автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Технологическое и техническое обоснование энергосберегающей сушки птичьего помета с использованием тепла ферментации

РГ6 ОД

РОССИЙСКАЯ1. ШДЕМВД СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

- ( И^Н Ы*'*'

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛБДОВАЧ'ЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ВИИ)

На правах рукописи

ТОМАШЕВ Владимир Борисович

УДК 631.365.2:631.86:631.17

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЩЕЙ СУШКИ ПТИЧЬЕГО ПОМЕТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛА ФЕРМЕНТАЦИИ

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1993

Работа выполнена ео Всероссийском тучпо-исследозателъскои институте механизации сельского хозяйства (ВИЮ.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор, академик Российской академии сельскохозяйственных наук Анискин В.И.

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

- доктор сельскохозяйственных наук, старвий научный сотрудник Лысенко В.П.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Личыан Г.И.

- Всероссийский научно-исследовательский проектно-технологичес-гзй институт органических удоб-регай и торфа (ВНИПТИОУ) г. Владимир

Зацита состоится "-^У" ¿¿/^/г"*-?' 1993 г. в -/3 час. на заседании Специализированного совета Д 020.02.01 при Всероссийском научно-исследовательском 1шституте механизации сельского хозяйства (ВИМ) по адресу: 109428, Москва, 1-ый Институтский проезд, дом 5.

С диссертацией могшо ознакомиться в библиотеке ВИЫ. Автореферат разослан 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат технических наук

Л.В.Иамедова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях интенсивного земледелия возрастает значение органических удобрений, как важного фактора сохранения гумусного фонда почв, пополнения почвенных резервов питательных веществ для растений. Высокоактивным органическим удобрением является птичий помет, ежегодный выход которого на птицеводческих предприятиях составляет 30 илн.т, а в ближайшее время достигнет 40 илн.т. Однако непосредственное внесение свежего помета в почву затруднено из-за высокой его влажности, достигающей 85-90$, наличия в нем патогенных микроорганизмов,пуха, перьев, всхожих семян сорняков, а тайке преимущественного содержания высокомолекулярных органических соединений, не усваиваемых растениями. Больше объемы производства сырого птичьего помета представляют серьезную проблему и для самих прицефабрик. Так, транспортирование птичьего помета занимает до 45% общего объема грузоперевозок птицефабрик. Стремление уменьшить грузоперевозки приводит к складированию помета на близлежащих территориях, что ведет к гибели флоры и фауны в местах его сосредоточения, выходу значительных земель из севооборота.

Эффективным направлением решения данной проблемы является термическая сушка птичьего помета. Вместе с тем расширение производства сухого помета на отечественных барабанных установках 0ПП-2 и УСПП-1 сдерживается из-за высоких энергозатрат, достигающих 230-260 кг жидкого топлива на тонну сухого помета, а также насыщения отработавшего теплоносителя дурнопахнущими газами, имеющими высокую температуру, что затрудняет процесс его очистки и дезодорации. Значение вопросов энергосбережения и экологии особенно возрастает в связи с постоянным увеличением цен на энергоносители и ужесточением требований сохранения окружающей среды.

Одним из путей решения данной проблемы является использование для сушки биологического тепла, выделяемого при жизнедеятельности микроорганизмов обсемешшцих сушимый материал (тепла ферментации) .

Работа выполнена в соответствии с программой Миннауки Р£ "Перспективные процессы производства сельскохозяйственной продукции, направление "Зерновой комплекс 2000".

Цель и задачи исследований. Цель настоящей работы - обосно-

вание и разработка энергосберегающего способа биотермической сушки птичьего помета.

Дйя достижения указанной цели необходим»:обосновать режим аэрации пометной смеси для оптимального ее биосамосогревания (ферментации) в изолированном реакторе; выявить рациональные параметры пометной смеси и режимы энергосберегающей комбинированной биотермической сушки; цровести математическое описание процесса сушки помета с учетом биологического тепла ферментации; создать макетный образец установки и провести ее испытания в производственных условиях.

Методика исследований. Выбор и обоснование способа, технических средств переработки помета осуществляли на основе патентных исследований, обзора научно-технической литературы, протоколов испытаний установок ОПП-2 и УШ1-1. При теоретических исследованиях процессов, протекающих при сушке самосогревавдегося слоя помета, учитывали разработки в области моделирования тепло-и массообменных процессов, выполненные отечественными учеными Лыковым A.B., Рабиновичем Г.Д., Лурье В.М., Гуляевым Н.Ф., Гинзбургом Л.С. и др.

Разработана методика определения удельного тепловыделения помета,а также основных параметров биотермического процесса. Для осуществления экспериментов разработана и изготовлена лабораторная установка сушки птичьего помета с использованием тепла ферментации, работающая по, принципу адиабатического калориметра. На установке определяли кинетику процесса сушки помета теплом ферментации оценкой изменения массы реактора с пометом в процессе сушки. Одновременно определяли изменение температур в соответствующих слоях материала. Поиск рациональных параметров процесса сушки с использованием тепла ферментации производили с применением трехуровневого плана 2-го порядка Бокса-Бенкина.

Анализ химического состава газов проводили с помощью приборов АУХ-2 и УГ-2. Химические анализы образцов исходного и обработанного помета проводили в агрохимической лаборатории ВИЫ, а также зональной агрохимической лаборатории сташщи Тбилисская Краснодарского края. Бактериологические анализы полученного продукта проводили в паразитологическом отделении Люблинского района г.Москвы, а также в Краснодарском паразитологическом отделении. 4

Объектами исследований являлись птичий помет влажностью ¿а)п~ 72*60%, смесь сырого помета с сухим Шщ^ = 52457%, процесс ферментации и сушки пометной смеси на экспериментальной установке биотермической переработки помета, разработанной и смонтированной с участием автора на Тбилисской птицефабрике Краснодарского края.

Научная новизна работы. Установлены основные показатели биотермического процесса (удельное тепловыделение помета, критерий К0 ), а такае закономерности их изменения при ферментации в зависимости от температуры и влажности помета. Определены рациональные параметры пометной смеси (начальная влажность, концентрация сухого вещества свежего помета), аэрирующего воздуха (подача, скорость фильтрации в слое), температуры ферментации при сушсе помета биологическим теплом. Получены режимы аэрации при биотермическом самосогревании пометной смеси в изолированном реакторе. Математически описан процесс сушки помета биологическим темплом ферментации, распределения температурных полей в слое.

Практическую ценность представляет разработанная и проверенная в производственных условиях, экологически безопасная технология биотермической сушки птичьего помета с утилизацией тепла ферментации в изолированном реакторе.

Реализация. Полученные результаты использованы для создания макетного образца полупромышленной установки реакторного типа и составления исходных требований на разработку и освоение в производстве комплекта оборудования для сушки птичьего помета с использованием тепла ферментации.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в пяти опубликованных статьях.

Апробация. Материалы диссертации обсуждались на Межвузовской конференции молодых ученых и аспирантов в г. Армавире (1991 г.), на Научно-практической конференции "Научно-технический прогресс в инженерно-технической сфере АПК России" (М., 1992 г.).

Объем работы. Диссертация изложена на 161 стр. машинописного текста, включает 42 рисунка, 21 таблицу, список литературы из 110 названий, 7 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБ02Н

В первой главе проанализированы и классифицированы существующие способы переработки и использования помета, определены основные направления совершенствования технических средств. Получение сухого птичьего помета высушиванием не требует дополнительных влагопогладаших материалов, позволяет получить продукт удобный для хранения и транспортировки. Совершенствованию технологии и оборудования для термической сушки помета посвящены работы Лысенко В.П., Ыалофеева В.И., Ивко И.И. и других ученых. Однако,несмотря на определенный прогресс в области термической сушки,ее применение в широких масштабах вызывает трудности. Основными недостатками термообработки являются высокие (230-260 кг/т) затраты жидкого топлива, а также загрязнение о кружащей среды токсичными и дурнопахнущими газами.

В практике получили применение способы утилизации помета, основанные на использовании его биологических особенностей. Помет представляет собой биомассу,в которой активность непрерывно протекающих биологических процессов может управляться и регулироваться воздействием физических факторов. Направление ведения биологического процесса может привести к существенноцу повышению температуры и снижению влажности материала. Выявление условий активизации процесса самосогревания и установление возможности практического его использования для рационального обезвоживания сырого помета имеет исключительное значение в настоящее время в связи с высокой энергоемкостью искусственной сушки помета и резко возросшей стоимостью энергоносителей. Перспектива развития и применения биотехнологических аспектов переработки помета изучали с точки зрения качества продукции и экологичности процесса. Дело в том, что высокая температура отработавшего теплоносителя при термической сушке затрудняет его очистку, а дополнительный его дожиг приводит к увеличению потребления топлива в 2-2,6 раза. Невысокая же температура отработавшего теплоносителя при сушке теплом ферментации позволяет применять биологические фильтры для его очистки.

Представляется возможной двухстадийная сушка помета, в ходе которой на первом этапе часть находящейся в помете влаги удаляется за счет тепла, выделяемого микроорганизмами (тепла

б

ферментации), населяющими сушильный материал, что позволяет значительно экономить расход топлива на сушку. На втором этапе при необходимости проводится досушивание помета искусственно подогретым воздухом.

Биотермическую переработку органических материалов изучали Марченко Н.М., Лысенко В.П., Новиков М.Н., Ковалев Н.Г. и др. К достоинству технологии компостирования помета с органическими наполнителями Марченко Н.М. и Личман Г.И. относят не только сравнительную простоту способа, но и возможность управляемого с помощью компьютера получения продукта с заданными свойствами. Туваемым В.Н. предложена система дифференциальных уравнений описывающая одновременный перенос тепла, влаги и воздуха при биотермическом процессе в компостируемых буртах, решением которой должна быть некоторая функция, отыскать которую аналитическим путем не представляется возможным.

Наряду с компостированием в буртах в ряде хозяйств при участии ВНИИМЗ успешно используется технология переработки помета фирмы "Биоферм" (США). Переработка помета в смеси с углеродистыми добавками осуществляется в ферментаторе имеющим воздухораспределительную систему. Контролируемыми параметрами процесса является начальная влажность смеси, содержание кислорода в отходящих газах, температура массы и скорость ее изменения, углерод-азотное соотношение смеси. В ходе проведения процесса ферментации из органического сырьр получают ценное органическое удобрение. Вместе с тем в ходе переработки не происходит существенного снижения влажности получаемого продукта, составляющей 50-55?!.

Вопросы влияния режимов биотермической переработки органических материалов на их конечную влажность в настоящее время изучены недостаточно, что позволило' сформулировать цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию процесса сушки материала теплом ферментации. Рассмотрены физические основы процесса сушки саморазогревавдегося слоя материала, дано математическое описание процесса сушки и распределения температурных полей. Приведены методики определения производительности установки и удельных затрат тепла.

Процесс сушки помета с использованием тепла ферментации можно представить в виде трех фаз. В первой фазе саморазогревания помета происходит интенсивное нарастание температуры материала, причем его влажность остается практически неизменной. Во второй - температура материала поддерживается неизменной, влажность снижается за счет тепла ферментации. В третьей фазе происходит интенсивное снижение влажности при досушивании помета искусственно подогретым воздухом.

Для получения уравнения сушки помета теплом ферментации принят ряд допущений, относящихся ко второй фазе исследуемого процесса сушки:

- потери тепла в окружающую среду незначительны и не учитываются;

- аэрирующий воздух равномерно распределен по сечению и высоте слоя; удельное тепловыделение помета одинаково по всей толщине слоя; температура материала остается неизменной в течение всего периода сушки.

В этом случае уравнение теплового баланса для всего слоя помета можно записать в виде:

= (I)

где с/(^г ~ количество тепла на нагревание теплоносителя, цДж; Щц- количество тепла ввделяемого пометом, }Дж; с/Ру~ количество тепла на испарение влаги, кДж.

После ряда преобразований уравнения (I) получили дифференциальное уравнение сушки самосогревапцегося материала

с/т " '

где и/ - количество испаренной влаги из I кг помета, кг/кг;

- длительность сушки, ч; - начальное удельное тепловыделение помета, 1Дк/кг.ч; - показатель роста удельного тепловыделения материала; А©" критерий Коссовича;Ч0- удельная теплота парообразования воды, цЦж/кг.

Полученное уравнение впервые позволяет сделать вывод, что интенсивность испарения влаги при сушке самосогревапцегося слоя помета зависит от его начального тепловвделения, интенсивности роста последнего и соотношения тепла, идущего на нагревание воздуха и испарение влаги. Непосредственное решение данного 8

уравнения затруднено, так как входящий в уравнение показатель 0(^ постоянно изменяется в течение процесса сушки. Экспериментально установлен закон его изменения, который в диапазоне температуры ферментации 45-62° описан в виде:

0(у= - 489,77ВМ2+ 102,056М - 0,4592. (3)

Подставив (3) в (2), решали полученное уравнение относительно у лТ

и _ 0,0052 е - 0,0052

/ * 0,02^ ' (4)

Л УоУ/о где ^ШчЩтГЬь'

Уравнение (4) позволяет описывать процесс сушки самосогре-ващегося слоя помета в зависимости от температуры его ферментации, однако для его использования необходимо знать значения (¡0 и У0 соответствующие этим температурным режимам.

Процесс ферментации определяется фильтрацией воздуха через слой помета. Количество потребного воздуха цри этом можно определить как:

(5)

п ут - Ит ,

где. Ьг- количество потребного воздуха, кг; , рт - концентрация влаги в воздухе на входе в слой материала и выходе из него, кг/мэ.

Для определения влагосодержания отработавшего воздуха составлено балансовое дифференциальное уравнение, после решения которого уравнение (5) приняло вид:

П - Уо-У+______ , (6)

6 г ~ (рем -Рт)(1 - ехр(- »"¡¿'о V

где У?см~ концентрация диффундирующего пара над поверхностью твердой фазы, кг/м3; » ~ количество воды до и после ферментации, кг; ^Зо - коэффициент массоотдачи, ч/с; - плотность снеси, кг/мэ; Уд - удельная поверхность гранул, ьг/кг; - толщина слоя, м; уг - скорость фильтрации воздуха, м/с.

Так как параметр ^^увеличивается с ростом температуры ферментации помета, то исходя из (6), можно сделать новый вывод

что потребное количество воздуха на сушку с увеличением температуры материала будет уменьшаться. Так, с ростом температуры ферментации материала с 45 до 62°С по уравнению (6) количество потребного воздуха уменьшается более чем в 2,5 раза.

Важной целью процесса сушки помета теплом ферментации является наращивание во все массе материала температуры до уровня, при котором происходит гибель патогенных микроорганизмов, яиц гельминтов и т.д. (температуры обеззараживания). Дистижение такой температуры во многом зависит от величины потерь тепла в окружающую среду. При большой величине потерь тепла не удастся провести обеззараживание материала, поэтому уменьшение толщины слоя помета ниже определенного критического уровня ( при-

ведет к тону, что температура материала окажется ниже предельной температуры обеззараживания. Для определения искомой величины составлено уравнение теплового баланса, решением которого получено следующее выражение для плоского слоя

где - коэффициенты теплопередачи противоположных наруж-

ных поверхностей слоя помета, нДж/м^ с °С; -¿о5 > "¿НДР - температура обеззараживания помета и температура наружного воздуха, °С;

температура помета со стороны выхода теплоносителя, °С; Ст -теплоемкость теплоносителя, цДж/кг; ¿¡'¿у - разность температур теплоносителя на входе и выходе из слоя, °С; %0- удельная теплота парообразования, кДж/кг; ¡{т, ¡{у - отношения массы проходящего теплоносителя и массы испарившейся воды к массе помета в единицу времени, кг/кг.ч.

Анализ выражения (7) показывает, что с увеличением степени аэрации слоя, уменьшения температуры аэрирующего и наружного воздуха, а также с уменьшением теплоизоляции слоя помета, его критическая толщина слоя постепенно возрастает.

В главе даны методики расчета производительности установки, удельных затрат тепла на сушку. Трудности расчета производительности установки объясняются использованием значительной части готового сухого помета для стабилизации влажности вновь поступающего сырого, который не может учитываться при определении данного показателя. 10

т В

4

* а/.

5iZ

т

Производительность установки по выходу сухого помета определяли по формуле:

см Ь)п~и)с*\

п - у ¡//Ш-Мсм Ь)п-1л)сн\

Ьч-*«' [т-Ш Ы„-ЫсГ

где )/ - полезный объем сушильной камеры, м3; и)п,(л)см> (л)0 - соответственно значения влажности сырого помета, исходной смеси, готового помета, %', плотность смеси, т/м3.

Построена графическая зависимость определения выхода сухого помета для полезного объема сушильной камеры 50 и3 (рис. I). С увеличением исходной влажности помета, а также влажности сухого помета, чистый выход помета ¿Уд = I4$ снижается. Зная общее время сушки с помощью данной зависимости можно подсчитать производительность установки.

Для оценки экономичности данного способа сушки необходимо рассчитать удельные затраты тепла на сушку. На стадии ферментации помета затраты тепла на нагревание теплоносителя отсутствуют, так как сушка идет за счет биологического тепла, поэтому при определении удельных затрат тепла, необходимо учитывать тепло, затрачиваемое на досушивание помета после ферментации до кондиционной влажности. После преобразований получено следующее выражение:

(100 - Шм)(М9 - и0) *1доо

60 й 68 72 Ü)„,%

Рис Л. Выход сухого помета (£j0=I4/£) от влажности сухого CJcn сырого (Jnпомета для реактора полезным объемом 50 м8 ( Уцт« 0,45 т\Осн = 55*)""

= (m-cj9j(cjcH-tic)

(9)

где (л]<р- влажность смеси после ферментации, удельные

затраты тепла на досушивание помета, вДж/кг.

Для определения удельных затрат тепла на сушку помета с использованием тепла ферментации необходимо знать начальную влажность смеси, влажность после ферментации, удельные затраты

тема на досушивание помета, которые находятся в результате экспериментальных исследований.

В третьей главе приведено описание установки, программа и методика экспериментальных исследований. Лабораторная установка работает по принципу адиабатического калориметра, для адекватности которой промышленному реактору на базе бункера БВ-40 обеспечены равные потери тепла теплопередачей. Основным звеном лабораторной установки является реактор вместимостью 3540 кг пометной смеси влажностью 53-57%, помещенный в теплоизоляционный пеннопластовый утеплитель. Установка снабжена устройством для формования исходной смеси в гранулы, а также средствами автоматического управления процессом ферментации позволяющими задавать температурный режим ферментации, и приборами для регистрации режимных параметров. Разработана новая методика определения удельного тепловыделения при ферментации помета. Так как температура помета при ферментации остается в среднем постоянной, а потери тепла незначительны, удельное тепловьщеле-ние помета можно определить как:

+ 1101

где От - Васса прошедшего воздуха, кг; Ст - теплоемкость воздуха, цЦж/кг °С; ( - разность температур теплоносителя на входе и выходе из реактора, °С; удельная теплота парообразования воды, цДк/хг; М - количество испаренной влаги, кг.

Используя лабораторную установку,можно определить входящие в уравнение (Ю) параметры за время ферментации и тем самым определить удельное тепловыделение пометной смеси. Отличительной особенность данной методики в возможности определения не только среднего удельного тепловыделения при постоянной температуре ферментации, но и его изменения в процессе сушки. При этом входящие в (10) параметры фиксируются через каждый час ферментации.

Разработана методика определения рационального режима аэрации на стадии саморазогревания пометной смеси с использованием углекислотного газоанализатора АУХ-2, а также рациональных параметров биотермического процесса сушки с применением трех-12

уровневневого плана второго порядка Бокса-Бенкина.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований. Исследовали влияние режима аэрации на скорость и равномерность разогревания пометной смеси, находящейся в изолированной емкости. За показатель обеспеченности микроорганизмов кислородом воздуха была выбрана концентрация углекислого газа в поровых пространствах смеси. Наибольшая скорость разогревания пометной смеси набявдалась при верхнем значении концентрации С0г> 12% объема газов, при ее снижении за время вентилирования массы воздухом до 4-5$. На основании этого определено рациональное значение средней подачи воздуха в 22-26 м3/ч т, обеспечивающей интенсивный рост температуры помета. Уравнение, позволяющее рассчитать режим аэрации на стадии саиоразогревания пометной смеси находили в виде:

, _ Псм(Т+&Т)

Ь — —--' (II)

где Ь - производительность венздлятора, м3/ч; $ - средняя подача воздуха при саиоразогревании помета, 22-26 м3/ч т; Т - время работы вентилятора, ч; А V - интервалы между работой вентилятора,ч.

Наиболее равномерный разогрев массы помета наблюдался при подаче вентилятором воздуха 400-600 м3/ч т. Зная массу смеси, можно подобрать вентилятор, а также определить режим его работы на стадии саморазогревания помета.

При достижении материалом заданной температуры осуществляется автоматически переход на режим подачи воздуха при постоянной температуре ферментации и начинается сушка помета теплом ферментации. На данном этапе определяли основные показатели биотермического процесса. Начальная влажность смеси.в опытах составляла 54,2-54,6%. Процесс сушки проводили в течение 13-16 ч, пока скорость сушки не становилась близкой нуле. Снятие кривых сушки показало наличие трех характериных фаз: нарастающей скорости сушки, постоянной, падающей скорости сушки, объясняемые изменением тепловыделения помета в процессе сушки (рис. 2). Конечные значения влажности помета в опытах были в пределах 42,7-47,0%, среднее удельное тепловыделение, подсчитанное по уравнению (10), составляло 32,2-40,5 кДж/кг ч. Удельное тепловыделение помета не остается постоянным в течение процесса сушки. В начальный период

о

Рис. 2. Изменение тепловыделения (I) и скорости сушки (2) помета в процессе ферментации

происходит постепенное нарастание тепловыделения помета, достигая своего максимума через 4-5,5 часов, после чего начинается постепенное его снижение. Изменение удельного тепловвделения учитывали показателем роста ОСф , зависимость которого от количества испаренной влаги апроксимирована уравнением (3). Изменение удельного начального тепло выделения помета и соотношение тепла ферментации идущего на нагревание

теплоносителя и испарение влаги, учитываемое критерием К0, в основном зависит от температуры ферментации помета (рис. 3).

а°>

нг-ч и

8

/

"Ч <

N

Но

4 J

2 У

45 50 55 ВО ¿/С

Рис. 3. Изменение начального тепловыделения (I) и критерия Кп (2) от температуры ферментации помета

Причем, если критерий К0 с увеличением температуры постоянно возрастает, то начальное удельное тепловыделение помета (¡о имеет свое максимальное значение при темпе-туре 50°С.

Исследование влияния начальной влажности смеси на процесс сушки помета теплом ферментации показало, что рациональная величина влажности составляет 53-5655. Увеличение влажности выше приводит к нарушению техноло-

логического процесса сушки, помет теряет гранулометрическую структуру, слипается, что приводит к резкому падению тепловыделения и, как следствие, снижению количества испаряемой за счет тепла ферментации влаги. При снижении начальной влажности ниже 53% происходит забивание фильбры и нарушение работы экст-рудера, а также снижение количества испаряемой за счет тепла ферментации влаги.

Установлена неравномерность распределения влажности помета после ферментации по толщине слоя, причем максимальная ее величина наблвдается со стороны входа воздуха в слой помета, а минимальная на выходе.

Определение количества потребного воздуха при сушке показало снижение его количества с увеличением режимной температуры ферментации помета (табл. I).

Таблица I

Потребное количество воздуха при сушке помета теплом ферментации

Темпера- ! Масса 1 Начальная!Влажноеть ¡Количество! (}т

тура фер—!помета, !влажность!после 'прошедшего! -я—

ментации, !бем !смеси, .'фермента- ! воздуха, П_! ЫИ

°С ! кг 1 % 1ши. % ] кг Ьт1 кг/кг

45,0 35,0 55,9 46,4 240,0 6,85

48,5 33,8 55,1 44,2 206,0 6,09

55,0 34,5 56,2 46,6 143,5 4,20

62,0 33,1 55,6 45,4 95,6 2,88

Выявлены факторы, влияющие на интенсивность сушки теплом ферментации путем проведения эксперимента по плану Бокса-Бенки-на. За функцию отклика выбраны удельные затраты тепла на сушку помета, рассчитываемые по формуле (9), при зафиксированном значении Ч.дос = 4000 ¡Дж/кг. Проведение опытов по полученной матрице, а также их математическая обработка позволили получить уравнение регрессии удельных затрат тепла на сушку:

1 = 17122,4 + 2689,- 27878,8(¡г - 584,5^+ 7925ЬОт-л (12) - 362,3^9+ 165,7^9» + 14068,128319,4^г2+ 7,4^ где // - концентрация сухого вещества свежего помета в смеси;

- температура ферментации, °С; 1ГГ- скорость фильтрации воздуха в слое, м/с.

Построение двумерных сечений поверхности отклика, а также их ана-

15

лиз позволил выявить рациональные значения исследуемых факторов: # = 0,51-0,59; ¿Гг = 0,05-0,065 ц/с; ¿у = 51-53°С. При данном варьировании указанными факторами удельные затраты тепла на сушку не превысят 1830 цДж/кг, что в 2 раза меньше, чем в барабанных установках.

Исследование химического состава помета показало, что в ходе сушки потери азота не превышают 10%. Потери азота в виде аммиака приводят к загрязнению отработавшего теплоносителя. Вместе с тем его невысокая температура 39-44°С позволяет использовать в очистке биологические фильтры, что практически исключает потерю азота в окружувдую среду. Анализ готового сухого помета показал содержание основных питательных веществ при влажности 12-14%: общего азота - 3,0-3,4%, фосфора - 1,0-1,5%, калия - 3,5-4%. Анализ температурных режимов 48,5; 55; 62°С не выявил их влияния на потери азота при сушке помета.

В пятой главе изложена разработка опытно-полупромышленной установки реакторторного типа и приведены результаты испытаний в производственных условиях (Птицефабрика "Тбилисская" Тбилисского района Краснодарского края) (рис. 4).

Работа установки осуществляется следующим образом: исходные компоненты сырой и сухой помет загружаются в соответствупцие емкости смесителя I. Дозирование загружаемых компонентов осуществляется с помощью заслонок и шлюзового затвора сухого помета, после чего двухвальным внеком проводится их интенсивное перемешивание. Полученная смесь скребковым транспортером 2 подается в экс-трудер 3, где формуются гранулы цилиндрической формы диаметром 10 мм. После их отрыва от фильеры экструдера гранулы попадают на делительный конус 8, и направленным воздушным потоком равномерно распределяются между внешним 5 и внутренним 7 перфорированными цилиндрами. Расположенные внутри реактора подвески 6 препятствуют слеживанию материала и сохраняют его пористость на всем протяжении процесса сушки. После заполнения реактора, начинается самосогревание помета, причем подача воздуха при атом осуществляется автоматически вентилятором, управляемым реле времени. Режим аэрация рассчитывается по формуле (II). После достижения материалом заданной температуры ферментации, автоматически включается второй режим подачи воздуха и осуществляется сушка помета биологическим теплом. Подача воздуха на данном этапе цро^-16

Ряс. 7. Технологическая схема полупромышленной установки по сушке помета:

I - смеситель; 2 -загрузочный трас-портер; 3 - экстру-дер; 4 - биореах-

Л; 5, 7 - наружи внутренний перфорированные цилиндры; б - подвеска; 8 - распределительный конус; 9 - поршень; 10 -наружный кожух;

II - биофильтр;

12 - вентилятор; 13, 14 - клапаны; 15 - калорифер; 16 - аэроднище; —•— исходная смесь; гранулы;—отработавший теплоноситель;—отработавший теплоноситель после фильтра;-**- - наружный воздух; => сухой помет

изводится из условия сохранения постоянной температуры смеси. Перед подачей воздух проходит через калорифер 15, где при необходимости его подогревает. После выхода из массы, отработавший теплоноситель охлаждается на' наружном кодухе реаяторп 10 и далее поступает в-биофильтр II. В биофильтре отработавший теплоноситель, пройдя через слой биологически активного материала, очищается от дурнопахнупдах газов к дезодорируется. Досушивание -омета после ферментации проводили подогретым воздухом, причем отработавший теплоноситель подавали яая через биофильтр, так и з обход его. Выгрузку готового сухого помета осуществляли с ло-гдэщью аэроднища 16 и выгрузного внека. Испытания подтвердили зысонув эффективность сушки помета в использованием тепла ферментации и соответствие основных расчетных и экспериментально-полученных производственных показателей. Затраты тепла на сушку оказались значительно меньше (1908-2179 нДн/ет), чем на сущес-тву&яих барабанных сушилках. На основе выполненных экспериментально-теоретических исследований и результатов испытаний полупромышленной установки разработаны исходные требования на создание и освоение производства комплекта промышленного оборудования по сушке помета с использованием тепла ферментации.

В ходе работы на полупромышленной установке рассчитывался режим аэрации на стадии саморазогревания пометной смеси по фор-

муле (II) с учетом порядка работы реле времени и вентилятора. Несмотря на низкую (12-14°С) начальную температуру помета, средняя скорость роста температуры пометной смеси имела высокую величину - 3,42°С/ч. После достижения пометом заданной температуры режим аэрации автоматически менялся и подача воздуха осуществлялась в зависимости от температуры помета. На завершающем этапе процесса сушки температура материала поднималась до температуры 67-68°С с целью более полного обеззараживания смеси. Конечные влажности помета после ферментации составили в опытах 41,4-43,3$, а после охлаждения массы 38,3-29,8%. Низкая температура отработавшего теплоносителя позволила использовать для их очистки биологический фильтр, разработанный совместно с сотрудниками НИИОГаза, при работе которого концентрация аммиака в отработавшем теплоносителе снижалась до норм, не превышающих допустимые. Химические анализы готового сухого помета показали содержание питательных веществ азота 2,5-3,0%, фосфора 2,5-6,0%, калия 5,0-6,5%. Исследование свежего и готового помета на жизнеспособные яйца гельминтов показало, что в ходе биотермической переработки происходит их подавление, что делает помет безопасным в санитарном отношении.

В шестой главе приведен технико-экономический расчет промышленного оборудования, включающий исходные данные для расчета, определение режима работы установки из 4-х реакторов, расчета энергетических показателей установки, ее производительности по готовоцу продукту. На основании расчетов установки, определены ее основные технико-экономические показатели. По сравнению с барабанной установкой ОПП-2 применение установки комбинированной биотеркической сушки позволяет снизить затраты на топливо в 2,1 раза, уменьшить прямые издержки на 39,7%, а приведенные затрата на 32%.

ВЫВОДЫ

I. Одним из путай переработки птичьего помета является искусственная термическая суика, в ходе которой происходит его обеззаравнвание и укзныаание кассы в 3-4 раза. Однако значительный расход топлива, а такге загрязнение овруаавдвй среда отработавший газами ограничивают применение данного метода.

2. кгзргсгбереггсгдя дзухстгдг.Глпя ггзяологяя супет птичьего помета, отличительной сссбектгостьэ ::отсрой является первоначальное подсузлвение попета бнолсгэтесаин теплом ферментации и последующая супка подогретые воздухом, обеспечива.-г-"дл зысокиэ товара» свойства сухого полота (тюд сотая сохранность, по;зеьетнссть и высокая пснцсгпрацм питательных вегцестз, зрзкспортайааьность и универсальность пржгяашя), экономичность которой достигается за счет более полного использования потенциала гиднедеятеяыюсти попета, кок биологачесетго объеггга.

3. Для самосогревания помзта с максимальной споростью б°С/ч в диапазоне теггператур 32-45°С необходимо его обогащение кислородом при подаче воздуха 22-26 н3/ч т. Предлогепо уравнение для расчета ренима аэрации та стадии самосогревания.

4. Рациональное значение начальной влегзтостл помгтной смеси при ферментации составляет 53-56%, а набольшая скорость су-пет при удельных затратах тепла не более 1830 ^Дв/пт достигается при температуре ферментации 51-53°С, старости аэрирукцего воздуха 0,05-0,065 м/с. 'концентрации сухого вещества свежего помета 0,51-0,59.

5. Диапазон изменения средней величины удельного тепловыделения попета при супяе составляет 32,2-40,4 кДз/кг ч. Предло-пена эмпирическая формула, описываг^я замн изменения показателя роста удельного тепловыделения в процессе супяи.

6. При увеличении температуры ферментации потребное количество воздуха, необходимое для высушивания помета теплой ферментации, уменьшается. Величина критерия Ксссошгаа с увеличением температуру ферментации возрастает.

7. Уатематлчвсное описание процесса суапи помета с использованием тепла ферментации показало, что скорость сутаи пряио-порцнональна начальному тепловвделешш помета, интенсивности его роста в процессе супки, соотнсзегага доли тепла, идущего па испарение влаги и нагреванию воздуха.

8. В процессе сушки потери азота не превышают 10%, однако низкая тешература отработавшего теплоносителя позволяет приметить биолоигческие фильтры, что еппзает содерзание агтлатса в отработавшем теплоносителе ниве пр оделвподопустишх нора, тем самым обеспечивая экологическую безопасность установки.

9. Создан и испытан макетный образец установки для реализации биотермической переработки, включающий смеситель, загрузочный транспортер, экструдер, реактор, биофильтр, вентилятор, устройство для выгрузки сухого помета, производственная проверка которого подтвердила эффективность данного способа сушки, его экологическую безопасность.

10. Экспериментальная технология позволяет снизить затраты на топливо в 2,1 раза, а прямые издержки на 39% по сравнению с существующими сушилками барабанного типа.

11. Разработанные в процессе исследования основы сушки с использованием тепла ферментации и проект исходных требований могут использоваться конструкторскими и проектными организациями при разработке установок и цехов по переработке помета.

Основное содержание диссертации изложено в 5 работах:

1. Способы ускоренной переработки птичьего помета. Материалы межвузовской конференции молодых ученых по итогам исследований за 1990 г. Армавир, АПШ, 1991, с. 89-90.

2. Исследование процесса сушки птичьего помета. 11., НТВ ВИИ, вып. 81, 1991, с. 28-31 (соавтор Голубковкч A.B.).

3. Обоснование реэшов разгрева и сушки птичьего помета с использованием; тепла ферментации. 11., НТВ ВИИ, вып. 84, 1992, с. 26-28 (соавтор Голубкович A.B.).

4. Математическая модель сушки саыосогревавдего" слоя помета. U., НТВ ВИИ, вып. 85, 1992, с. 31-33.

5. Определение рациональных величин основных параметров процесса сушки поизта с использованием тепла ферментации. II., НТВ ВИН, вш. 86, IS92, с. 13-15 (соавтор Анисккн В.И.).

Подписано к печати Ig.Ö,5 .93. ^Р*" бум. 60x90 I/I6 Объем 1,0 уч.-изд л. йфЯВ УЭЗ ИИ« Заказ У 49 _

Печатно-множительньй участок ЦОПКЕ- ВШ 109428, Москва, 1-й Институтский проезд, д. 3