На правах рукописи
 |
РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ СБРАЖИВАНИЯ НАВОЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБЪЕМНОГО
СВЧ – НАГРЕВА
Специальность 05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ижевск 2009
Работа выполнена на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА)
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
кандидат технических наук, доцент
Ведущая организация: Государственное учреждение зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо – Востока им. И.В. Рудницкого (НИИСХ Северо-Востока им. Рудницкого)
Защита состоится «06» ноября 2009 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета КМ 220.030.02 в ФГОУ ВПО «Ижевская ГСХА» -315.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Ижевской государственной сельскохозяйственной академии», а с авторефератом на сайте www. *****
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать , Диссертационный совет. Телефон/
Автореферат размещен на сайте и разослан 03 октября 2009г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
Сегодня в мире использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) достигло промышленного уровня, ощутимого в энергобалансе ряда стран. Масштабы применения НВИЭ в мире непрерывно и интенсивно возрастают. Это направление является одним из наиболее динамично развивающихся среди других направлений в энергетике.
В последнее время всё большее внимание привлекают нетрадиционные, - с технической точки зрения, источники энергии: солнечное излучение, морские приливы и волны, геотермальные источники, энергия ветра, энергия биомассы и мн. др. Некоторые из них, например, ветер и энергия биомассы, находили широкое применение и в прошлом, а сегодня переживают второе рождение.
Теоретические вопросы, посвященные переработке отходов АПК, рассматривали в своих работах российские ученые: , , и др.; и зарубежные ученые Kelly W. F., Anderson P. A., Baker D. N. и др.
В ИжГСХА начиная с 1995 года на кафедре «Механизации и переработки сельскохозяйственной продукции», началось развитие одного из научных направлений по теме: Утилизация отходов сельскохозяйственного производства. С 2004 года этим направлением начал заниматься доцент . В составе творческой группы работала и . Результатом наших исследований стали выигранные конкурсы в Министерстве природных ресурсов и охраны окружающей среды Удмуртской Республики и в Министерстве сельского хозяйства Российской Федерации. Поэтому можно говорить об актуальности выбранного направления исследований.
Цель работы. Интенсификация и повышение эффективности переработки навоза для получения биогаза как источника энергии на основе энергосберегающей электротехнологии.
Объект исследования. Электротехнологический трехстадийный процесс работы биогазовой установки.
Предмет исследования. Закономерности трехстадийного процесса работы биогазовой установки на основе энергосберегающей электротехнологии.
Основные положения, выносимые на защиту:
- энергосберегающий метод непрерывного сбраживания навоза с использованием СВЧ энергии;
- механизм расчета и оценки энергоемкости работы биогазовой установки;
- физические модели и математическое описание процессов сбраживания непрерывного действия с СВЧ нагревом;
- технология метанового сбраживания навоза с применением СВЧ излучения и изготовление образца биогазовой установки непрерывного действия, реализующего эту технологию;
|
Научную новизну работы составляют:
- способ нагрева навоза на биогазовых установках непрерывного действия с объемным электромагнитным излучением (СВЧ), реализующий трехстадийный процесс в едином цикле;
- физические модели и математическое описание процессов сбраживания навоза на метантенках непрерывного действия с СВЧ нагревом, позволяющие определять режимы технологического процесса и параметры проектируемого оборудования;
- математическая модель энергоемкости технологического процесса на метантенках непрерывного действия на основе метода конечных отношений, позволяющая оптимизировать энергоемкость процесса.
Практическая значимость и реализация результатов исследований.
- разработан и испытан опытный образец лабораторной непрерывно - действующей биогазовой установки, на основе которого может быть создана промышленная установка;
- температурные технологические режимы на основе переработки навоза;
- разработан лабораторный технологический процесс, обеспечивающий оптимизацию энергозатрат при переработке навоза за счет объединения стадий и применения СВЧ нагрева.
Апробация работы. Основные положения работы доложены на научно-практических конференциях: в ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА «Инновационное развитие АПК. Итоги и перспективы», Ижевск, 2007; в ФГОУ ВПО Пермский ГСХА на всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Вклад молодых ученых в развитие АПК», Пермь, 2007 г; «Научный потенциал аграрному производству посвящается 450 - летию вхождения Удмуртии в состав России», Ижевск, 2008г.; в ГОУ ВПО «Магнитогорский Государственный университет им. » на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы территориального развития» , 2008 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 статей, в том числе 3 статьи в научных журналах, входящих в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 124 страниц, 32 рисунка, 11 таблиц и 5 приложений. Список литературы включает 184 наименования, в том числе 7 на иностранном языке.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении изложена актуальность проблемы, цель, научная новизна и практическая ценность работы.
|
Проблема утилизации отходов имеет важное экологическое, экономическое и энергосберегающее значение. Наиболее перспективным вариантом переработки отходов производства в ценный удобрительный материал является анаэробное сбраживание, которое сопровождается получением биогаза.
Особое внимание уделяется развитию технологий получения биогаза, получающегося при утилизации отходов сельскохозяйственных производств.
Отходы биомассы ферм и жидкие составляющие являются загрязнителями окружающей среды. Повышенная восприимчивость сельскохозяйственных культур к отходам приводит к загрязнению грунтовых вод и воздушного бассейна, создает благоприятную среду для заражения почвы вредными микроорганизмами. В отходах животных жизнедеятельность болезнетворных бактерий и яиц гельминтов не прекращается, содержащиеся в нем семена сорных трав сохраняют свои свойства.
Для устранения этих негативных явлений необходима специальная технология утилизации отходов биомассы, позволяющая повысить концентрацию питательных веществ и одновременно устранить неприятные запахи, подавить патогенные микроорганизмы, снизить содержание канцерогенных веществ и получить дополнительно источник энергии.
Из анализа способов и методов утилизации отходов и ряда существующих проблем, вытекают задачи:
- разработать энергосберегающий метод непрерывного сбраживания навоза с использованием СВЧ энергии;
- создать физические модели и дать математические описания процессов сбраживания непрерывного действия с СВЧ нагревом;
- разработать и изготовить образец биогазовой установки непрерывного действия, реализующий технологию метанового сбраживания навоза с применением объемного СВЧ излучения;
- обосновать эффективность разработанной технологии.
Во второй главе «Теоретические и лабораторные исследования интенсивных методов сбраживания отходов с/х производства» предложено соединить в единый цикл три стадии метанового сбраживания с целью интенсификации и оптимизации равномерного объемного разогрева метантенка. На основании анализа состояния вопроса, теоретических и лабораторных исследований определяем, что непрерывный процесс переработки навоза при объемном и СВЧ излучении, включает в себя комплекс взаимосвязанных сложных теплофизических процессов: дозированная загрузка отходов, нагрев биомассы, периодическое перемешивание, дозированная выгрузка переработанного субстрата, сбор и резервирование газа.
|
Рисунок 1 – Установка для проведения экспериментов трех стадий метанового сбраживания с СВЧ нагревом: 1 – СВЧ шкаф; 2 - Шланги; 3 – Водный затвор;
4 – Жидкостный манометр; 5 - Счетчик электрической энергии
На рисунке 2 показана кинетика выделения биогаза в зависимости от температуры и времени сбраживания при контактном нагреве свиного (1) и коровьего (2) навоза, а также контактный нагрев в трех режимах сбраживания.
Рисунок 2 – Кинетика выделения биогаза в зависимости от температуры и времени сбраживания при контактном нагреве свиного (1) и коровьего (2) навоза
 |
На рисунке 3 приведены сравнительные характеристики выделения биогаза в зависимости от температуры и времени сбраживания свиного навоза при контактном и СВЧ нагреве.
Рисунок 3 - Кинетика выделения биогаза в зависимости от температуры и времени сбраживания свиного навоза при контактном и СВЧ нагреве
Анализируя полученные данные и графики на рисунках 2 и 3, выявили основные подходы к методам интенсификации процесса нагрева. Интенсификация за счет равномерного объемного разогрева метантенка до 55оС и объединения трех стадий сбраживания в единый цикл позволит потери тепла высокотемпературной зоны использовать для нагрева субстрата предыдущих стадий, что сократит время нагрева навоза при экономии энергии на разогрев.
За критерии оптимизации принимаем максимальный выход биогаза и минимизацию затрат энергии. На основе теоретических и экспериментальных данных разрабатываем схему физической модели процесса метанового сбраживания навоза с СВЧ нагревом, которая представлена на рисунке 4.
Схема физической модели процесса непрерывного метанового сбраживания с СВЧ нагревом разработана так, что высокотемпературная (термофильная) зона находится в центральной части метантенка, при этом температура центральной зоны разогревает мезофильную и психрофильную зоны за счет контактного разогрева через перегородки, разделяющие эти зоны, и диффузии субстрата.
|
Рисунок 4 – Схема физической модели процесса метанового сбраживания
В принципиальной схеме данной физической модели процесса метанового сбраживания идет непрерывный процесс газообразования, так как присутствуют все стадии анаэробной переработки навоза.
Диэлектрический нагрев в центральной секции метантенка осуществляется в пределах температуры 40…55оС, что соответствует термофильному режиму сбраживания. Эта температура поддерживается постоянно, для обеспечения непрерывного режима работы реактора. При поддержании заданного максимума температуры происходит постоянный теплообмен биомассы, который позволяет достичь двух других режимов сбраживания в метантенке. Теплообмену способствуют диффузионный процесс при загрузке и выгрузке сырья, а также циклическое перемешивание субстрата. Мезофильный режим сбраживания происходит во второй секции метантенка, где за счет конвективного нагрева достигается температура в пределах 25…40оС. В первой секции реактора диапазон температур соответствует психрофильному режиму сбраживания с диапазоном температур в пределах 8…25оС.
Диэлектрический нагрев является самым подходящим для этой технологии переработки навоза, так как идет практически выделение тепла во всем объеме обрабатываемого субстрата.
Исходя из проведенных экспериментов, обосновали объединение в единый цикл (реактор) трех стадий метанового сбраживания с объемным разогревом метантенка и выявили основные режимы сбраживания (психрофильный при 8…25оС, мезофильный при 25…40оС и термофильный при 40…55оС).
|
В третьей главе «Теоретическое обоснование интенсификации и энергосбережения при метановом сбраживании навоза» разработана математическая модель процесса сбраживания.
На рисунке 5 показан процесс передачи теплоты субстрату, который заключается в том, что энергия, подводимая к магнетрону по средством электрического преобразования, переходит в тепловую, тем самым происходит объемный разогрев метантенка путем послойной передачи теплоты qn.
Рисунок 5 - Схема нагрева биомассы СВЧ излучением
Расход энергии в расчете на нагрев 1 кг субстрата для конвективной камеры равен
(1)
где К - коэффициент теплопередачи стены метантенка; tр - среднее значение температуры субстрата внутри метантенка за весь рассматриваемый промежуток времени в расчетной зоне; to - среднее значение температуры окружающего воздуха за тот же промежуток времени; ρб - базисная плотность субстрата; Wн - влажность субстрата; Sк/Vк - отношение площади внутренней поверхности конвективной камеры к объему загрузки субстрата в нее; 
к - продолжительность оборота конвективной камеры; - рассматриваемый промежуток времени, в течение которого происходят потери тепла.
Передача теплоты через стенку, а также потери теплопередачи между секциями метантенка, записаны следующими выражениями:
(2)
, (3)
|
- температуры внутренней и наружной поверхностей стенки, 
- температура сред, 
- коэффициенты теплоотдачи, 
- плотность теплового потока, и показаны на рисунке 6. Потери 
– передача теплоты, учитываются между всеми секциями метантенка, которые описываются уравнением (3).
 |
Рисунок 6 – Теплопередача между секциями метантенка
Для окончательного расчета энергоемкости всей установки на основе метода конечных отношений разработали математическую модель. С этой целью схему физической модели установки метанового сбраживания (рис. 4), показываем в виде формализованного изображения процесса энергопотребления и энергопроизводства на основе которого и разрабатываем математическую модель энергоемкости, как отдельных стадий работы метантенка, так и всей установки в целом.
В формализованном изображении (таблица 1) энергопроизводство включает в себя энергоемкости стадий метанового сбраживания и энергоемкость полученного биогаза. Для обеспечения работоспособности оборудования необходимо, чтобы система управления поддерживала в метантенке необходимые режимы, заданные технологическим процессом.
|
Таблица 1- Формализованное изображение процесса энергопотребления и энергопроизводства
|
qij1 |
qij2 |
qij3 |
qi |
qij |
qу |
|
Биомасса (влажность 90…93%) q1 |
Параллельно всему процессу | ||||
|
|
Питание |
Насос |
Загрузка q2 |
q21 | |
|
|
Питание |
Перемешивающее устройство |
Психрофильный режим, перемешивание субстрата q3 |
q31 | |
|
|
Питание |
Перемешивающее устройство |
Мезофильный режим, перемешивание субстрата q4 |
q41 | |
|
Система управления | |||||
|
Подвод |
Питание |
Перемешивающее устройство |
Термофильный режим, перемешивание субстрата q5 |
q51 | |
|
Шкаф управления | |||||
|
|
Питание |
Конвективно-диэлектрический нагрев |
q52 | ||
|
Питание | |||||
|
Подвод |
Питание |
Затвор |
Выгрузка шлама q6 |
q61 | |
|
биогаз /переработанный субстрат q7 |
Подвод |
Подвод
Подвод
Подвод
Подвод
|
Таблица 2- Математическая модель энергоемкости технологии метанового сбраживания навоза на установках непрерывного действия с СВЧ нагревом
|
Биомасса |
q1 |
| ||||
|
q211= |
q212= |
q213= |
q21= q211 q212 q213 |
q2= |
|
|
|
q311= |
q312= |
q313= |
q31= q311 q312 q313 |
q3= |
| |
|
q411= |
q412= |
q413= |
q41= q431 q432 q433 |
q4= | ||
|
| ||||||
|
q511= |
q512= |
q513= |
q51= q511 q512 q513 |
|
| |
|
q521= |
q522= |
q523= |
q52= q521 q522 q523 | |||
|
| ||||||
|
q611= |
q612= |
q613= |
q61= q611 q612 q613 |
q6 = |
| |
|
q2 + q3 + q4 + q5+ q6 = |
q11 | |||||
|
переработанный субстрат q7 = |
|
+
+
+
+
q12 
В четвертой главе «Разработка технологии процесса метанового сбраживания в установках с СВЧ нагревом и экспериментальные исследования процесса» представлен технологический процесс метанового сбраживания навоза и обработка экспериментальных исследований метанового сбраживания при объемном диэлектрическом нагреве.
Технологический процесс по переработке навоза на предприятиях АПК представлен на рисунке 7.
Рисунок 7 – Структурная схема линии по переработке навоза
Исходным сырьем, поступающим в линию, является свиной и коровий навоз. В начале технологического процесса переработки навоза в метантенке получаем органический субстрат и биогаз. Важным условием для анаэробного сбраживания является оптимальная температура вещества в метантенке, поддержание которой обеспечивается конвективно-диэлектрическим нагревом.
|
|
Рисунок 8 – Схема трехстадийного метантенка биогазовой установки с СВЧ нагревом
Трехстадийный метантенк биогазовой установки с СВЧ нагревом состоит из корпуса, систем контроля и управления. Сбраживаемая масса подогревается устройством диэлектрического нагрева в центральной секции до температуры 55°С, которая контролируется термодатчиками 8 нижнего и верхнего уровня. Перемешивание происходит периодически 2...3 раза в сутки при помощи перемешивающих устройств 3. Выделяющийся биогаз, собирают и хранят в резервуаре низкого давления. Получившийся в процессе сбраживания шлам поступает в ёмкость 9 для дальнейшей переработки. Реактор сконструирован так, что идет непрерывный процесс газообразования, так как присутствуют все стадии анаэробной переработки навоза.
|
|
Установка для получения биогаза непрерывного действия с СВЧ нагревом состоит из реактора, который разделен на три секции. Загрузка и выгрузка осуществляется при помощи насосов. Переход биомассы из секции в секцию происходит по принципу сообщающих сосудов. Получаемый в процессе метанового сбраживания биогаз, поступает в емкость для сбора газа. Количество выделяемого газа контролируется газовым счетчиком.
Возможность объединения психрофильного, мезофильного и термофильного режимов метанового сбраживания проверена и подтверждена экспериментально на данной установке.
|
б
Рисунок 10 - Кинетика получения биогаза в едином цикле сбраживания:
а – контактный нагрев, б - СВЧ нагрев
Результаты экспериментальных исследований метанового сбраживания при СВЧ нагреве со свиным и коровьим навозом, показали, что процесс сбраживания биомассы происходит интенсивнее по всему объему метантенка, реализующую разработанную технологию, за счет объемного нагрева (рисунок 10).
|
Рисунок 11 - Сравнительная универсальная диаграмма с двумя способами нагрева: 1 - контактный нагрев; 2 – СВЧ нагрев
Результаты расчетов технико-экономических показателей полностью совпадают с данными полученными на универсальной диаграмме.
ВЫВОДЫ
1. Метод объемного энергосберегающего нагрева процесса метанового сбраживания навоза, позволяющий наиболее полно использовать энергетический и питательный потенциал исходного сырья, может быть перспективен для получения новых продуктов функционального назначения и кормов, конкурентноспособных на отечественном рынке.
2. Рациональное распределение по объему сбраживания дополнительных видов энергии волновой природы снижает энергоемкость процесса по сравнению с конвективно-контактной в 1,5…2,0 раза за счет новой схемы реактора (сочетающем вид энергии, стадийность ее использования и объемное распределение).
|
4. На разработанной экспериментальной биогазовой установке метанового сбраживания непрерывного действия реализован стадийный подвод энергии разных видов и экспериментально установлены рациональные энергетические параметры:
· психрофильное сбраживание (первая стадия) при температуре 8…25оС, обеспечиваемое за счет: загрузки исходного сырья температурой 0…10°С, конвективного и контактного нагрева от материла следующей стадии и перемешивания (частотой 1 раз в сутки час с продолжительностью 10 мин и со скоростью вращения мешалок 24…33 об/мин);
· мезофильное сбраживание (вторая стадия) при температуре 25…40оС, обеспечиваемое за счет: поступления сырья из зоны первого периода сбраживания температурой 20…25°С, конвективного и контактного нагрева от материла следующей стадии и перемешивания (частотой 1 раз в 2 часа с продолжительностью 10 мин и со скоростью вращения мешалок 42…51 об/мин);
· термофильное сбраживание (третья стадия) при температуре 40…55оС, обеспечиваемое за счет: поступления сырья из зоны второго периода сбраживания температурой 25…40°С, объемного диэлектрического, конвективного и контактного нагрева от источника СВЧ излучения и перемешивания (частотой 1 раз в час с продолжительностью 10 мин и со скоростью вращения мешалок 51…60 об/мин).
5. Параметры и режимы технологических процессов, обеспечивающие минимальную энергоемкость, использованы при выполнении Государственного контракта № 000/13 от 01.01.2001 г. с Министерством сельского хозяйства Российской Федерации, где реализована технология промышленной переработки помета в удобрение, содержащая технологические и технические решения по производству органических удобрений на пометной основе.
6. Экономический эффект от применения СВЧ нагрева за счет мер по энергосбережению (объемный, равномерный разогрев, использование потерь энергии с высокотемпературной зоны для разогрева предыдущих низкотемпературных зон сбраживания) даст экономическую выгоду от выхода биогаза, которая составляет 573320 руб. при сроке окупаемости биогазовой установки около шести лет.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ
ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:
Издания, указанные в перечне ВАК:
|
2. Савушкин, топливо в сельском хозяйстве. /, , //Механизация и электрификация сельского хозяйства№4. - С.37-38.
3. Кошкин, использования биогаза. /, , //Механизация и электрификация сельского хозяйства№6. - С.33-34.
Другие издания:
4. Решетникова, и установки по использованию биогаза для предприятий АПК. /, ,
//Научный потенциал аграрному производству посвящается 450 - летию вхождению Удмуртии в состав России. Всероссийская научно-практическая конференция, 26-29 февраля 2008г./ ФГОУ ВПО ИжГСХА. - Ижевск: Изд-во ФГОУ ВПО ИжГСХА, 2008. – Т. IV. - С.188-195.
5. Решетникова, утилизации навоза. /, , //Научный потенциал аграрному производству посвящается 450 - летию вхождению Удмуртии в состав России. Всероссийская научно-практическая конференция, 26-29 февраля 2008г./ ФГОУ ВПО ИжГСХА. - Ижевск: Изд-во ФГОУ ВПО ИжГСХА, 2008.- Т. IV. – С.195-199.
6. Решетникова, биогазовых установок. /, , //Научный потенциал аграрному производству посвящается 450 - летию вхождению Удмуртии в состав России. Всероссийская научно-практическая конференция, 26-29 февраля 2008г./ ФГОУ ВПО ИжГСХА.- Ижевск: Изд-во ФГОУ ВПО ИжГСХА, 2008. - Т. IV. – С.208-212.
7. Свалова, установки для переработки отходов сельхозпроизводства. /, , // Научный потенциал аграрному производству посвящается 450 - летию вхождению Удмуртии в состав России. Всероссийская научно-практическая конференция, 26-29 февраля 2008г./ ФГОУ ВПО ИжГСХА.- Ижевск: Изд-во ФГОУ ВПО ИжГСХА, 2008. - Т. IV. – С.130-135.
Подписано в печать 25.09.09 г.
Бумага офсетная Гарнитура Times New Roman Формат 60х841/16.
Объем 1 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 000
Изд-во ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА
1
|
Проекты по теме:
Основные порталы (построено редакторами)