WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Биркин Сергей Михайлович СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ УТИЛИЗАЦИИ НАВОЗА КРУПНОГО РОГАТОГО СКОТА Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 2009

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный консультант: кандидат технических наук, профессор Мариненко Елена Егоровна

Официальные оппоненты: доктор технических наук Скворцов Александр Константинович кандидат технических наук Попов Геннадий Георгиевич Ведущая организация ФГОУ ВПО «Калмыцкий государственный университет»

Защита состоится 9 июня 2009 г. в 1015 часов на заседании диссертационного совета Д 220.008.02 при ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 400002, г. Волгоград, Университетский пр., 26, ауд. 214.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии.

Автореферат размещен на сайте http://www.vgsha.ru и разослан «27» апреля 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Ряднов А. И.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В сельскохозяйственном производстве животноводческие предприятия постоянно сталкиваются с проблемой утилизации и переработки жидкого навоза крупного рогатого скота с учетом соблюдения требований охраны природной среды от загрязнения.

В связи с постоянным ростом цен на энергоносители наиболее перспективным способом обработки и обеззараживания навозной массы является ее переработка в биогазовых установках анаэробной ферментацией.

Применение биогазовых установок (БГУ) позволяет не только перерабатывать бесподстилочный навоз крупного рогатого скота (КРС), но также получать высококачественное минерализованное органическое удобрение и органическое топливо – биогаз.

Для нормального протекания процесса анаэробного метанового сбраживания навоза необходимо: поддержание постоянной, на установленном уровне, температуры в биореакторе; постоянная подача подготовленного навоза определенной влажности в биореактор; предварительный подогрев навозной массы в приемном резервуаре до необходимой температуры; стабилизация температуры сбраживаемого материала в реакторе при его перемешивании с одновременной подачей «свежего» субстрата (навоза).

Актуальность темы диссертации подтверждается тем, что при всех положительных эффектах биогазовые установки в нашей стране практически не используются, а их применение в качестве источников теплоснабжения и систем утилизации навоза на животноводческих комплексах даже не рассматривается. Это объясняется недостаточной изученностью теплоэнергетической эффективности установок в климатических условиях РФ Работа выполнялась в рамках подпрограммы «Отходы» Федеральной целевой программы «Экология и природные ресурсы России (2002-2010 годы)» и в соответствии с тематическим планом научно-исследовательской работы Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Цель исследования – совершенствование технологии и технических средств утилизации навоза КРС путем увеличения выхода товарного биогаза и снижения его использования на собственные нужды биогазовой установки.

Объект исследования – технологический процесс энергосберегающей технологии переработки бесподстилочного навоза КРС, основным элементом которого выступает биогазовая установка.

Методы исследования включали: аналитическое обобщение известных научных и технических результатов, физическое моделирование, обработку экспериментальных данных методами математической статистики и теории планирования эксперимента.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- усовершенствована схема теплоснабжения БГУ и система обогрева биореактора за счет возможности повышения температуры теплоносителя;

- получены теоретические зависимости для определения среднего коэффициента теплопередачи системы обогрева биореактора трубчатым металлополимерным теплообменником, располагаемым в стенке биореактора;

- получены теоретические и экспериментальные зависимости рациональных параметров системы обогрева биореактора: диаметра, шага и длины труб;

- обоснован подбор толщины изоляции биореактора в зависимости от климатических условий эксплуатации биогазовых установок и размеров животноводческих ферм и комплексов.

Практическая ценность:

- даны рекомендации по расчету систем теплоснабжения БГУ, направленные на увеличение выхода товарного биогаза и повышение эффективности БГУ;

- разработана методика подбора параметров систем обогрева биореакторов из металлополимерных труб при прокладке по наружной поверхности стенки биореактора, обеспечивающая заданный режим сбраживания;

- разработан типовой модуль системы теплоснабжения БГУ для фермерского хозяйства на 10 дойных коров;

- предложена схема утилизации тепла сброженного осадка без применения перемешивающих устройств, позволяющая повысить выход товарного биогаза.

Реализация результатов исследований:

- материалы диссертационной работы использованы при разработке проекта системы утилизации жидкого навоза на откормочной ферме размером 100 условных голов по типовым проектным материалам 801-01-103.33.90 для III климатического района.

- в крестьянском фермерском хозяйстве в с.Степное Степновского района Ставропольского края реализована БГУ с системой обогрева биореактора из металлополимерных труб, предназначенная для утилизации навоза от 10 дойных коров;

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на II Международной научно-технической конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды», Волгоград 2003; VII, VIII, IX Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области по направлению «Экология, охрана среды, строительство», Волгоград 2002-2004; научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ВолгГАСА, Волгоград, 2003; конференциях молодых ученых и специалистов (2005…2007 г.г.) Волгоградской ГСХА и на теоретическом семинаре факультета механизации сельского хозяйства Волгоградской ГСХА (2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе четыре в изданиях рекомендованных ВАК РФ. Общий объем публикаций 3 п. л., из них на долю автора приходится 2 п. л.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- принципиальные схемы обогрева БГУ животноводческих ферм и комплексов для различных климатических районов территории РФ;

- теоретические зависимости, характеризующие процессы теплообмена в системах обогрева биореакторов при различном расположении труб теплообменника;

- экспериментальные и аналитические зависимости рациональных параметров теплообменников системы обогрева биореактора;

- рекомендации по расчету систем обогрева биореакторов и теплоснабжения животноводческого комплекса на основе БГУ;

- предлагаемый модуль системы теплоснабжения БГУ для фермерских хозяйств с однотрубной системой и утилизацией тепла сброженного осадка суточной производительностью 1 тонна бесподстилочного навоза.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Материал изложен на 151 странице машинописного текста, содержит 20 таблиц и 30 иллюстраций. Список использованной литературы состоит из 150 наименования, из них 28 – на иностранных языках.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, научная новизна и изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе «Аналитический обзор и выбор направления исследований» дан анализ применения БГУ для утилизации безподстилочного навоза на животноводческих комплексах, приведены теплоэнергетические показатели работы установки в климатических условиях РФ, оценены различные схемы и системы обогрева БГУ.

Постановка продуктов животноводства на промышленную основу приводит к росту энергопотребления на животноводческих комплексах. Нехватка энергоресурсов и постоянный рост цен на энергоносители приводит к ускоренному поиску новых альтернативных источников энергии, которые включают в себя солнечную, ветряную, приливную, геотермальную, а также энергию, получаемую из биомассы. В настоящий момент на их долю приходится около 1,3 % общего энергопотребления. Согласно прогнозам экспертов при высоком уровне инвестиций в развитие НИЭ они могли бы обеспечить до 39 % потребностей в энергоресурсах. На долю энергии получаемой из биомассы может приходиться до 4 % общемирового производства энергии.

Одним из способов преобразования энергии из биомассы является анаэробная переработка отходов в биогазовых установках. Применение биогазовых установок (БГУ) позволяет не только перерабатывать бесподстилочный навоз крупного рогатого скота, но также получать высококачественное минерализованное органическое удобрение и органическое топливо – биогаз.

Среди несомненных достоинств данного способа преобразования энергии является его экологичность и возобновляемость, простота конструкции, а также низкие эксплуатационные затраты. Среди отрицательных - нестабильность во времени и низкая плотность потока энергии.

Анаэробная переработка требует затрат энергии для поддержания процесса, поэтому часть вырабатываемой энергии требуется направлять на собственные нужды установок. Величина этих затрат в значительной мере зависит от климатических условий, размеров установки, выбора схемы теплоснабжения. В зимнее время величина затрат на собственные нужды значительно возрастает.

Доля затрат на собственные нужды установки составляет до 57 % (для небольших установок) от общей производительности и зависит главным образом от климатических условий и размеров биореактора. Основные затраты тепловой энергии для работы БГУ связаны с теплопотерями биореактора, подогревом свежего субстрата, теплопотерь связанных с выходом биогаза и испарением влаги (рис. 1). При этом соотношение статей расхода зависит от производительности БГУ и размеров биореактора. При увеличении объема реактора снижается доля теплопотерь в окружающую среду через стенки и уменьшаются затраты на собственные нужды. Как видно из графиков основные затраты связаны с подогревом свежего субстрата, поэтому основным способом снижения затрат является использование утилизации тепла сброженного субстрата. Использование утилизации тепла позволяет сэкономить до 40 % затрат на подогрев свежего субстрата и повысить выход товарной энергии. Средние затраты на собственные нужды за год составляют 25,6 %, а при условии применения утилизации тепла 17,4 %.

2,2% 1,4% 3,6% 2,3% 14,1% 7,7% 86,5% 82,2% а) б) Рисунок 1 – Распределение затрат на собственные нужды установки в январе месяце (для условий г. Волгограда) при объеме биореактора: а) 60 м3; б)1500 мРаспределение затрат тепла на собственные нужды установок в течение года неравномерно и зависит от климатических условий. Для БГУ с объемом биореактора более 60 м3 при условии полного сбраживания эти затраты составляют от 18 до 32 % общего выхода биогаза. При уменьшении объема биореактора затраты на собственные нужды установки значительно возрастают, и составляют около 57 %.

а) б) 2 31% 43% 57% 69% Рисунок 2 – Изменение выхода товарной энергии (1) и затрат на собственные нужды (2) при расчетной температуре, в зависимости от размеров реакторов (для условий г. Волгограда):

а) биореактор 60 м3; б) 14 мИспользование биогазовых установок наиболее выгодно на крупных комплексах. При этом доля товарного биогаза в энергетическом балансе комплекса составляет до 75 %. Основными факторами, оказывающими влияние на эффективность получения и использования биогаза, являются: исходный субстрат (состав, влажность, гомогенезация); местность (климатические условия, рельеф, наличие транспорта и необходимого оборудования); технологические данные (конструкция реактора, параметры процесса); производство биогаза (количество, физические и тепловые характеристики, доля использования на собственные нужды); стоимость производства и др.

Поддержание заданного режима работы БГУ возможно при устройстве систем обогрева. Для реакторов с перемешивающими устройствами применимы теплообменные нагревательные агрегаты, через которые прокачивается горячая вода (t60оС) и которые можно извлекать из реактора для очистки. Более высокая температура повышает риск налипания взвешенных твердых частиц на поверхность теплообменника, кроме того, при температуре более 60 oС метанообразующие бактерии гибнут. Подогрев субстрата паром ведет к повышению содержания влаги в газе, что недопустимо по технологическим условиям.

При неправильном подборе системы теплоснабжения БГУ (рис. 3), изоляции и технологии снижается энергоэффективность установки, а при самых неблагоприятных условиях ее остановка (размораживание) и выход из строя. Повторный запуск потребует значительных энергетических и экономических затрат. Изучению вопросов теплоснабжения БГУ посвящены работы многих авторов, однако в этих работах особое внимание было уделено исследованию свойств самого субстрата и влияние этих свойств на процессы теплообмена. Исследование вопросов повышения тепловой эффективности в аспекте снижения затрат на собственные нужды установки определяет научную новизну работы.

Для снижения затрат на собственные нужды БГУ используется тепловая изоляция биореакторов. Величина тепловых потерь биореактора составляет (для реакторов размером >60 м3) от 7 до 15 % общих затрат. Для небольших установок с объемом реактора ~ 10 м3 эта величина достигает до 52 % общих затрат.

TTВода t=5-10 °C TB3 техническая Tt=35, 55 °C 11 t=5-10 °C t=35, 55 °C t=35, 55 °C t=5-10 °C t=17, 29 °C t=10 °C 1 – место образования отходов; 2 - приемный резервуар; 3 - система обогрева приемного резервуара; 4 - теплообменник (теплоутилизатор); 5 – биореактор; 6 - система обогрева биореактора; 7 – влагоотделитель; 8 - хранилище переработанного субстрата; 9 - очистные сооружения оборотной воды; 10 – котельная Рисунок 3 – Принципиальная схема теплоснабжения БГУ с применением утилизации тепла сброженного субстрата Повышение теплоэнергетической эффективности биогазовых установок необходимо рассматривать в контексте решения следующих задач:

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»