Повышение эффективности процесса производства удобрений из отходов животноводства аэробной ферментацией в установках закрытого типа путем разработки технологии и технических средств утилизации газовых выбросов

Наиболее предпочтительным для производства биологически активных и экологически безопасных твердых органических удобрении высокого качества аэробным способом является метод биологической ферментации при высокой температуре в стационарных закрытых емкостях, в том числе, и биореакторе барабанного типа. Для аэрации обрабатываемого материала в биореакгоре предусмотрена вентиляционная система с выходом отработанной газовоздушной смеси в атмосферу. Однако вместе с ней теряется часть полезных летучих соединений и наносится экологический ущерб.

Из всех видов отходов животноводства куриный помет является наиболее концентрированным материалом по питательным элементам. В результате биотермической ферментации, протекающей в биореакторе, происходит активное разложение органического вещества х потерей питательных элементов. К примеру, за цикл ферментации (48 часов) потери с одного килограмма обрабатываемого подстилочного помета составляют: азот — 6,9 г, углерод — 6,6 г, влаги (за счет ее испарения) — 119 г. Потери указанных элементов в биореакгоре происходят путем их эмиссии в отработанный воздух системы аэрации.

Учитывая ценность азота как необходимого элемента для развития растений, а также вредное влияние содержащихся летучих азотных и углеродных соединений в отработанном воздухе при аэробной ферментации отходов животноводства на здоровье человека и экосистему, возникает необходимость утилизации газовых выбросов.

Применяемые в производстве технологии по утилизации газового выброса при аэробной ферментации отходов животноводства путем уменьшения потерь питательных элементов и получения продуктов угализации пригодных для дальнейшего использования в цикле сельскохозяйственного производства в России практически отсутствуют. В Европе и США работы по данной проблеме велись в области применения биологических фильтров, однако сообщения о результатах работ в литературных источниках отрывисты и не отражают полностью состояния вопроса.

Таким образом целью работы является: повышение эффективности производства удобрений путем разработки технологии утилизации газового выброса установок закрытого типа по аэробной переработке навоза и помета и создание технических средств для ее реализации.

Разработка технологии и технических средств утилизации газового выброса при аэробной ферментации отходов животноводства на стационарных установках в виде закрытых емкостей (в том числе и барабанного типа) даст следующие преимущества: позволит понизить потери летучих продуктов распада органического вещества, так как они являются питательными элементами для растений, путем возврата их в цикл сельскохозяйственного производства. значительно повысит экологическую безопасность производства органических удобрений, так как основные загрязнения в данных технологических линиях выбрасываются в атмосферу. применение в технологических линиях закрытого типа переработки отходов животноводства технических средств утилизации газового выброса позволит повысить гигиену и культуру труда рабочих, что будет выгоднейшим образом отличать данный тип технологий переработки от технологий открытого типа (на специальных площадках).

S перечисленные выше достоинства дают возможность приоритета по выбору и применению данного вида технологий переработки. Негативным моментом применения в цепочке основного технологического оборудования дополнительных технических средств утилизации газового выброса является дополнительное увеличение капитальных и эксплуатационных затрат, что скажется на удельной себестоимости основной продукции. Дополнительные затраты на утилизацию в работе необходимо уменьшать на всех стадиях от выбора типа технологии и технических средств заканчивая выбором оптимальных режимов работы и конструктивных параметров.

1. ОБОСНОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ УТИЛИЗАЦИИ ГАЗОВОГО ВЫБРОСА ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ АЭРОБНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСВА.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

1. Газопаровоздушная смесь после биореактора при ферментации подстилочного помета насыщена аммиаком и диоксидом углерода. В интервале рабочих температур ферментации от 65 до 70 ^ концентрация аммиака максимальна и достигает 1200 мг/м, а концентрация диоксида углерода снижается до 3% об.

2. Утилизацию газовых выбросов при аэробной ферментативной переработке навоза и помета в закрытых установках наиболее целесообразно проводить методами конденсации паров в рекуперативных теплообменниках кожухового типа воздушного охлаждения (конденсаторах) и абсорбции в барботажных аппаратах с провальными тарелками. Определены основные компоновочные схемы системы утилизации: конденсатор, барботажный аппарат и их последовательное соединение, а также структура моделей работы схем, оцениваемых степенью очистки газовоздушной смеси по аммиаку и его концентрации в конденсате и растворе барботажного аппарата.

3. Конденсация паров при перепаде температуры газовоздуШной смеси от 5 до 65 °C обеспечивает концентрацию аммиака в конденсате от 6 г/л до 20 г/л и степень очистки газовоздушной смеси по аммиаку до 50%. Максимальный поглощающий потенциал абсорбции аммиака находится при оптимальных параметрах и режимах работы элементарной ячейки барботажного аппарата: высота барботажного слоя равна 15,8 мм при рН=4,5 и 26,4 мм при рН=7,4- площадь ячейки — 15−25 см2- скорость истечения газовоздушной смеси из барботера — 0,25 м/срасход поглощающего раствора — 26−35 л/ч.

4. Производство жидких удобрений путем утилизации газового выброса следует проводить с помощью аппаратов имеющих удельную площадь: поверхности теплообмена конденсатора -0,136 — 0,148 м2- - барботажного аппарата — 0,010 — 0,026 м² на один м3/час.

5. Адекватность полученных моделей работы схем компоновки я. системы утилизации подтверждена проверкой в производственных условиях, которая обеспечивает величину концентрации аммиака в конденсате по первой и второй схемам 11 г/л, степень очистки по аммиаку 20%- во второй схеме конце"трация аммиака в растворе барботажного аппарата — 0,6 г/л при его расходе 35 — 60 л/ч, степень очистки — 70%- в третьей схеме концентрация аммиака в растворе барботажного аппарата — 0,58 г/л, степень очистки — 47% при его расходе 35 -60 л/ч.

6. Экологически целесообразно применять схемы утилизации газового выброса при минимальных высотах выхлопного отверстия: первая схема — 4,3−4,9 мвторая схема — 3,8−3,6 мтретья схема — 2,7−5,2 м. Годовой* экономический эффект: при первой схеме системы — 35,73 тыс. руб.- при второй — 63,72 тыс. руб.- при третьей — 33,99 тыс. руб. Срок окупаемости системы утилизации: первой схемы — 0,62 годавторой схемы — 0,4 годатретьей схемы — 0,51 года.

7. Проектирование системы утилизации газовой смеси следует производить в соответствии с разработанной методикой инженерного расчета, основанной на определении площадей аппаратов по удельным значениям их параметров, и техническими требованиями к аппаратам и вентилятору системы.

8. Получаемые в системе продукты утилизации имеют широкий спектр питательных и микроэлементов, в т. ч. концентрацию аммиака 11 и 0,6 г/л и пригодны для удобрительного полива сельскохозяйственных растений закрытого или открытого грунта, раскисления и обогащения азотом торфа, а также для получения многокомпонентных комплексных органомине-ральных удобрений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проверка технологических (концентрации аммиака в конденсате и (или) отработанном поглощающем растворе на выходе из системы) и экологических (полная степень очистки системы) моделей работы различных схем системы утилизации газового выброса из биореактора барабанного типа при ферментации куриного подстилочного на опилках помета показала, что существует высокая теснота связей между производственными данными и рассчитанными значениями по модели, кроме того, по всем схемам большинство производственных данных находятся внутри доверительного интервала модели при уровне значимости 0,95:

1. Первая и вторая схема (конденсатор) — коэффициент корреляции экспериментальных данных концентрации аммиака в конденсате и степени очистки газового выброса с их рассчитанными значениями равен 0,89 и 0,87 соответственно. В интервале перепада температуры газовоздушной смеси от 7 до 24 °C концентрация аммиака в конденсате изменяется от 6,5 до 11 г/лстепень очистки увеличивается от 7 до 20%.

2. Вторая схема — коэффициенты корреляции концентрации аммиака в отработанном поглощающем растворе барботажного аппарата и степени очистки системы в целом с их рассчитанными по моделям значениями равны 0,91 и 0,6 соответственно. При изменении расхода отработанного поглощающего раствора от 35 до 360 л/ч концентрация аммиака в растворе изменяется от 0,6 до 0,1 г/лстепень очистки системой изменяется незначительно от 70 до 80%. Оптимальный расход раствора для максимальных значений концентрации аммиака в нем находится в интервале 35−60 л/ч при условии, что первая ступень (конденсатор) выдает рассмотренные выше значения показателей.

3. Третья схема (барботажный аппарат) — коэффициент корреляции степени очистки газовоздушной смеси по аммиаку и концентрации аммиака в растворе с их рассчитанными по модели значениям равны 0,84 и 0,94 соответственно. В данной схеме при изменении расхода отработанного поглощающего раствора от 35 до 560 л/ч концентрация аммиака в растворе изменяется от 0,58 до 0,08 г/лстепень очистки изменяется от 47 до 85%. Оптимальный расход раствора для максимальных значений концентрации аммиака в нем находится, так же как и во второй схеме в интервале 35−60 л/ч.

Энергетические показатели работы различных схем компоновки системы следующие:

1. В первой схеме: потребляемая мощность — 0,48 кВтзатраты энергии на грамм уловленного аммиака ~ 0,5−0,3 кДж/гзатраты энергии на литр полученного удобрения — 252,8−64,4 кДж/л.

2. Во второй схеме: потребляемая мощность — 1,1−1,2 кВтсуммарные затраты энергии на грамм уловленного аммиака — 44,7−7,0 кДж/гсуммарные затраты энергии на литр полученного удобрения — 212,0−7,0 кДж/л.

3. В третьей схеме: потребляемая мощность — 0,37−0,76 кВтзатраты энергии на грамм уловленного аммиака — не более 10 кДж/гзатраты энергии на литр полученного удобрения — 48,8−3,7 кДж/л.

Из оценки экологической безопасности применения различных схем компоновки системы утилизации по предельно допустимым выбросам аммиака получены минимальные высоты нахождения выхлопного отверстия из системы в атмосферу при условии, что максимальное значение приземной концентрации аммиака не превышает его концентрацию в выбросах около устья источника. Минимальные высоты нахождения выхлопного отверстия при которых можно использовать систему утилизации следующие: первая ж схема — 4.3−4,9 мвторая схема — 3,8−3,6 мтретья схема — 2,7−5,2 мбез утилизации — 4−9 м.

Экономическая оценка применения различных схем утилизации показала, что годовая экономия совокупных затрат позволяет эффективно применять все три схемы компоновки системы утилизации по отношению к базовому варианту (без утилизации). Наиболее эффективна первая схема, менее эффективна — вторая схема, и наименее эффективна—третья.

Разработана методика конструктивного расчета системы утилизации газо-# вого выброса из биореактора, состоящая из расчетов конденсатора и барботажного аппарата. Методика позволяет рассчитать конструктивные параметры аппаратов системы для биореакторов с различными рабочими объемами. Для экспериментального биореактора барабанного типа конструкции СЗ НИИМЭСХ объемом 20 м³ площадь поверхности теплообмена конденсатора составляет 4,3 м². Площадь барботажного аппарата составит 0,42 м2- количество щелей — 2 штширина щели -71 ммусловный рабочий объем-6,6×10″ 3 м³,.