WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Разработка энергосберегающей электротехнологии сбраживания навоза с использованием индукционного нагрева

На правах рукописи



Вохмин Вячеслав Сергеевич


РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ СБРАЖИВАНИЯ НАВОЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Специальность 05.20.02 – электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ижевск 2011

Работа выполнена на кафедре «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Ижевская государственная сельскохозяйственная академия" (ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Касаткин Владимир Вениаминович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Щеренко Александр Павлович
кандидат технических наук, доцент Дородов Павел Владимирович

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мурманский государственный технический университет"

Защита состоится «15» декабря 2011 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета КМ 220.030.02 в ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 9, ауд. 3-201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА, а с авторефератом на сайте: http://www.izhgsha.ru/, http://vak.ed.gov.ru/.

Автореферат размещен на сайте и разослан «14» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Н.Ю. Литвинюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из основных вопросом, стоящим на пути прогресса в современном мире, является вопрос о развитии энергетики, базирующейся на доступе к энергетическим ресурсам.

Задача обеспечения постоянно растущих потребностей мировой и национальных экономик в энергии обусловливает необходимость развития возобновляемой энергетики и, в частности, биоэнергетики. Это также диктуется решением глобальных проблем, связанных с ограниченностью запасов ископаемых видов топлива и обеспечением экологической безопасности.

На федеральном уровне значительное развитие ВИЭ должна дать программа "Энергоэффективность в РФ до 2020 года", проект которой разработан в декабре 2009 года.

На республиканском уровне одним из перспективных разрабатываемых направлений программы "Энергоэффективность в Удмуртской Республике на 2010-2014 годы" является инновационный проект "Использование местных (альтернативных) видов топлива на территории УР".

Биоэнергетика несет в себе новые технологии, которые потребуют для массового внедрения в энергетический баланс новых видов топлив, серьезной политической и экономической поддержки со стороны государства. Биомасса, аккумулирующая в себе солнечную энергию в форме углеводородов растительного происхождения, служит исходным сырьем для выработки биотоплива в твердом, жидком и газообразном виде в зависимости от технологии переработки.

Теоретические вопросы, посвященные переработке отходов АПК, рассматривали в своих работах российские ученые: Лысенко В.П., Гужулев Э.П., Дубровский В.С., Бацанов И.Н., Ковалев Н.Д., Ковалев Д.А., Марченко В.И., Шрамков В.М., Зуев В.А. и др.; и зарубежные ученые: Jan Baptita Helmont, Count Alessandro Volta, Sir Humphry Davy, Anderson P.A., Baker D.N. и др.

В Ижевской ГСХА, начиная с 1995 года, на кафедре «Механизации и переработки сельскохозяйственной продукции» началось развитие одного из направлений по теме «Утилизация отходов сельскохозяйственного производства». С 2004 года это направление продолжил доцент Игнатьев Сергей Петрович. В составе творческой группы также работали Свалова Марианна Викторовна и Решетникова Ирина Валентиновна. Результатом этих исследований стали выигранные и отмеченные Министерством природных ресурсов и охраны окружающей среды Удмуртской Республики и Министерством сельского хозяйства Российской Федерации конкурсы. Что говорит об актуальности выбранного направления исследования.

Цель работы. Повышение эффективности анаэробной переработки навоза и интенсификация процесса получения биогаза как источника энергии на основе энергосберегающей электротехнологии.

Задачи:

 - разработать энергосберегающий метод непрерывной утилизации биомасс животного и растительного происхождения с использованием энергии конвективно-индукционного нагрева;

- создать физические модели и дать математические описания процессов сбраживания непрерывного действия с конвективно-индукционным нагревом;

- разработать и изготовить образец биогазовой установки непрерывного действия, реализующий технологию утилизации биомассы с применением объемного конвективно-индукционного нагрева;

- обосновать эффективность разработанной технологии.

Объект исследования. Трехстадийный электротехнологический процесс работы биогазовой установки.

Предмет исследования. Технологические режимы работы трехстадийной биогазовой установки на основе энергосберегающей электротехнологии.

Научную новизну работы составляют:

- метод нагрева биомассы на биоэнергетических установках непрерывного действия с конвектитвно-индукционным нагревом, реализующий единый циклический процесс;

- теплофизические модели процессов ферментации навоза на биореакторах непрерывного действия с применением ковективно-индукционного нагрева, позволяющие определять режимы и параметры технологического процесса;

- математическая модель энергопроизводства технологического процесса биореактора непрерывного действия, оптимизирующая 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;

- установлены температурные технологические режимы работы биогазовой установки для переработки навоза;

- разработан лабораторный технологический процесс, обеспечивающий оптимизацию энергозатрат при переработке навоза за счет объединения стадий и применения индукционного нагрева.

Основные положения, выносимые на защиту:

- энергосберегающий метод непрерывного сбраживания навоза с использованием индукционного нагревателя;

- механизм расчета и оценки энергоемкости работы биогазовой установки;

- теплофизические модели и математическое описание процессов ферментации непрерывного действия с конвективно - индукционным нагревом;

- технология метанового сбраживания навоза с применением конвективно-индукционного нагрева;

- эффективность разработанной технологии.

Личный вклад автора. Модели, схемы, результаты численных и экспериментальных исследований, их анализ и интерпретация, представленные в диссертации, получены автором лично.

Макет установки и нагревательного элемента, используемые при экспериментальных исследованиях, разработан коллективом кафедры «Технологии и оборудование пищевых и перерабатывающих производств» при активном участии автора.

Выбор приоритетов, направлений, методов исследования, формирование структуры и содержания работы выполнены при активном участии научного руководителя.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на научно-практических конференции в ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА «Научный потенциал аграрному производству посвящается 450 - летию вхождения Удмуртии в состав России», Ижевск, 2008 г; в ГОУ ВПО «Магнитогорский Государственный университет им. Г.И.Носова» на Всероссийской научно-практической конференции "Качество продукции, технологий и образования", 2010 г.; в гну «Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства» на Международной научно-технической конференции посвященной 80-летию ВИЭСХ и 100-летию со дня рождения основоположника науки по электроснабжению, электрификации и автоматизации сельского хозяйства академика И.А. Будзко «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», Москва, 2010 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 статей, в том числе 4 статьи в научных журналах, рекомендуемых ВАК, одной монографии и одного патента РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 148 страниц, 38 рисунков, 15 таблиц и 5 приложений. Список литературы включает 210 наименования, в том числе 8 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность проблемы, цель, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе «Анализ состояния вопроса утилизации биомасс животного и растительного происхождения в сельскохозяйственном производстве» на основе анализа научных и литературных источников исследуется проблема утилизации отходов животного и растительного происхождения в сельскохозяйственном производстве. Ежегодное количество органических отходов в сельскохозяйственном производстве Российской Федерации составляет 250 млн. тонн из них 150 млн. тонн приходится на животноводство и птицеводство, 100 млн. тонн на растениеводство.

Технология производства электроэнергии из биомассы на сегодняшний день является актуальным направлением переработки отходов.

Особое внимание уделяется развитию технологий получения биогаза, получающегося при утилизации отходов сельскохозяйственных производств.

Рассмотрены технологии и установки мировых и российских производителей биогазовых установок, разновидности наиболее применяемых форм реакторов сбраживания биомассы, методы и способы подогрева сырья.

Проведенный анализ позволил установить:

  • актуальность переработки отходов животноводства и растениеводства с целью получения дополнительного источника энергии (высокий общий КПД (электрический и тепловой) - до 92%, получение тепловой энергии до 1,0 МВт и электрической до 0,4МВт);
  • предпочти­тельность представляет использования шаровидного (яйцеобразного) биореактора с точки зрения прочности, создания условий для перемещения жидкого субстрата (затрат энергии на перемешива­ние), отвода осадков и разрушения плавающей корки (снижение времени подогрева навоза 1,5 - 2 раза);
  • неэффективность использования одного режима сбраживания навоза с прямым видом подогрева (кпд от 65 % и ниже, повышение стоимости в 1,5 - 2 раза);
  • неэффективность использования внешнего подогрева с помощью теплообменника с теплопроводящими элементами на поверхности стен реактора (повышение затрат электроэнергии и времени нагрева в 2,5 раза).

Во второй главе «Теоретические и лабораторные исследования интенсивных методов сбраживания отходов с.-х. производства» предложено объединить в единый цикл три стадии метанового сбраживания с целью интенсификации и оптимизации равномерного разогрева шаровидного метантенка. На основании анализа состояния вопроса, теоретических и лабораторных исследований определяем, что непрерывный процесс переработки навоза при конвективно-индукционном нагреве включает в себя комплекс взаимосвязанных сложных механических, теплофизических и энергетических процессов: дозированная загрузка отходов, нагрев биомассы, периодическое перемешивание, дозированная выгрузка переработанного субстрата, сбор и резервирование газа, получение и распределение электроэнергии.

Для изучения этих процессов была разработана установка, состоящая из трехстадийного метантенка с индукционным нагревателем, шлангов, манометра, жидкостного манометра, счетчика электрической энергии, термодатчиков, емкости для сбора газа, отверстия для залива субстрата, сливного патрубока, емкости под перебродивший шлам. Проводились эксперименты с образцом коровьего навоза. Установка для проведения экспериментов трех стадий метанового сбраживания с конвективно-индукционным нагревом, показана на рисунке 1.

 Установка для проведения экспериментальных опытов трех-1


Рисунок 1 Установка для проведения экспериментальных опытов трех стадий метанового сбраживания с конвективно-индукционным нагревом: а) экспериментальная установка: 1 – трехстадийный метантенк с конвективно - индукционным нагревателем; 2 - Шланги; 3 – Манометр; 4 – Жидкостный манометр; 5 - Счетчик электрической энергии; 6 - термодатчики; 7 - Емкость для сбора газа; 8 - отверстие для залива субстрата; 9 - сливной патрубок; 10 - емкость под перебродивший шлам;

б ) экспериментальный индукционный нагреватель: 1- ферромагнитная труба; 2 - электротеплоизоляционная прокладка; 3 - индукционная катушка; 4 – стержень; 5 – крышка.

Рассмотрено влияние конвективно-индукционого нагрева на процесс нагрева навоза и выход биогаза с двумя наиболее оптимальными типами форм метантенка.

На рисунке 2 показана кинетика выделения биогаза в зависимости от температуры и времени сбраживания с разными типами реактора.

 Кинетика выделения биогаза в зависимости от температуры и времени-3

Рисунок 2 – Кинетика выделения биогаза в зависимости от температуры и времени сбраживания с разными типами реактора

Анализируя кривые рисунка 2 получили, что при одних и тех же температурах нагрева процесс образования биогаза более эффективнее в ректоре шаровидной формы. Также в ходе эксперимента выявили основные подходы к методам интенсификации процесса нагрева. Интенсификация возможна за счет равномерного объемного разогрева метантенка до 55оС и объединения трех стадий сбраживания в единый цикл позволит тепло высокотемпературной зоны использовать для нагрева субстрата предыдущих стадий, что сократит время нагрева навоза при экономии энергии на разогрев.

За критерии оптимизации работы биореактора принимаем минимизацию затрат энергии и максимальный выход биогаза. На основе теоретических и экспериментальных данных разрабатываем схему физической модели процесса метанового сбраживания навоза с конвективно-индукционным нагревом, которая представлена на рисунке 3.

Схема физической модели процесса непрерывного метанового сбраживания с конвективно - индукционным нагревом разработана так, что высокотемпературная (термофильная) зона находится в центральной части метантенка, при этом температура центральной зоны разогревает мезофильную и психрофильную зоны за счет конструктивных элементов реактора, а именно сужение зоны выгрузки переработанного навоза, приводит к интенсивным теплофизическим процессам передачи тепла вновь поступающему сырью. Также разогрев биомассы осуществляется контактным нагревом через перегородки, разделяющие эти зоны, и диффузии субстрата.

 Схема физической модели процесса метанового сбраживания В-4

Рисунок 3 – Схема физической модели процесса метанового сбраживания

В период нагрева навоза температура в центральной части биореактора увеличивается до 55оС и поддерживается постоянной в заданном режиме, далее происходит конвективный нагрев с соседними секциями метантенка. Это распределение тепла происходит равномерно по всему объему реактора.

Нагрев в пределах температур 40…55оС осуществляется в центральной секции метантенка индукционным нагревателем с частотой тока 50 Гц, что соответствует термофильному режиму сбраживания. Заданная температура поддерживается постоянно, для обеспечения непрерывного режима работы реактора. При поддержании заданного максимума температуры происходит постоянный теплообмен биомассы, который позволяет достичь мезофильного и психрофильного режимов сбраживания в метантенке. Теплообмену способствуют массообменный процесс при загрузке и выгрузке сырья, а также циклическое перемешивание субстрата. Мезофильный режим сбраживания происходит в средней секции метантенка, где за счет конвективного нагрева достигается температура в пределах 25…40оС. Крайней секции реактора соответствует психрофильному режиму, где температура сбраживания находится в пределах 8…25оС.

Исходя из проведенных экспериментов, обосновали применение конвективно-индукционного нагрева для предлагаемой шаровидной конструкции метантенка, объединение в единый цикл (реактор) трех стадий метанового сбраживания, 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 энергетических составляющих процесса сбраживания.

Процесс передачи теплоты субстрату, заключается в том, что энергия, подводимая к индуктору посредством электромагнитного воздействия на нагреватель, переходит в тепловую, тем самым происходит разогрев метантенка путем послойной передачи теплоты.

Независимо от способа подвода энергии, на нагрев материала с большой влажностью необходимо затратить тепловую энергию:

(1)

где Qо - тепловая энергия, приходящаяся на нагрев 1 кг навоза, кВтч/кг; Снав, - теплоемкость навоза, кДж/(кг ·°C); tH, tK - начальная и конечная температуры навоза,0С; Wн - влажность навоза, %.

Если учесть энергию, отдаваемую метантенком в окружающее пространство, то формула для расчета удельной тепловой энергии, идущей на нагрев и воз­мещение тепловых потерь, рассчитанной на 1 кг навоза будет выглядеть так:

(2)

где К - коэффициент теплопередачи многослойной стенки метантенка, Вт/(м2 °С); tр - среднее значение температуры внутри метантенка в зоне нагрева,0С; t0 - среднее значение температуры субстрата в предыдущей зоне сбраживания, 0С; S - площадь наружной поверхности метантенка, м2; V - объем загрузки субстрата в метантенк, м3; - продолжительность нагрева, с.

 Теплопередача между секциями метантенка Для трехстадийного-8

Рисунок 4 – Теплопередача между секциями метантенка

Для трехстадийного метантенка с внутренним радиусом секций r1, r3, r5 и наружным r2, r4, r6 (рисунок 4) общая теплопередача, есть сумма теплоты каждой секции, Вт:

(3)

где Q1сек, Q2сек, Q3сек - теплопередача термофильной, мезофильной и психрофильной секций метантенка, Вт.

Определив тепловой поток каждой секции реактора, получили общее выражение для определения теплопередачи для реактора шаровидной формы с числом стенок равной n:

(4)

где, di, dj – диаметр внутренней и наружной поверхности n – секции, м; i – толщина n-ой стенки равная (di - dj)/2,м ; – коэффициент теплопроводности, Вт/м·0С. Потери теплоты между секциями метантенка, записаны следующим выраженияем:

Потери теплоты для трехстадийного метантенка:

(5)

где tж1, tж2, tж3 - температура сред, 0С; 1, 2, 3 - коэффициенты теплоотдачи, Вт/(м2°С); - плотность теплового потока, Вт/м2; SКИ/VКИ - отношение площади внутренней поверхности конвективно-индукционной камеры к объему загрузки субстрата в нее; б - базисная плотность субстрата, кг/м3; Wн - влажность субстрата, %; - рассматриваемый промежуток времени, в течение которого происходят потери тепла, с.

Нагрев субстрата осуществляем конвективно-индукционным нагревателем со следующими параметрами.

Частоту тока принимаем 50 Гц, так как ряд особенностей заставляет выделить эту отдельно, хотя основные закономерности и методы расчета те же, что и на средних частотах. Главным преимуществом использования частоты 50 Гц являются то, что происходит снижение расхода энергии и капитальных затрат в связи с отсутствием преобразователя частоты.

Условием правильного выбора частоты при нагреве различных материалов является:

(6)

где D - диаметр нагреваемого тела, м;

zа - глубина проникновения тока в нагревательный элемент, м.

Подставив численные значения, получим:

Проверка показала, что применение частоты 50 Гц возможно для конвективно-индукционого нагрева метантенка.

Далее определяем электрические параметры индуктора. Задача расчета - определить напряжение на индукторе UH, ток индуктора IН, число витков индуктора W, коэффициент мощности cosн, коэффициент полезного действия и, мощность, подводимую к индуктору PИ.

Напряжение на индукторе:

(7)

где IН - ток индуктора, А; ZН - полное сопротивление индуктора с числом витков W, Ом.

Ток индуктора:

(8)

где - ток в одновитковом индукторе, А.

Число витков индуктора:

(9)

где UИ – заданное напряжение на индукторе, В; - напряжение на индуктирующем проводе одновиткового индуктора, В.

Электрический КПД индуктора:

(10)

где rН- активное сопротивление нагруженного индуктора, Ом; r1- активное сопротивление пустого индуктора, Ом.

Коэффициент мощности:

(11)

Мощность, подводимая к индуктору:

(12)

где РП - средняя полезная мощность за время нагрева, Вт; И - электрический КПД индуктора.

Расчет выполняем на примере условного одновиткового индуктора. В конце расчета определяем количество витков W и пересчитывают параметры индуктора на это количество витков.

Для расчета энергоемкости всей установки разработали математическую модель. Для этого схему физической модели установки метанового сбраживания (рисунок 3), изображаем в виде формализованного изображения процесса энергопотребления и энергопроизводства на основе которого, 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.

Талица 1- Формализованное изображение процесса энергопотребления и энергопроизводства

qi qij1 qij2 qij3 qij
Параллельно всему процессу Подготовка биомассы к сбраживанию q1
Биомасса (влажность 90…93%)   q2 Подвод Питание Насос q21
Подвод
Загрузка  q3 Подвод Питание Насос q31
Психрофильный режим, перемешивание биомассы  q4 Подвод Питание Перемешивающее устройство q41
Питание
Мезофильный режим, перемешивание биомассы  q5 Подвод Питание Перемешивающее устройство q51
Шкаф управления
Термофильный режим, перемешивание биомассы  q6 Подвод Питание Конвективно -индукционный нагрев Подвод q61 q62
Питание
Система управления
Контроль качества биогаза Перемешивающее устройство
Выгрузка отработанной массы q7 Подвод Питание Затвор q71
биогаз /переработанная биомасса q8

Предварительно биомасса получаемая животноводческими комплексами должна подготавливаться к сбраживанию, получая при этом энергоемкость q2.

Субстрат (биомасса) с энергоемкостью q2 загружается в метантенк. Далее масса последовательно проходит секции реактора и приобретает по завершению всех процессов энергоемкость q8.

Математическая модель расчета энергоемкости технологии метанового сбраживания биомассы на установках непрерывного действия с конвективно - индукционным нагревом определяет общую энергоемкость работы системы метантенка(13).

Энергоемкость параметров технологического процесса есть произведение энергоемкостей энергетических параметров обеспечивающих их работу(q21- q71).

где q1 – начальная энергоемкость сырья; , – входная и выходная мощности i – го процесса работы реактора.

Общая энергоемкость q8 вычисляется в результате перемножения суммы энергоемкости технологического процесса на произведение энергоемкости системы управления.

Данная модель позволяет определить как общее энергопотребление разрабатываемой технологии, так и энергопотребление отдельных элементов установки.

Из уравнения (13) выделим элемент отвечающий за работу индукционного нагревателя в центральной (термофильной) секции метантенка:

, (14)

Адекватность математической модели энергопотребления проверенна путем сравнения дисперсий расчетных данных с экспериментальными по критерию Фишера. Экспериментальные и расчетные данные энергопотребления установки с конвективно-индукционным нагревом представлены на рисунке 5.

 Энергопотребление установки с конвективно-индукционным нагревом -44

Рисунок 5 – Энергопотребление установки с конвективно-индукционным нагревом

Модель адекватна с надежностью 95%. Расчеты осуществлялись в математическом пакете программ Microsoft Excel.

В четвертой главе «Разработка технологии утилизации биомасс животного и растительного происхождения с применением биогазовых установок с конвективно-индукционным нагревом и экспериментальные исследования процесса» представлен технологический процесс метанового сбраживания навоза и обработка экспериментальных исследований метанового сбраживания при объемном конвективно-индукционном нагреве.

Технологический процесс метанового сбраживания биомасс животного и растительного происхождения представлен на рисунке 6.

 Структурная схема линии по переработке навоза: 1 - предприятие-45 Рисунок 6 – Структурная схема линии по переработке навоза:

1 - предприятие АПК; 2- метантенк; 3 – хранилище биогаза; 4 – энергетический преобразователь; 5 – хранилище биоудобрений

Исходным сырьем, поступающим в линию, является 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-индукционным нагревом.

Исходя из теоретических и практических исследований выявили, что для строительства биогазовой установки будет лучше, если метантенк будет напрямую соединен с полом фермы.

Уровень пола фермы должен располагаться выше уровня емкости для подготовки сырья, тогда навоз и урина животных будут попадать в эту емкость под действием сил гравитации самостоятельно. Если узел выгрузки биогазовой установки будет расположен выше уровня ближайших полей, это будет способствовать более легкому распределению биоудобрений по этим полям.

Принцип работы трехстадийного метантенка биогазовой установки с конвективно-индукционным нагревом, представленной на рисунке 7, происходит следующим образом, подготовленная для сбраживания масса поступает в первую секцию 2 (психрофильную с диапазоном температур 8...25°С) биореактора.

 Функциональная схема трехстадийного метантенка биогазовой-46

Рисунок 7 – Функциональная схема трехстадийного метантенка биогазовой установки с конвективно-индукционным нагревом: 1 – шаровидный метантенк; 2 - психрофильная камера сбраживания; 3 - мезофильная камера сбраживания; 4 - термофильная камера сбраживания; 5 – насос подачи сырья; 6 – насос откачки переработанного шлама; 7 – перемешивающие устройства; 8 – устройство конвективно-индукционого нагрева; 9 - манометр; 10 – блок контроля работы метантенка.

Перемешивание в данной камере при помощи мешалок 7 и при подаче следующей партии сырья, и осуществляется частотой 1 раз в 2 часа с продолжительностью 10 мин и со скоростью вращения мешалок 42…55 об/мин. Затем биомасса по принципу сообщающихся сосудов перемещается во вторую 3 (мезофильную с диапазоном температур - 25...40 °С) в которой перемешивание осуществляется таким же образом как и в первой секции, и за счет собственного перемещения массы сырья; и третью 4 (термофильную с диапазоном температур - 40...55 °С) частотой перемешивания субстрата 1 раз в час с продолжительностью 10 мин и со скоростью вращения мешалок 51…60 об/мин.

Трехстадийный метантенк биогазовой установки с конвективно-индукционным нагревом состоит из реактора, систем контроля и управления. Сбраживаемая масса подогревается в центральной секции устройством конвективно-индукционного нагрева до температуры 40…55°С, послойной передачи теплоты субстрату и конструктивного исполнения секции, позволяющая отдавать тепло выгружаемого субстрата вновь поступающему сырью, температура процесса контролируется термодатчиками нижнего и верхнего уровня блока контроля работы метантенка 10. Перемешивание происходит периодически 2...3 раза в сутки при помощи перемешивающих устройств 7. Выделяющийся биогаз, собирают и хранят в резервуар низкого давления. Получившийся в процессе сбраживания шлам поступает для дальнейшей переработки. Реактор сконструирован так, что идет непрерывный процесс газообразования, так как присутствуют все стадии анаэробной переработки навоза.

Разработав функциональную схему автоматизации установки были построены временные диаграммы работы разработанной установки с конвективно – индукционным нагревом (рисунок 8).

 Временные диаграммы работы установки с конвективно – индукционным-47

Рисунок 8 – Временные диаграммы работы установки с конвективно индукционным нагревом

Для реализации процесса сбраживания навоза, согласно схемы на рисунке 7, был изготовлен опытный образец установки непрерывного действия объемом реактора 1,0 м3.

Установка для получения биогаза непрерывного действия с конвективно-индукционным 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.

На данной экспериментальной установке с реактором шаровидной формы проверена и подтверждена возможность объединения психрофильного, мезофильного и термофильного режимов метанового сбраживания в единый трехстадийный цикл.

 Кинетика получения биогаза в едином цикле сбраживания при-48

Рисунок 9 - Кинетика получения биогаза в едином цикле сбраживания при конвективно индукционном нагреве

Результаты экспериментальных исследований метанового сбраживания при конвективно-индукционном нагреве коровьим навозом, показали, что процесс сбраживания биомассы происходит интенсивнее по всему объему метантенка реализующую разработанную технологию, за счет мгновенного нагрева поверхности нагревателя (рисунок 9).

В пятой главе «Технико-экономические показатели и экономическая эффективность разработанных методов, установок и технологий» показана технико-экономическая оценка проведенных мероприятий, на основе методики расчета экономической эффективности, разработанный во Всероссийском институте электрификации сельского хозяйства.

Результаты основных технико-экономических показателей биогазовой установки с конвективно-индукционным нагревом представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Основные технико-экономические показатели выхода биогаза в биогазовой установке при конвективно-индукционном нагреве

Показатели Конвективно-индукционный нагрев
Капитальные вложения, руб. 3 111 000
Годовые издержки, руб. 697 020
Стоимость произведенного биогаза, руб. 1 452 500
Прибыль, руб. 755 480
Срок окупаемости, год 4,1
Годовой экономический эффект, руб. 250 070
Выход биогаза, тыс. м3/год 415

Проведенные мероприятия дают годовой экономический эффект 250070 руб. Срок окупаемости биогазовой установки около пяти лет.

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, конкурентоспособных на отечественном рынке.

2. Рациональное распределение по объему сбраживания энергии конвективно-индукционного нагрева снижает энергоемкость процесса (патент № 2404240 РФ) в 1,5…2,0 раза за счет новой схемы реактора (сочетающем вид энергии, стадийность ее использования и объемное распределение) (подана дополнительная заявка на патент).

3. Теплофизические и математические модели процесса позволяют производить расчет режимов технологических процессов по заданным количественным и качественным показателям выхода биогаза и рассчитывать конструктивные параметры оборудования для достижения заданной производительности установки.

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 2 час с продолжительностью 10 мин и со скоростью вращения мешалок 42…55 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 таким же образом как и в первой секции, и за счет собственного перемещения массы сырья;
  • термофильное сбраживание (третья стадия) при температуре 40…55оС, обеспечиваемое за счет: поступления сырья из зоны второго периода сбраживания температурой 25…40°С, объемного конвективно-индукционного и контактного нагрева от источника индукционного нагревателя и перемешивания (частотой 1 раз в час с продолжительностью 10 мин и со скоростью вращения мешалок 51…60 об/мин).
  • в качестве нагревательного элемента в центральной секции применение индукционного нагревателя с частотой рабочего тока 50 Гц.

5. Параметры и режимы технологических процессов, обеспечивающие минимальную энергоемкость, использованы при выполнении Государственного контракта № 1664/13 от 11.11.2008 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 конвективно-индукционного нагрева за счет мер по энергосбережению (равномерный разогрев, использование потерь энергии с высокотемпературной зоны для разогрева предыдущих низкотемпературных зон сбраживания) даст экономическую выгоду от выхода биогаза, которая составляет 250070 руб. при сроке окупаемости биогазовой установки около пяти лет.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

Журналы, указанные в перечне ВАК:

  1. Савушкин, А.В. Альтернативное топливо в сельском хозяйстве /А.В.Савушкин, В.С. Вохмин, И.В. Решетникова //Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2009. - №4. - С.37-38.
  2. Вохмин, В.С. Исследование конвективно - индукционного нагрева при анаэробном сбраживании отходов животноводческих ферм / В.С. Вохмин // Политематический сетевой электронный журнал научный журнал Кубанского аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, 2011. – №06(70). С. 35 – 47. – Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2011/06/pdf/04.pdf.
  3. Вохмин, В.С. Применение технологии анаэробной переработки отходов АПК в России / В.С. Вохмин, М.В. Кошкин, С.В. Петров, А.С. Линкевич// Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, 2011. – №09(73). Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2011/09/pdf/17.pdf.
  4. Вохмин, В.С. Разработка технологической линии утилизации биомасс животного и растительного происхождения / В.С. Вохмин, А.С. Линкевич, В.В. Касаткин, Н.Ю. Литвинюк // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. – Краснодар: КубГАУ, 2011. – №09(73). Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2011/09/pdf/30.pdf.

Другие издания:

5. Решетникова, И.В. Биогаз и установки по использованию биогаза для предприятий АПК / И.В.Решетникова, М.А. Валиулин, М.В. Кошкин, В.С. Вохмин //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.

6. Вохмин, В.С. Разработка структурной схемы линии получения биотоплива /Качество продукции, технологий и образования. Материалы V Всероссийской научнопрактической конференции/ Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г. И. Носова», 2010.- С.185-187.

7. Вохмин, В.С. Интенсификация и энергосбережение при метановом сбраживании навоза / В.С. Вохмин, И.В. Решетникова, Р.Р. Якупов, С.В. Петров // Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 7-й Международной научно-технической конференции. Часть 4./М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010.- С. 325-329.

8. Петров, С.В. Интенсификация переработки навоза с применением диэлектрического нагрева /С.В. Петров, В.С. Вохмин, И.В. Решетникова// Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве. Труды 7-й Международной научно-технической конференции. Часть 4./М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010.- С. 335-338.

9. Вахрушев, С.А. Разработка установки для переработки отходов сельхозпроизводства с подогревом /С.А. Вахрушев, Н.Ю. Литвинюк, И.В.Решетникова, В.С. Вохмин// Инновационному развитию АПК – научное обеспечение. Труды международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию Пермской ГСХА имени академика Д.Н. Прянишникова. Часть 1./Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА», 2010.- С. 182-185.

10. Касаткин, В.В. Технология переработки помета /В.В. Касаткин, С.А. Вахрушев, Н.Ю. Литвинюк, А.И. Евсеев, В.С. Вохмин// Инновационному развитию АПК – научное обеспечение. Труды международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию Пермской ГСХА имени академика Д.Н. Прянишникова. Часть 1./Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА», 2010.- С. 207-211.

11. Решетникова, И.В. Разработка энергосберегающей электротехнологии сбраживания навоза с использованием объемного СВЧ – нагрева / И.В. Решетникова, В.В. Касаткин, С.В. Петров, В.С. Вохмин//Монография – Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2010.- 119 c.

12. Пат. № 2404240 Российская Федерация, МПК C12М1/107. Биогазовая установка / С.В. Свалова, ФМ. Бурлакова, В.В. Касаткин, С. П. Игнатьев, И. В. Решетникова, М.В, Кошкин, В.С. Вохмин.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА. - № 2404240/10; заявлено 02.03.2009; опубл. 20.11.2010, Бюл. № 35. – 12 с.

Сдано в производство10.11.2011 г.

Бумага офсетная Гарнитура Times New Roman Формат 60х84 1/16.

Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 4217.

Изд-во ФГБОУ ВПО Ижевская ГСХА,

426069, Удмуртская республика, г. Ижевск, ул. Студенческая, д. 11



 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.