические и экспериментальные исследования проведены на основе общих положений

проведения научно-исследовательских работ с использованием стандартных методик. Результаты исследований обработаны с помощью методов математической статистики с применением вычислительной техники.

Научная новизна. Теоретически и экспериментально установлена целесообразность совершенствования процэсса метанового сбраживания путем предварительной стабилизации исходного материала по гранулометрическому составу.

Проведен сравнительный анализ устройств для предварительной обработку исходного материала в системах метанового сбраживания и обоснован выбор фильтрующей центрифуги для этой.цели.

Теоретически и экспериментально установлены:

- динамика движения навозной массы в фильтрующей центрифуге;

- формула скорости движения фильтрата по наружной поверхности барабана;

- величина полного давления обрабатываемой массы на поверхность осадка;

- формула скорости частиц массы при движении к фильтрующему слою;

- функциональная зависимость скорости фильтрования обрабатываемой массы от гидравлического сопротивления фильтрующего слоя, решетки и наружного слоя фильтрата.

Разработана методика инженерного расчета фильтрующей центрифуги, предназначенной для стабилизации исходной массы по гранулометрическому составу перед сбраживанием.

Практическая ценность работы. Предложен метод интенсификации и повышения надежности процесса метанового сбраживания с.-х. отходов, позволивший получить годовой экономический эффект от его внедрения в размере 1958 рублей применительно к биогазовой установке с объемом реактора 10 м3. Главной составляющей экономической эффективности является сокращение в 2,1 раза капитальных затрат на создание биогазовой установки.

Реализация результатов исследований. По результатам исследований разработана, изготовлена, смонтирована и прошла хозяйственные испытания на птицефабрике "Центральная" Владимирской области биоэнергетическая установка с предварительной подготовкой исходного помета по гранулометрическому составу посредством фильтрующей центрифуги.

Предложенная методика инженерного расчета фильтрующей центрифугй использована при разработке 'конструкторской документации и изготовлении опытных образцов "центрифуг для комплекса ло откорму КРС АО "Лакинское" и АОЗТ "Центральная" Владимирской обл.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены на Международной научно-технической конференции "Проблемы механизации и автоматизации животноводства" (ВНКИМЖ апрель 1998г.) и секции ученого совета ВИЭСК. Изготовлено и поставлено в хозяйства страны 15 фильтрующих центрифуг.

Публикация результатов исследований. Основное содержание диссертации опубликовано в 4 работах, в т.ч. г? один патент на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Изложена на _ страницах машинописного текста, включает _ рисунков и _

таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе "Состояние вопроса подготовки навоза к сбраживанию и задачи исследований" констатируется, что использование навоза и помета непосредственно в качестве удобрений или сброса в водоемы невозможно из-за, их засоренности болезнетворными микроорганизмами, гельминтами, семенами сорных растений и др.

Одним из эффективных методов обработки навоза является метод метанового сбраживания с получением биогааа и жидких органических удобрений.

Значительный вклад в развитие исследований процесса метанового сбраживания сельскохозяйственных отходов внесли учёные: Г.Д. Ананиашвили, Т.Я. Андрюхин, .. Л.И. Гюнгер, Г.А. Заварзин, Н.Г. Ковалев, А.Н. Ножевникова, Е.С. Пан-цхава, П.И. Гриднев, A.A. Ковалёв, В.П. Лосякрв, P.A. Мельник, В. П. Павличенко, В.И. Бородин, А. Г. Пузанков, О.П. Смирнов, В.К. Шрамков, В.Д. Савин и др., а также зарубежные ученые: В. Баадер, В. Доне, М.Е. Беккер, Н. Лат-тинга.

На основании работ, указанных авторов разработаны требования для наиболее эффективного процесса сбражива-

ния, одним из положений которых является- необходимость отделёния посторонних неорганических включений-из отходов животноводства^ поступающих на анаэробную переработку. К таким включениям относятся: пух, перо, щетина и др. и частицы более 1 мм, которые не только не участвуют в процессе брожения, но и тормозят его.

В этой связи был проведен анализ технических средств и способов для удаления посторонних включений и составлена классификация технологий и оборудования для предварительной обработки навоза и помета, которые могут быть использованы в системах метанового сбраживания.

Как показал анализ: -:

ОТСТрЦгШКОО

Технология с использованиеьГунеприемлема из-за низкой эффективности сбраживания осветленной фракции с обедненной органикой и наличия посторонних включений в осадке.

Технология с использованием измельчителей требует значительных затрат энергии, которые превосходят полученную энергию в виде биогаза.

Технология позволяющая удалить посторонние включения с помощью центрифуг, виброгрохотов, прессов и др.

Установлено, что аиболее приемлемым и эффективным техническим решением является отделение посторонних включений с помощью фильтрующей центрифуги.

Однако, существующие центрифуги не выполняют требования, предъявляемые к исходному навозу при сбраживании, поскольку они не обеспечивают удаление посторонних включений с одновременным сохранением максимального количества органических веществ в навозе.

На основании анализа известных технических решений для разделения навоза была выбрана фильтрующая центрифуга вертикального исполнения.

В этой центрифуге фильтрующий барабан, закрепленный неподвижно, с рабочим органом - ротором с лопастями образуют камеру разделения. Физические процессы, происходящие в ней достаточно хорошо изучены.

Однако, как показал анализ на эффективность разделения сред большое влияние оказывают также процессы, происходящие в камере приема жидкой фракции, которые до настоящего времени не исследовались.

Исходя из вышеуказанных положений определена цель и сформулированы основные задачи исследований диссертационной работы.

Во второй главе "Теоретический анализ рабочего процесса в центрифуге" изложены результаты теоретических исследований процесса разделения жидкого навоза, определены основные закономерности движения фильтрата по наружной поверхности барабана в камере приема жидкой фракции, приведены теоретические рекомендации по выбору и обоснованию предлагаемых технических решений, направленных на повышение эффектвности работы центрифуги.

Для описания движения фильтрата по наружной поверхности барабана использованы дифференциальные уравнения Навье-Стокса.

С учетом принятых допущений составлено уравнение

дт г дг у.

После решения этого ' уравнения получаем зависимость для определения скорости фильтрации

К, = —V, м/с ■ 2 АМ '

где р - плотность навоза, кг/м3

ц - динамическая вязкость навоза, [кГс]/м2

г - радиус отверстия фильтровальной решетки барабана,

М.

Движущей силой фильтрации является разность давления на поверхности осадка и давлением фильтрата (ДР), стекающего по наружной поверхности барабана. Для ее определения получено выражение

д-гДкГ1, кг/см2 (2)

Е

где т - угловая скорость ротора, 1/с

г1г ^соответственно малый и большой радиусы лопастей, м Тогда скорость частиц исходной массы, с которой они подходят к осадку будет равна

Г = м/с (Э)

Для уточнения зависимостей и установления эмпирических коэффициентов применительно к разделению навоза и помета были проведены экспериментальные"исследования.

На основании выполненных исследований были обоснованы технические решения, направленные на повышение эффективности работы центрифуги, определено, что наиболее эффективным является горизонтальное исполнение фильтрующего барабана, схема подачи исходного навоза и удаление твердой фракции в барабане и из него изображены на рис. 1 и Э-

г

Твердая фракция

Рис. 1. Схема подачи исходного навоза и удаление твердой фракции в барабане

Установлено, что угол скоса лопастей на входе равен

К

агх=аг^—, град. (4)

а

где - высота лопасти, м

а - расстояние от входного патрубка до фильтрующей сетки барабана, м

Исходный навоз

Рис. 2 Схема экспериментального образца горизонтального варианта центрифуги

1 - электродвигатель, 2 - выход жидкой фракции, 3 - камера приема жидкой фракции, 4 - вход исходного навоза, 5 - фильтрующий барабан, 6 - ротор, 7 - наружный корпус, 8 - выход твердой Фракции, 9 - корпус наружный, 10 - лопасти

Угол допустимого скоса лопастей на выходе твердой фракции

К

= агс1% , град. (5)

где Ъ.г - ширина кольца фильтрующего барабана, м

Требуемый угол наклона кожуха определяется выражением

где £ - коэффициент трения материала.

В третьей главе "Исследование центрифуги с горизонтальным барабаном" приведена программа, методика исследования и схема экспериментального образца рис.2.

В программу экспериментальных исследований входило:

- определение влажности навоза до и после разделения его на фракции,

- измерение сопротивления слоя, стекающего по наружной поверхности барабана,

- определение производительности и потребляемой мощности .

На рис. 3 представлены экспериментальные зависимости потребной мощности от производительности центрифуги при заданной влажности исходного навоза.

Полученные зависимости алроксимировали уравнением полук-вадратической параболы

м = к ^¡д,

где К= 3, 1

кВт/[м3/ч2] расчетный коэффициент

Теоретическая кривая нанесена пунктирной линией . Сходимость

15

15

14

13

И 12 СЗ

И И

г ю

9 8 7 6

33% /

<

А <1 Л1 =9: %

у ч

< < у/

/ г

У, /

>

О, куб.м/ч

_ — Экспериментальная кривая

--- - Теоретическая кривая

Рис. 3 Зависимость потребной мощности ог производительности центрифуги (горизонтальный барабан)

результатов теоретических и экспериментальных данных находится в пределах 8...10 4.

На рис. 4 приведена зависимость производительности центрифуги от влажности (вязкости) исходного навоза при одной и той же погребной мощности.

Эта зависимость может быть представлена в виде

м

(7)

где #=27,5-10"4 кГм - расчетный коэффициент.

Сходимость теоретических и опытных данных находится в пределах

15...20

8 ц, (кг/м2)с Й'3

-- - Теоретическая кривая

- Экспериментальная кривая

1 - Вертикальный вариант

2 - Горизонтальный вариант

Рис.4 Зависимость производительности центрифуги от влажности (вязкости) исходного навоза N=15 кВт

На рис. 5 представлена экспериментальная зависимость

сопротивления фильтрующей решетки и наружного слоя от

производительности центрифуги. Из анализа' следует, что

нервного

гидравлическое сопротивление фильтрованию решетки"иуслоя

на барабане при горизонтальном варианте центрифуги снижается в среднем на 25...30 %.

15

% «5

^ 5 |

|

- 2 !

1

5 !

! 1

0„, м'/с 1СГ3 Рис. 5 Зависимость секундного прохождения массы через решетку и наружный слой на барабане от варианта центрифуги

1 - Вертикальный барабан

2 - Горизонтальный барабан

Установлено, что угол скоса лопастей должен быть не более 30°. При этом происходит плавное нагружение лопастей навозной массой.

Установлено, что угол скоса лопастей на выходе

твердой фракции должен находиться в пределах 60...75°.

Теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать методику инженерного расчета фильтрующей центрифуги в горизонтальном исполнении.

На основе этой методики изготовлен и испытан опытный образец центрифуги на навозе КРС, свином наЕозе и птичьем помете.

Полученные данные испытаний свидетельствуют о зысокой эффективности работы центрифуги.

В четвертой главе "Испытание центрифуги при работе в биоэнергетической установке" дано описание биоэнергетической установки с объемом реактора 10 м3, приведена программа и методика исследования и результаты.

Экспериментальный образец центрифуги испытывался системе метанового сбраживания на птицефабрике "Центральная" Владимирской области.

Технологический процесс переработки заключался в следующем. Исходный помет из приемной емкости подавался фекальным насосом .на центрифугу. Далее жидкая фракция, освобожденная от посторонних включений и стабилизированная по гранулометрическому составу (размер включений не более 0,8 мм подавала« в метантенк для ее сбраживания.

В программу испытаний входило определение динамики выхода биогаза при сбраживании исходного помета влажностью 92 % и 94 % и определение динамики выхода биогаза при сбраживании жидкой фракции помета после центрифуги влажностью 94 %.

Результаты испытаний показали, что при использовании разработанной центрифуги для предварительной обработки исходного сырья обеспечивается интенсификация процесса сбраживания в 1,9 раза (рис. 6).

даосд,я'^шос|'»ко«зэосд';з',чОаэо «г '.о

И. НИ<ЧН СМ «Т*»''»

Время, сут.

По результатам испытании на птицефабрике "Центральная** владимирскои области со 2.06.97 р. по 20,07.57 п.

Рис.6 Динамика выхода биогаза при сбраживании исходного помета или жидкой фракции после центрифуги (Биоэнергетическая установка с объемом реактора 10 м3)

Сравнительный технико-экономический анализ показал, что годовой экономический эффект составляет 2000 рублей применительно к установке с объемом реактора 10 м3.

Основные выводы и предложения

1. В существующих системах метанового сбраживания подготовка исходного сырья осуществляется в основном, путем его нагрева и гомогенизации.

Стабилизация исходной массы по гранулометрическому составу и влажности значительно повышает надежность и интенсивность процесса анаэробного сбраживания.

2. Из существующих устройств, обеспечивающих стабилизацию исходного сырья по гранулометрическому составу и влажности, наиболее полно подходят фильтрующие центрифуги.

Отсутствие исследований'- по определению параметров процессов, происходящих в зоне камеры приема жидкой фракции фильтрующей центрифуги, не позволяет в настоящее время создать высокоэффективную центрифугу для их использования в системах метанового сбраживания.

3. Проведенные теоретические и эксплуатационные исследования позволили установить основные функциональные зависимости скорости фильтрования обрабатываемой массы от гидравлического сопротивления, на основании которых был разработан опытный образец фильтрующей центрифуги.

4. На основании этих исследований разработана методика инженерного расчета фильтрующей центрифуги.

5. Результаты испытаний данного образца в хозяйственных условиях показали:

- центрифуга обеспечивает разделение жидкого навоза КРС, свиного навоза и птичьего помета на фракции,

- влажность твердой фракции достаточно стабильна 7 57 6 при этом влажность жидкой фракции составляе^^§Т5%.

6. Использование в качестве исходного субстрата стабилизированной по гранулометрическому составу жидкой фракции интенсифицирует процесс метанового сбраживания в 1,9 раза и обеспечивает надежную работу биогазовой установки.

7. Расчетный годовой экономический эффект от использования предложенной технологии с предварительным удалением посторонних включений для метантенка с объемом 10 м3 составил 1953 руб. Главной составляющей экономического эффекта является снижение в 2,1 раза металлоемкости комплекта оборудования биогазовой установки.

Основные содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Орлов И.Г., Савин В.Д., Шрамков В.М. Самоочищающаяся центрифуга. // Изобретатель и рационализатор, 1996, »6, с.12.

2.Орлов И.Г., Савин В.Д., Шрамков В.М. Центрифуга для разделения жидкого навоза и помета. // Механизация и электрификация с.-х., 1996, 1?6, с. 11-12.

З.Орлов И.Г. Ищенко П.П., Савин В.Д., Лфамков В.М., Кошкин Н.Л. Центрифуга, патент на изобретение по заявке 1? 95100885/26/001808 от 20.01.95 г., Бюллетень изобретений, №12, 1997.

4.Орлов И.Г. И др. Опытно-промышленная биоэнергетическая установка для переработки с.-х. отходов. // Теплоэнергетика, 199Ь, ,53 1в печати).