автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование биогазовых установок для производства удобрений из навоза КРС

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧН-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРИФИКАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ГНУ ВИЭСХ)

На правах рукописи

ЧЕРНЫШОВ Анатолий Анатольевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА УДОБРЕНИЙ ИЗ НАВОЗА КРС

Специальность 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского

хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена во Всероссийском научно- исследовательском институте электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор

Ковалёв Александр Андреевич Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор

Цой Юрий Алексеевич

кандидат технических наук Денисов Валерий Александрович

Ведущая организация: Закрытое акционерное общество «Экология России» (ЗАО «ЭКОРОС»).

«

Защита диссертации состоится «/у » ^Ст^ьСРуХ 2004г. в 10 ч. на заседании диссертационного совета Д 006.037.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте

электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: 109456 Москва, 1-й Вешняковский проезд, дом 2.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 109456, Москва, 1-й Вешняковский проезд, д. 2.

Телефон: (095) 171-19-20 Телефакс: (095) 170-51-01 E-mail: viesh@dol.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВИЭСХ.

<Ж> ияЛ^Ц

Автореферат разослан 2004г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Анаэробная обработка в биогазовых установках является одним из эффективных методов обработки органических отходов сельскохозяйственного производства. Однако, проведенные исследования показали, что общим недостатком известных биогазовых установок с непрерывным режимом сбраживания является тот факт, что процесс движения каждой частицы сбраживаемой массы вместе с пузырьками образующегося по всему объему метантенка биогаза от начала его поступления в метантенк до выгрузки ничем не регулируется, а время пребывания частицы в реакторе устанавливается только в зависимости от принятого режима мезофильного или термофильного, без учета скорости движения газожидкостной массы по высоте метантенка.

В таких установках практически всегда происходят проскоки несброженной и необеззараженной массы вместе с массой готового удобрения, выгруженного из метантенка. Поступивший, как правило, в нижнюю часть метантенка жидкий навоз подвергается флотационному воздействию пузырьков биогаза, образующихся по всему объему метантенка, который пузырьки флотируют к месту выгрузки за малый промежуток времени, за который он не может достаточно разложиться и обеззаразиться. В результате этого снижается эффективность девитализации семян сорных трав и возникает возможность повторного заражения сброженной массы оставшимися неотработанными гельминтами в периоды её хранения.

Цель настоящей работы- совершенствование биогазовой установки, способной удерживать необработанные частицы биомассы путём установки в реактор направляющих конусов, что позволит полностью обеззаразить органическое удобрение в соответствии с зоотехническими требованиями.

!'1)С. или НО НА ЛЬ НАЛ БИБЛИОТЕКА

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

разработать техническое предложение по совершенствованию метантенков применительно к условиям производства органических удобрений,

провести теоретические исследования по обоснованию угла наклона плоскостей образующих конусов и их количество, разработать лабораторную установку и провести на ней экспериментальные исследования по определению наиболее эффективного угла наклона направляющих конусов для получения полностью обеззараженных органических

удобрений,

разработать методику инженерного расчета усовершенствованного метантенка для анаэробной обработки навоза,

создать опытно-производственный образец биогазовой установки и провести его испытание в хозяйственных условиях, определить технико-экономическую эффективность усовершенствованной биогазовой установки для производства удобрений.

Объектами исследований являлись лабораторный образец биогазовой установки, а также технологическая линия метанового сбраживания навоза КРС.

Методика исследований. Теоретические и экспериментальные исследования проведены на основе общих положений проведения научно-исследовательских работ с использованием стандартных методик, а также разработанной частной методики для определения скорости подъема пузырьков биогаза в сбраживаемом

навозе. Результаты исследований обработаны с применением вычислительной техники.

Научная новизна. Теоретически и экспериментально установлена целесообразность совершенствования метантенка с применением направляющих конусов, обеспечивающих удержание необработанной части удобрения.

Для этого была разработана математическая модель, которая позволила установить основные закономерности движения флотируемой биомассы в метантенке:

скорость свободного вертикального подъема флотируемой биомассы,

скорость движения флотируемой массы по направляемой наклонной плоскости конуса,

угол необходимого наклона образующей поверхности конуса к горизонтальной плоскости,

размеры направляющих конусов и их количество в метантенке, материальный баланс абсолютно сухого вещества ( а.с.в.) в процессе сбраживания навоза.

Полученные зависимости были проверены на разработанной модели и реализованы на опытно-промышленной биогазовой установке.

Практическая ценность работы. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили создать биогазовую установку и провести еб испытания в производственных условиях. Реализация результатов исследований. По результатам исследований разработана, изготовлена и находится в эксплуатации на животноводческой ферме КРС ГУП ПНО «Пойма» Московской области биогазовая установка производительностью 6,5 тонн жидких удобрений в сутки.

Установка запатентована (патент № 2234829 от 27.08.2004г.)

На защиту выносятся:

1.Функционально-технологическая схема метантенка с направляющими конусами.

2.Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов движения флотации сбраживаемой массы в метантенке с коническими направляющими потока газожидкостной среды.

3.Методика инженерного расчёта усовершенствованной биогазовой установки для производства удобрений из навоза КРС.

4.Результаты полевых испытаний и технико-экономическая эффективность опытно-промышленного образца биогазовой установки, построенного в ГУП «ПНО ПОЙМА», эффективность его использования в хозяйственных условиях.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены на техническом совещании специалистов во ВНИКОМЖе г. Москва и в ВНИПТИОУ г. Владимир и на международных научно-технических конференциях , Москва ГНУ ВИЭСХ и ВНИИМЖ г. Подольск.

Публикация результатов исследований. Основное содержание диссертации опубликовано в б работах, в том числе один патент.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка используемой литературы и приложений, изложена на 114страницах машинописного текста, включает 25 рисунков и 19 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

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

В первой главе «Состояние вопроса производства удобрений из жидкого навоза и задачи исследований» констатируется, что наиболее полно вопросам производства жидких органических удобрений с точки зрения агрохимических, санитарных, энергетических и экологических требований, отвечает переработка навоза биогазовыми установками в анаэробных условия.

Значительный вклад в развитие исследований процесса метанового сбраживания сельскохозяйственных отходов внесли ученые:

Амерханов Р.А., Андрюхин Т.Я., Ананиашвили Г.Д.,Архипченко И.А., Афанасьев В.Н., Бородин В.И., ГридневП.И., Гришаев И.Д., Гюнтер Л.И., Денисов В.А., Дурдыбаев С.Д., Заварзин Г.А., Зуев В.А., Коваленко В.П., Ковалёв Н.Г., Ковалёв А.А., Лосяков В.П., Мельник Р.А., Мбрзлая Г.Е., Ножевникова А.Н., Панцхава Е.С., Пузанков А.Г., Савин В.Д., Тарасов СИ., Харламов Е.П., Цой Ю.А., Черепанов А.А., Шрам ков В.М. и др., а также зарубежные учвные: Баадер В., Беккер М.Е., Дубровские В., Леттинга Н., Маслич В.К., Павличенко В.П., Смирнов О.П., Упит А.А., Федотов М.В., Ягудин Л.М.

Существующие в настоящее время биоэнергетические установки рассматриваются, как возобновляемый источник энергии и предназначены, в основном, для производства биогаза и удобрений.

Установлено, что наиболее распространенными для производства удобрений из жидкого навоза КРС влажностью

89%-92%, являются биогазовые установки с реакторами полного смешивания в метантенках, которые недостаточно полно обеспечивают обеззараживание от гельминтов и обезвреживание от семян сорных трав поступающего навоза (до 95%). Эти недостатки можно устранить если встроить в метантенк направляющие конусы, удерживающие поступающий инфлюент от быстрого флотирования к месту выгрузки.

В предлагаемой конструктивной схеме метантенка, представленной на рис.1, приняты следующие обозначения: 1-камера сбраживания, 2- система ввода исходного материала, 3-система удаления сброженного навоза, 4- газовая камера, 5-

направляющие конические поверхности.

Биогаз

Рис. 1. Принципиальная схема метантенка.

Согласно представленной схемы навоз с фермы подаётся в нижнюю часть метантенка и далее по наклонным поверхностям движется вверх. По мере движения масса обеззараживается и движется к месту выгрузки. Применение этой схемы метантенка с направляющими конусами даёт возможность увеличить время пребывания частиц в метантенке и обеспечить получение органических удобрений нужного качества.

Исходя из этого, определена цель и сформулированы основные задачи исследований диссертационной работы.

Во второй главе «Теоретические исследования процесса сбраживания навоза в новом метантенке » изложены результаты теоретических исследований процесса движения флотируемой массы определены основные закономерности движения биогаза при всплытии, а также при движении биомассы по наклонным поверхностям в метантенке.

Расчетная схема сил, действующих на частицы навоза с пузырьками биогаза при движении по наклонным поверхностям, представлена на рис.2, где приняты следующие обозначения:

- угол наклона образующей конической поверхности к горизонтальной плоскости,

радиус пузырька биогаза, м;

V - скорость подъема пузырька биогаза, м/с;

скорость движения пузырька биогаза по наклонной поверхности, м/с.

Условие движения пузырька по наклонной поверхности может быть выражено неравенством

4/3 п • г3 • р • q • sin а > 4/3 п • г 3 • р • q • cos а • f + 6л • ц • г • V* sin а1 (1)

где р - плотность жидких отходов, кг/м3;

ц - динамическая вязкость отходов,сСт.

Для определения скорости подъема пузырька биогаза составлена математическая модель, которая может быть выражена системой дифференциальных уравнений Навье- Стокса в цилиндрических координатах (г, г, <р). С учетом принятых допущений эта система примет вид:

В результате решения данной системы установлено, что скорость всплытия твердой частицы с пузырьками биогаза на ее поверхности в сбраживаемой массе выражается формулой

Зависимости скорости V и коэффициента динамической вязкости ц от влажности навоза представлены на рис.3, из которого видно, что с увеличением влажности навоза уменьшается коэффициент динамической вязкости его и растет скорость всплытия пузырьков биогаза.

Рис.2.Схема сил, действующих на пузырек биогаза при движении по наклонной поверхности.

Проведенные исследования явились основой для определения исходных данных при расчете метантенка. Производительность метантенка по удобрению определяется исходя из предложенной схемы размещения пузырьков биогаза в элементарном слое сбраживаемого материала при их всплытии и рассчитывается по формуле

где S - площадь поперечного сечения камеры сбраживания

2

метантенка, м ;

К = 0,8 - коэффициент заполнения метантенка. В процессе флотации происходит перераспределение абсолютно сухого вещества исходного материала, при этом одна часть его выносится пузырьками биогаза с готовым удобрением, а другая часть остается в сбраживаемой массе. Это дает возможность представить производительность метантенка по удобрению в виде

где - влажность соответственно исходного навоза, и

сброженного навоза, %; Н - высота метантенка, м; Т - время между суточными загрузками метантенка, ч.

Из зависимостей (4) и (5) следует, что расчетная формула для определения скорости подъема пузырька биогаза для метантенка с направляющими конусами будет иметь вид

Формула (6) имеет весьма важное практическое значение, так как она позволяет опытным путем определять скорость подъема пузырьков биогаза в непрозрачных жидких средах.

и«4

1,г 1,0 0,2 46

44

иг о

№

* с

11 10 8 6

к

2-

О

УкЮ

/ ! 1 " -------

\ к у

\ / / •

\ у

/ч

УУ

№ 83 91 35 95 97 33 %

Рис.3. Зависимость коэффициента динамической вязкости (1) и скорости подъёма пузырьков биогаза (2) от влажности навоза. Использование неравенства (1) и зависимости, представленной на рис.3, дает возможность рассчитывать угол наклона образующих конусов к горизонтальной плоскости, определяемый из условия начала обеспечения непрерывного движения пузырьков биогаза

где f - коэффициент трения.

С целью исключения возможности образования в сброженной массе корки необходимо обеспечить условия ее удаления при суточных загрузках. Это условие выражается формулой

где D - диаметр метантенка, м;

У,УТ - скорости движения материала метантенке и трубе 1.

Рис.4. Система удаления сброженной массы давление на поверхности удобрения, создаваемое биогазом, уровень массы соответственно в гидрозатворе и метантенке.

Система удаления, обеспечивающая вывод сброженной массы из метантенка при суточных загрузках, представлена на рис.4. Она включает в себя сливную трубу с воронкой 1, гидрозатвор 2, приёмную ёмкость для сброженной массы 3.

Эта система обеспечивает вывод сброженного навоза в приемную емкость без контакта ее с воздухом и исключает возможность образования сифона.

В третьей главе представлены результаты исследований получения жидких органических удобрений в лабораторной установке (рис.5). Установка состоит из прозрачной емкости -метантенка 1, выполненной из оргстекла, которая сверху закрывается съемным колпаком 2, имеющим патрубок 3 для вывода образующегося биогаза. Внутри емкости метантенка 1 расположены:

- трубка с воронкой 4 для залива исследуемого материала, полученного после обработки на центрифуге исходного навоза КРС,

-трубка с воронкой 5 для вывода сброженной массы,

- усеченные тонкостенные конусы б, поверхность которых служит для направления движения и увеличения времени всплытия пузырьков биогаза.

Метантенк 1 помещен в емкость 7, внутри которой находится жидкость, подогреваемая нагревателем 8, имеющим блок регулирования нагрева.

Воронка 5 может сниматься, что позволяет устанавливать и заменять направляющие конуса. Для контроля температуры внутри метантенка 1 установлен термометр со шкалой от 0°С до 100°С.

Рис. 5. Общий вид и схема лабораторной установки.

В программу экспериментальных исследований входило:

- физическое моделирование процесса флотации в лабораторной установке,

-определение физико-механических свойств исходного материала и сброженной массы,

- определение скорости подъема пузырьков биогаза,

- экспериментальная проверка теоретических исследований, -определение производительности установки по готовому

Рис.6. Зависимость скорости подъема пузырьков биогаза от влажности навоза. 1 - теоретическая, 2- опытно-теоретическая.

На рис.6 представлены зависимости скорости подъема пузырьков биогаза от влажности навоза - теоретическая 1 и экспериментальная 2, рассчитанные соответственно по формуле 3 и 6. Из рис.6 видно, что с увеличением влажности исходного навоза скорость подъема пузырьков биогаза существенно возрастает.

Вместе с этим характер пересекающихся линий скоростей позволяет выбрать для расчетов среднее значение скорости подъема пузырьков биогаза, Уср= 6-10"3 м/с для влажности, значение которой составляет 93%.

Результаты экспериментов по определению угла наклона образующей конуса к горизонтальной плоскости приведены в таблице 1, из которой видно, что при угле наклона образующей конуса о => 35® и выше наблюдается устойчивый процесс всплытия пузырьков биогаза.

Установлено, что коэффициент трения скольжения Завоза при влажности в диапазоне 91 - 95 % получен опытным путем и равен 0,7-0,5 по металлической поверхности.

Тогда требуемый угол наклона образующей конуса может быть рассчитан по формуле (7).

Методика и пример расчёта вертикальных метантенков с направляющими конусами.

Теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать методику инженерного расчета метантенка с направляющими конусами.

Расчёт метантенков для производства высококачественных органических удобрений из навоза КРС в общем виде сводится к определению конструктивных и технологических параметров метантенка.

Таблица 1.

К определению угла наклона образующей направляющего конуса.

Влажность навоза % Угол образующей конуса а, град. Примечание

93,1 20 Отсутствие движения всплывающих пузырьков биогаза

93,1 25 Движение редких пузырьков

93,1 30 Неустойчивый процесс движения пузырьков

93,1 35 Устойчивый интенсивный процесс движения пузырьков

93,1 40 // // //

Исходными данными для расчёта являются:

- принципиальная схема метантенка с направляющими конусами с углом наклона а (табл. 1),

- количество и влажность подаваемого навоза,

- выбранный режим сбраживания (термофильный или мезофильный) и соответствующее ему время обработки (10 или 20 суток),

- условие полного обеззараживания согласно требований- 3 суток при термофильном режиме.

Расчёт производится на примере метантенка опытной биогазовой установки, введённой в действие в ГУП « ПНО ПОЙМА» Московской области. Конструктивные данные метантенка: вертикальная цилиндрическая форма, диаметр Б=3М, высота Н=9м, объвм У=65м3.

С целью обеспечения нормативного времени пребывания пузырька в метантенке высотой 9метров используем предложенный метод, позволяющий осуществить движение пузырьков по наклонным поверхностям конусов, устанавливаемых по оси метантенка.

В этом случае будем иметь длину направляющей поверхности конуса равную

1=(В/2)/со835°=1,5/0,82=1,8м.

Скорость движения пузырька биогаза по наклонной

поверхности конуса составит

У=Уп-8т35°=6-10-5-0,57=3,42-1(Г5м/с.

Время, в течение которого происходит движение пузырька по наклонной поверхности равно

1=1/У=1,8/3,42-10'5=0,53-105с=14,7час.

Определяем необходимое количество конусов, чтобы движение пузырьков по ним происходило в течение 3-х суток.

п=3-24/14,7=5.

Высота направляющего конуса составит Ь-(Ш2)^а-1,5-0,82=1,23м.

Общая высота этих конусов будет равна Н=пЬ=51,23=6,15м.

Результаты расчётов показывают, что направляющие конусы достаточно свободно могут быть размещены по высоте

метантенка, причём оставшаяся часть- 3 метра используется для размещения переходного конуса, связывающего цилиндрическую часть метантенка с его газовым колпаком.

Предложенная конструкция метантенка с направляющими конусами даёт возможность снизить скорость всплытия пузырьков биогаза, а также увеличить длину пути, проходимую этими пузырьками. В итоге при использовании определённого количества конусов, устанавливаемых в метантенке, появляется возможность осуществить выдерживание массы в камере сбраживания в течение необходимого срока.

В четвертой главе «Хозяйственные испытания опытного образца и определение его эффективности» дано описание биогазовой установки с объемом реактора 65 м3, приведена программа испытаний и их результаты.

Опытный образец биогазовой установки испытывался в ГУП ПНО «Пойма» Московской области (рис.7). Результаты испытаний этой установки приведены в таблице 2, из которой видно, что при температуре 53°С - 55°С и производительности 6,5 т/сутки, происходит полное обеззараживание навоза КРС от болезнетворных микроорганизмов, семян сорных растений и яиц гельминтов. Это позволяет обеспечить гарантированное обеззараживание навоза от болезнетворных организмов при получении жидких высококачественных органических удобрений.

Данные по удобрительной ценности сброженного навоза представлены в таблице 2, которые показывают, что при обработке навоза методом анаэробного сбраживания в разработанной биогазовой установке, содержание азота, фосфора и калия, как основных элементов удобрения, полностью сохраняются при всех режимах сбраживания и

Рис.7. Биогазовая установка для производства жидких удобрений

из навоза КРС.

Влияние метанового сбраживания на изменение санитарных и агрохимических показателей навоза КРС.

Таблица 2-,

№№ Температура. °С Прпозводи- Число Кол-ство Кол-ство Влаж- Реакция Азот N. 4 а. К20

п/п исход- сбражи- тельность бактерий жизнеспо- жизнеспо- ность среды % %

ный ваемый по удобре- тыс в см3 собных собных % рн

навоз навоз нию, т/сут семян сор. яиц

растений гельминтов,

ШТ./Л шт/л

I 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 13

1 18 7500 17 12 91,0 7,2 0,45 0,21 0,34

2 18 53 7.0 300 6 0 90.2 7,4 0,44 0,20 0,34

3 18 6200 21 8 91,0 7,3 0,42 0,21 0,34

4 18 55 6.7 18 3 0 90,4 7,6 0,41 0.21 0.34

5 18 7300 22 И 91.0 7,3 0.45 0.21 0.34

6 18 53 6,5 Менее 1 рост подавлен 0 0 90.3 7,6 0.44 0,21 0.34

7 18 6800 18 11 91.0 7.1 0.43 0.21 0.34

8 18 55 6.5 Менее 1 рост подавлен 0 0 92.0 7,5 0.43 0.21 0.34

находятся в пределах: азот - 0,41- 0,45 %, Р2О3- 0,21%, КгО-

0,34%.

Данные показатели подтверждаются исследованиями проведенными агрохимической лабораторией ГУП ПНО «Пойма».

Результаты предварительных испытаний эффективности применения сброженного навоза в условиях ГУП «ПНО ПОЙМА» Московской области показали, что подкормка этим удобрением растений картофеля повысила урожайность клубней на 18%, подкормка многолетних злаковых газонных трав повысила урожайность зеленой массы в 1,3 раза, подкормка рассады увеличила высоту растений капусты и томатов на 12-15%.

В основу расчета экономической эффективности положен принцип сравнения нового и базового вариантов реакторов биогазовой установки. При этом, главным отличием нового метантенка от базового, согласно техническому предложению, являлось использование в нбм направляющих конусов, которые замедлили движение биомассы и удерживали её в метантенке до нужного времени обработки. Для этого случая использовали методику ВИЭСХ , утвержденную МСХ в 1991 году, основанную на сравнении приведенных затрат нового и базового вариантов.

Годовой экономический эффект по сравниваемым вариантам определяем по формуле Эг=(Пб-Пн)-дгод+1Эп, руб.,

где приведенные затраты по базовому и новому

варианту, руб.;

|<2год- годовой объем работ, т;

сумма эффектов от прибавки урожайности культур, дополнительного получения биогаза, от

предотвращения загрязнения водного и воздушного бассейнов и заболеваемости животных. Результаты технико-экономического расчёта приведены в табл. 3.

Таблица 3

Экономическая эффективность биогазовой установки

№ п/п Наименование показателей Условные обозначения Базовый вариант Новый вариан т

1. Капитальные вложения, РУб. К 845500 895500

2. Годовой объём работ, т <Згод 2372,5 2372,5

3. Разность приведенных затрат, руб. Пн-Пб 6500

4. Количество необработанного навоза, т <2годн 118,6 -

5. Эффект от прибавки урожая, РУб. Эу 92973 97865

6. Эффект от предотвращения заболеваний животных, руб. Эж 23882 25149

7. Эффект от предотвращения загрязнения водоемов, руб. Эв 93680 98640

8. Эффект от предотвращения загрязнения атмосферы, РУб. Эа 11800 12430

9. Эффект от получения биогаза, руб. Эб 33754 35530

10. Годовой экономический эффект, руб. Эг 256089 269614

11. Срок окупаемости капитальных вложений, год Т 3,3 3,25

Как видно из представленных данных таблицы 3 новая установка с направляющими конусами по всем показателям превосходит показатели базового варианта метантенка с полным смешиванием. Эффективность её применения составляет 269614 руб/год, что больше на 14000 рублей по сравнению с базовым вариантом. При этом обеспечивается полное уничтожение семян сорных трав, обеззараживание и улучшение экологической обстановки на ферме. Срок окупаемости капитальных вложений 3,25 года. Эти эффекты достигаются за счёт модернизации базового варианта путём применения в реакторе направляющих конусов.

Общие выводы.

1. На животноводческих фермах КРС страны при подстилочном содержании животных ежегодно образуется около 0,6 млрд. тонн навоза. Применение анаэробного метода для переработки жидкого навоза позволит ускорить его разложение, при этом достигается гибель гельминтов, болезнетворных микроорганизмов и семян сорных растений, снижается запах, а также получаются продукты переработки в виде стабилизированных удобрений и газообразного топлива- биогаза.

2. Предложен высокоэффективный элемент технологии сбраживания жидкого навоза КРС в метантенках на основе удерживания биомассы при помощи направляющих конусов. Это дает возможность обеспечить полную дегельминтизацию и девитализацию сброженного навоза в соответствии с требованиями санитарных норм.

3. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены:

- математическая модель и основные закономерности движения навоза в метантенке,

- зависимости для определения скорости движения биомассы по наклонной поверхности конуса, угла наклона его образующих и производительности метантенка по удобрению, -физическая модель метантенка (лабораторная установка), позволяющая проанализировать скорость подъема и движения пузырьков биогаза по наклонной поверхности конусов.

4. Теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать методику расчета метантенка с направляющими конусами. Предложенная методика дает возможность определять конструктивно-технологические параметры метантенка требуемого объема. На основе этой методики разработана техдокументация и построен опытный образец биогазовой установки с объемом метантенка 65 м3.

5. Результаты производственных испытаний биогазовой установки на ферме КРС ГУП ПНО «Пойма» (Московская область) подтвердили ее работоспособность при высоком качестве получаемых жидких удобрений. (Получен сертификат качества).

б.Внедрение модернизированной установки для переработки жидкого навоза на ферме КРС 100 голов позволяет получить годовой экономический эффект в сумме 269614 рублей. Срок окупаемости капитальных вложений составляет 3,25 года.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

¡.Чернышев А.А., Исаенков Н.И., Тарасов СИ., Шрамков В.М., Савин В.Д. Опыт производства органических удобрений.Механизация и электрификация с-х., 2003, № 8, с. 8-9.

2. Чернышов А.А. К вопросу надежности и эффективности обеззараживания навоза в биогазовых установках. Труды 3-й Международной научно - технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», ч. 3 (14 -15 мая 2003 года), Москва, ГНУ ВИЭСХ, с. 453-455.

3. А.А.Чернышов, Д.А.Ковалев Контактный биогазовый реактор для очистки навозных стоков. Каталог паспортов НТД в мелиорации и водном хозяйстве, выпуск 24,ч. 1, М., Мелиоводинформ, 2002, с. 89-90.

4. А.А. Чернышов, Д.А. Ковалев Линия по производству удобрений из навоза Каталог «Энергосбережение», М., 2003, с. 9-11.

5. А.А. Ковалев, С.В. Калюжный, Д.А. Ковалев, А.А. Чернышов, Перспективная технология очистки навозных стоков свиноферм и стенд для установления режимов работы очистных сооружений. Паспорт каталога НТД, М.: ВИЭСХ, 1999,с. 53-54.

6. А.А. Чернышов, Д.А. Ковалев Установка для переработки органических отходов, преимущественно животноводства и птицеводства Патент РФ № 2234829 от 27.08.2004г.

Подписано в печать 08.11.2004г. Тираж 100 экз.

Формат 60х84\16

Уч. - изд. л. 1.3 Заказ № 21

№22 6 7 0

ВВЕДЕНИЕ.

Глава1 .Состояние вопроса производства удобрений и задачи исследований.

1.1 .Требования к органическим удобрениям и способы их получения из жидкого навоза.

1.2.Биогазовые установки - наиболее эффективные устройства для получения удобрений.

Выводы, цель и задачи исследований.

Глава 2. Теоретические исследования процесса обработки навоза в метантенках.

2.1. Исследование процесса движения флотируемой массы в камере сбраживания метантенка.

2.2. Определение исходных данных для расчета метантенка

Выводы.

Глава 3.Экспериментальные исследования режимов процесса получения жидких органических удобрений в реакторах с направляющими конусами.

3.1 .Программа и методика исследований.

3.2.Результаты опытов и их анализ.

3.3.Методика инженерного расчёта метантенка с направляющими конусами.

Глава 4. Результаты хозяйственной проверки биогазовой установки в полевых условиях и её технико-экономическая оценка.

4.1.Результаты хозяйственных испытаний опытного образца биогазовой установки.

4.2. Технико-экономическая оценка биогазовой установки.

За последние годы в России значительно изменилось состояние сельскохозяйственных земель. Количество гумуса в них резко уменьшилось. Так, по данным Россельхозакадемии (А.Н.Каштанов) в настоящее время применение органических удобрений на полях страны сократилось в 8 — 10 раз.

В тоже время необходимо отметить, что во многих европейских странах, особенно в Германии, Финляндии, Голландии и др., роль органических удобрений в деле повышения плодородия почвы значительно возросла и фермеры начинают переходить на так называемое «органическое земледелие».

Одним из основных видов органических удобрений является навоз и помет, которых, по расчетным данным, в стране ежегодно образуется около 540 млн.тонн.

Однако без соответствующей переработки использовать их в качестве удобрения не рекомендуется т.к. они содержат такие опасные загрязнения как болезнетворные микроорганизмы, зародыши гельминтов, семена сорных растений и др.

Одним из наиболее перспективных является метод переработки навоза в анаэробных условиях с помощью биогазовых установок с одновременным получением горючего газа метана и жидкого органического удобрения.

Однако в современных биогазовых реакторах при обработке навоза всегда имеют место проскоки необработанного навоза, что ведет к повторному заражению сброженной биомассы и внесению в почву семян сорных растений, и в конечном итоге к снижению эффективности обработки.

В связи с этим, основной целью настоящей диссертационной работы, является разработка биогазовой установки, для производства высококачественных органических удобрений полностью обеззараженных и обезвреженных от гельминтов и семян сорных растений.

Основные положения и результаты исследований доложены на технических совещаниях специалистов в ВНИКОМЖ г. Москва и в ВНИПТИОУ г. Владимир 8-10 октября 2002года и на 3-й Международной научно-технической конференции 14-15 мая 2003 года, Москва, ГНУ ВИЭСХ.

Работа проведена в отделе биоэнергетики и охраны окружающей среды Государственного научного учреждения ВИЭСХ в соответствии с заданием РАСХН 03.02.04 Ф «Разработать новые биогазовые технологии в системах утилизации навоза и навозных стоков на животноводческих фермах и птицефабриках», а также концепцией фундаментальных исследований в системах утилизации навоза.

Отдельные задачи исследований по разделению навозных стоков на фракции перед подачей их на обработку в анаэробный реактор были решены при выполнении заданий ВНИКОМЖ в 1999 - 2001 гг, в которых автор принимал участие в качестве консультанта.

Общие выводы.

1. На животноводческих фермах КРС страны при подстилочном содержании животных ежегодно образуется около 0,6 млрд. тонн навоза. Применение анаэробного метода для переработки жидкого навоза позволит ускорить его разложение, при этом достигается гибель гельминтов, болезнетворных микроорганизмов и семян сорных растений, снижается запах, а также получаются продукты переработки в виде стабилизированных удобрений и газообразного топлива- биогаза.

2. Предложен высокоэффективный элемент технологии сбраживания жидкого навоза КРС в метантенках на основе удерживания биомассы при помощи направляющих конусов. Это дает возможность обеспечить полную гельминтизацию и девитализацию сброженного навоза в соответствии с требованиями санитарных норм.

3. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены:

- математическая модель и основные закономерности движения навоза в метантенке,

- зависимости для определения скорости движения биомассы по наклонной поверхности конуса, угла наклона его образующих и производительности метантенка по удобрению,

- физическая модель метантенка (лабораторная установка), позволяющая проанализировать скорость подъема и движения пузырьков биогаза по наклонной поверхности конусов.

4. Теоретические и экспериментальные исследования позволили разработать методику расчета метантенка с направляющими конусами. Предложенная методика дает возможность определять конструктивно-технологические параметры метантенка требуемого объема. На основе С этой методики разработана техдокументация и построен опытный образец биогазовой установки с объемом метантенка 65 м3.

5. Результаты производственных испытаний биогазовой установки на ферме КРС ГУЛ ПНО «Пойма» (Московская область) подтвердили ее работоспособность при высоком качестве получаемых жидких удобрений. (Получен сертификат качества).

6.Внедрение модернизированной установки для переработки жидкого навоза на ферме КРС сто голов позволяет получить годовой экономический эффект в сумме 269614 рублей. Срок окупаемости капитальных вложений составляет 3,25 года.

1. А.А.Ковалёв, В.С.Федотов, Л.И.Ульченко, Р.А.Мельник.

2. Экологическая оценка биоэнергетической установки. НТБпо электрификации сельского хозяйства. Вып.2. М.,1989.

3. Аметистов Е.В., Григорьев В.А. и др. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент (Справочник) М., Энергоиздат, 1982, с.512.

4. Бакулов И.А., Кокурин В.А., Котляров В.М. Передвижнаяустановка для обеззараживания сточных вод. Покров, 1978 с. 5.

5. Брык Н., Донец С., Высовень В. Технология и оборудование для переработки безподстилочного навоза. Техника в сельском хозяйстве, 1976,№4,с.37-39.

6. Бартенев П.М., Ермилова В.Н. К теории реологических свойств дисперсных систем. Вязкие жидкообразные системы. В сб: Физико-химическая механика дисперсных структур. М., Наука, 1966, с.440.

7. Баадер В., Доне Е., Бренндоргер М. Биогаз: теория ипрактика. Перевод с немецкого М.И. Серебряного, М., 1982, с. 148.

8. Варфоломеев С.Д., Панцхава Е.С. Биотехнология преобразования солнечной энергии. Современное состояние проблемы, перспективы.-Вкн. Биотехнология.М., 1984, с. 125-137.

9. Веденяпин F.B. Общая методика экспериментальных,, исследований и обработки опытных данных. М., Колос, 1973, с. 199.

10. Ю.Верховский В.М. и др. Исследование физико-химических свойств жидкого навоза. Минск, 1970,с.32.t

11. Гюнтер Л.И., Гольдфарб JI.JI. Метантенки М., Стройиздат, 1991.

12. Денисов Л.А., Гриднев П.И., Дурдыбаев С.Д. и др. Концепция развития технологии и технических средств уборки навоза из помещений и подготовки органических удобрений на период до 2010.ВНИИМЖ, Подольск,2002.

13. Жирков Е.И., Доливо Добровольский Л.В., Уделис А.Л. Биологическое обеззараживание стоков животноводческих комплексов. Использование сточных вод для орошения. М., 1978, 41- 45 с.

14. Зуев В.А., Текучева М.С. Реологические характеристики экспериментов крупного рогатого скота. Научно -технический бюллютень по электрификации сельского хозяйства. М., Вып. 1, 1971, с. 39 45.

15. Ковалёв Д.А. Биогазовый контактный реактор в системе очистки навозных стоков свиноферм. 3-я Международная научно-техническая конференция, часть 3, М.,2003.

16. Ковалёв А.А., Филаретов А.И. Использование органических удобрений и биоресурсов в современном земледелии. Владимир,2002, с. 173-175.

17. Ковалёв Н.Г., Малинин Б.М., Полозова В.Г. Производство нетрадиционных удобрений методом биоферментации. Использование органических удобрений и биоресурсов в современном земледелии. Владимир,2002, с.77-78.f

18. Ковалёв А.А.,Марсагишвили Г.П., Гудиев З.А. Анаэробная переработка твёрдых отходов в биогаз и органические удобрения. НТБ ВИЭСХ, вып. 1 (66), 1990,с.77-85.

19. Классен В.И. и др. Физико-химические основы теории флотации. М., Наука,1983, с. 171.

20. Крупенин А.В. Исследование вязкопластических свойствнавоза крупного рогатого скота. Л., Записки ЛСХИ, вып.2,1969.

21. Ковалёв А.А., Ножевникова А.Н. Технологические линии утилизации отходов животноводства в биогаз и удобрения.с1. М., Знание,1990,с.49.

22. Ковалёв А.А. Научные основы построения расчёта технологических линий производства биогаза. Научные труды ВИЭСХ. Энергетика и электромеханизация сельского хозяйства. М., 2000, том 87.

23. Ковалёв А.А. «Технология и технико-энергетическое обоснование производства биогаза в системах утилизации навоза на животноводческих фермах». Докторская диссертация, М.,1998.

24. Ковалёв А.А. Биотехнология, гл.7, под ред. Шевелуха B.C., изд. Высшая школа,2003.

25. Ковалев Н.Г., Малинин Б.М., Полозова В.Г. Производство нетрадиционных удобрений методом биоферментации. Использование органических удобрений и биоресурсов в современном земледелии. Владимир, 2002, 77 78 с.

26. Классен В.И. и др. Физико химические основы теории флотации. М. «Наука», 1983, с. 171.

27. Крупенин А.В. Исследование вязкопластических свойств навоза крупного рогатого скота. JI., Записки ЛСХИ, вып. 2, 1969.

28. Ковалев Н.Г., Глазков И.К. Проектирование системутилизации навоза на комплексах. М., ВО «Агропромиздат», 1989, с. 11.

29. Ковалёв Н.Г., Ковалёв А.А., Гриднев П.И. и др. Интенсификация процесса анаэробной переработкиэкскрементов сельскохозяйственных животных. АрмНИИНТИ, 1979, №1,с.5.

30. Калюжный С.В., Данилович Д.А., Ножевникова А.Н. Итоги науки и техники, сер. Биотехнология, М., ВИНИТИ, 1991, том 29.

31. Ковалёв Н.Г., Глазков И.К. Проектирование систем утилизации навоза на комплексах. М., ВО «Агропромиздат», 1989.

32. Коваленко В.П. Механизация обработки бесподстилочного навоза. М., Колос. 1984.

33. Личман Г.И. Исследование процесса движения навоза по напорным трубопроводам с целью обоснования их параметров и режимов транспортирования. Автореф. дисс. канд. тех. наук, М., 1975.

34. Личман Г.И., Марченко Н.М. Механико-технологические основы дифференцированного внесения жидких органических удобрений. Научно-технические проблемы механизации и автоматизации животноводства, труды ВНИИМЖ, том 6, часть 2, Подольск, 1997.

35. Марченко Н.М. и др. Расчет трубопроводных систем для (навоза. Механизация и электрификация сельского хозяйства. М., 1975, № 6, с. 20, 21.

36. Матов Б.М. Электрофлотация. Кишинев, 1971, с. 69.

37. Мельник Р.А., Ковалёв А.А. Эффективность работыiбиогазовой установки при очистке животноводческих стоков. Научные труды ВИЭСХ «Энергосберегающие технологии в сельском хозяйстве», том 81, с.63-68.

38. Методика определения экономической эффективности ветеринарных мероприятий. М.,1982.

39. Методика подсчёта убытков, причинённых государству нарушением водного законодательства. ЦБНТИ, Минводхоз СССР, М.,1983.

40. Нормы технологического проектирования систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета, НТП 17 99, МСХ РФ, М., 2001, п. 13,17, е., 39.

41. Ножевникова А.Н., Ковалёв А.А., Некрасова В.К., Костюк В.Б., Венецкая С.Л. Метановое сбраживание жидкого навоза в реакторе «Анаэробный биофильтр». Биотехнология, 1992,4, с. 36-41.

42. Ножевникова А.Н. Рост анаэробных бактерий в метаногенных ассоциациях и смешанных культурах. Итоги науки и техники, серия Микробиология, М.,

43. Общесоюзные нормы технологического проектированиясистем удаления и подготовки к использованию навоза,1

44. ОНТП 17-86, Госагропром СССР, М.,1986. 49.Охрана окружающей среды: справочник, составитель JI.П.Шариков. Л.,1978.

45. Панцхава Е.С. Применение метанового сбраживания в народном хозяйстве ВКН: Теоретические и методические основы изучения анаэробных микроорганизмов: - Пущино, Академия наук СССР, 1978, с. 158 - 163.

46. Пузанков А.Г., Мхитарян Г.А., Гришаев И.Д. Обеззараживание стоков животноводческих комплексов. М., Агропромиздат, 1986, с. 82 83.

47. Панцхава Е.С. Применение метанового брожения в народном хозяйстве. В кн. Теоретические и методические основы изучения анаэробных микроорганизмов, Пущино. Научный центр биологических исследований АН СССР, 1978,с. 158168.

48. Панцхава Е.С. Биомасса-возобновляемый вид топлива и энергии. Энергетика и электрификация, Киев, 1989,№3.

49. Панцхава Е.С. Биомасса:решение проблемы. Энергия, 1987, №1,с. 14-17.

50. Рекомендации по применению сброженного навоза, помета (

51. ВНИПТИОУ). Владимир, 2002.бб.Реймерс М.Ф. Охрана природы и окружающей человека среды. М.,2002.

52. Савин В.Д., Шрамков В.М., Гришаев И.Д. Выбор рациональных параметров установки для термохимическогоIобеззараживания навоза. Труды ВНИИкомплекс.пробл.машиностр.для животноводства икормопроизводства, 1987, №12.-87-91, РЖ.44.1988, №5, с.67.I

53. Семененко И.В. Проектирование биогазовых установок. Изд.Мрия, Сумы, 1996.

54. Система машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства на 1981-1990 гг., часть 2, Животноводство, ЦНИИТЭИ, М., 1981,с.252.

55. Тарасов С.И., Мёрзлая Г.Е. Технические требования к традиционным и новым видам органических удобрений. Агрохимический вестник, №1,2003,с.910.

56. Тезисы докладов научно производственного совещания по биологическим методам переработки жидкого навоза. Киев, 1983.

57. Тарасов С.И., Тамонова А.А. Эффективность действия исходного и сброженного навоза крупного рогатого скота на урожай сельскохозяйственных культур. В кн. «Биогаз-87», тезисы докладов,Рига, 1987, с.94.

58. Упитис В.В., Соколова Е.Б. Биоэнергетика и энергобаланс агроэкологического комплекса Западного региона. «Биогаз87»,тезисы докладов совещания по технической биоэнергетике, Рига, 1987.

59. Уыгуряну Д.В., Ионец И.Г. Применение иммобилизованныхIмикроорганизмов для анаэробной обработки сточных вод. «Биогаз-87», тезисы докладов совещания по технической биоэнергетике, Рига, 1987.

60. Чернышев А.А., Ковалёв Д.А. Контактный биогазовый реактор для очистки навозных стоков. Паспорт каталога НТД, с.89-90, 2001.

61. Чернышов А.А., Исаенков Н.И., Тарасов С.И., Шрамков В.М.,Савин В.Д. Опыт производства органических удобрений. Механизация и электрификация сельского хозяйства, №8,2003.

62. Чернышов А.А. К вопросу надёжности и эффективности обеззараживания навоза в биогазовых установках. 3-я Международная научно-техническая конференция, часть 3, М., 2003.

63. Чернышев А.А., Ковалёв Д.А. Линия по производству (удобрений из навоза. Каталог «Энергосбережение»,2003.

64. Чернышев А.А. Параметры биогазовой установки для сбраживания отходов животноводства. Механизация и электрификация сельского хозяйства,2004.

65. Чернышов А.А., Ковалёв Д.А. Установка для переработки органических отходов, преимущественно животноводства и птицеводства. Патент РФ №2234829 от 27.08.2004г.

66. Шрамков В.М., Савин В.Д. Переработка органическихIотходов в удобрение и биогаз., htt: // agro. sakha. ru/docs/iks 0028. htm.

67. Herzog B. Bio Energie fur das ganze Dorf. «Sehweiz. techn. Z», 1987, 84, № 9, c. 10 - 13.

68. BONACCI G., CORRTELLINI L., PICCININI S., TILCHE A. The Bioqas project in Emilia Romagna (Italy) // Proc. Ihtern. cnj on eioenergy, 15-21 Jne, 1984 - GoteBorg, 1984 - Vol. 3 - P. 333 - 339.

69. A.Kovaliov. Anaerobic treatment of liquid manure of pigbreeding farms. 3 Int. Congress «Wykorystanie energii odnawialnej v Rolnictwie», Warszava, 1997.

70. Kovaliov A.A. Utilizaishion of heat of biotermic fermentation of manure for biogas prodaction in conditions of pasturalbelive-stock farming. EERO Workshop «Methanogenesis for sustainable environmental protection». 1996 St. Petersburg, Russia.

71. Lee J.W.// Env. Progress. 1989, v. 8, N.2.

72. Design and Construction of Biogas Digesters in Rural Areas of China. The Sth UNDP-FAO-China International Biogas Training Course, April 1986, Chengdu, Sinhuan Province.

73. Lettinga G., Hulshoff Pol W.// Proc.Int.Comrse on Anaerobic Waste Water Treatment, 25.07.-03.08.90. Ed.Agricultural University Wageningen ( Holland).

74. Linke В., Vollmer G. Anaerobe Fermentation ausgewahlter Gullesubstrate// Wiss Beatr. Ingenierhochsch.Kothen.-1985,-1 .-40-43.РЖ.26Ею-1988ю-№6.с.59. Анаэробная ферментация при использовании в качестве субстрата навозной жижи.

75. Zubr I. Biogas technology for protection of the environment Roceedings of Int.Agricultural mechanization conference. P.269-276. Beijing, China, October, 1991.