автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Совершенствование механической очистки сточных вод животноводческих комплексов

РГ6 Ой

На правах рукописи

ГришинБорисМихайлович—

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

05.23.16 — гидравлика и инженерная гидрология;

05.23.04 — водоснабжение, кжализацтаГстроихельнт/е--

системы охраны водных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва — 1996

Работа выполнена в Государственном предприятии комплексном научно-исследовательском и конструкторско-технологическом институте водоснабжения, канализации, гидротехнических сооружений и инженерной гидрогеологии (НИИ ВОДГЕО) Минстроя РФ и Пензенском государственном архитектурно-строительном институте.

Научный консультант — доктор технических наук, профессор

И.В.Скирдов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Т. Г. Войнич-Сяноженцкий; доктор технических наук В.Г.Пономарев;

доктор технических наук, профессор А.В.Шлау

Ведущая организация — НИИ Химмаш (г. Москва)

Защита состоится ...?... 1996 г. в ...т.. ч. на заседании диссертационного Совета Д 033.05.01 при НИИ ВОДГЕО (119826, г. Москва, Г-48, Комсомольский пр. 42, НИИ ВОДГЕО).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ ВОДГЕО. Автореферат разослан 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета /у

канд. техн. наук О. В. Демидов

ВВЕДЕНИЕ

С переводом животноводства на промышленную основу возникла проблема утилизации большого количества жидких отходов, получаемых на животноводческих комплексах. Высокая концентрация скота на производственных площадях, применение гидравлических систем уборки и удаления продуктов жизнедеятельности животных приводят к образованию на таких комплексах значительных объемов навоза, разбавленного технологическими водами (с влажностью 90 % и более).

По данным Российской академии сельскохозяйственных наук в 1994 году объем жидкого навоза и навозных стоков на животноводческих комплексах России составил 600 млн. м"1.

В сельскохозяйственном производстве наиболее опасными источниками загрязнений открытых водоемов являются крупные животноводческие фермы и комплексы. В таких условиях актуальными задачами являются усовершенствование существующих и создание новых способов обработки и утилизации навоза, имеющих целью, с одной стороны, уменьшение загрязнения водных источников, а с другой — максимальное использование удобрительных свойств навоза.

По своему химическому составу (содержание углерода, азота, фосфора, калия и рада микроэлементов) жидкий навоз представляет собой пенное органическое удобрение. В составе навоза имеются все питательные вещества, в которых нуждаются растения. При систематическом применении навоза обеспечивается поддержание в почве необходимых запасов гумуса, наличие которого является важнейшим показателем ее плодородия.

За последнее пятилетие сельскохозяйственные; предприятия России вносили в почву не менее 700 млн. тонн навоза ежегодно, используя его как наиболее доступное и дешевое удобрение длительного действия.

Согласно нормативным требованиям, животноводческие стоки перед их использованием в качестве удобрения должны подвергаться разделению на твердую и жидкую фракции с последующей обработкой каждой из них. Твердая фракция после биотермической обработки всегда используется только в качестве сухого удобрения, а жидкая фракция применяется для полива сельскохозяйственных культур, или, при отсутствии орошаемых земель, обрабатывается на сооружениях механической и биологической очистки. После такой очистки жидкая фракция может быть направлена для повторного использования в систему удаления навоза с животноводческих комплексов. Твердая фаза, находящаяся в жидкой фракции после разделения представляет собой в основном коллоидные и тонкодисперсные частицы, содержащие большое количество биогенных и питательных веществ для растений и почвы. В процессе биохимического окисления твердой фазы на сооружениях биологической очистки жидкая фракция частично теряет свою удобрительную ценность. Поэтому более полное извлечение твердых примесей из исходных стоков, а также получаемой жидкой фракции с целью последующего их использования в качестве сухого удобрения представляет собой важную задачу механической очистки.

Настоящая диссертация посвящена разработке научных основ использования на очистных сооружениях животноводческих комплексов высокопроизводительных фильтрующих аппаратов (сгустителей, центрифуг, а также вакуум-фильтров), предназначенных для глубокой механической очистки животноводческих стоков.

Целью данной работы является совершенствование механической очистки животноводческих стоков путем разработки теории процесса разделения суспензий в центробежном поле и создания на этой

основе высокопроизводительных и технологически эффективных центробежных аппаратов, а также разработка знерго-сберегаклцих схем глубокой механической очистки стоков, обеспечивающих решение проблемы защиты окружающей среды от загрязнений.

Поставленная цель в диссертационной работе была достигнута путем последовательного решения следующих основных задач: обобщение современной информации по проблемам механической очистки животноводческих стоков и определение наиболее перспективных направлений в этой области; развитие теоретических основ процессов разделения в центробежном поле суспензий и осадков; экспериментальные исследования центробежных аппаратов, определение экономичных режимов их работы, получение эмпирических зависимостей и закономерностей изменения основных характеристик сточных вод и осадков; разработка алгоритмов и методик расчета рабочих элементов центрифуг и сгустителей; выявление закономерностей тонкой механической очистки жидкой фракции животноводческих стоков методом вакуум-фильтрования; использование получешшх результатов при создании новых эффективных конструкций центрифуг, сгустителей и вакуум-фильтров; разработка энергосберегающих схем очистки животноводческих стоков, обеспечивающих максимальное извлечение из них и утилизацию питательных веществ.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

— развиты теоретические основы процесса разделения двухфазных суспензий и осадков на фильтрующих поверхностях в поле действия центробежных сил с учетом важнейших реологических характеристик разделяемых продуктов;

— обоснованы возможности обеспечения требуемого времени пребывания разделяемых продуктов в роторах фильтрующих центрифуг с инерционной выгрузкой осадка;

— теоретически обоснованы и определены области оптимального режима обработки животноводческих стоков в центробежном поле;

— впервые разработаны методы расчета проточных частей непре-рьганодействующих центробежных аппаратов применительно к механической очистке животноводческих стоков.

Практическая ценность работы заключается в создании высокопроизводительных и технологически эффективных аппаратов, а также разработке энергосберегающих схем глубокой механической очистки сточных вод животноводческих комплексов.

Реализация основных результатов. Создание новых моделей центробежных аппаратов, их расчет и конструирование, а также внедрение в производство осуществлялось с учетом результатов НИР, проведенных под руководством и непосредственном участии автора.

Методы расчета проточных частей центробежных аппаратов использованы при разработке центрифуг ФВИ-711К-05, ФВИ-501К-01, 2ФГИ-601К-01, 2ФВВ-112.1К-01, сгустителей цилиндрического типа диаметром 360 и 400 мм, а также установок механической очистки животноводческих стоков на базе вышеназванных аппаратов, изготавливаемых на АО "Пензхиммаш". Оборудование, входящее в состав установок мехшшческой очистки животноводческих стоков защищено 13-ю авторскими свидетельствами на изобретения.

Разработан пакет программ для расчета проточных частей фильтрующих центрифуг и сгустителей применительно к целому ряду осадков и суспензий, включая сточные воды животноводческих комплексов.

Полученные данные исследований тонкой механической очистки жидкой фракции животноводческих стоков использованы при конструирована вакуум-фильтра БОН-2-1-1У.

Годовой экономический эффект от внедрения установок для механической очистки животноводческих стоков составил в среднем 1,8 млн. руб. (в ценах на 0i.01.91 г.).

Апробация работы и публикации. Основные результаты

исследований докладывались на следующих научных конференциях и совещшшях:

— на заседании секции удаления, переработки и использования навоза Совета по технологии производства продуктов животноводства на промышленной основе при президиуме ВАСХНИЛ (г. Тарту, 1985 г.);

— 11а V Всероссийской научно-практической конференции "Рациональное использование и охрана водных ресурсов в Поволжье" (г. Саратов, 1986 г.);

— на региональной конференции "Экологические проблемы Волги" (г. Саратов, 1989 г.);

— на Всероссийском семинаре по переработке и использованию животноводческих стоков в сельском хозяйстве (г. Москва, 1993 г.).

По теме диссертации опубликованы одна монография и более 40 статей, получено 18 Авторских свидетельств на изобретения.

Автор выражает глубокую благодарность профессору, доктору технических наук Льву Ильичу Высоцкому и профессору, доктору технических наук Игорю Васильевичу Скирдову за ценные советы и консультации при выполнении настоящей работы.

Диссертация состоит из шести глав (302 страницы машинописного текста, 108 иллюстраций, 4 таблицы, библиография 116 наименований) и семнадцати приложений (138 страниц машинописного зекста, 3 иллюстраций, 18 таблиц).

1. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБОРУДОВАНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В ТЕХНОЛОГИЯХ ПЕРЕРАБОТКИ

ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ. ПРОБЛЕМЫ РАСЧЕТА НЕПРЕРЫВНОДЕЙСТВУЮЩИХ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ АППАРАТОВ (НДЦА)

В настоящее время наиболее широкое применение на очистных сооружениях животноводческих комплексов получили следующие технологии:

— разделение жидкого навоза и стоков на твердую и жидкую фракции с целью последующего их использования в качестве органических удобрений;

— разделение жидкого навоза и стоков с полной или частичной биологической обработкой жидкой фракции.

Для разделения сточных вод используются седиментационные и фильтрующие устройства. В качестве седиментаторов нашли применение отстойники различных типов, многоярусные гидроциклоны и осади-тельные центрифуги. Вследствие небольшой разницы плотностей твердой и жидкой фаз животноводческих стоков седиментационное оборудование работает недостаточно эффективно. Фильтрующие устройства в зависимости от того, какая форма влаги удаляется из исходных стоков, можно разделить на две подгруппы:

1. Устройства первого уровня, удаляющие только свободную влагу или ее часть;

2. Устройства второго уровня, удаляющие свободную и часть фи-зико-механически связанной влаги.

К подгруппе 1 относятся дуговые и барабанные сита, инерционные сгустители и виброгрохоты различных типов, а к подгруппе 2 — шнековые и поршневые прессы, фильтрующие центрифуги и ваккум-

фильтры. Величины потребляемой удельной энергии на разделение единицы объема исходного стока у оборудования, входящего во вторую подгруппу в 1,5...3 раза выше, чем у оборудования первой подгруппы.

Для экономии энергетических"затрат осадок с требуемой по нормам влажностью 70...75 % целесообразно получать, разделяя исходный сток сначала на устройствах первого уровня, затрагивающих сравнительно небольшую энергию на удаление свободной влаги, а затем на устройствах второго уровня, более энергоемких, но эффективно удаляющих связанную влагу. Эффект осветления стоков у тех и других устройств невысок, поэтому для получения более осветленной жидкой фазы необходимо производить дополнительную обработку фильтрата в осветлительных или фильтровальных устройствах тонкой очистки. Объединение всех ступеней механической очистки в одном устройстве приводит к слишком высоким энергетическим затратам.

Сравнительный анализ по удельным энергетическим и приведенным затратам, а также по эффекту осветления жидкой фракции позволил сделать вывод, что как в первой, так и во второй подгруппах ие-прерывнодействующие центробежные аппараты (НДЦА), к которым относятся инерционные сгустители и центрифуги, являются наиболее перспективными устройствами для разделения сточных вод животноводческих комплексов.

Основы теоретического исследования фильтрующих центрифуг и сгустителей заложены в трудах В.И.Соколова, Е.М.Гольдина, Д.Е.Шкоропада, А.В.Шлау, М.И.Ильина, Г.Л.Майдукова, Б.В.Кизе-вальтера и других отечественных и зарубежных авторов. Общий анализ современных методов расчета НДЦА показывает, что они практически не рассматривают движение двухфазной системы "жидкость — твердые частицы", какой является разделяемый продукт. Упрощенное представление о движущемся по фильтрующему ситу продукте как о системе изолированных материальных точек приводит к тому, что формулы рас-

- чета рабочих поверхностей НДЦА имеют, как правило, чисто геометрический или кинематический смысл, не отражающий физической сущности процесса разделения, и, следовательно, не позволяют точно определять наивыгоднейшие профили проточных частей НДЦА, параметры продуктов разделения, а также производительность центробежных аппаратов. Основными проблемами при механической очистке в центрифугах являются расчет требуемого времени пребывания разделяемых продуктов в фильтрующих роторах, и, следовательно, степени обезвоживания получаемых осадков, а также теоретическое обоснование технических решений, позволяющих интенсифицировать процесс центрифугирования. Для решения этих проблем в расчетах проточных частей фильтрующих центрифуг необходимо, в первую очередь, учитывать комплекс взаимосвязанных реологических характеристик осадков разделяемых продуктов — пористость, проницаемость, фильтрационные характеристики, объемную деформацию, коэффициенты трения и т.д.

В расчетах инерционных сгустителей определяющей задачей является нахождение оптимального сочетания компактных размеров и профилей фильтрующих поверхностей таких аппаратов, обеспечивающего при минимальных удельных энергозатратах получение сгущенного продукта (стока) с требуемой для дальнейшей переработки влажностью. Решение этой задачи диктует необходимость введения в расчеты проточных частей инерционных сгустителей таких важнейших реологических характеристик сточных вод или суспензий, как концентрация взвешенных веществ, плотность, вязкость, давление и скорости в потоке, постоянно изменяющихся при движении разделяемого продукта.

Разработка теоретических основ процесса разделения суспензий и осадков в центробежном поле, а также методов расчета проточных частей инерционных фильтрующих центрифуг и сгустителей с учетом основных реологических характеристик разделяемых продуктов, позволяет решить ряд важных задач при конструировании выс-окопроизводи-

и

тельных и эффективных аппаратов такого типа, составляющих основу энергосберегающих схем механической очистки животноводческих стоков.

2. РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ РАСЧЕТА ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ НЕПРЕРЫВНОДЕЙСТВУЮЩИХ ИНЕРЦИОННЫХ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЦЕНТРИФУГ И СГУСТИТЕЛЕЙ

Уравнения движения жидкой фазы суспензии, движущейся по ротору центрифуги или по фильтрующей криволинейной поверхности сгустителя, в общем виде можно представить следующим образом:

-- i ■- (*V + tJ-±-) = (| + i^-uX, (1)

Ряс i ф\1-с; \8t k^dxk )

где рж — плотность жидкой фазы; р — давление; xk(k = 1...3) —

декартовы координаты; и„ ик — компоненты мгновештых скоростей; X, — компоненты массовой силы, приходящейся на единицу массы жидкости; Г, — компоненты ускорения, теряемого под действием турбулентных напряжений и сопротивления твердых частиц; Т,+,, — условная удельная сила сопротивления, возникающая за счет отсоединения части жидкости, профильтровавшейся через проницаемую поверхность; t — время; с — концентрация взвеси. Для установившегося процесса разделения (движения) суспензии d/dt = 0.

Уравнение неразрывности для жидкой фазы потока, движущегося по проницаемой поверхности при рж = const:

+ = (2) дхк дхк

где Q — расход жидкости, движущейся вдоль прошщаемой поверхности; С?ф — расход жидкости, профильтровавшейся через поверхность; Сф — концентрация твердых включений в фильтрате.

- Для координатной линии /, связанной с любой поверхностной линией тока, можно записать:

где <р — коэффициент скорости, ф = Ш, с).

Для определения давлений жидкости на проницаемую поверхность и последующего расчета скоростей фильтрации в определенных сечениях, вначале задается очертание свободной поверхности потока. Для этого в роторе лопастной центрифуги используется жестко связанная с ним координатная система *>У\2, предложенная Н.Е.Кондратьевым и Л.И.Высоцким (рис. 1). Координата 5 является проекцией на плоскость хоу декартовой системы координат пространственной линии тока I, принадлежащей свободной либо донной поверхности. Донная поверхность является верхней границей слоя осадка, образующегося на лопасти центрифуги. Координатная линия у\ нормальна 5 и также расположена в плоскости хоу. Координатная ось г вертикальна, направлена вверх и совпадает с осью г декартовой системы координат. Уравнения свободной поверхности для потока суспензии, движущегося в лопастном роторе, выглядят следующим образом:

~ = (4)

2/ * \ Ы2СОЗВ -

-со (у - х\%-()--- - 2сом

2 (5)

дг С05р_р

и

где р — угол наклона поверхностной линии тока в вертикальной плоскости; 7 — угол между касательной к линии 5 в рассматриваемой точке и координатой х; со — угловая скорость вращения ротора; х, у — декартовы координаты; и — скорость потока на свободной поверхности; рк — радиус кривизны линии х в плоскости хоу', К — радиус

кривизны линии I на цилиндрической поверхности 1ог\ g — ускорение свободного падения.

Рис. 1. Координатные системы зухг и хуг для ротора лопастной центрифуги

Используя соотношение йг/йг/ и понятие частной производной

ио направлению, получим формальное решение уравнения свободной поверхности по координатам у, г:

г = гк+ / Р ге у + —¡созу, „Л оу^

(6)

где гк = г У.У1[ — координата заданной крайней линии тока.

Функции у = £(г/Х1 п) определяют плмм поверхностных линий тока, где параметр п связан с конфигурацией входной щели, через которую поток суспензии поступает на лопасть.

В коническом роторе вследствие его симметричности очертание свободной поверхности потока задается в вертикальной плоскости хог, жестко связанной с ротором. Линия 5! криволинейной координатной системы ¿¡г/ч совпадает с донной или поверхностной линией тока (рис. 2).

поверхность Слоя аяадяа

Рис. 2. Координатные системы хог и для конического ротора

Задание очертания любой поверхностной линии тока ¿¡^ в ввде функции г = £(х) автоматически предопределяет очертание всех остальных поверхностных линий потока, движущегося по коническому ротору центрифуги.

Очертание свободной поверхности потока суспензии, движущегося по цилиндрическому или коническому сгустителю в координатной системе зг^г описывается выражением (4) и уравнением:

(7)

1

Р*

1

1

£

ё

+ 2(гн -

йсозр

где «„(»„) — скорость потока в начальном сечении; ¿и — координата выбранной поверхностной линии тока в начальном сечении.

Формальное решение последнего уравнения аналогично (6). При известном очертании свободной поверхности определяются градиенты давлений в рассматриваемых сечениях потока, движущегося по рабочей поверхности центробежного аппарата. Для системы криволи-нехшых координат уг(1 = 1, 2, 3) с использованием уравнений (1), (3) получим следующее, выражение:

где V — средняя скорость потока в рассматриваемом сечении; Ф — потенциал поля массовых сил; Ь1 — коэффициенты Ляме; х,й — орты касательной и главной нормали выбранной линии тока (рис. 2); еу —

орты криволинейных координат; г — радиус кривизны выбранной поверхностной линии тока.

Давление на дно определяется интегрированием выражения (8):

где р0 — давление на свободной поверхности; А — толщина потока в рассматриваемом сечении (по координате у,).

Толщина потока суспензш! в рассматриваемом сечении определяется из уравнения неразрывности (2) с учетом расхода взвешенных частиц. Для расчета сгустителя зоны центробежной фильтрации и лопастной центрифуги при постоянной высоте рабочей поверхности:

где /?н - толщина потока в начальном сечении; (/ф — удельный (на единицу высоты рабочей поверхности) расход профильтровавшейся жидкости на участке от начального до рассматриваемого сечений.

Ро = Ро + I ¿А

О я

г Зр

(9)

(10)

При расчете толщины потока суспензии в зоне центробежной фильтрации конической центрифуги с использованием системы бикони-ческих координат /срцг для любого сечения 2-2 (рис. 3)

Qcn-Q* (11)

фц smatv2l2

где QCH — расход суспензии, поступающей на ротор в выделенном секторе с центральным углом фц, — расход профильтровавшейся жидкости между сечениями 1-t и 2-2; ар — угол полуконуса ротора; /2 — расстояние по координате / до рассматриваемого сечения.

Начальные координаты свободной поверхности потока суспензии в инерционном сгустителе определяются конфигурацией кромок входного сопла, в конической центрифуге — очертанием сферической вставки, в лопастной центрифуге — профилями распределительного устройства и входных щелей. В диссертационной работе были теоретически исследованы влияние профилей распределительного устройства и входных щелей на равномерность распределения разделяемого продукта по высоте фильтрующих лопастей ротора центрифуги, что, в свою очередь, влияет на влажность обезвоженного осадка. Установлено, что распределительное устройство должно быть в виде конуса с углом наклона к горизонтальной плоскости

С02гов , ч

а = feparctg—(12)

где kp — коэффициент, kp = {(со); гр8 — радиус распределительного устройства на уровне крышки ротора, а ширина входной щели в каждом расчетном сечении zp = const при этом определяется по формуле:

, (13)

где Дq = Q/m„ — расход суспензии, поступающий на элемент лопасти высотой Az; kB — коэффициент неравномерности подачи, k„ = f(to);

р. — коэффициент расхода хцели; — радиус распределительного устройства в расчетном сечении; г0 — радиус свободной поверхности суспензии, находящейся в распределительном устройстве; 6 — высота лопасти; гр — расстояние по оси г от центра массы рассматриваемого элемента лопасти до днища ротора; О — расход суспензии, поступающий на всю лопасть; т„ — число элементов, на которые разбивается высота лопасти.

При механической очистке животноводческих стоков ротор центрифуги можно рассматривать состоящим из двух зон: фильтрации и отжима (рпс. 3). В первой зоне непосредственно на сите образуется осадок (подстилающий слой), через который фильтруется разделяемый продукт, причем твердые частицы фильтрующейся суспензии остаются на слое осадка, а жидкая фаза с незначительным количеством взвеси, проходя через поры подстилающего слоя и щели фильтрующего сита, уходит в сборник фильтрата.

Расход разделяемой суспензии по длине первой зоны непрерывно уменьшается, а концентрация осадка, наоборот, увеличивается. При этом абсолютное значение потенциала центробежного поля возрастает по пути движения осадка, что способствует уплотнению последнего, а, следовательно, и снижению его влажнос.га.

Профиль фильтрующего сита центрифуги выбирается таким образом, чтобы обеспечить минимальную скорость движения осадка.

Таким образом, в первой зоне существуют два слоя — достаточно медленно движущийся со скоростью иос слой осадка и имеющий большую скорость V поток еще не разделенной суспензии, который взаимодействует с осадком (подстилающим слоем). Благодаря интенсивной фильтрации через слой осадка толщина потока суспензии к концу первой зоны уменьшается до нуля (грашща N — Лг, рис. 3). Во второй зоне происходит отжим свободной, а также части капиллярной влаги из слоя движущегося осадка, который при этом имеет весьма рыхлую

структуру с высокой пористостью, так как частицы твердой фазы находятся в непрерывном движении как относительно фильтрующего сита, так и относительно друг друга.

Движение струйки жидкости через осадок в зоне центробежной фильтрации ротора центрифуги происходит за счет перепада давлений жидкости на поверхности слоя рс и за фильтрующей перегородкой р^

(по направлению 1-3, рис. 4), а также за счет разности потенциалов центробежного поля (по направлению 1-2).

Рис. 4. Траектория движения струйки жидкости при фильтровании через осадок и векторы скоростей фильтрации

Для определешм фильтрационного расхода в расчетах учитывается только "полезная" составляющая вектора общей скорости фильтра-цш! Уф, направленная по нормали к поверхности фильтрования 5:

уФп ^ 4 t^cosa U4}

или

к ■>

г;фп = (4Р + Ю"Р* гьсК, cos a), (15)

Н'ф-'ос

где 7.-4р — скорость фильтрации за счет перепада давления Ар = р. - рл; ЦфС — скорость фильтрации за счет разности потенциалов на радиусах rEl и rs2\ а — угол между направлением нормали к поверхности фильтрования и направлением радиуса: k„ — коэффициент проницаемости осадка: р. — вязкость фильтрата; Аос — толщина слоя осадка; rE6 = 0,5(r¥j + гв2) — средний радиус.

В диссертации исследовались теоретические закономерности процесса консолидации (отжима) движущегося слоя осадка под действием потенциала центробежного поля. Установлено, что скорость изменения

влажности слоя осадка разделяемого стока на роторе центрифуги определяется из соотношения

0W r-St

= (16)

где W — влажность осадка; — скорость центробежного отжима;

5 — показатель степени (S > 0); kw — коэффициент.

Осредненное давление жидкости в слое осадка толщиной Аос равно:

_ Цф*(1 + бсрЖс Рс , v

Рос 12fen 2 ' u '

где й — коэффициент пропорциональности, а = f(a'); еср — коэффициент пористости в рассматриваемом сечении, еср — i(o'); о' — эффективное напряжение в осадке.

Теоретическим путем получены эпюры распределения порового давления, полного и эффективного напряжений в слое осадка. В диссертационной работе была решена задача о движении слоя осадка вдоль фильтрующего сита в первой и второй зонах, являющаяся одной из важнейших в расчетах проточной части центрифуг с инерционной выгрузкой, т.к. она касается проблемы регулирования времени пребывания продукта в роторе и, следовательно, в первую очередь, предопределяет эффективность обезвоживания осадка. Задача сводится к нахождению такого профиля поверхности ротора, при котором скорость движения осадка была бы либо постоянной и небольшой, либо все время уменьшалась (например, с постоянным отрицательным приращением) от начального значения на входе в ротор до нуля на выходе из него. Все это ведет к увеличению времени пребывания продукта на рабочей поверхности и меньшей его влажности на выходе.

Скорость движения слоя осадка в рассматриваемом сечении при известном очертании профиля фильтрующего сита ротора определяется по формуле:

п

ZdR^~V0.oc{m-m0)

»ос = г>о,сс + ~-, <18)

Щ

где со.00 — скорость осадка в начальном сечении выделенного стока длиной <35 (рис. 3); щ — массовый расход осадка в начале отсека; т —

л

массовый расход осадка в конце отсека; йИ^ — проекция _ векторов

1 ;

всех внешних сил, действующих на выделенный отсек в направлении движения слоя осадка.

Для зоны центробежной фильтрации в формуле (18):

т = т0 - + с1тп0С + йгпф , (19)

V - йСхта I <1РБ - сЕГс + с1Гв. (20)

где <1тф — массовый расход фильтрата, ушедший из осадка через поверхность фильтрующего сита ротора; — массовый расход жидкости, вошедшей в отсек осадка со стороны потока суспензии; с[тос — массовый расход твердых частиц, осадившихся на поверхность слоя осадка за счет фильтрации со стороны потока суспензии: ¿С — центробежная сила, действующая на выделенный отсек осадка, <1Р5 — сила давления на боковые торцевые грани выделенного отсека; дТе — сила трения осадка о фильтрующее сото ротора; с!Гв — влекущая сила со стороны потока суспензии. В теоретических расчетах для величин, входящих в формулу (19), используются соотношения:

сЪг0С = ёсЬйф'; рт = рж; (21)

сЫф = - + <Ь?,,ТЖ; (22)

с1 те,,,. И'' . „

йт* = , и/ ' (22)

"'ер

где с — осредненная концентрация взвеси в потоке суспензии: рт — плотность взвешенных частиц; с1?г;„,А — массовый расход жидкости, ушедшей из осадка за счет отжима; с!тж — масса жидкости, связанная с осевшими твердыми частицами и оставшаяся в осадке; №'ср — осредненная влажность осадка в рассматриваемом отсеке.

В начальном сечении ротора принимается = он 0С, где последняя величина определяется экспериментально, исходя из условий входа разделяемого продукта на фильтрующую поверхность.

Для зоны центробежной фильтрации справедливы соотношения (19), (20), (22) при условии <Ь»0С = 0, <Ьгф' = 0; а/7,, = 0.

В диссертации была рассмотрена задача о движении слоя осадка в зоне центробежного отжима при воздействии на него прижимной пластины (рис. 5). В каждом элементарном отсеке АВСЭ пластина создает

фильтрующее сито

Рис. 5. Расчетная схема сил, действующих на осадок в отсеке с прижимной пластикой

дополнительную силу давления ¿РБ = е!Спсо5а', где с1Сп — вес отрезка пластины ВС в центробежном поле, направленную в сторону фильтрующего сита и интенсифицирующую процесс консолидации осадка. Кроме того, на поверхности между осадком и пластиной возникает дополнительная сила трения с1Гсп.

Тогда для расчета скорости движения осадка и профилирования

п

лопасти величина V dRir в этом случае должна определяться из формулы:

У dRis = dC(sin а - f cos а) + dCn cos a(f + fn) + dPfi - fdK , (24)

.»i

где f — коэффициент трения осадка по ситу; f„ — коэффициент трения осадка по пластине; К — кориолисова сила.

В работе также рассмотрены задачи регулирования времени пребывания осадка в роторах конических центрифуг при использовании криволинейных направляющих элементов, теоретически обоснованы использование двухступенчатых конических роторов и существование для каждого разделяемого продукта области оптимальных режимов центрифугирования.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЖИВОТНОВОДЧЕСКИХ СТОКОВ И ПРОЦЕССОВ РАЗДЕЛЕНИЯ В ЦЕНТРОБЕЖНЫХ АППАРАТАХ

Для анализа эффективности изучаемых процессов и аппаратов механической очистки животноводческих стоков, а также свойств сточных вод и продуктов разделения на лабораторных установках был проведен ряд экспериментов. Целыо экспериментальных исследований также было установление эмпирических закономерностей изменения в полях массовых сил и давлений важнейших реологических характеристик исходных стоков и продуктов разделения. В работе экспериментально определялась зависимость коэффициента трения осадка сточных вод от его влажности, давления, скорости и наличия фильтрационного потока. В качестве фильтрующей поверхности, соприкасающейся с осадком, использовалось металлическое cirro, применяемое в роторах инерционных центрифуг, выпускаемых АО "Пензхиммаш". Коэффициент трения

осадка определялся по оригинальному способу, разработанному автором (а.с. 1605176) и реализованному на приборе (рис. 6). В стакане 3 находился испытываемый осадок 2, относительно которого перемещался

Рис. 6. Схема прибора для определения коэффициентов трения и проницаемости осадков: 1 — фильтрующий ротор; 2 — осадок; 3 — стакан; 4 — поршень; 5 — шток; 6 и 6а — датчики давления; 7 — пружина; 8 — прижимной винт с опорой; 9 — вал; 10 — подшипник; 11 — консоль с зажимом для датчика; 12 — неподвижная опора; 13 — основание патрона; 14 — патрон для подачи жидкости; 15 — патрубок

фильтрующий ротор 1. Скорость вращения ротора на валу 9 изменялась при помощи редуктора электродвигателя. Сила прижатия N осадка к фильтрующему ситу ротора измерялась датчиком 6. Сила трения Тс,

возникающая при вращении на границе "осадок — ротор" отклоняла стакан вместе со свободно насаженным на вал 9 патроном 14, который своим основанием 13 воздействовал на датчик 6а, фиксирующим усилие Р. Коэффициент трения определялся по формуле:

(25>

где Я — радиус фильтрующего ротора (Н — 0,15 м); I — плечо основания патрона (/ = 0,08 м).

Показания датчиков регистрировались при помощи тензостан-ции ЛХ-7000 и осциллографа СГ-117. Скорость относительного движения осадка по фильтрующему ситу изменялась в пределах 0,04...0,2 м/с.

Для исследований влияния фильтрации на коэффициенты трения осадков во время проведения опытов в стакан через патрубок 15 подавалась жидкость под давлением, которая, пройдя слой осадка и фильтрующее сито, собиралась в поддон (на рисунке не показан).

Коэффициент трения в этом случае определялся по формуле:

П

( -= -, (26)

где р — давление жидкости в стакане; 5 — площадь поперечного сечения стакана (поршня), 5 - 7-10 4 м~.

Для осадка свиного навоза максимальный коэффициент трения движения (/"тах = 0,891) наблюдался при влажности М'гос = 70 %, в то время как у осадка навоза крупного рогатого скота (КРС) максимально е значение коэффициента (/"тах = 0,79...0,8) зафиксировано при влажности XV ос - 62...65

11аличпс фильтрации снижает значения коэффициентов трения осадков в среднем на 6... 10 % вследствие возникновения тонкого слоя жидкости на поверхности контакта осадка с фильтрующим ситом. Для проведения численных расчетов по определению профилей фильтрующих сит роторов были выведены эмпирические зависимости изме-

нения коэффициентов трения изучаемых осадков для различных диапазонов влажности типа

где WBi0C — верхнее граничное значение влажности для исследуемого диапазона, % (WBOi < Wac < Waoa); WUuC — нижнее граничное значение влажности, %; К^, К2 — коэффициенты; »1 — показатель степени.

При экспериментах влияния скорости движения и нормальной нагрузки на коэффициент трения в исследуемых пределах не наблюдалось. На приборе (см. рис. 6) проводились также эксперименты по определению коэффициентов проницаемости осадков животноводческих стоков. Заранее отцентрифугированньш до заданной влажности Woc осадок толщиной hoc помещался в стакан 3 и фиксировался сетчатым каркасом. Жидкость под давлением подавалась через патрубок 15 в стакан, равномерно распределялась по всей его площади и фильтровалась через слой осадка. Эксперименты производились при неподвижном роторе (т.е. иос = 0), а также при вращении ротора относительно слоя осадка (voc > 0). Установлено, что при относительном движении коэффициент проницаемости осадка увеличивается в среднем на 15...25 % по сравнению со случаем, когда осадок не перемещается вдоль фильтрующего сита.

Для расчетов скоростей фильтрации в зоне I инерционных центрифуг эмпирические зависимости коэффициентов проницаемости движущихся осадков от их влажности были представлены в виде:

(27)

(28)

где kn — коэффициент проницаемости, м ; К3, К4 — коэффициенты; Woc — влажность осадка, %.

- Максимальные значения коэффициентов проницаемости осадков наблюдались при влажности IV,,,. - 83 % и находились в пределах К„ = (2;67...3,78)'10!1 м", причем проницаемость осадка свиного навоза была выше, чем у осадка навоза КРС.

Для определения расчетным путем параметров осадка, движущегося по рабочей поверхности ротора центрифуги, были исследованы закономерности центробежного отжима при помощи фильтрующего одометра. Одометр состоял из ротора с двенадцатью чашками для сбора фильтрата, который приводился во вращение с угловой скоростью со, при помощи наружного полого вала. Внутренний вал приводил во вращение с угловой скоростью о>, каретку, в которой были установлены два стакана с фильтрующими днищами. В каждый стакан предварительно помещался осадок с начальной влажностью Шв и фиксировался сетчатым каркасом. Так как ротор и каретка, в которой находились стаканы с осадком, имели различные скорости вращешгя, то фильтрат, проходящий через днища каждого стакана, поступал поочередно в каждую из чашек для сбора фильтрата. Разница угловых скоростей со, - со2 подбиралась таким образом, чтобы интервал времеш1 между поступлениями фильтрата в две соседние чашки составлял АЬ - 0,5...0,8 с.

В результате анализа экспериментальных данных были подучены следующие эмпирические зависимости, характеризующие процесс центробежного отжима:

= Къ ■ 10-б(ж,с - ЪГ^Ф™; (29)

^.^/г^5, (зо)

где и<лж — скорость центробежного отжима, м/с; И7ПТ) — предельная влажность осадка животноводческих стоков, которую можно достичь центрифугированием; \¥пр = 57 %; Фср — потенциал центробежного по-

ля, определяемый для центра массы слоя осадка; Ке — коэффициенты; Аос — средняя за время АЬ толщина осадка.

На модели лопастной фильтрующей центрифуги с диаметром ротора 500 мм проводились исследования влияния формы распределительного устройства и входных щелей на равномерность подачи разделяемых стоков по высоте фильтрующих лопастей. Установлено, что наиболее равномерное распределение расходов по высоте лопастей достигается при использовании конического распределительного устройства с углом наклона образующей к горизонтальной плоскости ар = 80...85° и входных щелей, ширина которых плавно увеличивается по оси г, что явилось подтверждением предварительных теоретических расчетов. Данный способ распределения суспензии в роторе лопастной центрифуги разработан автором и защищен а. с. № 1703181.

Исследования скорости движения слоя осадка по ротору центрифуги и условий выхода разделяемого продукта со сферической вставки на фильтрующую поверхность были осуществлены на установке, представляющей собой модификацию фильтрующего одометра. Установка состояла из ротора с чашками для сбора фильтрата и каретки, вращающейся вместе с ротором с одинаковой угловой скоростью со. В каретке устанавливались симметрично два фильтрующих сита (плоских и криволинейных), каждое из которых зажималось с боков двумя пластинами. Угол наклона сит относительно оси вращения каретки в разных опытах изменялся. Исследуемые осадок или суспензия с заданной влажностью и расходом подавались на днище каретки, а затем поступали на сферические вставки (направляющие элементы) и далее на фильтрующие поверхности. В процессе экспериментов замерялись расход фильтрата, толщина слоя осадка (суспензии) в различных сечениях и скорость осадка. Скорость поступления х>п суспензии со сферической

вставки на фильтрующую поверхность по результатам экспериментов бьгла определена следующими эмпирическими зависимостями:

= ФРЛ/»Г+ - ri); (31)

где фр — коэффициент скорости; v0 — скорость потока суспензии в начальном сечении сферической вставки (радиус г0); /,, — радиус схода суспензии со сферической вставки; sB — длина вставки; с — концентрация взвешенных веществ в суспензии, %.

Измерения скорости движения слоя осадка производились в трех расчетных сечениях zv = const. Экспериментальные значения скорости движения осадка оос сравнивались с расчетными данными, полученными по формуле (18), при этом расхождение результатов не превышало в среднем 2.5...3 %.

На модели лопастной центрифуги с диаметром ротора 500 мм проводились эксперименты по определению скоростей и давлений в потоке суспензии, движущемся в зоне центробежной фильтрации, а также исследования количественных и качественных характеристик продуктов разделения животноводческих стоков при различных режимах центрифугирования.

Эксперименты на модельной жидкости показали, что для определения скорости движения потока разделяемого продукта по ротору центрифуги могут быть использованы следующие соотношения:

в = + «Т(г* - Гн2); (33)

Ф = 1-(1-»4 '/¡J ; <м>

••-«Х^ПйУ- <з5)

где vE — скорость потока в начальном сечении ротора (при гв = г3);

rB — радиус расчетного сечения потока; / — длина ротора от начального до конечного сечения; 1К — полная длина ротора.

Для определения оптимального режима центрифугирования животноводческих стоков частота вращения ротора лопастной центрифуги изменялась в пределах от 500 до 1700 об/мин при помощи потенциометра БУ 3509-31 и контролировалась строботахометром СТ-5. Эксперимента проводились при расходах QH = (2,4...4,7)х10^4 м3/с на каждую из двух симметрично расположенных лопастей высотой 100 мм и длиной 150 мм. Конструктивное оформление лопастей было в двух вариантах — с прижимными пластинами из тонкой нержавеющей стали и без них.

При превышении частоты вращения ротора значений я = 1250... 1300 об/мин расходы фильтрата Оф не возрастали (рис. 7), при этом обеспечивалась требуемая влажность осадка в пределах 70...72 %. Такие значения частот вращений соответствуют фактору разделения центрифуг Fr^ = 300...330. Превышение указанных значений Fr нецелесообразно, так как это приводит к увеличению удельной энергоемкости центрифуги, увеличению износа фильтрующей поверхности ротора и ухудшению качества фильтрата по сухому веществу и.ХПК. При использовании прижимных пластин фильтрационные расходы возрастают в среднем на 8... 10 % при незначительном ухудшении качества фильтрата по ХПК, что позволяет использовать пластины для повышения производительности процесса разделения.

При оптимальной частоте вращения ротора, соответствующей фактору разделения = 320 были исследованы зависимости изменения

влажности осадков по длине фильтрующего сита лопасти как с использованием прижимной пластины, так н без нее. Применение прижимных пластин интенсифицирует процесс обезвоживания осадка и уменьшает его конечную влажность в среднем на 3...4 %.

Рис. 7. Графики зависимости фильтрационных расходов от частоты вращения ротора лопастной центрифуги при разделении животноводческих стоков:

1 при дн = 4,7-КГ4 м3/с; 2 -при дп = 3,8-10"4 м3/с; 3 - при дя = 3,4-КГ4 м3/с; 4 - при с>в = 2,7*10"4 м3/с; 5 -при дн = 2,4-10'4 м3/с; Л — для лопасти с прижимной пластиной

' Экспериментальные результаты по определению влажности осадков в определенных сечениях сравнивались с расчетными данными и показали расхождение в среднем на 0,4...0,5 %.

Закономерности изменения скорости движения потока суспензии вдоль пути фильтрования I, характер изменения концентрации твердых частиц в потоке, а также фильтрационные характеристики рабочего сита были исследованы на полупроизводственном образце цилиндро-коничес-кого сгустителя. Диаметр цилиндрического сита сгустителя равнялся 360 мм, конического — соответственно 360 мм (максимальный) и 250 мм (минимальный), общая высота рабочих сит — 400 мм. Фильтрующая поверхность сгустителя была разделена с нерабочей стороны перегородками на 10 отсеков. Фильтрат с каждого из отсеков собирался и отводился раздельно через патрубки. На рабочей поверхности сит устанавливались направляющие элементы из стальных полос в виде пространственных спиралей. Угол наклона направляющих элементов к горизонтальной плоскости изменялся от 5° в начальном сечении сгустителя (входной патрубок) до 17...23° в конечном сечении (выход сгущенного стока). Эксперименты проводились как с навозными стоками, так и с модельной однородной жидкостью. При анализе экспериментальных данных были установлены следующие эмпирические зависимости для скорости движения потока суспензии:

где 2Я — координата центра массы поперечного сечения входного сопла; г — то же, для рассматриваемого сечения; <рк — коэффициент скорости потока в конце пути движения (при I - /к) для однофазной жидкости; с — концентрация взвеси в потоке, %; св — начальная концентрация взвеси, %; — теоретически возможная концентрация взвеси в обезво-

(36)

(37)

женной суспензии, которую можно получить на сгустителе. Для животноводческих стоков с, -- 15... 15,3 %.

Дополнительный коэффициент сопротивления фильтрованию рабочего сита сгустителя Гс, учитывающий влияние взвеси в потоке, характеризовался соотношением:

что позволило расчетным путем определять фильтрационные расходы на всех участках сгустителя любого типа.

Фактор разделения на сходе сгущенного стока с фильтрующего схтта определялся по формуле:

где vK — скорость потока в конечном сечении; гк — радиус схода потока с конуса, гк = 1,125 м.

Было установлено, что при значениях FrK £ 5...6 на конечных участках сита образуется малоподвижный слой «садившейся взвеси, резко снижающей фильтрационный расход. При значениях фактора разделения Ftk > 12... 13 наблюдался подпор потока сгущенного стока в отводящем патрубке, имеющем диаметр 150 мм. На промышленных образцах сгустителей диаметры отводящих патрубков также не превышают 150 мм, поэтому значения FrK = 12... 12,5 рекомендованы в качестве верхнего предела для потоков обезвоженных суспензий навоза на сходе с фильтрующих конических или цилиндрических сит.

Для выбора способов дальнейшей механической очистки жидкой фракции навоза, получаемой после ТТДЦА с целью извлечения из нее питательных для растений веществ были проведены экспериментальные исследования ее фильтрационных и седиментацпонных характеристик. Выявлена нецелесообразность обработки жидкой фракции отстаиванием, что обусловлено небольшой разницей плотностей твердой и жидкой

Fc = 0,0153 с1,8 + 1,

(38)

(39)

Г фаз отстаиваемой жидкой фракции, а также эффектом стесненного осаждения.

Сравнительный анализ фильтрационных свойств жидкой фракции навоза при обработке реагентами (РеС13, СаО) и без нее проводился на модели вакуум-фильтра с диаметром барабана 400 мм и шириной фильтровальной капроновой ткани 120 мм. Наилучшие результаты по качеству фильтрата и производительности вакуум-фильтра наблюдались при обработке жидкой фракции реагентами в больших дозах (РеС13 до 15 % и СаО до 21 % от массы сухого вещества исходной фракции), а также при фильтровании осадка, полученного после анаэробного сбраживания в пруду жидкой фракции навоза с использованием на поверхности ткани вакуум-фильтра намывного слоя из присадочного материала, в качестве которого была использована биотермически обработанная твердая фракция после центрифугирования. На основе полученных экспериментальных данных АО "Пензхиммаш" была разработана конструкция полупроизводственного образца вакуум-фильтра БОН-2-1-1У для механической очистки жидкой фракции животноводческих стоков.

4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ (МЕТОДИК) РАСЧЕТА ПРОТОЧНЫХ ЧАСТЕЙ ИНЕРЦИОННЫХ ФИЛЬТРУЮЩИХ ЦЕНТРИФУГ И СГУСТИТЕЛЕЙ

В расчетах центрифуг и сгустителей любого типа предполагается, что характеристики исходного или разделяемого продукта не изменяются во времени, т.е. процесс разделения является установившимся.

Задача гидравлического расчета сгустителей заключается в нахождении оптимального профиля их фильтрующей поверхности, при котором бы отбирался наибольший процент свободной влаги из обезвоживаемого продукта при относительно небольших затратах энергии и компактности конструкции.

• Исходными данными для расчета являются расход разделяемого продукта, концентрация и фракционный состав взвеси, а также напор подающего нас.оса и характеристики фильтрующего сита. В начале вы-числешш всегда задается предварительный профиль фильтрующей поверхности с начальным и конечным радиусами. Горизонтальная проекция потока разделяемой суспензии и поверхности фильтрующего сгустителя делится сечениями / на отсеки с равными центральными углами Дфс (рис. 8).

НАЧАЛЬНОЕ

Рис. 8. Схема деления горизонтальной проекции сгустителя на отсеки

Расчет профиля фильтрующей поверхности ведется с применением уравнений Д.Бернуллн, свободной поверхности, движения и неразрывности потока суспензии. В каждом отсеке, начиная с первого (от / = О до / = 1) путем последовательных вычислений (итераций) определяют-

ся скорость движения суспензии, толщина потока, перепад давлений на фильтрующей поверхности, концентрация взвеси в потоке, фильтрационные скорости и расходы, координаты свободной поверхности, а также необходимая высота фильтровальной полосы. Так как итерационный процесс связан с большим количеством вычислений, то весь расчет ведется с использованием ЭВМ в соответствии с разработанной программой. Конечные отсеки сгустителя проверяются на выполнение условия Ргк > = 6...6,5, исключающего возможность образования

на фильтрующей поверхности сплошного малоподвижного слоя твердых частиц. При невыполнении этого неравенства или достижении условия / = N расчет сгустителя заканчивается, и на печать ЭВМ выводятся все необходимые данные расчета, и, в первую очередь, концентрация взвеси, обуславливающая, влажность обезвоженного продукта (суспензии) которая получается при заданном сочетании исходных параметров.

Из-за большого количества параметров, влияющих на влажность конечного продукта, решение задачи нахождения минимального значения не может быть однозначным. В оптимальном случае влажность конечного продукта должна быть близка к пределу обезвоживания по свободной влаге для данного продукта, значение которого определяется из графиков кинетики сушки (для навоза = 81 %). Если получается намного больше предела обезвоживания по свободной влаге, то несколько исходных параметров, которые в наибольшей степени влияют на интенсивность обезвоживания, изменяются, и расчет повторяется вновь.

В результате гидравлических расчетов может оказаться, что несколько вариантов профилей фильтрующей поверхности позволяют получить обезвоженный продукт с минимальной влажностью В этом случае должно быть проведено дополнительное сравнение этих вариантов по энергетическим или экономическим параметрам (полученная

производительность единицы площади фильтрующей поверхности, напор на входе в сгуститель, мощность подающего насоса, металлоемкость конструкции). Важным показателем при сравнении вариантов является также технологичность изготовления данного профиля рабочей (фильтрующей) поверхности. Простые для технологического исполнения профили (цилиндрические, конические, цилиндро-коннческие) являются более предпочтительными перед остальными, и к тому же ош! позволяют сделать сгуститель более удобным в эксплуатации.

Расчет фильтрующей центрифуги заключается в отыскании оптимального профиля поверхности ротора, обеспечивающего устойчивый процесс разделения и необходимое время пребывания осадка в роторе. Исходными данными для расчета фильтрующих центрифуг являются расход разделяемого продукта (суспензии), его эффективная вязкость, концентрация твердых частиц, а также характеристики осадка разделяемого продукта: проницаемость, данные по параметрам консолидации, коэффициенты трения по фильтрующему ситу ротора. В лопастных центрифугах, кроме того, задается количество лопастей в роторе. Наружный диаметр задается из конструктивных условий, расхода и вида суспензии, а также по прочностным характеристикам материала ротора и в соответствии с существующими типоразмерами. Внутренний диаметр ротора конической центрифуги, так же, как и конфигурация сферической вставки задается из условия обеспечения необходимой скорости входа разделяемого продукта на фильтрующую поверхность. В лопастных центрифугах внутренний диаметр распределительного устройства должен быть не менее диаметра подающей трубы (питателя). Кроме того, он имеет различные значения на днище и крышке ротора и определяется предварительным расчетом на ЭВМ по разработанной программе.

Расчет профиля фильтрующего ротора ведется с использованием уравнений Д.Бернулли, свободной поверхности, неразрывности двух-

фазной суспензии и осадка, а также количества движения сплошной среды.

Перед началом расчета горизонтальная (для лопастной центрифуги) или вертикальная (для конической центрифуги) проекция ротора разбивается на несколько отсеков сечениями /(/= 1...Л0, отстоящими друг от друга на одинаковом расстоянии Ах (или Лг).

Алгоритм расчета профиля фильтрующей рабочей поверхности центрифуги сводится к ряду взаимосвязанных итерационных процессов. Весь расчет разбивается на следующие этапы:

1. Предварительный выбор размеров ротора, а также профилей фильтрующей поверхности ротора и свободной поверхности суспензии в зоне I.

2. Определение толщин слоя и давлений для потока суспензии в зоне I с использованием уравнений неразрывности потока суспензии и заданием закона изменения коэффициента скорости.

3. Определение одновременно с п. 2 параметров слоя движущегося осадка, а также решения уравнений неразрывности и изменения количества движения слоя осадка в зоне I.

4. Внесение, на основе совместных итерационных расчетов по п. п. 2, 3, поправок на выбор координат свободной поверхности слоя разделяемой суспензии и фильтрующей поверхности ротора (в конических центрифугах).

5. После удовлетворения всех заданных требований, связанных с условиями обеспечения устойчивого процесса разделения, нахождение точных профилей свободной поверхности суспензии, слоя осадка и фильтрующей поверхности ротора, а также окончательное определение параметров потока суспензии, слоя осадка, длины первой зоны и времени разделения в этой зоне.

6. Решение уравнений неразрывности и изменения количества движения для осадка в зоне II, определение профилей поверх-

- ности осадка, его параметров, а также фильтрующей поверхности профиля ротора.

7. Внесение поправок на выбор координат фильтрующей поверхности ротора во второй зоне с учетом требований установившегося процесса разделения и конструктивных особенностей (для конического ротора).

8. Получение окончательных данных расчета: общего времени разделения г, конечной влажности обезвоженного осадка И'крс, количества фильтрата £>ф, профиля и размеров фильтрующей поверхности. Величина конечной влажности ос сравнивается с требуемой влажностью XV 1р и при завышенном значении №'к ос: в исходные данные для расчета вносятся изменения или же рассчитывается новый профиль фильтрующей поверхности, обеспечивающий большее время разделения. Из-за большого количества вариантов данная задача решается с помощью ЭВМ.

Алгоритмы расчета лопастного и конического роторов в силу их конструктивных особенностей отличаются друг от друга, и поэтому по каждому из них автором разработаны самостоятельные блок-схемы и программы вычислений.

В приложениях к диссертации дан ряд профилей для роторов лопастных и конических центрифуг, рассчитанных в соответствии с предполагаемыми алгоритмами и программами.

5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ И ПРАКТИЧЕСКОМ ПРИМЕНЕНИИ АППАРАТОВ

ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СУСПЕНЗИЙ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Разработанные методы расчета проточных частей НДЦА нашли применение при создании различных типов выпускаемых центрифуг и сгустителей, а также новых моделей, подлежащих освоению.

При конструировании лопастной центрифуги ФВИ-711К-05 (рис. 9) были использованы расчетные данные для определения геомет-

Рис. 9. Схема центрифуги ФВИ-711К-05

рических параметров конического распределительного устройства и входных щелей, а также для профилирования фильтрующих сит лопастей ротора и прижимных пластин. Найденная область оптимальных режимов центрифугирования поззолила уменьшить частоту вращения ротора с 1800 об/мин до 1050 об/мин по сравнению с ранее используемой центрифугой ФВИ-711К-03 при одинаковой производительности. Найденная расчетным путем область производительности центрифуги ФВИ-711К-05 (Q - 47...68 м'/ч) полностью соответствовала данным испытаний этого аппарата на очистных сооружениях крупных животноводческих комплексов. Лопастная центрифуга с диаметром ротора 710 мм и высотой лопастей 300 мм и инерционные цилиндрические сгустители диаметром до 400 мм вошли в состав разработанной на АО "Пензхиммаш" при участии автора установки механической очистки животноводческих стоков. В ее состав включены последовательно соединенные напорная механизированная ловушка для задержания из сточных вод крупных включений, инерционный фильтрующий сгуститель цилиндрического тина и лопастная центрифуга ФВИ-711К-05. Установка выпускается в двух вариантах — производительностью 100 и 150 м'У'ч. Годовой экономический эффект от внедрения одной установки для механической очистки сточных вод свинокомплексов и ферм КРС составил в среднем 150 тыс. руб. (в ценах на 01.01.91 г.).

Результаты диссертационной работы были использованы при конструировании центрифуг ФВИ-501К-01 и 2ФГИ-601К-01 производительностью до 20 м3/ч для небольших животноводческих комплексов и фермерских хозяйств. При конструировании центрифуги ФВИ-501К-01 были использованы полученные автором расчетные данные по определению профилен входных щелей разгонной чаши, фильтрующих, лопастей и прижимных пластин, при конструировании центрифуги 2ФГИ-601К-01 (рис. 10) — профили каждой из двух ступеней ротора, а также

конфигурации основной и промежуточной сферической вставок. Области производительности этих центрифуг при оптимальных режимах

Рис. 10. Схема центрифуги 2ФГИ-601К-01

их работы, найденные расчетным путем были подтверждены данными производственных испытаний на очистных сооружениях животноводческих комплексов. На основании полученных расчетных и экспериментальных данных на АО "Пензхиммаш" была разработана вертикальная коническая центрифуга с двухступенчатым ротором 2ФВВ-112.1К-01 для крупных комплексов КРС производительностью до 60 м3/ч по исходным стокам. Центрифуга снабжена виброприводом, который включается при поступлении стока с большой вязкостью.

Результаты диссертационной и научно-исследовательских работ автора были также использованы в конструкциях проточных частей выпускаемых АО "Пензхиммаш" лопастных центрифуг для отжима сока из плодоовощного сырья, разделения помета птицефабрик (заказы 50099, 50096) и в конструкциях конических центрифуг для разделения суспензий угля и металлической стружки (заказы 52068, 52060).

Разработанные и выпускаемые модификации непрерьгвнодей-ствующих центробежных аппаратов в настоящее время составляют основу схем переработки животноводческих стоков в девяти хозяйствах Российской Федерации. Установлено, что более эффективной с точки зрения охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов является схема, при которой в максимальной степени извлекаются питательные вещества из получаемой после НДЦА жидкой фракции. При этом наиболее рационален вариант с использованием разработанного при участии автора вакуум-фильтра БОН-2-1-1у для тонкой механической очистки осадка, получаемого после анаэробного сбраживания жидкой фракции навоза.

ВЫВОДЫ

1. Анализ современных методов механической очистки животноводческих стоков выявил проблему создания высокопроизводительных и энергосберегающих установок и технологических линий, позволяющих в максимальной степени извлекать из перерабатываемых стоков ценные компоненты и одновременно снижать неблагоприятное воздействие продуктов разделения на окружающую среду.

2. Сравнение энергетических затрат при удалении различных видов влаги из сточных вод показало целесообразность использования высокопроизводительных непрерывнодействующих фильтрующих центробежных аппаратов (НДЦА) для разделения навозных стоков.

3. При изучении процесса разделения суспензий (в частности, животноводческих стоков) на фильтрующих рабочих поверхностях НДЦА необходимо использование теоретических основ механики двухфазных сред, что позволяет наиболее точно рассчитать оптимальные профили проточных частей центробежных аппаратов, обеспечивающие их экономичную работу.

4. Оптимизация профилей проточных частей НДЦА производится на основе полученных систем уравнений, описывающих процесс разделения в центробежном поле двухфазных суспензий и осадков с учетом важнейших физико-механических характеристик этих сред — влажности, концентрации взвеси, интенсивности фильтрации и отжима, степени консолидации, коэффициентов проницаемости и трения и пр.

5. Оптимальное время пребывания разделяемого продукта в роторе инерционной центрифуги с целью получения осадка требуемой влажности, возможно определить расчетным путем с использованием данных экспериментальных исследований и эмпирических зависимостей, описывающих изменения важнейших реологических характеристик исходных животноводческих стоков и осадков, получаемых в процессе разделения.

6. Наиболее рациональным способом задержания ценных компонентов и питательных веществ, присутствующих в жидкой фракции навоза, является ее сбраживание в анаэробных условиях с последующей механической очисткой полученного осадка на вакуум-фильтре с намывным слоем из присадочного материала, в качестве которого используется биотермически отработанная твердая фракция.

7. Оптимальный режим работы инерционного сгустителя при механической очистке животноводческих стоков наблюдается при факторе разделения на сходе предварительно обезвоженного стока с фильтрующего сита сгустителя в пределах Рг = 7... 12, что обеспечивает экономичные и стабильные условия дальнейшей обработки с тока.

Требуемое качество твердой фракции при минимальных затратах на центрифугировашге достигается в области значений фактора разделения на выходе из ротора Рг - 300...330.

8. Разработанные с использованием ЭВМ методы расчета профилей проточных частей (входных устройств, фильтрующих поверхностей) НДЦЛ применимы при разделении целого ряда органических п неорганических суспензий. Предложенные методы использованы при расчетах профилей сгустителей и центрифуг для разделения сточных вод животноводческих комплексов с заданными характеристиками, а также при определении областей производительности центробежных аппаратов по исходным стокам.

9. Использование разработанных при участии автора новых конструкций НДЦА, имеющих малую металло- и энергоемкость, в технологических схемах переработки навоза в несколько раз повышает удельную производительность типовых очистных станщт и способствует решению крупной народнохозяйственной проблемы защиты водоемов от загрязнений.

10. Разработки автора реализованы в 11 типах инерционных центрифуг и сгустителей, выпускаемых для разделения сточных вод животноводческих комплексов и птицеферм, плодоовощного сырья, а также суспензий угля и т.д. Годовой экономический эффект от внедрения НДЦА на отастных сооружениях животноводческих комплексов составляет более 1,8 млн. руб. (в ценах на 01.01.91 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. О некоторых вопросах переработки животноводческих стоков // Межвуз. научн. сб. / СПИ. — Саратов, 1979. — Вып. 5. — Гидравлические исследования сооружений. Очистка жидкостей. — С. 102...108.*

2. Д ифференциальные уравнения движения взвесенесущего потока вдоль фильтрующей поверхности инерционного сгустителя и принцип его расчета // Межвуз. научн. сб. / СПИ. — Саратов, 1986. — С. 75...83.*

3. Сравнение оборудования для переработки свиноводческих стоков по индексу разделения // Межвуз. научн. сб. / СПИ. — Саратов, 1987. - С. 103...110.*

4. Определение критериев фильтрации в поле действия центробежной силы // Межвуз. научн. сб. / СПИ. — Саратов, 1988. — С. 82...88.*

5. Расчет профиля лопасти фильтрующей центрифуги // Межвуз. научн. сб. / СПИ. - Саратов, 1989. - С. 49...54.*

6. Определение скоростей фильтрации в зоне центробежного отжима на лопасти фильтрующей центрифуги // Межвуз. научн. сб. / СПИ. - Саратов, 1990. - С. 89...98.*

7. Экспериментальные исследования фильтрующей центрифуги с прижимными пластинами на лопастях // Межвуз. научн. сб. / СПИ. — Саратов, 1991. - С. 51...59.*

8. Расчет входных устройств лопастных центрифуг // Межвуз. научн. сб. / СПИ. - Саратов, 1992. - С. 86...91.*

9. Оборудование для разделения животноводческих стоков // Водоснабжение и санитарная техника, — 1994. — № 10. — С. 28...30.*

10. Очистка животноводческих сточных вод в лопастных центрифугах // Водоснабжение и санитарная техника. — 1995. — № 1. — С. 5...7.*

11. Установка для разделения сточных вод животноводческих комплексов // Вестник Российской академии сельскохозяйствепных наук. - 1995. - № 6. - С. 66...67*

12. Фильтрующие центрифуги для разделения сточных вод животноводческих комплексов //' Химическое и нефтяное машиностроение.. - 1995. - № 8. - С. 38...40,*

13. Исследование условий входа разделяемого продукта на лопасти фильтрующей центрифуги // Известия ВУЗов. Строительство. —

1995. - № 9. - С. 76...80.*

14. Оборудование для разделения жидкого навоза // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 1995. — № 10. — С. 13.. .14."

15. Современные технологии переработки животноводческих стоков: Обзорно-аналитический материал. — Пенза: ЦНГИ, 1995. — 24 с.

16. Теория процесса разделения сточных вод и суспензий в центробежных аппаратах. — М.: ВНИИНТПИ, 1995. — 177 с.

17. Оборудование и схемы переработки животноводческих стоков: Экспресс-информация. - М.: ВНИИНТПИ, 1995. - Вып. 5. - Промышленные и сельскохозяйственные комплексы, здания и сооружения. - С. 1...8.*

18. Коническая центрифуга для разделения животноводческих, стоков // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. —

1996. - № 1. - С. 67...68.*

19. Устройства для предварительного обезвоживания животноводческих стоков // Водоснабжение и санитарная техника. — 1996. — № 2. - С. 26...27.*

20. Определение скорости движения осадка сточпых вод в роторах лопастных и конических центрифуг // Известия ВУЗов. Строительство. - 1996. - № 2. - С. 89...93.

21. Центрифуга. A.c. 1183182. Б. И., 1985. - № 37."

22. Лопастная центрифуга. A.c. 1199270. 1985. -№47.*

23. Центрифуга. A.c. 1227250. Б. И., 1986. - № 16.*

24. Инерционный сгуститель. A.c. 1247098. Б. И., 1986. — № 28.*

25. Центрифуга. A.c. 1274770. Б. И., 1986. - № 45.*

26. Способ разделения на фракции стоков свиноферм. A.c. 1371560. Б. И., 1988. - № 5.*

27. Лопастная центрифуга. A.c. 1388093. Б. И., 1988. - № 14.*

28. Центрифуга. A.c. 1391715. Б. И., 1988. - № 16.*

29. Инерционный сгуститель. A.c. 1404121. Б. И., 1988. - № 23.*

30. Центрифуга. A.c. 1588441. Б. И., 1990. - № 32.*

31. Центрифуга. A.c. 1592051. Б. И., 1990. - № 34.*

32. Центрифуга. А. с. 1597218. Б. И., 1990. - № 37.*

33. Способ определения коэффициента трения скольжения материалов. A.c. 1605176. Б. И., 1990. - № 41.*

34. Способ распределения суспензии в роторе лопастной фильтрующей центрифуги. A.c. 1703181. Б. И., 1992. — № 1.*

35. Лопасть фильтрующей центрифуги. A.c. 1738372. Б. И., 1992. -

№ 21.*

*

Работы опубликованы с соавт

Гришин Борис Михайлович

Совершенствование механической очистки сточных вод животноводческих комплексов

Подписано к печати . Бумага газетная.

Формат 60x80 1/16. Печать офсетная. Объем печ. л Тираж 100 экз. Заказ № Бесплатно

Множительный участок Пензенского государственного архитектурно-строительного института 440028, г. Пенза, ул. Г.Титова, 28