автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Разработка технологии получения биогаза для малоэнергоемких объектов отгонно-пастбищного животноводства

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ВИЭСХ)

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА ДЛЯ МАЛОЭНЕРГОЕМКИХ ОБЪЕКТОВ ОТГОННО-ПАСТБИЩНОГО ЖИВОТНОВОДСТВА

Специальность 05.20.01 - механизация сельскохозяйственного производства

ОД

1 -

На правах рукописи

ОСМОНОВ Орозмамат Мамасалиевич

АВТОРЕФЕРАТ

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 1994

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

Научный руководитель - кандидат технических наук,

старший научный сотрудник А.А.Ковалев

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

старший научный сотрудник А.В.Голубкович, - кандидат технических наук, старший научный сотрудник П.И.Гриднев Ведущая организация - АО ВНИИКОМЖ

Защита состоится «¿¿» г. в '(О ч.

на заседании специализированного совета К 020.15.01 по присуждению ученой степени кандидата технических наук во Всероссийском научно-исследовательском институте электрифи -кации сельского хозяйства по адресу: 109456, Москва, 1-й Вешня-ковский проезд, дом 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВИЭСХа.

Автореферат разослан «сМо » г.

Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических на\ старший научный сотрудник .Молоснов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность .теш. В последние годы большое значение преобретают проблемы использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии для нужд энергоснабжения различных объектов, из-за постоянно растущзго дефицита традиционных тошшшо-энергетических ресурсов (утоль, нефтепродукты и т.д.)'и значительного повышения себестоимости их добычи и транспортировки.

Объекты отгонно-пастбавдого животноводства (чабанские бригады и т.п.) при решении вопросов энергоснабжения быта (приготовление пищи, получение горячей воды на бытовые нужды и т.д.) испытывают острую потребность в топливных материалах, завозимых, как правило, из удаленных баз. При этом объекты отгонного животноводства характеризуются относительно небольшой потребляемой модаостью применяемого бытового технологического оборудования, что предопределяет широкое использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии, в том числе биогаза, получающегося в процессе анаэробной конверсии органических отходов.

Использование биогаза в объектах отгонного животноводства позволит обеспечить энергоснабжение быта зивотноводов, сокращает потребности в привозном дорогостоящем топливе. Помимо энергетических, немаловажное значение имеют экологические аспекты получения биогаза из отходов,,

Однако, до настоящэго времени применительно к условии отгонных пастбищ процесс получения биогаза путем анаэробного обра-кивания органических отходов недостаточно изучен. В разработанных и применяемых блогазовых установках для подогрева сбраживаемой биомассы используются внешне источники энергии (электрической, тепловой и т.д.), которые в условиях отгонных пастбищ зачастую отсутствуют.

Исходя из этого наш предложена технологическая схема получения биогаза на установке, в которой для подогрева сбраживаемой биомассы используется тепло аэробного разложения навоза животных и других органических отходов.

Биогазовая установка используюадя тепло аэробного разложения органических отходов дает возможность получения биогаза для бытовых нужд малоэнергоемких объектов отгонно-пастбипного животноводства за счет местных возобновляемых источников энергии.

Данная работа выполнена в соответствии с научно-технической программой ВИЭСХ на 1992-1995 г.г. (ГОСЗАКАЗ Россельхозакадемии) 08."Новые источники энергии", раздал 08.2."Обосновать и разработать технологию и технические средства автономного энергоснабжения пастбищного и отгонного скотоводства без применения внешних источников энергии".

Цель настоящей работы - разработка технологии и установки для получения биогаза для малоэнергоемких объектов отгонно-паст-бищного животноводства.

Объект исследования. Исследования проводились на лабораторных и экспериментальных установках с использованием навоза крупного рогатого скота в лаборатории биоэнергетических установок ЕЕЭСХа и в ЛШ "Конитантаково" Раменского района Московской области.

Методика исследований. Теоретические и экспериментальные исследования проведены на основе обэдх положений проведения научно-исследовательских работ с использованием стандартных методик и методических указаний. Результаты исследований обработаны с помочью методов математической статистики с применением вычислительной техники.

Научная погнана. Новизной обладают следетацие результаты:

- технологическая схема пачучеиия биогаза с использованием тепла аэробного разложения бшлассы и техническое решение биога-ловой устздовки дет ее осукзстятеаия. '¡оьиана технического уоие-

ния защищена решением о выдаче Патента РФ на изобретение от 17.10. 1994 г. по заявке Й93-003823/26/004103;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса получения биогаза с использованием тепла аэробного разложения биомассы;

- методика инженерного расчета биогазовой установки для малоэнергоемких объектов оттонно-паотбищного животноводства.

Практическая ценность. Разработанная технологическая схема и установка для получения биогаза в условиях отгонных пастбищ, позволит обеспечить энергоснабжение быта животноводов и сократить потребности в привозном дорогостоящем топливе, а также снизить загрязнение окружающей среда отходами животноводства.

Реализация результатов исследований. По результата}.! исследований разработаны рекомендации по изготовлению биогазовых установок для малых фермерских к приусадебных хозяйств.

Полученные результаты исследований переданы в государственное научно-шсдренческое предприятие 1.Г11 "Эколог", г.Москва для изготовления биогазовых установок предназначенных к применению в условиях оггонно-пастбищного яи вот оводе тва; изготовлен экспериментальный образец установки.

Апробация работа. Осноише материалы диссертации доложены на Международном симпозиуме "Нетрадиционная энергетика-проблемы, состояние и перспективы" (сентябрь, 1994 г., г.Бишкек); на научно-практическсй кон£ерекгг:-: Теучкс-тезш.'.'-г:;:•:Г. ;сгресо в нн:«енериоЛ с£ере АПК Рсссн.:" (октябрь, 1994 г., г.Москва); на Ме-эдшародаой научно-тсхничеоко2 конференции по вопросам развития механизации, электрификации и азтоглту.аагдп сельскохозяйственного производства в условиях рыночных отношений (ноябрь,1994 г.,п.Глеваха Киевск.обл.).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 6-и работах, в том числе в 2-х изобретениях но полученух> бкогаза

- 6 -

из органических отходов животноводства.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Изложена на 156 страницах машинописного текста, включает 34 рисунка и 9 таблиц. Список использованной литературы включает 135 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш, дана краткая характеристика рг.йотя и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе "Состояние воцроса, цель и задачи исследований" дан краткий анализ условий производства биогаза на отгонных пастби-иах. Отгонные паотбшщ обычно распологаются в местах удаленных от систем централизованного энергоснабжения, где нет традиционных шеш-них источников энергии необходамс для осуществления процесса анаэробного сбраживания: напоза с получением биогаза. Проанализированы современные технологии получения биогаза с использованием местных возобновляемых источников энергии и поставлены цель и задачи исследований.

Значительны'! вклад в развитие исследований по анаэробному сбраживанию и аэробному разложению отходов животноводства шеата ученые: Г.Д.Ананиашвили, В.Н.Афанасьев, Л.И.Гкнтер, Г.А.Заварзин, Н.Г.Ковалев, Е.С.Панцхава, Л.Г.Прищзп, И.К.Глазков, П.И.Гриднев, С.Д.Дурцыбаеп, А.А.Ковалев, В.П.Лосяков, А.Н.Ножевникова, Л.Г.Пузанков, В.М.Ырамков, В.Н.ТУваев, С.А.Цветков и др., а также зару-белшо уч :ии;: Г.Лаадер, М.Е.Ьекср, Е.Доне, А.П.Гринберг, РЛёр, М.Степш и

Анализ работ шющжведенньх ученых показал, что при наличии навоза ливотних н оЛек ^ мш соотвстстнуюгщк условий анаэробного метанового сбранмвания предпосылки для поучения биогаза на отгон-

ньпс пастбищах гыегтся. Современяьв технологии получения баагаза из навоза животных основаны исключительно на метантанках, иыео-тах светец/ подогрева ййсмассы за счет шешних источников энергии.

На основе анализа патентной литературы и обобщзния опыта эксплуатации современных биагазовнх установок с автономными источниками теплоснабжения предложена технологнчвсккя схема получения стаза на установке, использувщэй для подогрева сбраживаемого навоза тепло аэроСйого разложения йюыассы (рис. I).

Ноц> на инкагоут&аа

ЖЮапшх

í<

' « о-

б и* га}

сгроженкчи е^сТрат

Рис.1. Технологическая схема получения биогаза для малоэнергоемких объектов отгоняо-тастбиздого животноводства: 1-место ночного отдыха животных (загон); 2-емкость для приготовления смеси твердого навоза; 3-емкость для приготовления шютого навоза; 4-изтантенк; 5-мешалка; 6-аэробнып ферментер; 7-оатрубок отбора бяогаза; 8-теплоизоляция; 9-воз-духояувка.

Согласно представленной схеме, навоз, накопленный в местах ночного отдыха животных, предварительно подготавливается: - для анаэробного сбраяивания - разбавляется водой;

- для аэробного сбраживания смешивается с наполнителей (солома, трава и высупвнный на солнце навоз).

Жидкий навоз подается в метантенк 4, а сгущенный - в ферментер 6. Одновременно в этот ферментер подается воздух при помоги воздух одувки 9 и навозная масса саморазогревается за счет биохимического окисления органического вещества навоза до температуры 50...60^3. Тепло этой биомассы служит для подогрева жидкого навоза в ыетантенке 4. В результате этого в метантенке происходит процесс анаэробного сбраживания навоза с выделением биогаза, который удаляется через патрубок 7 и в дальнейшем используется для бытовых нужд животноводов.

Исходя из результатов анализа и в соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

- выполнить теоретические исследования по обоснованию основных параметров Сйогазовой установки с использованием тепла аэробного разложения биомассы;

- выполнить экспериментальные исследования по определению оптимального состава твердого навоза в аэробной ферментере, коэффициента теплообмена между аэробным ферментером и ме'гштенкоы и ин-теазив'.озги газовыделения при анаэробном сбраживании навоза с использованием тепла аэробного разложения биомассы;

- на основе выполненных исследований разработать методист инженерного расчета биагазовой установки для ыалоэнергсехлких объектов отаонно-пао^бкпяого животноводства и определить её эконаличес^ю эффективность.

Во второй главе "Теоретические исследования по обоснованию основных параметров биогазовой установки" в соответствии с поставленной задачей были получены зависимости, позволяющие определить основные параметры установки, исходя из услошй эффективного снабжения бкогазом конкретного объекта отг-онно-пастбипцого животноводства.

Обоснование параметров бяогазовой установки проводится с учетом того, что установка должна обеспечивать потреСйости в биогазе на бытовые нужды объекта отгонного животноводства (рис.2).

Необходимый объем метантанка для жидкого навоза, при анаэробном сбраживании которой выделяется потребное количество биогаза определяется по зависимости

(I)

где суточная потребность в биогазе на бытовые нужды кон-

кретного объекта отгонного животноводства, м3/сут;

р - коэффициент объемного расширения сбраживаемого навоза (значения этого показателя экспериментально определены исследованиям к.т.н. П.И.Гриднева), д.е.;

и1г- скорость газовыделения с единицы объема сбраживаемого навоза, определяемая экспериментальным путем для каждой конкретной биогазовой установки, м3/м3-сут.

Количество тепла, выделявдеся при аэробном разложении твердого навоза в аэробном ферментере, за единицу времени,составляет

rae Hf - соответственно, радиус и высота аэросксго ферментера установи, к;

j>w - плотность смеси твердого навоза, кг/м3;

Ор| - удельное количество tensa, виделяюсреся за единицу времени, при аэробном разложении I кг беззольного вецэства твердого навоза в ферментере, Дх/кг.

Полезное количество тешга, переданное за его время от саморазогреваемой смеси твердого навоза через стенки ферментера х гадкому навозу в метантенке определяется следугвдм уравнением теплопередачи

Q^n QxÑfH^KTJc , До)

где Кт~ коэффициент теплообмена междг саморазогреваемсй смесью твердого кчвоза в аэробном ферментере я жидким навозом в метан тенке,

ii- средний температурный напор (разность начальник значений температур смеси твердого навоза и жидкого навоза в рас-т сматриваемыЗ период времени), К;

€- продолжительность процесса теплообмена (рассматриваем^ период времени), с.

После совместного решения уравнений (2) и (3), получена следующая зависимость для определения ;»дпуса аэробного ферментера установки

Р . S^dü м (4)

Гля оптаальних значений влажности смеси твердого навоза (при которых достигаются максимальные тешературы саыоразarpe валия с наибольшим наделением -гиилл), определяемых экспериментальны! путем, соотоетстпует определенное значение максимальной высоты укладки смеси "H^J. Пол этой высот*. вся смссь а фермент«!» З/Дет насшепа позлухом, KOTupuíi необходгл дш обеспечтмя кяилородоы аэробного

процесса окисления органического эещвства навоза.

Исходя из этого устанавливается значение высоты ферментера установки:

(5)

Объем ферментера для твердого навоза, при аэробйом разложении которого выделяется потре&ов количество тепла на поддержание необходимого теплового режима биогазовой установки, составит

Высота камеры анаэробного сбраживания.(ыетантенка) "Э^" может быть принята равной (не больие) высоте аэройюго ферментера:

*жт « м- (V)

При известном объеме ыетантенка определяемого по фор-

муле (I), зависимость для определения радиуса ыетантенка биогазовой установки галеет следгщий вид

й^/а^Г,-. (8)

Как следует из анализа полученных зависимостей, для их црак-таческого применения необходимо экспериментально определить оптимальное значение влажности смеси твердого навоза , при которой достигается максимальная температура саморазогревания смеси; коэффициент теплообмена между аэробным ферментером и метан те нк ом "кт"; скорость газовыделения "Мц" при анаэробном сбраживании навоза с использованием тепла аэробного разложения биомассы.

В третьей главе "Экспериментальные исследования процесса получения биогаза с использованием тепла аэробного разложения* пред-

ставлены программа и методики исследований; приведены результаты экспериментальных исследований и их анализ.

Результаты исследований бнотермического аэробного разложения смесей твердого навоза в ферментере приведены на рис.3.

1;с

/у / / Ч X

У' ч,

——А- 5 - 3 5——^

¡ш/ Щ (г Ч Л

я

40

30

V

10

15

20

25"

50

Рис.3. Зависимости изменения температуры саморазогревания смесей твердого навоза от щюдолштельности аэробной обработки: I- 67,43$; 2- 1*4.= . \35$; 3-ЦМ= 78,315?;

71,05$; 5-К„= 56,94%.

Анализ подученных данных (рис.3) показывает, что наибольиее разогревание смеси (до 50...60°С) достигается при исходной влажности закладываемой в аэробный ферментер смеси- твердого навоза 69...70$. Период относительно стабильных высоких температур саморазогревания смесей твердого навоза длится 10...20 дней.

Для определения коэффициента теплообмена "кт" между аэробным ферментером и метантенком получены зависимости изменения температуры емеси твердого навоза в ферментере и жидкого навоза в метан-

тенке в определенный период времени обработки и степени разложения беззольного органического вещества смеси твердого навоза за этот период времени (рис.4).

3

V*

АО

50

го

ю

уа

ё

КГ

*0

&

Рис.4. Зависимости изменения температуры навоза в ферментере (а) и метантенке (б) и степени разложения беззольного вещества навоза в ферментере (в) от времени обработки.

На основе этих данных получена кривая коэффициента теплообмена "к " (рис.4 г) и её эмпирическая зависимость:

кт = 48,61 , ВтЛ^-К),

(9)

где Д^- разность начальных темпера 1ур твердого и .п да ого навоза в рассматриваемый период времени, ¡С.

Установлена зависимость интенсивности газовыделеккя при анаэробном сбраживании навоза с использованием тепла аэробного разло-лсенпя биомассы (рис.5).

Рис.5. Зависимость интенсивности газовьщеления от продолжительности сбражишзия навоза (влажность навоза 88,4...91,1%, зольность 18,2...21,5?).

Средаее значение скорости газовыделения с единицы объема сбраживаемого навоза составляет 0,78 м3 в сутки при 5^-ной дозе ежесуточной загрузки.

В четвертой главе "Применение результатов исследований" приведена методика инженерного расчета биогазовой установки для малоэнергоемких объектов отгонно-пастбшщого животноводства.

В качестве исходного показателя принимается суточная потребность в биогазе на хозяйственно-бытовые нужды конкретного объекта отгонно-пастбипяого животноводства (м3/сут).

Далее по приведенный зависимостям (1)...(9) определяются основные параметры биогазовой установки с использованием тепла аэробного разложения биомассы.

С целью проверки полученных результатов экспериментальный образец биогазовой установки испытывало« ьа кавозе крупного рогатого скота АПК "Константинове" Раменского района Московской о'ласти.

Испытания провожаюсь в летне-осенний период 1993-1994 г.г. При цроизводственнсй проверке средний удельный выход биогаза в установившемся режиме работы биогазовой установки составил 0,72 ы3 с единицы объема камеры сбраживания и су тми Средош степоиь раонгда

- 15 -

сухого органического вещества навоза, определенная расчетным путем по выходу биогаза составила около ЗС#.

Полученные данные свидетельствует о положительных результатах использования тепла аэросйого разложения биомассы дая проведения процесса анаэробного сбраживания навоза с получением биогаза.

Ожидаемый расчетный эффект от внедрения биогазовоЗ установки составит около I млн.руб. в год.

Основной составляющей эффекта является замещение биогазом традиционно используемых видов топлива (угля или нефтепродуктов).

ОСНОШШ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. На основе анализа суцестц/ющих схем производства биогаза

с использованием возобновляемых источников энергии предложена технологическая схема получения йиогаза на установке, использующей для подогрева сбраживаемого навоза тепло аэробного разложения биомассы. Новизна технического решения биогазовой установки защищена решением о выдаче Патента РФ на изобретение.

2. В результате теоретических исследований получены зависимости, позволяющие оцределить основные параметры биогазовой установки, исходя из условий эффективного снабжения биогазом конкретного объекта отгонного живота оводе тва.

3. В результате экспериментальных исследований установлено, что при аэробном разложении смесей твердого навоза в аэробном ферментере наибольшее разогревание смеси (до 50...60°С) достигается при исходной влажности эле'а 59.. .70%, период стабильно высоких темпорачур сыкразогревания со^танляет 10...20 дней.

4. Получена экпиричеекея зависимость для определения коэффициента теплообмена между аэробным ферментером и метантенком биогазовой установки кт = 48,61-^-, Вт/(и?«К).

5. Установлено, что при анаэробном обрамши« кидкего наво-

.за о использованием тепла аэробного разложения биомассы, среднее значение скорости газоввдзления составляет 0,78 м3 с едшицы объема сбраживаемого навоза в сутки.

6. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана методика инженерного расчета биогазовой установки для малоэнергоемких объектов отгонно-пастбшцного животноводства.

7. Разработан и испытан экспериментальный образец биогазовой установки в АПК "Константиново" Раыенского района Московской облает, при этом средний удельный выход биогаза в установившемся режиме работы установки состашл 0,72 м3/м3 объема кат,юры сбрачш-вания в сутки, средняя степень распада сухого органического вещества навоза составила около 30%.

8. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения биогазовой установки составит около I млн.руб. в год, основной составляющей эффекта является замещение биогазом угля или нефтепродуктов.

Основное содержание диссертации оцубликовкно в следующих работах:

1. Ковалев A.A., Осмонов О.М. Еиогазовая установка для малоэнергоемких объектов отгонного животноводства. //Инженерно-техническое обеспечение АПК. - М., 1994, JÄ3. - с. 15...16.

2. Осмонов О.М., Ковалев A.A., Ножевникова А.Н., Мельник P.A. Установка для производства биогаза. Решение о выдазе Патента РФ на изобретение от 17.10. 1994 г. по заявке й93-0038^/26/004103.

о. Осмонов O.I.I., Ковалев A.A. Биогазовая установка для фермерских хозяйств.//Сельский механизатор. - М., 1994, ßll. -с.26.

4. Осмонов О.М., Ковалев A.A. Установка для производства биогаза. Положительное решение экспертизы от II.05.94г. по заявке J594-001948/26/001817 от 20.01. 1994 г.

5. Стручалинз Т., Осмонов 0., Макаренко К., Литовченко И. Биогазовая технология: чисто и выгодно. //Сельское хозяйство Кыргызстана. - Фрунзе, 1991, И 2. - с.17.

6. Осмонов О.М. Рекомендации по изготовлению биогазовых установок для малых фермерских и приусадебных хозяйств. //Альманах "Сделай сам". - М., изд-во "Пресса" (в печати).