Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы утилизации бесподстилочного навоза крупного рогатого скота
1.1 Природно-климатические условия Якутии. Особенности использования удобрений
1.2 Краткий анализ состояния аграрного сектора Якутии 19
1.3 Способы переработки и утилизации жидкого навоза 22
1.4 Анаэробная утилизация навоза в биогазовых установках 25
1.5 Сырье для биогазовой технологии 28
1.6 Реакции, протекающие в процессе анаэробной переработки 32 отходов в биогазовых установках
1.7 Биогазовая технология за рубежом 34
1.8 Биогазовая технология в России 41
1.9 Виды биогазовых установок 49
1.10 Метантенки 5 6
1.11 Анализ математических моделей анаэробного сбраживания 58
1.12 Состояние земледелия в Республике Саха (Якутия) 62
1.13 Выводы, постановка цели и задач исследований 70
Глава 2. Теоретическое обоснование процесса анаэробной технологии сбраживания бесподстилочного навоза путем применения адаптированных метаногенных микроорганизмов
2.1 Методологическая база исследований 73
2.2. Базовая технологическая схема биоэнергетических установок по переработке навоза крупного рогатого скота
2.3 Динамическая и математическая модели процесса анаэробного сбраживания бесподстилочного навоза КРС
2.4 Общая целевая функция условной продуктивности биоэнергетической установки
2.5 Предлагаемые методы по интенсификации процесса переработки навоза в биоэнергетической установке
2.6 Математическое моделирование скорости всплытия газового пузырька в метантенке биоэнергетической установки
2.7 Мощность спонтанного перемешивания в метантенке биоэнергетической установки
2.8 Уравнение теплового баланса при утилизации навоза в метантенке БЭУ
2.9 Обоснование объема метантенка 114
2.10 Обоснование конструктивных параметров цилиндрического метантенка с конусным днищем
2.11 Предлагаемая энергосберегающая технология производства удобрения в психрофильной биоэнергетической установке
Выводы 125
Глава 3. Экспериментальные исследования U7
3.1 Общая методика экспериментальных исследований 127
3.2 Программа экспериментальных исследований 128
3.3 Экспериментальные исследования по уточнению параметров работы метантенка в мезофильном и психрофильном периодическом режимах сбраживания
3.4 Адаптация мезофильных метаногенов к психрофильному режиму в стационарной установке
3.5 Методики определения влажности и зольности 139
3.6 Способ адаптации метаногенных микроорганизмов в метантенке биогазовой установки
3.7 Уточнение периода оптимального удерживания сбраживаемого субстрата в психрофильном метантенке при добавлении АМД с адаптированной микрофлорой
3.8 Априорное ранжирование факторов, построение поверхностей откликов, методика их анализа
3.9 Технология приготовления эффлюента для вскармливания сельскохозяйственным животным
3.10 Методика применения эффлюента в качестве кормовой до- 162 бавки свиньям
3.11 Рекомендации по применению эффлюента при вскармливании кур-несушек
Выводы 166
Глава 4. Результаты экспериментов 167
4.1 Параметры процесса утилизации навоза в мезофильном и психрофильном периодическом режимах
4.2 Анализ кинетики БЭУ в психрофильном периодическом режиме
4.3 Результаты по адаптированию мезофильных микроорганизмов к психрофильным условиям в стационарной установке
4.4 Оценка работы биогазовой установки при использовании адаптированной мезофильной добавки в перерабатываемый субстрат в психрофильном периодическом режиме
4.5 Исследования кинетики БЭУ в психрофильном периодическом режиме при применении адаптированной метаноген ной добавки (АМД)
4.6 Эффективность загружаемых в метантенк доз адаптированной АМД при запуске биогазовой установки
4.7 Адаптация мезофильных метаногенов к психрофильным условиям в метантенке биогазовой установки
4.8 Канонический анализ математических моделей 191
4 9 Химический состав эффлюента 203
Выводы 205
Глава 5. Рекомендации в производство
5.1 Технические предложения по применению биогаза в частных крестьянских хозяйствах в качестве дополнительного 208 энергетического источника
5.2 Использование биогаза при приготовлении пищи 210
5.3 Биогаз в системе отопления помещений 211
5.4 Альтернативное моторное топливо 212
Экономические эффекты в зависимости от целевых
функции
5.6 Эффективность от применения биоудобрения 215
s Прогнозы по использованию биогаза в качестве энерго- 1 источника
Ресурсы и экономическая эффективность применения биогазовых установок
5.9 Эколого-экономическая эффективность применения БЭУ 222
Выводы 228
Основные выводы 230
Использованная литература
- Реакции, протекающие в процессе анаэробной переработки 32 отходов в биогазовых установках
- Динамическая и математическая модели процесса анаэробного сбраживания бесподстилочного навоза КРС
- Экспериментальные исследования по уточнению параметров работы метантенка в мезофильном и психрофильном периодическом режимах сбраживания
- Исследования кинетики БЭУ в психрофильном периодическом режиме при применении адаптированной метаноген ной добавки (АМД)
Введение к работе
Актуальность проблемы. В аграрном секторе Республики Саха (Якутия) преобладают частные животноводческие и растениеводческие хозяйства. Животноводческие фермы расположены непосредственно в населенных пунктах, производят не только товарную продукцию, но и отходы в виде бесподстилочного навоза. В настоящее время образуемый навоз не обеззараживается и не перерабатывается - отсутствуют системы по его утилизации. Происходит разрушающее воздействие необработанного бесподстилочного навоза на хрупкую природу Якутии, обостряемое обратной реакцией вечной мерзлоты. Земли поселений, открытые водоемы интенсивно загрязняются органическими и биогенными веществами навоза животных.
В настоящее время в растениеводческой отрасли республики имеется существенная проблема - это дефицит минеральных и качественных органических удобрений. Из вышеизложенного следует, что в агропромышленном секторе Якутии имеются достаточно острые проблемы - отсутствие технологий по переработке и утилизации производимого бесподстилочного навоза крупного рогатого скота (КРС); дефицит минеральных и органических удобрений.
Поэтому разработка технологии для утилизации бесподстилочного навоза КРС, не только обеспечивающей соблюдение экологической безопасности, но и способствующей созданию энергосберегающего замкнутого производства с получением минерализованного органического удобрения, позволяющей повысить урожайность культур; кормовой витаминной добавки; дополнительного источника энергии в виде биогаза, является актуальной задачей, представляющей научный и практический интерес.
Данная работа выполнялась в рамках следующих программ:
Приоритетные направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации
(утв. Указом Президента РФ от 7 июля 2011 г. № 899):
- «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика».
Перечень критических технологий Российской Федерации:
- «Технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на органическом
топливе».
НИР «Разработка и экспериментальное апробирование опытных образцов биогазового оборудования для малых крестьянских хозяйств РС (Якутия) - Государственный контракт № 949 от 10 сентября 2010 г. с Министерством науки и профессионального образования РС (Якутия).
Выполнение НИР по Госзаказу МОН РФ №4279 в 2011-2013 г. г. по теме «Разработка технологии получения возобновляемого энергетического ресурса из биомассы для использования в распределенной системе энергоснабжения регионов».
Научная гипотеза. Надежное и бесперебойное функционирование биоэнергетической установки может быть достигнуто путем использования такой технологии и такого технологического оборудования, которые обеспечивают устойчивое течение процесса анаэробного разложения органического вещества навоза до состояния минерализованного удобрения при менее энергозатратном температурном режиме.
Цель исследования. Разработка научно-технических основ по созданию энергосберегающих технологий переработки бесподстилочного навоза крупного рогатого скота в условиях Крайнего Севера.
Объект исследования. Технологический процесс анаэробного сбраживания бесподстилочного навоза КРС в биоэнергетической установке.
Предмет исследования. Анаэробное сбраживание в психрофильной биоэнергетической установке и оценка его эффективности в зависимости от условий применения.
Методы исследований. Исследования осуществлены на основе общих положений проведения научно-исследовательских работ. Использовались теории подобия и планирования эксперимента, методы математического программирования и имитационного моделирования. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на персональной ЭВМ с использованием программ Excel, Statistica 6, MathCAD.
Научная новизна:
-
Получена технология получения адаптированных к психрофильным условиям мезофильных микроорганизмов, которая является основой разработки новой энергосберегающей технологии по производству минерализованного органического удобрения.
-
Разработаны динамическая и математическая модели процесса анаэробного сбраживания бесподстилочного навоза крупного рогатого скота.
-
Разработаны математические модели, раскрывающие кинетические и теплотехнические закономерности процессов, протекающих в метантенке: скорости всплытия газового пузырька и осаждения твердых частиц субстрата, мощности спонтанного перемешивания, теплового баланса при анаэробном сбраживании в психрофильном режиме.
-
Впервые разработаны технические решения энергосберегающей технологии переработки навоза, обеспечивающие устойчивую работу биоэнергетической установки в психрофильном режиме.
-
Техническая новизна устройств, обеспечивающих энергосберегающую технологию производства минерализованного органического удобрения, подтверждена пятью патентами на изобретения и полезные модели РФ.
Практическая значимость. Разработаны технология и технические средства новой энергосберегающей технологии производства органического удобрения, работающие в психрофильном режиме.
Разработаны эффективные технические средства (метантенки, фильтры и адаптационные
устройства), которые используются в энергосберегающей технологии переработки навоза
крупного рогатого скота для получения удобрения, повышающего урожайность
сельскохозяйственных культур более чем на 10%.
Результаты исследований используются в учебном процессе ФГАОУ ВПО «СевероВосточный федеральный университет им. М.К. Аммосова и ФГБОУ ВО «Якутская государственная сельскохозяйственная академия».
Реализация результатов работы. Результаты исследований вошли в Партнерскую программу сотрудничества университета, органов власти и бизнеса «Якутия – 2022» на 2014-2022 годы в подпрограмму 9: «Партнерство в экологии и развитии биологических ресурсов».
В 2014 г. ООО «Дизельремонт» Республики Саха (Якутия) разработал проектно-конструкторскую документацию и выпустил 30 шт. метантенков, которые внедрены в СПК и крестьянско-фермерские хозяйства Республики Саха (Якутия).
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях Правительства и Министерства сельского хозяйства РС (Якутия) (2009-2010); на научно-практических конференциях Якутской ГСХА (2005 – 2015); на II и III Ларионовских чтениях (г. Якутск, 2006-2007), Иркутской ГСХА (2007, 2012, 2013), Бурятской ГСХА (с 2010 по 2015 г.), Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления (г. Улан-Удэ, 2010 - 2015), Ижевского государственного университета (ноябрь 2011), на VI Международном симпозиуме «Фундаментальные и прикладные проблемы науки» (г. Москва, 2011), на VII Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2012), в Кейптаунском инженерном университете ЮАР (октябрь 2013), ФГБОУ ДПОС «Российская инженерная академия менеджмента и агробизнеса» (г. Москва, декабрь 2013), Шведском сельскохозяйственном университете (г. Уппсала, декабрь 2013 г.). Разработанные технические средства были продемонстрированы на 14 Агропромышленной выставке «Золотая осень» (г. Москва, с 8 по 14 октября 2012 г.) и отмечены дипломом и серебряной медалью.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 49 научных работ, в том числе 14 статей в научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 1 монография, 5 патентов на изобретения и полезные модели РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка и приложений. Общий объем работы 277 страниц, в том числе 65 рисунков, 39 таблиц, 13 приложений и список литературы из 254 наименований.
Реакции, протекающие в процессе анаэробной переработки 32 отходов в биогазовых установках
Почти вся континентальная территория Якутии представляет собой зону сплошной многовековой мерзлоты, которая только на крайнем юго-западе переходит в зону ее прерывистого распространения. Средняя мощность мерзлого слоя достигает 300-400 м, а в бассейне реки Вилюй - 1500 м: это максимальное промерзание горных пород на земном шаре. [23, 196]
До настоящего времени Якутия является одним из самых изолированных и труднодоступных регионов мира в транспортном отношении: 90% территории не имеет круглогодичного транспортного сообщения. Одной из особенностей Республики Саха (Якутия) является исторически сложившийся наибольший удельный вес сельского населения в общем числе жителей (35,9% при среднем в других северных регионах России - 8%).
Природно-климатические условия Якутии во многих отношениях характеризуются как экстремальные. Прежде всего, Якутия - самый холодный из обжитых регионов планеты. Климат резко континентальный, отличается продолжительным зимним и коротким летним периодами. Максимальная амплитуда средних температур самого холодного месяца - января и самого теплого - июля составляет 70-75С. По абсолютной величине минимальной температуры (в восточных горных системах - котловинах, впадинах и других понижениях до минус 70С) и по ее суммарной продолжительности (от 6,5 до 9 месяцев в год) республика не имеет аналогов в Северном полушарии. Сама жизнедеятельность человека и способы ведения хозяйства требуют особых подходов и технологий, исходя из условий каждой природно-климатической зоны. Так, в среднем на территории Якутии продолжительность отопитель 13 ного сезона составляет 8-9 месяцев в году, в то же время в арктической зоне -она круглогодична.
По Якутии проходит северная граница растениеводства на открытом грунте. Условия для полевого земледелия являются экстремальными, на грани, исчерпывающей возможности ведения растениеводства.
Земледелие в Якутии возможно благодаря совместному проявлению двух необычных природных феноменов: вечной мерзлоты и ультраконтинентального климата. Водонепроницаемый сплошной щит вечномерзлых пород не пропускает вглубь влагу скудных атмосферных осадков, аккумулирует ее в деятельном слое, обеспечивая растения водой. Следствием ультраконтинентального климата является короткое, но жаркое лето, тепла которого достаточно, чтобы могли пройти цикл роста и развития многолетние и быстро-созревающие однолетние растения. [189]
Уровень естественного плодородия мерзлотных почв недостаточен, чтобы в максимальной степени использовать поступающую солнечную энергию. Мало минерального азота, низко содержание подвижного фосфора для питания растений. Лишь достаточен запас обменного калия, за исключением супесчаных почв. Практика показывает, что половина урожая овощей, картофеля в Якутии получается за счет внесения удобрений.
По Якутии проходит северная граница растениеводства на открытом грунте. Условия для полевого земледелия являются экстремальными, на грани, исчерпывающей возможности ведения растениеводства.
Первопричинами агроклиматических особенностей земледельческой зоны Якутии являются ее высокое широтное расположение и сплошное распространение толщи многолетнемерзлых пород. Территория республики покрыта сплошным щитом вечномерзлых пород толщиной от 100 до 600 м. Мерзлота оттаивает летом в среднетаежной зоне на 1,5-2,5 м. Этим сезонно-талым слоем ограничивается вся зона развития биологических и активных химических явлений. Толща многолетнемерзлых пород является водонепроницаемым экраном, ограничивающим вертикальную миграцию воды, растворенных и взвешенных в ней веществ, нижней границей сезонного оттаивания.
Земледелие Якутии развито в полосе между 56 и 64 северной широты, т.е. в зоне достаточно рискованного земледелия. Высокие широты обуславливают низкий уровень поступления солнечной энергии, сжатый, до предела короткий (60-90 дней) вегетационный период, жесткие условия перезимовки растений, значительное удлинение светового дня в летнее время. Продолжительность безморозного периода на поверхности почвы короче того же периода в воздухе в 1,5 раза [2]. Продолжительность безморозного периода на почве в самой теплой Олекмо-Ленской зоне составляет в воздухе 70-100 дней, а на почве 43-73 дня.
Мерзлотные почвы земледельческой зоны летом прогреваются слабо. На глубине 10 см активная температура +10 С достигается только в июле [204].
Из всех северных регионов Якутия, пожалуй, является единственным, где растения страдают от недостатка влаги. Растительный покров в Якутии существует только благодаря толще мерзлоты, не пропускающей влагу скудных осадков в глубинные слои и сохраняющей ее в сезонноталом слое.
Низкие температуры почвенного профиля мерзлотных почв, короткий вегетационный период, близкое залегание водоупора вечной мерзлоты обязывают быть осторожными при определении доз удобрений. Неиспользованные остатки удобрений могут быть причиной загрязнения почвы, продукции. Это относится в первую очередь к азотным удобрениям, затем к органическим удобрениям как к источнику азота. Малая емкость мерзлотных почв, отсутствие промывного режима, ограниченность горизонтального стока создают предпосылки для накопления остатков неиспользованных нитратов неразложившихся пестицидов выше санитарно-гигиенических норм.
Таким образом, для эффективного применения удобрений на мерзлотных почвах необходимо: - в первую очередь ликвидировать высокую щелочность и солонцева-тость почв, ограничивающих их продуктивность, путем гипсования; - не допускать возможности аккумуляции неиспользованных остатков удобрений до экологически опасных концентраций ввиду очень низкой емкости мерзлотных почв. Основным сдерживающим фактором биологической продуктивности является дефицит почвенной влаги.
Динамическая и математическая модели процесса анаэробного сбраживания бесподстилочного навоза КРС
Существующие в данное время зарубежные и российские технологии анаэробного сбраживания требуют обязательной адаптации для их рентабельного применения в Якутии ввиду следующих существенных причин:
1. Они разработаны для продуцирования в относительно мягких климатических условиях, поэтому при реализации возникают серьезные проблемы из-за значительной разниц между зимними и летними температурами окружающей среды в Якутии: летом повышается до +35 С, а зимой опускается ниже -50 С.
2. Установки работают на мезофильном режиме, автоматизированы и требуют бесперебойной электрической поддержки. В сельских местностях Якутии немало поселков, где электричество вырабатывается на дизельных двигателях, соответственно, киловатты дорогие. В поселках, подсоединенных к сетям, часто случаются перебои с подачей электричества.
3. В условиях вечной мерзлоты при строительстве объектов, особенно больших площадей, требуется сооружение свайных фундаментов для исключения оттайки грунтов - достаточно затратное дорогостоящее мероприятие.
4. Подавляющее большинство установок имеют емкие метантенки и их эффективность достигается при переработке большого непрерывного потока отходов - т.е. производных от крупных животноводческих предприятий. А эта отрасль в республике представлена в основном малыми крестьянскими хозяйствами. Ввиду огромных расстояний между населенными пунктами и отсутствия дорог, исключается возможность централизованного сооружения биогазовой станции. Все это отягощается отсутствием механизации трудоемких процессов на фермах и низким уровнем квалификации фермеров - частников.
Многие исследователи указывают, что на эффективность работы биогазовой установки большое влияние оказывают размеры частиц исходного субстрата и степень однородности - чем меньше размеры частиц органических компонентов исходного сырья, тем больше их удельная поверхность и соответственно интенсивнее происходят процессы сбраживания. [12, 16, 245]. Следует отметить, что рассматриваемое исходное сырье по своему составу полностью подпадает под вышеперечисленные характеристики: при содержании КРС производится бесподстилочный навоз; рацион животных весьма скудный и основным кормом является рассыпное сено. Поэтому на выходе получается полужидкий навоз с влажностью 85...87% равномерной консистенции. Отношение C:N в бесподстилочном навозе колеблется от 5:1 до 10:1- в этом его специфическая особенность. В связи с этим бесподстилочный навоз используют как буферное вещество. [150]
Исследования последних лет говорят о том, что температура оказывает прежде всего влияние на скорость биологического разложения органического вещества микроорганизмами, а не на количественный состав образующихся продуктов [9, 16, 33, 87, 118, 137]. В результате анализа результатов различных исследователей Швериным была получена зависимость, показывающая равный выход биогаза на 1 г загруженного и распавшегося органического вещества осадка в мезофильном и термофильном режимах [144]. Опыты Иркутских ученых - Просвирнина В.Ю. и Евтеева В.К. - также не установили существенных различий по выходу биогаза между этими двумя режимами [34]. Дубровским B.C., в результате анаэробного сбраживания свиного навоза [101], был сделан вывод, что при достаточно длительном сбраживании выход биогаза соответствует теоретически возможному объему вне зависимости от температуры процесса, а решающим фактором является состав сырья.
В работах [12, 14] говорится о том, что анализ действующих биогазовых установок показал, что при высокой температуре сбраживания выход метана более плохой, чем при низких температурах. Это происходит через различия в растворимости и образованием газовидной двуокиси углеводорода. Чем большее количество С02 перейдет в газовидную форму, тем меньшей будет процентная доля СН4 в биогазе. При этом отмечают, что субстраты, происходящие из отходов переработки агропромышленное, как правило, имеют более короткий период брожения от 20 до35 дней.
Нами проводились лабораторные исследования биогазовых установок в психрофильном и мезофильном режимах [87]. В результате, эксперименты по 84 казали несущественную, минимальную разницу по объему произведенного биогаза и в этих двух режимах работы метантенков. Однако если в мезофиль-ном режиме процесс анаэробного сбраживания протекал в течение 6 месяцев, то в психрофильном режиме период сбраживания составил 8-9 месяцев. Таким образом, для полного и достаточного разложения органического вещества в психрофильных условиях потребовалось в среднем в 1,4 раза больше времени для выдерживания субстрата, чем в мезофильных условиях, что обусловлено снижением скорости метаболической реакции при пониженной температуре сбраживания.
Таким образом, температурный режим сбраживания тесно связан именно с продолжительностью удержания т перерабатываемого отхода в метантен-ке.
В опытах с отходами животноводства установлено, что предельно возможный выход метана зависит от породы животных, выделяющих навоз, рациона их питания, срока и способа хранения навоза, количества инородных материалов и других факторов, определяющих химический состав навоза. Температура сбраживания на предельный выход метана не влияет. [16]
Одним из основных факторов оптимального течения микробиологических процессов в метантенках является т - время пребывания микроорганизмов в среде (время удерживания). Для эффективного разложения сложных органических веществ до СТЇ4 и СОг необходимо: иметь достаточное количество микроорганизмов в субстрате; обеспечить им требуемое время пребывания в среде для достижения метаболизма субстрата; исключить вымывание бактерий. Следовательно, эти факторы должны быть решающими при выборе режима работы БЭУ. Если время удержания субстрата в метантенке будет меньше, то эффективность ферментации снижается вследствие вымывания микробной популяции.
В последнее время в связи с возрастающим применением малых установок для получения биогаза в Китае, Вьетнаме и др. странах возник интерес к осуществлению этого процесса без нагревания в психрофильном режиме [16]. Большое внимание уделяется этому процессу и в европейских странах с благоприятным климатом. Снижение скорости процесса брожения в психрофильном режиме компенсируется простотой конструкций установок и легкостью их эксплуатации.
Таким образом, при запуске биогазовой установки в психрофильном режиме необходимо как можно дольше содержать субстрат в метантенке, а значит, интерес представляет периодический режим сбраживания.
В периодическом режиме метантенк выполняет функции бродильной камеры и накапливает шлам до момента выгрузки. Поэтому метантенк никогда не опорожняется полностью, а остаток шлама служит «закваской» для новой свежей порции субстрата.
Экспериментальные исследования по уточнению параметров работы метантенка в мезофильном и психрофильном периодическом режимах сбраживания
Целью экспериментальных исследований является подтверждение и уточнение разработанных теоретических положений, а также соответствие параметров и режимов функционирования технических средств по анаэробной утилизации бесподстилочного навоза КРС.
Программой экспериментальных исследований предусмотрен сбор необходимой статистической информации для решения оптимизационной задачи, обоснования оптимальных параметров работы технических средств БЭУ. При этом основными задачами экспериментальных исследований являлись: верификация теоретических принципов и утверждений, определяющих характер и структуру процессов проектирования; оценка адекватности разработанных моделей при оптимизации параметров предложенных технических решений и экспериментальное подтверждение их эффективности.
Независимо от способа представления объекта, вида и характера его изменения основным при оптимизации систем является выбор наиболее подходящего решения. Для решения таких сложных задач необходимо применение методологии системного подхода, которая направлена на комплексное изучение объектов и процессов. Характерной особенностью указанной методологии является применение моделирования систем и замещения на время анализа реального объекта подобной ему моделью. При проектировании моделей необходимо придерживаться некоторых принципов, соблюдение которых позволит получить адекватное и точное отображение исследуемого процесса.
Теоретические основы проектирования следует строить не столько «снизу» за счет индуктивного обобщения полученных инженерной наукой и практикой, сколько «сверху» по отношению к ним, то есть на основе сформулированных фундаментальных принципов целой системы более конкретных утверждений, раскрывающих структуру и содержание проектных операций синтеза, оптимизации и выбора решений. На основе сформулированного принципа полученные утверждения имеют иерархическое строение, которое характеризует наличие нескольких уровней. Утверждения последнего уровня при помощи алгоритма определяют не только единственный вариант оптимального решения задачи, но и рациональный путь, к нему ведущий.
Исследования проводились в лаборатории альтернативных источников энергии автодорожного факультета при Северо-Восточном федеральном университете им.М.К.Аммосова PC (Якутия), в животноводческих хозяйствах Республики Саха (Якутия).
Экспериментальные исследования проводились на лабораторном оборудовании, конструкции которых обеспечивали получение оценочных показателей рабочих процессов биогазовых установок при различных режимах анаэробного сбраживания навоза КРС.
Исследовались психрофильный и мезофильный режимы сбраживания без добавления и с добавлением адаптированной к психрофильным условиям АМД, обсемененной мезофильными метаногенными микроорганизмами. В данном случае БЭУ была представлена двумя вариантами - без подогрева сбраживаемого субстрата и с подогревающим устройством.
Также изготовлена стационарная установка для адаптации мезофильных микроорганизмов к психрофильным условиям, проведены эксперименты по исследованию процесса адаптации.
Принята следующая программа экспериментальных исследований:
1. Соорудить метантенк малого объема (VM 1 м ) цилиндрической формы с конусным днищем, боковым загрузочным патрубком, механической мешалкой и провести эксперименты в психрофильном и мезофильном периодических режимах. Период исследований установить в 60 дней.
2. Изготовить стационарную установку для получения АМД с адаптированными к психрофильным условиям метаногенными микроорганизмами (АМД).
3. Использовать при запуске психрофильной установки АМД, обсемененной мезофильными метаногенными микроорганизмами, адаптированными к психрофильным условиям. Определить эффективную дозу вливаемой АМД в метантенк.
Экспериментальные исследования по уточнению параметров работы метантенка в мезофильном и психрофильном периодическом режимах сбраживания
Конструктивные параметры биоэнергетической установки относятся к постоянным факторам и их невозможно менять в ходе процесса.
В России на сегодняшний день выпускаются метантенки, работающие в мезофильном режиме. Они имеют цилиндрическую форму, но 77% из них предназначены для горизонтального расположения. Это говорит о расположении установок на открытых площадках вне животноводческих помещений, что неприемлемо для применения в климатических условиях Якутии. Исследовани 130 ями установлено, что недостатком наземного расположения являются высокие теплопотери в зимний период. [245]
Высокие температуры требуют установки специальных систем автоматизации и точного управления работой биогазовой установки. Когда речь идет о полной интеграции биогазовых установок в повседневную работу сельскохозяйственного предприятия, психрофильный режим создает меньше сложностей.
Предлагается установить метантенк непосредственно в животноводческом помещении. Это увеличит вероятность загрузки в метантенк свежего навоза, попутно способствуя облегчению труда животновода и уменьшению потерь теплоты скотопомещения. При этом вертикальное расположение метантенка позволяет сэкономить производственные площади. По сравнению с горизонтальным вариантом они более компактны, имеют выгодное соотношение площади поверхности к объему, что уменьшает затраты материалов и теплопотери. [245]
Исследования кинетики БЭУ в психрофильном периодическом режиме при применении адаптированной метаноген ной добавки (АМД)
На процесс адаптации мезофильных метаногенных микроорганизмов в метантенке БЭУ, полученных при температуре 36 С, до психрофильного температурного режима в 10 С ушло 60 дней, т.е. 2 месяца (рисунок 4.13).
На 6-ой день запуска метантенка в мезофильном режиме (36 С) в БЭУ появляется биогаз. На 8-ой день газ устойчиво горит. С этого дня ежедневно начинаем снижать температуру на 0,5 С.
При снижении температуры с 36 С до 32,5 С выход газа увеличивался, что свидетельствует об установлении для мезофильных микроорганизмов комфортных условий продуцирования в метантенке. В своей работе Баадер пишет, что при 33 С создается благоприятная среда для наивысшей метаболической активности мезофильных микроорганизмов [12].
Чувствительным к снижению явился диапазон температур от 30 до 25 С - это переходная фаза от мезофильного режима к психрофильному. Далее, с понижением температуры процесс метангенерации приобрел устойчивый характер и стабилизировался.
Процесс на этом не завершается, а необходимо довести до момента, ко-гда выход биогаза станет минимальным и составит 0,015 м /сут. При таком суточном объеме газа степень разложения СВ субстрата достигнет необходимого 40% (см. таблицу 4.5).
Общий выход биогаза составил 11,038 м . Если оценить по цене при-родного газа (1 м = 6,13 руб.), то стоимость полученного газа равна 67,66 руб.
На поддержание температуры сбраживания израсходовано 909,50 кВт электроэнергии (1 кВт = 3, 12 руб.), что в денежном выражении равно 2837,64 руб. Таким образом, издержки составили 2769,98 руб.
Результаты опыта по адаптации мезофильных метаногенных микроорганизмов к психрофильным условиям в метантенке биогазовой установки: 1 - выход биогаза, VB, м /сут; 2 - расход электроэнергии на нагрев сбраживаемого субстрата, СЬл, кВт/сут; 3 - температура сбраживания в метантенке, ІСБР, С.
Проводим канонический анализ математических моделей, полученных от комбинаций взаимодействия факторов на выход удобрения и выработку биогаза. [5, 31, 36, 56, 140, 184, 218 , 236, 240]
На основании априорного ранжирования факторов, были выбраны следующие наиболее значимые параметры, воздействующие на объем получаемого удобрения (Vy) и и заданы уровни их варьирования: продолжительность удержания субстрата в метантенке; г = 30...50 дней; Vu- объем метантенка; VM=0,2... 1,4 м .
Для определения объема получаемого удобрения {Vy), был проведен экс-перимент вида 2 . Во-первых, рассмотрим влияние факторов Х\ и Х2 на показатель выхода удобрения при стабилизации Х3 на нулевом уровне. Тогда, подставив Х3= 0 в уравнение регрессии второго порядка, получим:
Следует учесть, что если а имеет знак "минус", то оси в центре поворачиваются по часовой стрелке.
Для определения коэффициентов уравнения в канонической форме необходимо решить характеристическое уравнение
Данное каноническое уравнение в геометрическом образе можно представить в виде поверхности отклика типа эллипсоида вращения с определенным экстремумом (рис.4.14).
Поверхность отклика, характеризующая выход удобрения в зависимости от влажности навоза W(xi), продолжительности выдержки субстрата г (х2) Оптимальные значения факторов: Xj= 88%...89% - влажность навоза; х2= 26... 52 дня - продолжительность выдержки. Во-вторых, рассматривая Х\ и Х3 при Х2 = 0, получим
На рисунке 4,15 представлена поверхность отклика, характеризующая выход удобрения (у) в зависимости от продолжительности выдержки субстрата (х2) и объема метантенка (х3). Парабола вытянута по оси х1у что значимым является фактор продолжительности выдержки субстрата. Получены следующие оптимальные параметры: продолжительность выдержки суб-страта - 26... 52 дня, объема метантенка - 0,2... 1,4 м .
На рисунке 4.16 показана поверхность отклика, характеризующая зависимость выхода удобрения (у) от объема метантенка (х3) и влажности навоза (хі). Минимакс вытянут по оси х3, что свидетельствует о значимости х3 по сравнению Xj. Анализ поверхности показал параметры значений: среднее значение объема метантенка - 0,2... 1,4 м3; влажность навоза - 88%...98%.
Объем получаемого биогаза (Vr) определяли при следующих уровнях варьирования: Vr =f(S, t, Nnep), м3/т (4.10) где S- сухое вещество навоза; S=2... 10%; t - температура сбраживания; t = 5...25 С; Nnep - мощность перемешивающего устройства; Nnep =1,5... 3,0 кВт. Для определения объема получаемого биогаза (Vr), был проведен экспе-римент вида 2 . Рассмотрим влияние факторов XJH Х2 на показатель выхода биогаза при стабилизации Х3 на нулевом уровне. Тогда, подставив Х3= 0 в уравнение регрессии второго порядка, получим: