Разработка и обоснование параметров и режимов работы биогазовой установки для крестьянских (фермерских) хозяйств

На правах рукописи

Хамоков Марат Мухамедович РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РЕЖИМОВ РАБОТЫ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ КРЕСТЬЯНСКИХ (ФЕРМЕРСКИХ) ХОЗЯЙСТВ Специальность 05.20.01 – технологии и средства механизации сельского хозяйства (по техническим наук

ам)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Нальчик – 2012 2

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном обра зовательном учреждении высшего профессионального образования «Кабарди но-Балкарская государственная сельскохозяйственная академия им. В.М. Ко кова» (ФГБОУ ВПО КБГСХА им. В.М. Кокова).

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Фиапшев Амур Григорьевич

Официальные оппоненты: Кабалоев Таймураз Хамбиевич, доктор техни ческих наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Горский государственный аграрный университет» / ка федра «Применение электрической энергии в сельском хозяйстве», заведующий Тешев Анатолий Шахбанович, кандидат тех нических наук, доцент, ФГБОУ ВПО КБГСХА им. В.М. Кокова / кафедра «Механизация сель ского хозяйства», доцент

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Дагестанская государственная сельскохозяйственная академия им. М.М. Джам булатова»

Защита диссертации состоится 31 марта 2012 г. в 1000 часов на заседа нии диссертационного совета Д 220.033.03 в ФГБОУ ВПО КБГСХА им. В.М.

Кокова по адресу: 360004, КБР, г. Нальчик, ул. Толстого, 185, ауд. 410.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО КБГСХА им. В.М. Кокова.

Автореферат разослан _ февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Бекаров А.Д.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Министерством сельского хозяйства РФ в рамках приоритетного национального проекта «Развитие АПК» большое внимание уделяется развитию крестьянских (фермерских) хозяйств (КФХ). Применение биогазовых установок в КФХ позволит придать структуре хозяйства новые ка чества: сделать его энергетически независимым, увеличить объёмы производ ства, решить проблему утилизации отходов.

В России на сегодняшний день биогазовые установки в КФХ практиче ски не используются, хотя, согласно Распоряжения Правительства РФ от 8 ян варя 2009 г. №1-р «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе ис пользования возобновляемых источников энергии на период до 2020 г.», уста новленная мощность электрогенерирующих установок на биогазе и биомассе к 2020 г. должна вырасти в 5,5 раз по отношению к сегодняшним показателям – до 7850 МВт. Тем не менее, существенных шагов в реализации данного направ ления пока не предпринято, хотя в последнее время формирование рынка био газовых установок все более активизируется, в частности сегмент, ориентиро ванный на КФХ. Свою продукцию предлагают отечественные и зарубежные производители. Но здесь между производителями есть серьёзные различия. Ве дущие зарубежные производители, имеющие большой опыт разработки и строительства биогазовых установок, как правило, предлагают «строительство под ключ» достаточно крупных установок, рассчитанных на переработку десят ков тонн биоразлагаемых субстратов в сутки, естественно, что и стоимость этих установок измеряется миллионами евро. Отечественные производители предла гают небольшие установки стоимостью от нескольких десятков тысяч рублей, но пока они тоже не нашли широкого применения.

Европейская комиссия выделила биоэнергетику в самостоятельное направ ление общей энергетики.

Наиболее предпочтительным сырьем для биоэнергетики является птичий по мет, при утилизации которой с использованием биогазовых установок вырабатывает ся большое количество биогаза, а также высокоэффективные биоудобрения, которые по многим показателям в несколько раз лучше других органических удобрений.

В связи с достаточно высокой стоимостью предлагаемых в настоящее время биогазовых установок, необходимо не только подобрать для конкретного КФХ оптимальные параметры установки, но и обеспечить её эффективную ра боту с учетом особенностей отечественных сельскохозяйственных технологий в КФХ – удаленность хозяйств от централизованных систем энергообеспечения, невысокая культура производства, низкий уровень механизации и автоматиза ции. Поэтому для того, чтобы биогазовая установка работала эффективно, не обходимо еще на стадии разработки учесть все аспекты её использования, в том числе и перспективы развития производства сельхозпродукции с учетом допол нительных энергетических ресурсов.

Таким образом, разработка высокоэффективной, доступной биогазовой установки для КФХ является актуальной задачей.

Работа выполнялась в рамках подпрограммы «Отходы» Федеральной целевой программы «Экология и природные ресурсы России (2002-2010 гг.)» и в соответствии с тематическим планом научно-исследовательской работы ФГБОУ ВПО КБГСХА им. В.М. Кокова.

Цель исследований - разработка и обоснование параметров и техноло гических режимов работы биогазовой установки для КФХ.

Объект исследования - процесс термофильного сбраживания помета птицы при анаэробных условиях с использованием анаэробных микроорганиз мов. Технологическое оборудование биогазовой установки.

Предмет исследований - закономерности протекания процессов пере работки птичьего помета в термофильных условиях при анаэробном процессе с получением биогаза и органических удобрений.

Научная новизна. Разработана математическая модель процесса сбра живания птичьего помета в зависимости от режимов работы технологического оборудования и конструктивных параметров биогазовой установки;

обоснова ны конструктивно-технологическая схема, параметры и технологические ре жимы работы биогазовой установки.

Методика исследований. Теоретические и экспериментальные иссле дования проводились с использованием методов математического моделирова ния, оптимизации процессов и математической статистики. Предложенная био газовая установка испытывалась в лабораторных и производственных условиях в соответствии с действующими ГОСТ, ОСТ и разработанными частными ме тодиками. Результаты теоретических исследований подтверждены эксперимен тальной проверкой на физической модели и лабораторной установке. Сходи мость результатов теоретических и экспериментальных исследований состави ла не менее 95%, погрешность опытов – не более 5%. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ПЭВМ с использованием пакетов программ Mathcad 2000 Professional, Matlab 6, MS EXCEL.

Практическую ценность имеют предложенная на основании теорети ческих разработок конструктивно-технологическая схема биогазовой установ ки, оптимальные параметры и режимы ее работы.

Реализация результатов исследования. Опытный образец биогазовой установки внедрен в ООО КФХ «Хьэмзэт» и ООО «ТерекАгро» Терского рай она КБР.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований исполь зуются в учебном процессе и научной работе со студентами ФГБОУ ВПО КБГСХА им. В.М. Кокова.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на: 4-й и 5-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, 2004, 2006 гг.), Всероссийской научно-практической конференции, посвящен ной 25-летию КБГСХА (г. Нальчик, 2006 г.), III Международной научно практической конференции «Актуальные проблемы научно-технического про гресса в АПК» (г. Ставрополь, 2008 г.), Международной научно-практической конференции «Обеспечение и рациональное использование энергетических и водных ресурсов в АПК» (г. Москва, 2009 г.), Международной научно практической конференции (г. Нальчик, 2011 г.). Опытный образец биогазовой установки демонстрировался на: V Всероссийской специализированной вы ставке «Энергосбережение в регионах России» (г. Москва, 2003 г.), Всероссий ской выставке «Экспо-Сфера» (г. Волгоград, 2004 г.), смотре-конкурсе на луч шую научную работу среди аспирантов и молодых ученых ВУЗов МСХ РФ (г.

Зерноград, 2008 г.), VIII, IX и XII специализированных Международных агро промышленных выставках «Агроуниверсал» (г. Ставрополь, 2006, 2007, гг.) и отмечен дипломами.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Общий объем опубликованных работ с учетом долевого участия в коллек тивных публикациях составляет 4 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пя ти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений.

Общий объем составляет 166 страниц машинописного текста, содержит 26 ри сунок, 18 таблиц, и 9 приложений. Список использованной литературы включа ет 147 источников, из них 23 на иностранных языках.

Основные положения, выносимые на защиту: теоретические зависи мости, характеризующие закономерности протекания процесса анаэробного сбраживания птичьего помета;

конструктивно-технологическая схема, техноло гические и конструктивные параметры биогазовой установки.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, ее важное народнохо зяйственное значение, раскрыта общая характеристика работы и представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса, цель и задачи исследования» про анализированы экологические проблемы в деятельности КФХ. Ежегодно КФХ КБР производят мясо птицы в количестве 20…25 тыс. т, 1,9…2,0 млн. шт яиц.

Содержание такого поголовья птиц, естественно, сопровождается серьезными экологическими проблемами. Практически все хозяйства оказались в сложной экологической ситуации, так как накапливаемый птичий помет стал серьезным источником загрязнения окружающей природной среды, потому что для утили зации (под словом утилизация понимается не уничтожение, а использование с выгодой) таких объемов птичьего помета хозяйства сегодня не располагают даже самыми простейшими комплектами оборудования.

В решении актуальных экологических проблем ведения птицеводческо го хозяйства в КФХ особое место принадлежит биотехнологии. Накопленные по биотехнологии знания в настоящее время широко используется в биологиче ских системах всех уровней, причем в самых разнообразных отраслях науки, промышленного производства, медицины, но в решении, так называемых пти цеводческих экологических проблем, биотехнология пока не заняла первое ме сто. При переработке органических отходов все еще используют технологии, включающие физические методы воздействия на сырье, высокотемпературные режимы с использованием большого количества тепловой и электрической энергии.

Анализ состояния и перспектив использования биотехнологий и техни ческих средств для переработки птичьего помета в КФХ показал, что в РФ пока нет цельной национальной программы поддержки строительства биогазовых установок. Вместе с тем на внутреннем рынке имеются и в передовых хозяйст вах внедряются модели малых биогазовых установок отечественного производ ства, предназначенные для использования в личных подсобных и фермерских хозяйствах.

Можно прогнозировать, что ситуация в российском биогазовом сегменте рынка может измениться в ближайшее время в связи с расширением возможно сти для фермерских и личных подсобных хозяйств использовать льготные кре диты в рамках Государственной программы развития сельского хозяйства и ре гулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008…2012 гг.

Анализ показал, что имеющиеся в настоящее время биогазовые уста новки имеют следующие недостатки:

- сложность и громоздкость конструкции;

- техническое несовершенство перемешивающих устройств;

- наличие застойных зон усложняет конструкцию биогазовых установок в части удаления сброженной массы из метантенка;

- неэффективное использование объема метантенка за счет размещения в нем громоздких технологических элементов;

- высокая стоимость;

- большая трудоёмкость обслуживания.

Анализ процесса анаэробного сбраживания птичьего помета показал, что метаболическая активность и репродуктивная способность бактерий мета ногенной ассоциации находятся в функциональной зависимости от температу ры. Время брожения определяется динамикой анаэробного расщепления и бы стротой расщепления определенного субстрата.

Анализ факторов, влияющих на процесс анаэробного сбраживания птичьего помета показал, что основными из них являются: влажность среды, температура, время сбраживания, кратность перемешивания.

Биогазовые технологии - радикальный способ обезвреживания и пере работки разнообразных органических отходов растительного и животного про исхождения, включая экскременты животных и человека, с одновременным по лучением высококалорийного газообразного топлива - биогаза и высокоэффек тивных экологически чистых органических удобрений.

Таким образом, для решения проблемы утилизации птичьего помета учеными разработано множество различных способов, отличающихся по степе ни реализации питательного, энергетического потенциала заключенного в по мете и степени экологического «давления» на окружающую среду.

Основное внимание в разработках отечественных и зарубежных ученых уделялось процессу анаэробного сбраживания. Вопросам дальнейшей перера ботки сброженного сырья и соответствия процесса анаэробного сбраживания этим целям не уделялось большого внимания. Поэтому, широкого распростра нения эти технологические линии по переработке отходов животноводства и птицеводства не получили, так как они имели один существенный недостаток – не было комплексного подхода к реализации питательного и энергетического потенциала, заключенного в сырье.

Исходя из этого, целью настоящих исследований является повышение эффективности переработки птичьего помета на основе обоснования парамет ров технологического процесса и оборудования биогазовой установки.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи иссле дований:

- исследовать технологический процесс выработки биогаза и обосновать технологические закономерности анаэробного сбраживания отходов птицевод ства;

- разработать математическую модель процесса выработки биогаза на основе использования методики планирования трехфакторного эксперимента;

- провести производственные испытания опытного образца биогазовой установки;

- оценить эффективность эксплуатации биогазовой установки.

Во второй главе «Теоретическое исследование процесса работы био газовой установки» приведены результаты энергетического обоснования ис пользования биологических топлив. Тепловая мощность, необходимая для ра боты установки в термофильном режиме после ее вывода в рабочее состояние определяется тепловыми потерями самой установки.

При загрузке сырья, протекают процессы тепломассообмена непосред ственно в объеме установки с повышением температуры помета до температу ры протекания термофильного режима. Данные процессы могут быть описаны уравнениями неравновесной термодинамики с учетом перекрестных эффектов.

При этом необходимо совместное решение уравнений теплопереноса и массо переноса. Результатом данного моделирования может быть распределение тем пературы и концентрации органических частиц в объеме метантенка.

При расчетах учитывалось, что источником тепла будет являться газо вый котел. Нагретая вода поступает в водяную рубашку метантенка и тепло пе редается через его стенку сбраживаемой массе. Таким образом, имеет место конвективный теплообмен.

Уравнения Фурье–Кирхгофа, Навье–Стокса и неразрывности описывают явление или связь между физическими параметрами в самом общем виде. Для его конкретизации необходимо добавить еще ряд уравнений, называемых усло виями однозначности задачи. Условия однозначности включают в себя геомет рические, физические, временные и граничные условия. Таким образом, про цесс конвективного теплообмена описывается весьма сложной системой диф ференциальных уравнений, аналитическое решение которой пока не представ ляется возможным.

Исходя из этого, расчет процесса теплоотдачи производим по закону Ньютона – Рихмана:

Q = a c F (tв - t c ), (1) где aс – коэффициент теплопередачи стенки, Вт/(м · С);

F – площадь поверхно сти соприкосновения теплоносителя (воды) со стенкой, м2;

t в и t c – температу ры воды и поверхности стенки, 0С.

Коэффициент пропорциональности в этом уравнении называется коэф фициентом теплоотдачи и может быть переменным по поверхности теплообме на:

aс =.

1 hcв 1 (2) + + а1 lc а где а1 – коэффициент теплоотдачи от горячей воды к стенке метантенка, Вт/(м2·0С);

hcв – толщина внутренней стенки метантенка, м;

а2 – коэффициент теплоотдачи от стенок метантенка к сбраживаемой массе, Вт/(м2·0С);

lc – коэф фициент теплопроводности материала метантенка, Вт/(м·0С).

Учитывая, что толщина стенки метантенка мала по сравнению с его диа Dнв метром (рис. 1), величину ln разложим в ряд и с учетом того, что отношение Dвв диаметров стремится к единице, получим:

D - Dвв 2hcв Dнв Dнв.

= - 1 = нв = ln (3) Dвв Dвв Dвв Dвв где Dнв - наружный диаметр внутренней стенки метантенка, м;

Dвв - внутренний диаметр внутренней стенки метантенка, м.

С учетом того, что высота метантен ка велика по сравнению с толщиной его стенки, можно записать:

q 1 D 1, tв - tп = + ln нв + (4) a D p n вв 2lc Dвв a в Dнв где t п – температура сбраживаемого мате риала (помета), 0С;

a п – коэффициент теп лопередачи сбраживаемого материала (по мета), Вт/(м2·0С).

С учетом (4) линейная плотность те плового потока определится по выражению:

p (tв - t п ).

q= Рисунок 1 Dнв 1 1 1 (5) + + ln a n Dвв 2lc Dвв a в Dнв В выражении (5) = КТ 1 1 D нв 1 (6) + + ln a n D вв 2lc D вв a в D нв характеризует интенсивность передачи тепла от воды среды к сбраживаемому материалу (помету) через разделяющую их стенку метантенка.

Термическое сопротивление теплопередачи будет равно:

1 1 1 D.

R= = + ln нв + (7) KT a п Dвв 2lc Dвв a в Dнв Если тепловой поток через стенку метантенка отнести к внутренней по верхности стенки, то получим плотность теплового потока, отнесенную к еди нице соответствующей поверхности метантенка:

Q К = Т (t в - t п ), qвв = (8) pDвв H м Dвв Q К = Т (t в - t п ), qнв = (9) pDнв H м Dнв где H м – высота метантенка, м.

Температуры поверхностей внутренней стенки метантенка будут равны:

qвв, t с1 = t п - (10) p a п Dвв q.

t с2 = tв + нв (11) p a в Dнв Постановку задачи о теплообмене между наружной стенкой биогазовой установки и окружающей средой рассмотрим с точки зрения соотношений «причина–следствие». При этом к причинным характеристикам теплообменно го процесса в указанной системе отнесем граничные условия и их параметры, начальные условия, теплофизические свойства, внутренние источники тепла и проводимости, а также геометрические характеристики биогазовой установки.

Тогда следствием будет то или иное тепловое состояние, определяемое темпе ратурным полем биогазовой установки. В рассматриваемом случае по опреде ленной информации о температурном поле требуется восстановить причинные характеристики, т.е. мы имеем постановку обратной задачи теплообмена (ОЗТ).

Сечение наружной стенки биогазовой установки можно рассматривать как двухслойную пластину (рис. 2). Значение вектора плотности теплового по тока для каждого слоя будет иметь вид:

lc (tс - tс2 ), qc1 = (12) hcн l qc2 = и (t с2 - tи ). (13) hи где lи – коэффициент теплопроводности материала изоляции метантенка, Вт/(м·0С);

hcн – толщина наружной стенки метантенка, м;

hи – толщина изоля ции метантенка, м;

t c – температура внутренней поверхности наружной стенки метантенка, 0С;

t c – температура наружной поверхности наружной стенки ме тантенка, 0С;

t и – температура на поверхности изоляции метантенка, 0С.

Решая эти уравнения относительно теплового напора, получаем:

qc1 hсн, t c1 - t c2 = (14) lc qc2 hи.

t c2 - t и = (15) lи Так как через все слои проходит один и тот же тепловой поток, то можно записать, что qc = qc = qв. (16) 1 С учетом этого, складывая полу ченные выражения для тепловых напо ров, получим, что Рисунок h h t c1 - t и = qв сн + и. (17) l с lи Отсюда получим, что t с1 - t и.

qв = (18) hсн hи + lс lи Рассмотрим критический диаметр изоляции, наложенной на наружную стенку метантенка. Термическое сопротивление теплопередачи будет:

1 1 D 1 Dи, R= + ln нн + + (19) a в Dвн 2lc Dвн 2lи Dнн a о Dнн где a o – коэффициент теплопередачи окружающей среды, Вт/(м2·0С);

Dнн – на ружный диаметр наружной стенки метантенка, м;

Dвн – внутренний диаметр на ружной стенки метантенка, м;

lи – коэффициент теплопроводности материала изоляции стенки метантенка, Вт/(м·0С);

Dи – диаметр изоляции метантенка, м.

pDt Из уравнения q = следует, что линейная плотность теплового потока R при увеличении внешнего диаметра изоляции Dи сначала будет возрастать и при достижении Dи = Dки будет иметь максимум. При дальнейшем увеличении внеш него диаметра изоляции тепловой поток будет падать. Выбрав какой-либо теп лоизоляционный материал для покрытия поверхности метантенка, критический диаметр изоляции можно рассчитать по выражению:

2lи.

Dки = (20) ao Получение однородного температурного поля в объеме сбраживания не разрывно связано с эффективностью работы перемешивающих устройств, ко торая определяется скоростью установления термодинамического равновесия и качеством однородности температурного поля.

Теоретическая температурная однородность перемешиваемой среды достигается при числе циркуляции, стремящихся к бесконечности. На практике необходимое количество циркуляции зависит от условий технологического процесса. Технологически допустимая степень температурной однородности соответствует значениям 0,96 и выше.

С учетом проведенных теоретических выкладок разработаны конструк тивно-технологическая схема биогазовой установки (рис. 3) и установлены конструктивные размеры метантенка.

Метантенк установлен на металлических опорах, обеспечивающих сво бодный доступ к выгрузному устройству. Поддержание температуры обеспечи вается газовым котлом. Газ на подогрев подводится из газгольдера. Через за грузочное устройство исходная масса поступает в бродильную камеру метан танка где протекает процесс анаэробного сбраживания. После первой загрузки происходит ежесуточная загрузка исходной массы в камеру метантанка.

После перебраживания масса всплывает и поступает самотеком в раз грузочное устройство. Выделяющийся при сбраживании биогаз поступает в мокрый газгольдер. Мокрый газгольдер выполнен из двух цилиндрических ме таллических емкостей типа стакан в стакане.

Для удаления осадка из крупных частиц на дне метантанка имеется вы ходной патрубок, позволяющий производить очистку метантанка. Для контроля за работой метантанка и профилактического осмотра в нем расположены смот ровые отводы, и люк в верхней части крышки метантанка.

Данная установка отличается от известных тем, что конусная нижняя часть метантенка заменена скошенным цилиндром, в нижней части которого расположен отвод для выгрузки твердого осадка. Газгольдер снабжен гидроза твором.

Для обогрева метантенка используется газовый котел. Для обеспечения более эффективной ее работы метантенк имеет водяную рубашку. Для контроля и регулировки температуры используется термопарный регулятор.

Для обеспечения взрывобезопасности установки разработаны отсекатель пламени и специальный гидрозатвор.

Отсекатель состоит из металлического цилиндра, внутренний объем ко торого наполнен металлической стружкой. Гидрозатвор состоит из V-образной стеклянной трубки, наполненной на 0,3 объема водой. Газгольдер к установке разработан и изготовлен поплавкового типа. В отличие от известных, предла гаемый газгольдер имеет гораздо меньший начальный объем. Это достигается специальным размещением вкладываемых друг в друга емкостей. Гидрозатвор, которым снабжен газгольдер, одновременно выполняет роль конденсатора вла ги.

Конструктивные размеры метантенка установлены исходя из потребно стей типичного крестьянского (фермерского) хозяйства ООО КФХ «Хьэмзэт» Терского района Кабардино-Балкарской Республики с поголовьем птиц 300 го лов.

4 9 3 8 14 1 – метантенк;

2 – мешалка;

3 – выгрузной вентиль;

4 – электродвигатель;

5 – газовый котел;

6 – загрузочная горловина;

7 – отработанная масса;

8 – приемный резервуар;

9 – гидрозатвор;

10 – газгольдер;

11 – потребитель газа;

12 – контрольный прибор;

13 – искрогаситель;

– обратный клапан;

15 – разгрузочное устройство;

16 – выходной патрубок;

17 – смотровые отводы и люк;

18 – водяная рубашка;

19 – выход биогаза;

20 – термопарный регулятор;

21 – насос;

22 – редуктор.

Рисунок 3 – Конструктивно-технологическая схема биогазовой установки С учетом того, что суточный выход помета равен 86 кг, первоначальная загрузка метантенка равна 2 т (20% помета и 80% воды), ежесуточная догрузка составляет 430 кг субстрата, необходимый объем метантенка будет равен 3 м3.

При использовании в качестве изолирующего материала полиуретанового эла стичного пенопласта ППУ-ЭТ ТО 6-05-1734-75, у которого теплопроводность l =0,048 Вт/(м·К), коэффициент теплопередачи a 2 =23 Вт/(м ·К), получено, что толщина изоляции должна быть равна 4 мм.

В третьей главе «Программа и методика проведения эксперимен тальных исследований» поставлена цель экспериментальных исследований, приведены программа и методика их проведения и обработки результатов экс периментов.

Для определения выхода биогаза и органического удобрения из жидкого птичьего помета была изготовлена лабораторная установка (рис. 4).

Установка представляет собой метантенк на 20 л и газгольдер на 3 л.

Для обеспечения температурного режима 50…60°С использовался жидкостный термостат, вода от которого циркулировала по теплообменнику, расположенному непосредственно в метантенке. Для каждого температурного режима брали свежие пробы из системы пометоудале 1-ручка мешалки, 2-трубка выхода биога за, 3-гидрозатвор, 4- сливное устройство, ния и помещали в установку.

6-искро- Ежесуточная загрузка составляла 2 л.

5-выгружное устройство, гаситель, 7-газгольдер, 8- загрузочная Перемешивание загруженной массы горловина. осуществлялось 2 раза в сутки в Рисунок 4 – Общий вид лабораторной момент загрузки. Составы выбирались биогазовой установки с различной влажностью и различным отношением С/N, что обеспечивалось добавкой в загружаемую массу древес ных опилок.

С целью контроля за температурой сбраживания помета и для определе ния тепловых потерь в окружающую среду на входном и выходном патрубках тепловой рубашки метантенка установлены термопары, которые соединены с самопишущим потенциометром КСП-2. Выход биогаза определяли с помощью верхней тарированной емкости газгольдера.

Для обработки экспериментальных данных использовался пакет при кладных программ (Mathcad 2000 Professional, Matlab 6, MS EXCEL).

В четвертой главе “Анализ результатов экспериментальных исследо ваний” приведена математическая модель, позволяющая оценить влияние тем пературы сбраживания (Т, Х1), влажности исходного сырья (W, Х2) и длительно сти переработки помета (t, Х3) на выход биогаза в кодированных и натуральных единицах:

Ym = 0,6567 - 0,0313 X 1 + 0,0038 X 2 + 0,0375 X 3 - 0,0075 X 1 X 2 + 0,005 X 1 X 3 (21) - 0,005 X 2 X 3 - 0,0596 X 12 - 0,0396 X 2 - 0,0571Х 32, Н в = 0,2796Т + 0,3057W + 0,0063t - 0,0003TW + 0,00001Tt - 0,00001Wt - 0,0024T 2 (22) - 0,0016W 2 - 0,00001t 2 - 21,471.

Адекватность моделей проверена по критерию Фишера, а воспроизво димость – по критерию Кохрена.

Полученные модели устанавливают оптимальные технологические ре жимы работы биогазовой установки: температура сбраживания 540С, влажность исходного сырья 90%, длительность переработки помета 263 ч (11 дней). При этом критерий оптимизации – выход биогаза составляет 0, 67 м3/кг сухого ве щества (СВ).

Построены поверхности отклика и двумерные сечения, характеризую щие зависимость выхода биогаза от температуры сбраживания, влажности ис ходного сырья и длительности переработки помета (рис. 5…7).

На основе результатов проведенных исследований изготовлена опытная биогазогумусная установка (рис. 8). Производственные испытания и полевые исследования проводили на разработанной биоустановке ООО КФХ «Хьэмзэт» и ООО «ТерекАгро» Терского района КБР.

Расчет эксплуатационных параметров биоустановки проводили на ЭВМ с помощью программы MS EXCEL, результаты, которого приведены в табл.

В эксплуатационном режиме объем биогаза, выделяемого из реактора достигло максимума и составило 14,2 м3/сут (рис. 9).

Далее каждые сутки загружали суточную загрузку (0,43 мЗ) и установка может работать стабильно в течение длительного срока. Непрерывность работы установки обеспечивает постоянный выход биогаза за дальнейшее время ее ра боты.

Расход биогаза на нагрев, как подготавливаемой массы, так и поддержа ние рабочего режима метантенка с учетом КПД котла и горелки равен 2, м3/сутки.

В результате проведенных полевых исследований, проведенных в теп личном блоке ООО «ТерекАгро» Терского района КБР, установлено, что полу чаемое биоудобрение БУМ-1 оказывает положительное влияние на урожай ность испытываемых овощных культур. Оптимальные дозы БУМ-1 в опытах с томатом и огурцом при локальном внесении составляли на уровне 100… 125 г в расчете на одно растение. При этом урожайность томатов повысилась на 34,6%, огурцов – на 44,2%. При этом содержание нитратов в плодах было ниже гигие нических нормативов качества и безопасности продовольственного сырья.

В пятой главе «Экономическая эффективность результатов исследо вания» показано, что эффективность эксплуатации биогазовой установки, складывающаяся из эффектов от ликвидации ущерба, причиненного техноген ными загрязнениями, получения биогаза и реализации или использования био удобрения (повышения урожайности), составляет 378,15 руб/м2 в год, срок оку паемости при этом 0,18 года.

Рисунок 5 – Зависимость выхода биогаза от температуры сбраживания (Х1) и влажности ис ходного сырья (Х2) Рисунок 6 – Зависимость выхода биогаза выхода биогаза в зависимости от температуры сбра живания (Х1) и длительности переработки помета (Х3) Рисунок 7 – Зависимость выхода биогаза от влажности исходного сырья (Х2) и длительности переработки помета (Х3) В ы х о д б и о га з а, ку б.м 0 5 10 15 20 25 Время сбраживания, сутки Рисунок 8 – Общий вид биога- Рисунок 9 – Количество биогаза, получаемого при непре зовой установки рывной работе установки Таблица – Расчетные параметры разработанной биогазовой установки Наименование параметра Значение Количество птиц, голов Общий объем помета, кг/сут Объем биореактора, м3 3, Средняя годовая температура окружающего воздуха, °С 9, Режим брожения термофильный Температура сбраживния, °С Влажность сбраживаемого материала, % Норма разбавления помета 1: Продолжительность сбраживания, сут Период выхода в режим, сут 4… Суточный выход биогаза, м3/сут 14, Количество тепла, необходимого для предварительного на 64, грева субстрата, МДж Количество тепла, теряемого с удаляемым биогазом, 0, МДж/сут Количество тепла, теряемого в окружающую среду, 0, МДж/сут Количество тепла, теряемого с удаляемой сброженной 0, биомассой, МДж/сут Количество тепла, расходуемого на перемешивание суб 2, страта, МДж/сут Количество тепла, требуемого для собственных нужд био 67, реактора, МДж/сут Количество энергии получаемого биогаза, МДж/сут 472, Доля биогаза, необходимого для нагрева помета, % 19, Выход биоудобрения, т/месяц 63, ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. На основании анализа состояния проблемы установлено, что основ ное влияние на процесс анаэробного сбраживания птичьего помета оказывают:

физико-механические свойства помета;

влажность исходного сырья;

темпера тура и длительность сбраживания.

2. Используя методы математического моделирования обоснованы кон структивно-технологическая схема и параметры биогазовой установки.

3. Разработана математическая модель процесса выработки биогаза с использованием методики планирования трехфакторного эксперимента, опти мизированы параметры: температура сбраживания 540С;

влажность исходного сырья 90%;

длительность переработки помета 263 ч (11 дней). Выход биогаза при этом составляет 0,67 м3/кг СВ.

4. Рекомендовано в качестве способа интенсификации процесса тепло обмена и выравнивания температуры в объеме сбраживаемого помета исполь зовать перемешивание и обоснованы параметры мешалки.

5. Использование биогазовой установки позволяет существенно улуч шить экологическую обстановку, т. к. исключается загрязнение прилегающих водоёмов сточными водами и отсутствуют выбросы в атмосферу вредных ве ществ (метана, аммиака, оксида натрия).

6. Установлено, что биоорганическое удобрение оказывает положитель ное влияние на урожайность овощных культур. Так, при внесении оптимальных доз биоорганического удобрения (для томатов 100 г/растение, для огурцов – 125 г/растение) урожайность томатов повышается на 34,6%, огурцов – на 44,2%.

7. Общий эффект от использования биогазовой установки в тепличном блоке ООО «ТерекАгро» Терского района КБР, включающий эффекты от улучшения экологической обстановки, реализации и использования продукции (овощей, биогаза и биоудобрения), составил 378,15 руб/м2.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ Предлагается биогазовая установка, позволяющая получать биогаз и ценное органическое удобрение с повышенной биологической активностью.

Оптимальными режимами работы разработанной биогазовой установки являются: температура сбраживания 540С;

влажность исходного сырья 90%;

длительность переработки помета 263 ч (11 дней).

При этом выход биогаза составит 0,67 м3/кг СВ.

Рекомендуемые нормы внесения биоорганического удобрения БУМ-1:

для томатов 100 г/растение, для огурцов – 125 г/растение.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Хамоков, М.М. Теоретическое обоснование конструктивных и ре жимных параметров установки для переработки птичьего помета [Текст] / М.М.

Хамоков, Ю.А. Шекихачев, А.Г. Фиапшев, В.З. Алоев, М.А. Кишев // Полите матический научный журнал КубГАУ.– Краснодар, 2012.– №75/01.– Режим доступа: http:// ej.kubagro.ru / 2012 / 01 / pdf / 18.pdf.

2. Хамоков, М.М. Оптимизация режимов работы установки для перера ботки птичьего помета [Текст] / М.М. Хамоков, Ю.А. Шекихачев, А.Г. Фиап шев, В.З. Алоев, М.А. Кишев // Политематический научный журнал КубГАУ.– Краснодар, 2012.– №75/01.– Режим доступа: http:// ej.kubagro.ru / 2012 / 01 / pdf / 68.pdf.

3. Хамоков, М.М. Производственная и энергетическая эффективность использования биогазовой установки [Текст] / М.М. Хамоков, Ю.А. Шекиха чев, А.Г. Фиапшев, В.З. Алоев, Т.Б. Темукуев // Политематический научный журнал КубГАУ.– Краснодар, 2012.– №76/02.– Режим доступа: http // ej.kubagro.ru / / 2012 / 02 / pdf / 45.pdf.

Публикации в других изданиях:

4. Фиапшев, А.Г. Экологические аспекты необходимости применения биогазогумусной установки на фермерских хозяйствах [Текст] / А.Г. Фиапшев, М.М. Хамоков, П.Ф. Зильберман, Л.И. Орехова // Сборник научных работ «Ак туальные проблемы экологии», т. 3, №3.- Томск: СГМУ, 2004.- С. 435-436.

5. Фиапшев, А.Г. Методика теплового расчета метантенка [Текст] / А.Г.

Фиапшев, М.М. Хамоков // Труды 4-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», часть 4 «Возобновляемые источники энергии. Местные энергоресурсы. Эколо гия».- М.: ГНУ ВИЭСХ, 2004.- С. 285-289.

6. Фиапшев, А.Г. Методика определения теплового баланса метантенка биогазогумусной установки [Текст] / А.Г. Фиапшев, М.М. Хамоков // Труды 5-й Международной научно-технической конференции «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве», часть 4 «Возобновляемые источники энергии. Местные энергоресурсы. Экология».- М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006.- С. 281 284.

7. Фиапшев, А.Г. Разработка эффективных альтернативных вариантов энергосбережения фермерских хозяйств [Текст] / А.Г. Фиапшев, М.М. Хамоков, С.Х. Кушаев, О.В. Загазежева // Материалы Всероссийской научно практической конференции, посвященной 25-летию КБГСХА.- Нальчик:

КБГСХА, 2006.- С. 129-132.

8. Фиапшев, А.Г. Проблемы энергообеспечения предприятий Кабарди но-Балкарской Республики [Текст] / А.Г. Фиапшев, М.М. Хамоков, А.А. Воль вач // Сборник научных статей по материалам III Международной научно практической конференции «Актуальные проблемы научно-технического про гресса в АПК».- Ставрополь» «АГРУС», 2008.- С. 203-206.

9. Фиапшев, А.Г. Разработка и испытание биогазогумусной установки для фермерского хозяйства [Текст] / А.Г. Фиапшев, М.М. Хамоков // Материа лы Международной научно-практической конференции «Обеспечение и рацио нальное использование энергетических и водных ресурсов в АПК».- М.: РГА ЗУ, 2009.- С. 77-83.

10. Фиапшев, А.Г. Тепловой расчет метантенка биогазовой установки [Текст] / А.Г. Фиапшев, М.М. Хамоков, Б.Б. Темукуев, О.Х. Кильчукова // Ма териалы Международной научно-практической конференции.- Нальчик:

КБГСХА им. В.М. Кокова, 2011.- С.140-143.

11. Фиапшев, А.Г. Разработка альтернативных источников энергоснаб жения фермерских хозяйств [Текст] / А.Г. Фиапшев, М.М. Хамоков, О.Х. Киль чукова // Материалы I-й Международной дистанционной конференции ученых и аспирантов «Перспективы развития территории».- Цхинвал: ЮОГУ им. А.А.

Тибилова, 2011.- С. 374-376.