Повышение эффективности технологической линии производства биокомпостов путём совершенствования узла ферментирования
На правах рукописи
СОКОЛОВ АЛЕКСЕЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПРОИЗВОДСТВА БИОКОМПОСТОВ ПУТЁМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ УЗЛА ФЕРМЕНТИРОВАНИЯ Специальность 05.20.01 – Технологии и средства механизации сельского хозяйства
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт - Петербург – 2009 2 Диссертация выполнена на кафедре эксплуатации машинно-тракторного парка Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессио нального образования Костромская государственная сельскохозяйственная академия доктор технических наук, доцент Научный руководитель Малаков Юрий Фёдорович Заслуженный деятель науки и техники, доктор
Официальные оппоненты:
технических наук, профессор Еникеев Виль Гумерович кандидат технических наук, старший научный сотрудник Максимов Дмитрий Анатольевич Научно - исследовательский институт Ведущее предприятие сельского хозяйства центральных районов нечерноземной зоны
Защита состоится « 16 » апреля 2009 года в 1100 часов на заседании диссертационного совета Д 006.054.01 при Северо-Западном научно исследовательском институте механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук по адресу: 196625, Санкт Петербург-Павловск, п/о Тярлево, Фильтровское ш., д.3.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СЗ НИИМЭСХ, а авторе фератом на сайте www.sznii.ru
Автореферат разослан «_4_ » марта 2009 года.
Учёный секретарь диссертационного совета Черей Н.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Максимально возможные урожаи сельскохозяйствен ных культур можно получить только при совместном применении органических и минеральных удобрений. При этом минеральные удобрения в основном способст вуют повышению урожайности. Органические удобрения, помимо повышения уро жайности, улучшают структуру и плодородие почв, способствуя увеличению содер жания гумуса, что непременно сказывается на качестве продукции.
Одной из разновидностей органических удобрений является биокомпост. Био компост, полученный ускоренным методом с соблюдением установленных парамет ров ферментирования, представляет собой высокоэффективное органическое удоб рение, обеззараженное от яиц и личинок гельминтов, патогенной микрофлоры, не содержит жизнеспособных семян сорняков. Содержит подвижные формы азота и фосфора, способствующие оптимизации минерального питания растений. Характе ризуется высоким содержанием органического вещества и благоприятными физиче скими свойствами.
В условиях активного применения минеральных удобрений в сельском хозяй стве органические удобрения не только не теряют своего значения, но их роль в по вышении плодородия почв, получения высококачественной, экологически чистой продукции растениеводства, возрастает. Поэтому необходимо обеспечить сельское хозяйство высокопроизводительными и экономически выгодными способами и техно логиями производства высококачественных органических удобрений.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является повышение эф фективности технологической линии производства биокомпостов путём совершен ствования узла ферментирования. В соответствии с поставленной целью в диссерта ции решаются следующие задачи:
• анализ существующих технологий и устройств для производства биокомпо стов, формулировка рабочей гипотезы;
• разработка модели функционирования процесса работы узла ферментирова ния и формализованное описание закономерностей, связывающих параметры процесса ферментирования;
• разработка технологической схемы и конструкции узла ферментирования;
• разработка системы автоматического управления процессом;
• экспериментальное определение зависимостей между основными факторами, определяющими работу узла ферментирования и нахождение оптимальных параметров его работы;
• оценка технико - экономической эффективности работы узла ферментирова ния в технологической линии производства биокомпостов.
Объект исследования. Процесс ферментирования в технологической линии производства биокомпостов.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы использо вались как стандартные, так и частные методики исследования с применением ма тематического планирования эксперимента и обработки данных с использованием программ расчётов на ПЭВМ.
Научная новизна состоит в: разработке модели функционирования фермен тирующего устройства, позволяющей выйти на оптимальные значения основных параметров влияющих на качественные и количественные показатели;
разработке способа автоматического управления процессом ферментирования.
Практическая ценность и реализация результатов исследований. Разработан узел ферментирования для технологической линии производства биокомпостов па тент №2336252 и автоматическая система управления процессом ферментирования.
В лаборатории кафедры эксплуатации машинно-тракторного парка Костромской ГСХА изготовлена лабораторная установка по производству биокомпостов для про ведения исследований. Изготовлен экспериментальный образец ферментирующего устройства и испытан в производственных условиях OОО «БХЗ – Агро» Буйского района Костромской области.
Использование усовершенствованного узла ферментирования в технологиче ской линии по производству биокомпостов позволит: снизить время процесса фер ментирования до 8 дней;
сократить удельные затраты электроэнергии на 60%;
сни зить себестоимость биокомпоста на 54%;
получить годовой экономический эффект 105,2 тыс.руб.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложе ны и обсуждены на научных конференциях профессорско - преподавательского со става и аспирантов в ФГОУ ВПО “Костромская ГСХА” 2006...2008гг, ГНУ Кост ромской НИИ СХ в 2008г. и СПб-ГАУ г.Санкт – Петербург в 2008…2009гг. С по 2008г. работа выполнялась по программе «У.М.Н.И.К.», с 2008г. по н.в. выполня ется по программе «СТАРТ», финансируемые государственным Фондом развития малых форм предприятий в научно - технической сфере. В 2008 году технологиче ская линия по переработке органических отходов в биокомпосты, в состав которой входит усовершенствованное ферментирующее устройство, была отмечена золотой медалью на 10-ой выставке «Золотая осень» в номинации «За производство высоко эффективных экологически безопасных удобрений: почв, грунтов, подкормок, тех нологий улучшения плодородия почв».
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в печатных работах, в том числе в одном патенте на изобретение и 1 издании, реко мендованном ВАК.
Объем работы.
Работа состоит из введения, 5 глав, выводов, списка используе мой литературы, включающего 79 наименований и 4 приложений. Общий объём работы изложен на 156 страницах машинописного текста, включая 25 таблиц и 68 рисунков.
На защиту выносятся следующие основные положения:
• модель функционирования процесса работы узла ферментирования и фор мализованное описание закономерностей, связывающих параметры процесса;
• технологическая схема и конструкция узла ферментирования;
• автоматическая система управления процессом ферментирования;
• технологические параметры узла ферментирования и оценка экономиче ской эффективности.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, изложены состояние пробле мы, цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна, практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассматриваются:
влияние органических удобрений на плодородие почв;
агрохимические свойства биоком поста;
процесс ускоренного аэробного ферментирования;
анализ существующих техноло гий и устройств для производства биокомпостов, формулирование рабочей гипотезы.
Вопросами разработки технологий и технических средств для приготовления органических удобрений занимались Ю.И. Вахромеев, Ю.В. Иванов, Н.Г. Ковалев, В.П. Коваленко, Г.Е. Листопад, Г.И. Личман, Н.М. Марченко, В.Н Афанасьев, Н.З. Милащенко, Б.А. Нефедов, П.Д. Попов, Е.П. Харламов, С.Д. Сметнев, И.С. Ша тилов, В.А. Шмонин и др.
Проанализировав существующие технологии и устройства по ускоренному производству биокомпостов выявили основные недостатки узлов ферментирования:
• малая производительность, что не позволяет их использовать на предпри ятиях с большим выходом отходов производства, это приводит к их накоп лению и загрязнению окружающей среды;
• сложность аппаратурных решений основных процессов требует высокой квалификации оператора, большая энергоёмкость узла смешивания и веро ятность заклинивания при попадании посторонних предметов;
• забивание перфорации трубопроводов, системы вентиляции ферментёров, что приводит к снижению производительности установки и возникновению очаго вого эффекта ферментирования, снижающего качество выходного продукта;
• отсутствие контроля за параметрами ферментирования не позволяет опти мально управлять процессом;
• сложность процесса выгрузки готового продукта и его автоматизации.
Анализ предшествующих исследований, устройств и установок по производст ву биокомпостов даёт основание сформулировать рабочую гипотезу. Увеличение производительности может быть достигнуто путём поддержания оптимальных техно логических параметров ферментирующего устройства, таких как высота слоя массы, температура и концентрация кислорода. Повышение качества биокомпоста может быть достигнуто путём разработки системы вентиляции, позволяющей осуществить равномерное распределение воздуха в массе. Время процесса ферментирования и по вышение температуры массы в единицу времени (скорость саморазогревания массы) зависят от концентрации кислорода в массе, на которую в свою очередь оказывают влияние температура массы и режим работы системы вентиляции (расход воздуха в системе вентиляции). Автоматическая система управления процессом ферментирова ния может осуществляться посредством управления подачей воздуха, на основе ана лиза концентрации кислорода в массе, по заданному запрограммированному алго ритму. Снижение себестоимости биокомпостов может быть достигнуто путем совер шенствования узла ферментирования: системы вентиляции;
выгрузки готового про дукта;
автоматического управления процессом ферментирования.
Во второй главе «Анализ процесса работы узла ферментирования» рассмат риваются: модель функционирования узла ферментирования и формализованное описание закономерностей, связывающих параметры процесса ферментирования;
технологическая схема работы и конструкция узла ферментирования;
система авто матического управления процессом.
Функционирование узла ферментирования можно рассматривать как реакцию на входные внешние возмущения и управляющие воздействия. При этом наиболее подходящей расчётной схемой будет схема по принципу «вход – выход». В качестве выходной переменной Y может рассматриваться любые из случайных параметров, характеризующие качественные показатели протекания процесса ферментирования в устройстве. Такими параметрами являться: температура компостируемой массы Т(t);
скорость саморазогревания массы VT(t) и как следствие – время процесса ферменти рования t. На устройство действуют внешние возмущения, образующие вектор функцию возмущений F, которые стремятся нарушить желаемое протекание процес са, составляющими вектор - функции F являются: отношение в компостируемой мас се углерода к азоту С:N(t), влажность компостируемой массы (t ) и высота слоя h(t).
В качестве управляющего параметра, оказывающего непосредственное влияние на значение качественного показателя процесса, выступает режим работы системы вен тиляции tвен(t), как следствие – расход воздуха через систему вентиляции q(t) и кон центрация кислорода в компостируемой массе CО2(t).
На устройство так же оказывает воздействие вектор внутренних связей D, в качестве составляющей которого выступает температура компостируемой массы T(t), оказывающая влияние, на скорость саморазогревания массы VT(t) и концентра цию кислорода CО2(t). Таким образом, процесс, протекающий в ферментирующем устройстве, можно представить в виде информационной модели (рисунок 1).
Реализация представленной информационной модели процесса работы ферментирующего устройст ва позволит найти соотношение между внешними воз мущениями, качественным показателем и управляю щим параметром процесса ферментирования. Инфор мацию о причинно следственных связях отражает в полной мере модель функционирования технологиче ского процесса, представленная в виде блок - схемы по Рисунок 1 – Информаци онная модель работы узла принципу «вход – выход», которая изображена на ри ферментирования сунке 2.
Поскольку модель функционирова ния технологического процесса фермен тирующего устройства представляет со бой многомерную систему, то для иден тификации её разбивают на одномерные частные модели. Частные модели могут Рисунок 2 – Модель функционирования быть представлены в виде схемы, на кото технологического процесса: С:N(t) – рую на входе действуют одно или два отношение углерода к азоту;
p(t) – влаж ность массы;
C02(t) – концентрацию ки- возмущающих воздействия, а на выходе слорода;
T(t) – температура массы;
V(t) – имеется один случайный процесс. Общая скорости саморазогревания;
q(t) – расход модель процесса формирования скорости воздуха;
tвен(t) – режим работы системы вентиляции;
tпр – время процесса фермен- саморазогревания массы представлена на тирования рисунке 3.
Модель описывается оператором Av, пред ставляющий собой совокупность из двух операто ров преобразования частных моделей A1 и Aq:
VT (t ) = A1 [C : N (t );
(t )] 1 (1) q VT (t ) = Aq [T (t )] A (2) Av = Aq Преобразование скорости саморазогревания Рисунок 3 – Модель массы VT(t) в параметр времени процесса ферменти процесса формирования скорости саморазогрева- рования описывается оператором Аtпр.
ния массы Рассматривая модель функционирования технологического процесса работы ферментирующего устройства как многомерную систему можно записать:
Av (3) AП = Atпр Вид и структура оператора АП, описывающего преобразование входного про цесса F(t) в выходной Y(t), есть математическая модель процесса работы ферменти рующего устройства.
Все операции процесса производства биокомпостов должны быть направлены на следующие основные цели: наиболее полное сохранение питательных веществ, содержащихся в исходных компонентах;
получение биокомпостов в виде, удобном для хранения, транспортировки и внесения в почву;
максимально возможную меха низацию и автоматизацию процесса ферментированя;
минимальные затраты труда и денежных средств;
исключение возможности загрязнения окружающей среды.
Опираясь на разработанную модель функционирования и анализ известных сис тем и установок разработан узел ферментирования, позволяющий исключить боль шинство недостатков известных систем и установок для ускоренного приготовления биокомпостов. Данное устройство предназначено для осуществления процесса фер ментирования в технологической линии по производству биокомпостов (рис. 4, 5).
Линия работает следующим об разом. Самосвальными средствами загружаются ёмкости 1 и 2 соответст венно пометом и торфом. В зависи мости от выполнения необходимого соотношения (по влажности и угле рода к азоту), выставляются соответ ствующие скорости выгрузных транспортёров ёмкостей. По завер шению указанных настроечных регу Рисунок 4 – Технологическая линия произ лировок, линия готова к пуску. Одно водства биокомпостов временно запускаются приводы сме сителя и выгрузного шнека 3, а также транспортёры 4, 5 для верхней за грузки узлов ферментирования 6, 7, 8, 9. По мере освобождения компонен тов в емкостях 1, 2 производится до загрузка, без остановки линии, до полного заполнения ферментера. Ус танавливается режим работы системы вентиляции 12, с помощью автомати ческой системы управления процес сом ферментирования для каждого ферментёра в отдельности и включа Рисунок 5 – Общий вид узла ферменти- ется на 7 - 8 дней, при этом произво рования дится контроль за параметрами про цесса ферментирования с помощью датчиков температуры 17 и газоанализатора ки слорода 18, расположенных внутри корпуса ферментёра. Датчики соединены с элек трическим блоком контроля 19. Заполненный узел ферментирования освободится че рез 7-8 дней, за это время идет заполнение соседних, работающих циклично, их число определяется суточным объемом переработки помета (навоза). Выгрузка готового биокомпоста осуществляется транспортёром 15, находящимся под компостируемой массой на днище корпуса. Далее компост через регулируемую заслонку (на рисунке не показано) поступает на транспортёр дальнейшей транспортировки 16, имеющий возможность реверсирования, для направления массы в транспортное средство, если не требуется фасовка, или для загрузки фасовочных машин 10, 11.
Интенсивность жизнедеятельности микроорганизмов в процессе ферментирова ния во многом зависит от обеспечения их кислородом. Автоматическая система управ ления процессом ферментирования осуществляется посредством управления подачей воздуха, на основе анализа концентрации кислорода в массе, по заданному запрограм мированному алгоритму. Регулировка объёма воздуха, поступающего в массу произ водиться путём изменения режима работы электродвигателя вентилятора, который управляется при помощи ключей газоанализатора. Общая схема работы автоматиче ской системы управления процессом ферментирования изображена на рисунке 6.
Рисунок 6 – Общая схема работы автоматической системы управления процессом ферментирования: 1– пробоотборник газоанализатора;
2, 3 – датчик температуры;
4 – вентилятор с асинхронным трёхфазным электродвигателем;
5 – датчик кислоро да;
6 – микрокомпрессор;
7 – двухканальный измеритель температуры ТРМ-200;
8 – двухканальный газоанализатор кислорода ПКГ-4/2-К-С-Р;
9 – преобразователь ин терфейсов RS-485/RS-232 АС-3М;
10 – ПЭВМ;
11, 12 – программное обеспечение В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований технологического процесса работы узла ферментирования» описаны методики про ведения лабораторных и производственных экспериментальных исследований, обо рудование, используемое для проведения экспериментов, производственная и лабо раторная установки, а так же расчеты элементов конструкции и системы вентиляции производственной экспериментальной установки.
Организация экспериментальных исследований, обработка и анализ результа тов, выполнялись на основе теории математического планирования экспериментов, математического анализа и теории вероятностей. Результаты экспериментов обраба тывались на ПЭВМ с использованием пакета программ STATISTICA 6.0 и STATGRAPHICS Plus 2.1.
Экспериментальные исследования проводились в два этапа: 1 – исследование работы системы вентиляции и определение зависимостей между концентрацией ки слорода в массе, скоростью её саморазогревания и временем протекания процесса ферментирования на лабораторной экспериментальной установке;
2 – исследование на производственной экспериментальной установке, регистрация основных входных и выходных параметров процесса согласно частным моделям функционирования;
определение зависимостей между параметрами процесса и определение оптималь ных параметров работы узла ферментирования, проверка автоматической системы управления процессом ферментирования в производственных условиях.
Для контроля за процессом ферментирова ния на лабораторной и производственной экспе риментальных установках был создан блок ин дикации и записи основных параметров процес са, представленный на рисунке 7.
Экспериментальные исследования произ водственной установки производились в летний период 2008г. в ООО «БХЗ - Агро» г. Буй, Кост ромской обл. Производственная эксперимен тальная установка (рисунок 8) состоит из сле- Рисунок 7 – Блок индикации и запи си параметров процесса: 1 – тер дующих основных элементов: 1 – ёмкость, 2 – морегуляторы ТРМ-201;
2 – газо выгрузной транспортёр, 3 – вентилятор, 4 – окно анализатор ПКГ-4/2 К-С-Р;
3 – вентилятора, 5– рама вентилятора;
6 – электро- преобразователь интерфейсов;
4 – ноутбук двигатель вентилятора;
7 – воздуховоды системы вентиляции.
Программой исследования на лабораторной экспериментальной установке предусматривалось проведение следующих экспериментов: исследование влияния объёма воздуха, проходящего через систему вентиляции, на концентрацию кислорода в массе;
определение влияния времени процесса ферментирования, на концентрацию кислорода в массе;
определение влияния концентрации кислорода в массе на скорость её саморазогревания;
исследование влияния Рисунок 8 – Общий вид производст- времени ферментирования на температуру венной экспериментальной уста- массы.
новки Программой исследования на производственной экспериментальной установ ке предусматривалось проведение следующих экспериментов: определение опти мальной высоты слоя массы;
исследование влияния объёма воздуха в системе вен тиляции и температуры массы на концентрацию кислорода в массе;
определение оп тимальной концентрации кислорода;
определение зависимости между временем процесса ферментирования и температурой массы.
В четвёртой главе «Результаты экспериментальных исследований технологического процесса работы узла ферментирования» приведены результаты экспериментальных исследований на лабораторной и производственной установках, а так же качественные показатели биокомпоста, полученного при проведении исследований в производственных условиях.
Анализируя данные, полученные в результате проведения лабораторных экспе риментов, определили основные управляющие факторы, влияющие на процесс фер ментирования и зависимости между этими факторами. При ферментировании массы на лабораторной установке оптимальное значение параметра концентрации кислоро да находилось в пределах 6,2 – 8,3%, при этом значение параметра саморазогревания массы лежит в области максимума. Время с момента загрузки компостируемой массы до завершения процесса ферментирования составляет 180ч, максимальная температу ра массы 650С, достигалась по истечении 75ч работы лабораторной установки.
При проведении эксперимента по определению оптимальной высоты слоя компостируемой массы, производился контроль за параметром концентрации ки слорода в 9 различных точках массы при высоте слоя 1,1м, 1,5м, 1,8м (таблица 1).
Таблица 1 – Результаты эксперимента по определению оптимальной высоты слоя компостируемой массы Высота Значение концентрации кислорода в пробе, % ср. знач, % дисперсия коэффициент слоя, м 1 вариации 2 3 4 5 6 7 8 1,1 10,7 9,8 9,0 11,1 10,0 9,5 10,8 9,7 8,9 9,94 0,613 0, 1,5 11,0 9,9 8,9 11,0 10,0 9,0 11,1 9,9 8,5 9,92 0,954 0, 1,8 11,4 9,6 7,9 11,30 10,0 8,4 11,8 9,7 7,8 9,77 2,307 0, Анализируя данные, полученные в результате проведения эксперимента, можно сделать вывод об оптимальной высоте слоя массы. Коэффициент вариации показывает неравномерность концентрации кислорода в разных точках массы, при высоте слоя до 1,5м его значение не превышает 0,1, что соответствует равномерности концентрации кислорода 90%. Рассматривая значения концентрации кислорода проб, расположенных по ширине массы, следует отметить, что коэффициент вариации по ширине массы находиться в пределах 0,006 – 0,035. Данные параметры свидетельствуют, что количество перфорированных труб в данной системе вентиляции следует считать достаточным, а расположение их в ёмкости установки оптимальным.
В результате обработки данных эксперимента по определению влияния расхо да воздуха в системе вентиляции и температуры массы на концентрацию кислорода получили уравнение регрессии:
СО2 = 6,3 + 2,43qв + 0,2t + 0,6qв2+0,7t2 – 0,05.t. qв где qв, t – соответствующие значения факторов в кодированном виде.
Дисперсионный анализ уравнения регрессии показывает, что модель инфор мационно способна, так как коэффициент детерминации параметра СО2 достаточно велик R – квадрат равен 99,99%. Модель значима, так как критерий Фишера F=0, при уровне значимости моделей p менее 0,07, что говорит о статическом отношении между переменными на уровне 99%.
Анализ коэффициентов уравнения регрессии показал, что наибольшее влияние на концентрацию кислорода оказывает расход воздуха в системе вентиляции (коэф фициент регрессии 2,43), меньшее влияние оказывает температура компостируемой массы (коэффициент регрессии 0,2).
Полученное уравнение регрессии справедливо только в заданном диапазоне значений варьируемых факторов СО2 от 2,5% до 11,5% и qв от 0,7 до 3,3 м3/мин.
На рисунке 9 показана поверхность откли ка функции СО2=f(qв, t).
В результате обработки данных экспери мента по определению влиянию концентрации кислорода и температуры массы на скорость са моразогревания получили следующее уравнение регрессии:
Vt=1,41+0,2 СО2–0,58.t-0,72.СО22 –0,63.t2–0,45.СО2.t Дисперсионный анализ уравнения регрес сии показывает, что модель информационно способна, так как коэффициент детерминации Рисунок 9 – Поверхность откли- параметра СО2 имеет высокое значение R – квад ка функции СО2=f(qв, t) рат равен 91,686%.
Анализируя коэффициенты уравнения регрессии можно сделать вывод, что наибольшее влияние на параметр оптимизации оказывает температура компости руемой массы (коэффициент регрессии 0,583333), в меньшей степени оказывает влияние концентрации кислорода в компостируемой массе (коэффициент регрессии 0,196667). Уравнение регрессии справедливо в диапазоне значений варьируемых фак торов концентрации кислорода от 2,5% до 11,5% и температуры масы от 25 до 750С.
На рисунке 10 изображена поверхность отклика функции Vt=f(СО2, t).
Для определения оптимального значения параметра СО2 в зависимости от температуры компостируемой массы необходимо найти производную функции Vt=f(СО2, t) по парамет ру концентрации кислорода и приравнять её к нулю. Таким образом, мы находим функцию СО2опт.=f(t).
Для удобства произведём замену перемен ных: Vt=z;
СО2=x;
t=y.
Рисунок 10 – Поверхность отклика Z`(x )=0,2 – 0,58.y – 1,44.x – 0,45.y – 0,63.y функции Vt=f(СО2, t) Z`(x)=0,2 – 1,03.y –1,44.x – 0,63.y 0,2 – 1,03.y – 1,44.x – 0,63.y2= Находим функцию оптимального значения параметра концентрации кислоро да от температуры массы, и производим замену переменных:
СО2опт.=0,14 – 0,72.t – 0,44 t Для удобства определения числового значения концентрации кислорода при водим параметр СО2опт к натуральному виду: СО2опт.=7,62 – 3,25.t – 1,98.t Графики оптимальной концентрации кислорода в процессе ферментирования и за висимости температуры массы от времени процесса представлены на рисунках 11 и 12.
Рисунок 12 – График зависимости тем Рисунок 11 – График оптимальной пературы массы от времени процесса концентрации кислорода ферментирования Максимальная температура массы (79,80С) достигнута по истечении 190 ч. ра боты установки, при оптимальном параметре концентрации кислорода на всём про тяжении процесса ферментирования. Максимальная скорость саморазогревания массы (1,60С/ч) наблюдалась при повышении температуры массы от 38 до 500С.
Достижение температуры массы максимального значения и дальнейшее её снижение свидетельствует об окончании процесса ферментирования и начала опе рации выгрузки биокомпоста.
При проведении исследований на экспериментальной установке в условиях производства получены следующие основные технологические параметры: опти мальная высота слоя массы 1,5м;
время с момента загрузки компостируемой массы до завершения процесса ферментирования – 7,9дн;
максимальная температура мас сы – 79,80С;
максимальная скорость саморазогревания массы – 1,60С/ч, получена в диапазоне температур 38 – 500С;
энергопотребление на единицу массы полученного продукта (биокомпоста) – 9,4 кВт.ч/т;
производительность – 0,9т/сут.
В ходе проведения экспериментов установлено, что автоматическая система управления процессом ферментирования, по средством управления подачей воздуха по заданному запрограммированному алгоритму на основе анализа концентрации кислорода в массе позволяет оптимально управлять процессом ферментирования, получить максимальную скорость саморазогревания массы и производительность установки. Показатели физико - химических исследований исходных компонентов и биокомпоста, полученного при проведении исследований в условиях производства, представлены в таблицах 2, 3.
Таблица 2 – Физико - химические показате- Таблица 3 – Физико - химические по ли исходных компонентов казатели биокомпоста Значение характери Показатель Значение стики Показатель Куриный Массовая доля воды (влажность), % 56, Торф помёт Кислотность, рН 7, 0,35г/см3 0,71г/см Плотность Nобщ, % 3, Массовая доля воды 56,3% 68,8% Р2О5, % 1, Кислотность солевой суспензии 4,0 ед.рН 9,3 ед.рН К2О, % 1, Массовая доля органического веще 93,4% 72,5% Мg, % 0, ства Массовая доля общих форм: Са, % 0, азота 1,02% 5,98% МgО, % 0, фосфора 0,34% 4,34% СаО, % 0, калия 0,57% 2,17% В полученном биокомпосте достаточно высокое содержание микроэлементов:
азота;
фосфора;
калия и кальция. Результаты исследований по определению содержа ния семян сорных растений показали, что в исходном торфе содержалось 12 шт/кг всхожих семян сорных растений при влажности торфа 62%. После проведения процес са ферментирования всхожих семян сорных растений не обнаружено. Микробиологи ческий посев полученного биокомпоста показал отсутствие патогенной микрофлоры.
В пятой главе «Экономические показатели результатов исследования» вы полнена оценка технико - экономической эффективности работы узла ферментиро вания в технологической линии производства биокомпостов. Экономическое обос нование производилось по следующим показателям: капитальным вложениям, экс плуатационным издержкам, приведенным затратам, годовой экономии, годовому экономическому эффекту и сроку окупаемости. В сравнении с базовым вариантом (линия по производству биокомпоста в ООО «БХЗ – Агро» Костромская область, г.Буй) удельные затраты на электроэнергию снижаются на 44,27руб/т, экономия удельных затрат на ТО и ремонт составляет 41,78руб/т, удельные затраты на фонд заработной платы снижаются на 232,67руб/т, что выражается в снижение себестои мости готового продукта на 423,16руб/т.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. В результате произведённого анализа существующих технологии и устройств по ускоренному производству биокомпостов выявлены основные недостатки узлов ферментирования и сформулирована рабочая гипотеза, которая содержит решения по увеличению производительности узла ферментирования, повышению качества и снижению себестоимости биокомпоста, способу автоматического управления про цессом ферментирования.
2. Разработана модель функционирования процесса работы узла ферментирова ния и формализованное описание закономерностей, связывающих параметры про цесса. Установлено, что технологический процесс работы является многомерной системой, представляющей собой модель с входными возмущениями – отношением углерода к азоту C:N(t) и влажностью компостируемой массы p(t), выходным пара метром – временем процесса ферментирования t и управляющим воздействием – режимом работы электродвигателя вентилятора tвен. Процесс формирования выход ного параметра – времени процесса ферментирования t осуществляется в две стадии, это получение оптимальной скорости саморазогревания массы Vt(t) на всём протя жении процесса ферментирования и достижение параметра температуры массы мак симального значения.
3. Разработана технологическая схема и конструкция узла ферментирования, ко торая содержит следующие отличительные признаки: основными элементами сис темы вентиляции являются перфорированные трубы, обеспечивающие равномерное распределение воздуха в массе и направленные параллельно движению массы при выгрузке;
контроль за дыхательной активностью микроорганизмов осуществляется по значению параметра концентрации кислорода в компостируемой массе и её тем пературе;
выгрузка готового продукта осуществляется транспортёром, находящимся под компостируемой массой.
4. Разработана автоматическая система управления процессом ферментирования, за счёт управления подачей воздуха по заданному запрограммированному алгорит му на основе анализа концентрации кислорода в компостируемой массе. Данная система позволяет поддерживать оптимальную концентрацию кислорода в процессе ферментирования, получить максимальную скорость разогревания массы и произ водительность установки.
5. При обработке данных экспериментов найдены соотношения между основны ми факторами определяющими работу узла ферментирования, такими как: расход воздуха в системе вентиляции qв(t);
температура компостируемой массы T(t);
кон центрация кислорода CО2(t);
скорость саморазогревания массы Vt(t);
время процесса ферментирования tпр.
Зависимость между расходом воздуха в системе вентиляции, температурой массы и концентрацией кислорода описывает уравнение регрессии:
СО2= 6,3 + 2,43qв + 0,2t + 0,6qв2+0,7t2 – 0,05.t. qв Влияние концентрации кислорода в массе и средней её температуры на ско рость саморазогревания массы до температуры 750С описывает следующее уравне ние регрессии:
Vt=1,41+0,2 СО2–0,58.t – 0,72.СО22 – 0,63.t2 – 0,45.СО2.t В результате обработки данных эксперимента по определению зависимости между временем процесса ферментирования и температурой массы, при оптималь ном значении концентрации кислорода получили уравнение регрессии:
t = 19,61 + 1,31.T – 0,0073.T Оптимальная высота слоя массы в узле ферментирования 1,5м, при этом вели чина неравномерности распределения кислорода в массе менее 10%. Максимальный вес загружаемых исходных компонентов 7т. Получена математическая модель оп тимальной концентрации кислорода, которая позволяет получить максимальную скорость саморазогревания массы на всём протяжении процесса ферментирования, при температуре массы до 750С:
СО2опт.=7,62 – 3,25.t – 1,98.t Оптимальная концентрация кислорода в массе при температуре выше 750С со ставляет 2,67%.
6. Установлено, что использование усовершенствованного узла ферментирова ния в технологической линии производства биокомпостов позволяет: сократить за траты по всем статьям расходов на 50 – 64%, в основном за счёт уменьшения энер гетических затрат;
повысить качество готового продукта;
уменьшить время пребы вания исходного сырья в технологической линии с 12-15 до 8 дней;
уменьшить себе стоимость биокомпоста на 54%. Экономические расчеты показывают, что при вне дрении в технологическую линию по производству биокомпостов одного узла фер ментирования годовой экономический эффект составит 105,2 тыс.руб. и срок оку паемости 1год.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТАХ 1. Соколов А.В. Технология производства биокомпостов. /[текст] / А.В. Соколов //Актуальные проблемы науки в АПК: Материалы 58-й международной научно практической конференции: Т 3. – Кострома: Изд. КГСХА, 2007.– С. 125-127.
2. Малаков Ю.Ф., Соколов А.В. Результаты исследования влияния основных управляющих факторов процесс ускоренного аэробного компостирования/ [текст] / А.В. Соколов // Сборник материалов научно-практической конферен ции: Основы повышения эффективности сельскохозяйственного производства Евро-Северо-Востока России, Кострома, 2008.– С. 143-150.
3. Виноградова В.С., Малаков Ю.Ф., Соколов А.В., Новиков И.П. Биоконверсия ор ганических отходов, как способ повышения экологической чистоты производст ва и окружающей среды /[текст]/ Ю.Ф. Малаков, В.С. Виноградова, А.В. Соколов //Вестник ФГОУ ВПО МГАУ, Выпуск №2, 2007. – С. 74-76.
4. Малаков Ю.Ф., Соколов А.В. Модель процесса работы устройства для перера ботки органических отходов /[текст]/ А.В. Соколов // Актуальные проблемы нау ки в АПК: Материалы 59-й международной научно-практической конференции:
Т 3. – Кострома: Изд. КГСХА, 2008.– С. 166-169.
5. Виноградова В.С., Малаков Ю.Ф., Соколов А.В., Новиков И.П.
Механизированная аэробная переработка органических отходов сельскохозяйственного производства – реальный путь получения биокомпостов в каждом хозяйстве/[текст]/ В.С.Виноградова, Ю.Ф. Малаков, А.В. Соколов // Труды Костромской государственной сельскохозяйственной академии. – Выпуск 68. – Кострома: КГСХА, 2008. – С.80 - 90.
6. Малаков Ю.Ф., Соколов А.В. К вопросу обоснования параметров ферменти рующего устройства в технологии переработки органических отходов/[текст]/ А.В. Cоколов //Известия МААО Выпуск №6, 2008. – С. 85 – 87.
7. Малаков Ю.Ф., Соколов А.В. Повышение эффективности технологической ли нии производства биокомпостов путём совершенствования узла ферментирова ния/[текст]/ А.В. Cоколов //Известия МААО Выпуск №7, 2008. – С. 140 - 146.