Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы. цель и задачи исследований .. 12
1.1 Физико - механические свойства навозных стоков 13
1.2 Агротехнические требования к навозу как органическому удобрению 15
1.3 Эколого - безопасные технологии утилизации навозных стоков... 16
1.4 Обзор и анализ способов утилизации навозных стоков
1.4.1 Гомогенизация навоза 28
1.4.2 Компостирование навоза 28
1.4.3 Разделение навоза на фракции 30
1.4.4 Обзор и анализ способов утилизации навозных стоков с помощью разделения их на фракции 31
1.5 Обзор и анализ технических средств для разделения навозных стоков на фракции 39
1.5.1 Обзор и анализ устройств для первичного сгущения навозных стоков 50
1.5.2 Обзор и анализ устройств для вторичного разделения навозных стоков на фракции 59
1.5.3 Обзор и анализ устройств для глубокого разделения и очистки жидкой фракции навозных стоков 73
1.6 Цель и задачи исследований 84
2 Совершенствование эколого-безопасной технологии утилизации и разработка технических средств для разделения на фракции навозныхстоков 87
2.1 Совершенствование эколого-безопасной технологии утилизации навозных стоков разделением их на фракции
2.2 Функциональное описание технологического процесса утилизации навозных стоков разделением их на фракции 95
2.3 Усовершенствованные технические средства для разделения на фракции навозных стоков 101
2.4 Выводы 118
3 Теоретическое обоснование повышения эффективности процесса разделения на фракции навозных стоков 120
3.1 Построение концептуальной модели разделения навозных стоков на фракции 120
3.2 Теоретическое обоснование первичного разделения навозных стоков на фракции на гидроциклоне-сгустителе 124
3.3 Теоретический анализ процесса вторичного разделения навозных стоков на фракции с помощью фильтрующей центрифуги
3.3.1 Обоснование угла установки отжимающего ролика в зоне фильтрования центрифуги 156
3.3.2 Обоснование конструктивно-технологических параметров отжимающего ролика 166
3.4 Теоретическое обоснование глубокого разделения жидкой
фракции навозных стоков во флотационной установке 174
3.4.1 Научные предпосылки совершенствования процесса разделения и очистки жидкого навоза методом флотации 174
3.4.2 Анализ факторов, определяющих качество разделения жидкого навоза на фракции на флотационной установке 180
3.4.3 Теоретическое обоснование рабочего процесса сбора и удаления флотационного шлама с поверхности сточной воды 182
3.5 Выводы 195
4 Методика и результаты экспериментальных исследований технических средств для разделения на фракции навозных стоков 197
4.1 Программа экспериментальных исследований технических средств для разделения на фракции навозных стоков 197
4.2 Приборы и оборудование для экспериментальных исследований гидроциклона - сгустителя для первичного сгущения навозных стоков 198
4.3 Методика экспериментальных исследований фильтрующей центрифуги для вторичного разделения на фракции навозных стоков 204
4.3.1 Оборудование для экспериментальных исследований фильтрующей центрифуги 204
4.3.2 Методика лабораторных исследований
4.4 Методика экспериментальных исследований флотационной установки для очистки жидкой фракции навозных стоков 214
4.5 Результаты и анализ исследований гидроциклона - сгустителя для первичного сгущения навозных стоков 218
4.6 Результаты и анализ исследований фильтрующей центрифуги для вторичного разделения на фракции навозных стоков 224
4.6.1 Результаты лабораторных исследований 224
4.6.2 Определение давления отжимающего ролика на массу навоза... 224
4.6.3 Обоснование диаметра отжимающего ролика 227
4.6.4 Влияние режимных параметров на качество разделения 232
4.6.5 Обоснование угла установки отжимающего ролика в зоне фильтрования центрифуги 238
4.7 Результаты и анализ флотационной установки для очистки жидкой фракции навозных стоков 239
4.8 Определение конструктивно - режимных параметров устройства для сбора и удаления флотационного шлама с поверхности флотационной установки 245
4.8.1 Обоснование длины фильтровальной поверхности 245
4.8.2 Определение оптимального расстояния между скребками транспортера 247
4.8.3 Влияние скорости движения скребкового транспортера на качество очистки 248
4.8.4 Определение угла наклона фильтровальной поверхности 250
4.9 Выводы 252
5 Производственные испытания и экономическая оценка эколого-безопасной технологии утилизации и технических средств для разделения на фракции навозных стоков 255
5.1 Работа опытного оборудования в производственных условиях 255
5.2 Результаты экономической оценки 259
Общие выводы 265
Литература
- Агротехнические требования к навозу как органическому удобрению
- Функциональное описание технологического процесса утилизации навозных стоков разделением их на фракции
- Теоретический анализ процесса вторичного разделения навозных стоков на фракции с помощью фильтрующей центрифуги
- Результаты и анализ исследований фильтрующей центрифуги для вторичного разделения на фракции навозных стоков
Введение к работе
Актуальность темы исследований. В зависимости от содержания животных и способа навозоудаления различают два вида навоза, поступающего с ферм и комплексов: подстилочный и бесподстилочный. Если первый вид не требует сложной технологии переработки и утилизации, то бесподстилочный навоз в необработанном виде представляет серьезную угрозу заражения почвы, воды, воздушного бассейна, животных и человека, так как в нём продолжительное время живут различные болезнетворные бактерии, яйца и личинки гельминтов, не теряют всхожести семена сорных растений.
На комплексах с бесподстилочным содержанием животных получают навоз влажностью 90...98% из-за попадания технологически неизбежных стоков, а также за счет добавления технической воды, необходимой для удаления навоза. Выход жидкого навоза на свиноводческих комплексах достигает 3000 т в сутки. В связи с этим существует острая проблема утилизации и переработки значительных масс навозных стоков, успешное решение которой приведет к улучшению экологической обстановки на животноводческих предприятиях, а также к восстановлению плодородия почвы за счет внесения в нее приготовленного из навоза ценного органического удобрения.
В современном производстве утилизацию навозных стоков проводят в
основном компостированием, гомогенизацией и разделением жидкого навоза на
твердую и жидкую фракции. Наибольшее применение в отечественной и
зарубежной практике получил третий способ. Операция разделения является
определяющей в технологии утилизации навозных стоков, так как от качества
разделённых фракций зависит трудоемкость всего технологического процесса, а
также эксплуатационные затраты, материалоемкость, энергоемкость и т. д.
Таким образом, возникло противоречие между зоотехническими и экологическими требованиями к процессу разделения навозных стоков на фракции и существующими способами и техническими средствами, не обеспечивающими этих требований. Поэтому создание эффективных технологических способов и технических средств для утилизации навозных стоков путем разделения их на фракции является важной научной проблемой, требующей незамедлительного решения.
4 Исследования проводились в ФГБОУ ВПО "Самарская государственная сельскохозяйственная академия" в рамках Ведомственной целевой Программы «Развитие свиноводства в Российской Федерации на период 2006-2010 г.г. и до 2015 года», тем НИОКР госрегистрации №01.200506417 «Разработка технологии и технических средств для обработки и утилизации отходов агропромышленных предприятий» и №01.201177656 «Механико-технологическое обоснование эколо-го-безопасной технологии и технических средств очистки и утилизации стоков агропромышленных предприятий».
Степень разработанности темы исследований.
Анализ существующих технических средств для разделения навозных стоков на фракции показал, что они в основном заимствованы из других отраслей: нефтяной, газовой и др. и имеют низкую эффективность процесса разделения навозных стоков - в частности, не обеспечивают по зоотехническим требованиям 65...70 % влажности твердой фракции свиного навоза и 60 мг/л содержания взвешенных частиц в жидкой фракции.
Цель исследований - повышение эффективности разделения навозных стоков свиноводческих ферм и комплексов на фракции совершенствованием способов и технических средств, отвечающих зоотехническим и экологическим требованиям.
Задачи исследований:
1. Выполнить анализ существующих методов и технических средств для
утилизации навозных стоков разделением их на фракции и определить перспективный способ и технические средства обработки навозных стоков, обеспечивающие зоотехнические и экологические требования.
2. Усовершенствовать и разработать способ и конструктивно-
технологические схемы технических средств, повышающих качество разделения
на фракции навозных стоков и обеспечивающих соблюдение зоотехнических и
экологических требований.
3. Теоретически обосновать конструктивные и технологические параметры
новых технических средств для разделения навозных стоков на фракции.
5 4. Разработать программу и методику, изготовить опытные образцы технических средств для проведения лабораторных и производственных исследований конструктивно-режимных параметров, определить их влияние на качественные показатели и дать технико-экономическую оценку.
Научная новизна. Научную новизну работы составляют:
1) новые модели эффективного технологического способа и средств
механизации для разделения навозных стоков на твердую и жидкую фракции;
-
аналитические зависимости, описывающие рабочие процессы первичного разделения навоза на гидроциклонах-сгустителях, центрифугирования сгущенной массы навоза методом фильтрования, разделения жидкой фракции на флотаторе с предварительным отстаиванием на тонкослойном отстойнике;
-
модели оптимизации технологических и конструктивно-режимных параметров, новых технических решений для разделения жидкого навоза на фракции и использования каждой в отдельности в качестве органического удобрения.
Новизна способа разделения навозных стоков на фракции подтверждена патентом РФ на изобретение № 2474102; технических средств - двумя авторскими свидетельствами СССР на изобретения (№1507451, №1585006), двумя патентами РФ на изобретения (№2257268, №2465063) и шестью патентами РФ на полезные модели (№117307, №117322, №122915, №111770, №111847, №112584).
Теоретическая и практическая значимость работы.
Предложенные теоретические зависимости и результаты экспериментальных исследований могут быть использованы при разработке новых и совершенствовании существующих технических средств для разделения навозных стоков на жидкую и твердую фракции. Результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют решить проблему повышения качества разделения навозных стоков на фракции до уровня зоотехнических требований, предъявляемых к твердой фракции свиного навоза - 65-70 % влажности и с содержанием в жидкой фракции 60 мг/л взвешенных частиц.
6 Методология и методы исследований. Методологическую основу исследований составили методы системного и структурного анализа, математической статистики и сравнительного эксперимента. Аналитическое описание технологических процессов выполнялось с использованием законов и методов классической механики и математического анализа. Лабораторные исследования и производственные испытания проводились с использованием частных методик, обработка экспериментальных исследований осуществлялась на ПЭВМ с использованием программ Mathcad 12, КОМПАС 3D LT V12, Excel, Corel DRAW 12.
Положения, выносимые на защиту:
функциональные схемы и способ разделения свиных навозных стоков на
жидкую и твердую фракции;
конструктивно-технологические схемы технических средств для разделения навозных стоков на фракции;
теоретическое обоснование конструктивно-режимных параметров усовершенствованных гидроциклонов-сгустителей, фильтрующей центрифуги и флотатора для разделения навозных стоков на фракции;
результаты аналитических и экспериментальных исследований, подтверждающие эффективность применения разработанного способа и технических средств для разделения навозных стоков на фракции.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность результатов работы подтверждается сравнительными лабораторными и производственными исследованиями технических средств для разделения на фракции навозных стоков, а также сходимостью результатов лабораторных и производственных экспериментов с теоретическими.
Результаты исследований рекомендованы министерством сельского хозяйства и продовольствия Самарской области для внедрения на свиноводческих хозяйствах Самарской области, а также использовались при проектировании очистных сооружений на свинокомплексах "Алексеевский" и ЗАО "Северный Ключ" Самарской области. Результаты исследований приняты к внедрению в учебный процесс ФГБОУ ВПО "Самарская государственная сельскохозяйственная акаде-
7 мия", а также к внедрению в научный процесс ФГБУ "Поволжская МИС" г. Кине-ля Самарской области и ГНУ "Северо-Западный институт механизации и электрификации сельского хозяйства" Россельхозакадемии (СЗНИИМЭСХ). Результаты исследований одобрены и рекомендованы к внедрению ГНУ Самарский НИИСХ им. Н.М. Тулайкова Россельхозакадемии.
Основные положения и результаты работы доложены и получили одобрение на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского института механизации сельского хозяйства им. М.И.Калинина и Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И.Вавилова в 1987-2002 г.г., 2012 г., 2013г., научно-практических конференциях Самарской государственной сельскохозяйственной академии в 1992-2010 г.г., Международной научно-практической конференции, г. Мелитополь, Украина (1989 г.), научных конференциях Санкт-Петербургского аграрного университета, г. Пушкин (2008 г., 2009 г.), заседаниях Министерства сельского хозяйства и продовольствия Самарской области в 2005-2009 г.г., «Круглом столе» в рамках XI Поволжской агропромышленной выставки (п. Усть-Кинельский, Самарская обл., 2008 г.), Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения профессора В.Г.Кобы ,Саратовский ГАУ, (2011 г.), 14-й Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс в животноводстве -инновационные технологии и модернизация в отрасли», ГНУ ВНИИМЖ, г.Подольск (2011 г.), Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию со дня рождения профессора А.Г.Рыбалко, Саратовский ГАУ (2011 г.), 15-й Международной научно-практической конференции «Система технологий и машин для животноводства на период до 2020 г. - технологические, организационно-экономические требования и методология разработки» ,ГНУ ВНИИМЖ, г. Подольск (2012 г.), 16-ой Международной научно-практической конференции «Совершенствование управления технологическими процессами в животноводстве - основа повышения эффективности производства и качества продукции» , ГНУ ВНИИМЖ, г. Подольск, Московская обл.(2013 г.).
8
По теме диссертации опубликовано 55 печатных работ, из них 17 статей в
изданиях, рекомендованных ВАК РФ ", 19 - без соавторов, получено 2 автор
ских свидетельства СССР на изобретение, 3 патента РФ на изобретение и 6 патен
тов РФ на полезную модель. Общий объем публикаций составляет 21,92 п.л., из
них автору принадлежит 12,05 п.л.
Агротехнические требования к навозу как органическому удобрению
Реологические свойства жидкого бесподстилочного навоза (или навозных стоков) представляют практический интерес для правильного определения технологического оборудования и параметров всей системы его переработки и утилизации. Основным показателем реологических свойств навозных стоков является его влажность, которая оказывает существенное влияние на физико-механические и химические свойства навозных стоков. Кроме того, навозные стоки характери 14 зуются также объёмной массой, текучестью, фракционным составом твёрдых частиц, коэффициентом сдвига (трения), коэффициентом липкости, концентрацией взвешенных частиц в жидкой фракции [109].
Объёмная масса навозных стоков крупного рогатого скота и свиней зависит от его влажности и находится в пределах от 0,99 до 1,04 т/м3, объёмная масса осадка- 1,05... 1,18 т/м3 [109,121,132,165].
Фракционный состав навозных стоков неоднороден. Так, частицы навозных стоков со свиноводческих ферм размером до 1,0 мм составляют до 39% от общей массы, размером 1...2 мм - свыше 50%, более 3 мм - 15% от общей массы исходного бесподстилочного навоза. Средняя длина частиц твердой фракции в навозных стоках поступающих с ферм крупного рогатого скота равна примерно 30 мм [109].
Исследованиями установлено, что при уменьшении влажности навозных стоков увеличивается его вязкость и предельное напряжение сдвига. Так при уменьшении влажности свежих навозных стоков крупного рогатого скота с 94,5 до 84,0% его вязкость изменяется соответственно от 0,03 до 0,78 Пас, а для свиного навоза - от 0,02 до 0,12 Пас. Меньшая вязкость свиных навозных стоков объясняется тем, что в них содержится меньше коллоидов, чем в навозных стоках крупного рогатого скота [10,11,19,21,36,107,109,121,122,165].
Исследованиями предыдущих авторов установлено, что при разбавлении навозных стоков водой до 90...95%-ной влажности их объём увеличивается в 2 раза, а при разбавлении до 98%-ной влажности - в 5 раз. Примерно в таких же пределах уменьшается и относительное содержание питательных веществ (азота, фосфора, калия) [109,121,122,165].
Для твердой фракции свиного навоза основным обязательным зоотехническим требованием является влажность W=65... 70%, а для навоза крупного рогатого скота W=70...75% . Именно при такой влажности в осадке бесподстилочного навоза протекают биотермические процессы по его обеззараживанию. За счет этого обезвреживаются возбудители особо опасных заболеваний, яйца и личинки гельминтов, а также семена сорных растений [8,12,19,21,26,34,43,45,64,73,75,87, 89,109,121,165]. 1.2 Агротехнические требования к навозу как органическому удобрению
Жидкий навоз, поступающий с животноводческих комплексов, непригоден для дальнейшего использования в сельском хозяйстве. Необходимость переработки навоза вызывается тем, что в нём длительное время и в большом количестве содержатся жизнеспособные семена сорняков, яйца и личинки гельминтов, а также патогенные микроорганизмы [8,10,19,26,29,33,37,107,109,120,135,137].
Многими учёными доказано, что определяющее влияние на свойства навоза оказывает его влажность [9,15,25,29,33,36,43,48,50,107,109,120,126,135,165].
По данным, полученным В.П.Коваленко [109], можно сделать вывод, что пропорционально разбавление водой снижается содержание сухого и органического вещества в жидком навозе, а также уменьшается его удобрительная ценность.
Приготовление из навоза органического удобрения требует соблюдения определённых зоотехнических мероприятий, после которых внесение навоза в почву не будет представлять угрозы для почвы, растений и животных [108,109,122].
Для твёрдой фракции свиного навоза основным обязательным зоотехническим требованием является влажность - 65...70%. Именно при такой влажности в осадке навоза протекают биотермические процессы по его обеззараживанию. За счёт этого обезвреживаются возбудители особо опасных заболеваний: яйце, и личинки гельминтов а также семена сорных растений [108,122,165].
В целях рационального использования жидкого навоза для повышения плодородия почвы при условии защиты окружающей среды от загрязнений, всё шире применяют технологии разделения жидкого свиного навоза на фракции, при которых механические включения вместе с семенами сорных растений выделяются в твёрдую фракцию и обезвреживаются биотермическим способом, а жидкая используется для удобрительного полива сельскохозяйственных угодий [121].
При разделении жидкого навоза на твёрдую и жидкую фракции сокращаются затраты на хранение, так как твёрдую фракцию складируют в буртах на площадках с твёрдым покрытием и через два-три месяца используют в качестве удобрения. А жидкую фракцию либо хранят в специальных хранилищах, либо после соответствующей обработки сбрасывают в коллектор очистных сооружений или используют также в качестве удобрения и создают специальные поля орошения [121,135,122,165,188].
Изучением вопросов механизации процесса разделения жидкого бесподстилочного навоза на твёрдую и жидкую фракции, созданием новых и совершенствованием известных разделителей в нашей стране успешно занимаются многие научно-исследовательские и проектно-технологические институты, отдельные учёные, изобретатели и рационализаторы хозяйств.
При конструировании машин и аппаратов для разделения жидкого навоза на твердую и жидкую фракции необходимо знать, какими силами связаны твердые частицы навоза с водой [113,119,120].
Эти силы могут быть различными: 1 - механические; 2 - физико - механические, при этой связи влагу отделяют с помощью создания определённого давления; 3 - физико-химические; 4 - химические, для разрыва этих связей применяются методы химического воздействия или термическим способом [121,135].
Для разделения жидкого свиного навоза на фракции используются процессы осаждения и фильтрования.
Осаждение (седиментация) происходит вследствие разности плотностей жидкой фракции и твердых частиц навоза. Твердые частицы, имеющие большую плотность перемещаются с большей скоростью в направлении действия движущей силы, образуя осадок [10,165].
Функциональное описание технологического процесса утилизации навозных стоков разделением их на фракции
Отстойники могут быть вертикальные (табл. 1.2,2) и горизонтальные (табл. 1.2,3). Производительность их зависит от конструктивных размеров [90,109].
Недостатками отстойников являются: высокая влажность твёрдой фракции, громоздкость, существенные затраты на строительство. Но отстойники просты в изготовлении и поэтому они нашли широкое применение в сельском хозяйстве.
Запорожским конструкторско-технологическим институтом сельскохозяйственного машиностроения (КТИСМ) разработана одна из наиболее простых установок для разделения на фракции навозных стоков. Это дуговое сито СД-Ф-50 (табл. 1.2,4). Основной принцип, заложенный в этой установке, основан на фильтровании исходной массы жидкого навоза под действием гравитационных сил. Фильтрование происходит по наклонной поверхности, поэтому очистка её осуществляется за счёт смыва вновь, поступающей жидкости [109,121,122,165]. В Венгрии для разделения жидкого свиного навоза на фракции испытыва-лось дуговое сито "Бауер гидросив" фирмы "Виккерс" (Англия) [135]. Достоинствами дуговых сит перед другими средствами разделения являются простота в изготовлении и эксплуатации, сравнительно высокий эффект осветления суспензии (около 40%), высокая надёжность технологического процесса, отсутствие движущих частей, малая металлоемкость.
К недостаткам можно отнести высокую влажность твёрдой фракции, получаемой на сите - 86...90%,в связи с чем её необходимо дополнительно обезвоживать. Кроме того, на дуговом сите можно обрабатывать навоз влажностью 96% и выше, т.к. в противном случае нарушается режим его работы.
Широкое распространение на свинокомплексах нашей страны получили динамические фильтры фирмы "Джи-Э-Джи" (Италия) (табл.1.2,5) [165].
Преимущество динамических фильтров заключается в простоте конструкции, малой металлоемкости и компактности.
Основными недостатками являются: высокая энергоемкость, низкий срок службы фильтровальной перегородки, высокая влажность твёрдой фракции -85...90, небольшая производительность - 6...8 м /ч, сложность обслуживания. Следует отметить, что динамические фильтры чаще используются для обезвоживания промышленных суспензий, но в последнее время находят всё большее применение и для разделения животноводческих стоков.
Разделение жидкого бесподстилочного навоза на фракции в поле гравитационных сил осуществляется также в грохотах различных конструкций, которые нашли широкое применение на животноводческих комплексах [135].
Схема вибрационного наклонного грохота типа ГИЛ показана в табл. 1.2,6.
Грохоты ГИЛ-32, ГИЛ-42, ГИЛ-52 используются при разделении жидкого навоза влажностью 94...98%, отличаются друг от друга конструктивными размерами, производительностью (от 30 до 120 м /ч) и мощностью привода.
Преимущества виброгрохотов: простота устройства и эксплуатации, высокая производительность и надёжность технологического процесса.
К недостаткам следует отнести: высокую влажность твёрдой фракции (82...86%), большую металлоемкость и значительное содержание взвешенных частиц в жидкой фракции.
Виброгрохоты для разделения жидкого навоза на фракции могут быть и барабанной конструкции (табл. 1.2,7) [133,135].
Запорожским КТИСМ совместно с УНИМЭСХ разработали виброгрохот барабанный ГБН-ЮО, производительность которого составляет 67,4 м3/ч при исходной влажности навоза 95,1%. Влажность полученной твёрдой фракции при этом 85,6.. .86,7%.
Преимущество барабанного виброгрохота ГБН-ЮО перед грохотом ГИЛ-52 заключается в компактности, низкой металлоемкости и энергоемкости, в лучших санитарно-гигиенических условиях технологического процесса [107,109,135].
Недостатками ГБН-ЮО являются: значительная восприимчивость к изменениям физико-механических свойств подаваемого жидкого навоза, сложность эксплуатации. Для обезвоживания жидкого навоза используются, кроме вы шеперечисленных установок, и различные фильтры, работающие как на гравитационных, так и на внешних силах фильтрования [106,107,109,135,165].
Простейший ленточный фильтр (табл. 1.2,8), хотя и не нашёл широкого применения в сельском хозяйстве, но его конструктивно-технологическая схема привлекает прежде всего простотой изготовления и эксплуатации [141].
Основным рабочим органом ленточного фильтра является фильтрующая бесконечная лента, на которую подаётся исходный жидкий навоз и фильтруется через неё, а отложившийся осадок снимается с ленты специальным ножом или скребком.
Разновидностью ленточных фильтров являются вакуум-фильтры (табл. 1.2,9) [135,141].
В ленточных вакуум-фильтрах фильтрование жидкого навоза через перфорированную ленту осуществляется за счёт вакуума, создаваемого под её внутренней поверхностью. Производительность таких фильтров невысока - 2.. Л м3/ч.
Кроме того, на фильтрующую поверхность ленты целесообразней подавать уже сгущенную массу навоза до 90...92%. Но зато на выходе с фильтра твёрдая фракция соответствует зоотехническим требованиям и составляет 70.. .75%.
Национальным испытательно-исследовательским центром по внедрению сельскохозяйственного машинного оборудования Франции предложен сепаратор "Сафите" для разделения жидкого навоза на фракции (табл.1.2,10) [64].
Жидкий навоз подается влажностью 90% на фильтрующую ленту сепаратора, продвигающуюся между отжимными валиками. Жидкая фракция проходит через отверстия ленты и сливается в емкость. Твёрдая фракция влажностью 75% проходит валики и скребком и щёткой очищается в транспортную тележку. Производительность сепаратора 4.. .6 М3/ч, габаритные размерь 1,90x1,25x0,90 м, масса 350 кг.
Теоретический анализ процесса вторичного разделения навозных стоков на фракции с помощью фильтрующей центрифуги
Известно, что вращение корпуса в гидроциклонах в сторону вращения вихревого потока суспензии повышает эффективность центрифугирования, так как уменьшает горизонтальную составляющую сил трения суспензии о стенку корпуса. Вследствие этого в предлагаемом гидроциклоне-сгустителе, на входе в сгуститель 6 достигается минимизация потерь кинетической энергии вихревого потока, которую он получил на выходе из криволинейного патрубка 12 питателя 4. В итоге вращающийся за счет корпуса 1 сгуститель 6 обеспечивает дополнительное обезвоживание суспензии, входящей в сгуститель вихревым потоком, сохранившим достаточную для центрифугирования кинетическую энергию, полученную на выходе из патрубка 12. Сужение поперечного сечения последнего обеспечивает дополнительный разгон исходящего из патрубка 12 потока суспензии, а расчётная кривизна патрубка 12 обусловливает вступление потока во взаимодействие со стенкой корпуса по касательной, исключая этим турбулентность потока.
Опыты на экспериментальной установке подтвердили эффективность сочетания гидроциклона, обеспеченного принудительно вращающимся корпусом, с встроенным в гидроциклон тарельчатым сгустителем предложенной конструкции. Установлено снижение влажности исходной суспензии на 8... 10%, повышение производительности процесса ее разделения и, тем самым, сокращение затрат на утилизацию стоков в целом.
Дня первичного сгущения исходной массы навозных стоков, поступающих с очистных сооружений свинокомплексов предназначена разработанная в период исследований по теме диссертации конструкция гидроциклона - сгустителя для разделения суспензий с обезвоживанием их сгущенной фракции, в частности для получения твердой фазы из жидкого навоза [159].
Техническим результатом полезной модели является снижение энергоемкости процесса обезвоживания сгущенной фракции.
Гидроциклон-сгуститель (рисунок 2.8) состоит из цилиндроконического корпуса 1, выгрузного патрубка 3, питателя 2, сливного патрубка 4. В нижней части выгрузного патрубка 3 закреплено устройство 11 для обезвоживания сгущенной фракции, содержащее верхнюю часть полого корпуса 5, нижнюю часть полого корпуса 9, выполненную в форме усеченного конуса, направленного меньшим основанием книзу, патрубок 10 для удаления твердой фракции. В верхней части полого корпуса 5, соосно выгрузному патрубку 3, установлен фильтрующий элемент 6, представляющий собой конусную перфорированную поверхность, соединенную основанием с коробом 7, пропущенным с уплотнением через коническую часть полого корпуса 9. В нижней части короба 7 размещен патрубок 8 для вывода фильтрата.
Исходная масса жидких стоков под давлением через питатель 2 поступает внутрь цилиндроконического корпуса 1, где происходит ее разделение на жидкую и сгущенную фракции. Отделенная жидкая фракция отводится через сливной патрубок 4, а сгущенная - по конической части корпуса 1 поступает в выгрузной патрубок 3.
Сгущенная в гидроциклоне фракция подается на фильтрующий элемент 6, где обезвоживается через перфорированные отверстия за счет гравитационного фильтрования. Обезвоженная твердая фракция, передвигаясь по наклонной поверхности фильтрующего элемента 6 за счет разности сил трения и сил гравитации, сползает с последней и выводится из гидроциклона-сгустителя скользя по нижней части корпуса 9 через патрубок 10 для удаления твердой фракции. Осветленная вода, проходя в виде фильтрата через перфорированную поверхность фильтрующего элемента 6 по коробу 7, сливается через патрубок 8 для вывода фильтрата.
Разработан гидроциклон для первичного сгущения навозных стоков, в котором используется кинетическая энергия потока, позволяющая интенсифицировать процесс разделения на фракции за счет сочетания сил гравитации и фильтрования [160,161].
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является, обеспечение постоянной самоочистки фильтрующей обечайки и повышение интенсивности отвода продуктов разделения исходной суспензии.
Техническим результатом изобретения является очистка фильтрующей обечайки боковыми кромками лопастей ротора, интенсивный отвод сгущенной фракции нижними окончаниями лопастей, причем по наклонному к периферии дну фильтрующей обечайки и рационально направленным тангенциальным сливным трубкам. При этом дополнительным техническим результатом является повышение степени обезвоживания суспензии, так как ее жидкая фракция, направленная через фильтрующую обечайку на коническую поверхность полого корпуса, образует на ней поток частиц тяжелой фракции, закрученных по винтовой линии, а в центральном участке винтовой поток более легких частиц осветленной воды, который отводится по выходному патрубку, что обуславливается созданием на конической поверхности полого корпуса эффекта гидроциклона.
106 Инерционный сгуститель (рисунок 2.9) состоит из цилиндрической 1 и конической 2 частей корпуса. Внутри цилиндрической части корпуса 1 расположена фильтрующая обечайка 3 с прикрепленным к ее верхней части тангенциальным входным патрубком 4, вращающийся лопастной ротор 5, установленный соосно выходному патрубку для жидкой фракции 7 на подшипниках 8, на нижнем окончании фильтрующей обечайки 3 выполнены тангенциальные сливные трубки 6, направленные внутренними концами встречно направлению вращения лопастного ротора 5, а внешними пропущены через стенку цилиндрической части 1 корпуса, выгрузная обечайка 9 со сливным патрубком для сгущенной фракции 10, установленная на уровне тангенциальных сливных трубок 6 и выполненная со скошенным дном, через которое пропущена с уплотнением коническая часть 2 корпуса, заканчивающаяся выходным патрубком сгущенной фракции 11 [160].
Инерционный сгуститель работает следующим образом.
Исходная суспензия под напором через тангенциальный входной патрубок 4 поступает на цилиндрическую поверхность фильтрующей обечайки 3, внутри которой вследствие вращения лопастного ротора 5 создается дополнительная центробежная сила, в результате действия которой происходит интенсивная фильтрация исходной суспензии, и наиболее плотные и тяжелые частицы суспензии отводятся по тангенциальным сливным трубкам 6 в выгрузную обечайку 9 через сливной патрубок для сгущенной фракции 10. При этом фильтрат, прошедший через фильтрующую обечайку 3, образует на конической поверхности полого корпуса 2 поток частиц тяжелой фракции, закрученных по винтовой линии, который удаляется из сгустителя через сливной патрубок 11, а в центральном участке - винтовой поток более легких частиц осветленной воды, который отводится по выходному патрубку 7.
Результаты и анализ исследований фильтрующей центрифуги для вторичного разделения на фракции навозных стоков
Анализ научно-технической и патентной литературы позволил выявить наиболее перспективную в использовании конструктивно - технологическую схему для разделения навозных стоков на фракции, в основе которой заложен принцип центробежного фильтрования.
Анализ технических решений фильтрующих центрифуг для разделения навозных стоков на фракции позволяет выявить, что наиболее производительной, простой и эффективной является схема центрифуги непрерывного действия конструкции ВНИИМЖ, содержащая перфорированный ротор с лопатками, питатель для подачи исходной массы навозных стоков, устройство для выгрузки твердой фракции (осадка), патрубок вывода жидкой фракции и устройство для съема осадка с перфорированной поверхности ротора.
Рабочий процесс разделения навозных стоков на фракции в фильтрующей центрифуге состоит в следующем [89].
Исходная масса жидкого свиного навоза подаётся через питатель на внутреннюю поверхность вращающегося перфорированного ротора. Здесь под действием центробежной силы жидкая фракция проходит через отверстия сетки ротора и удаляется из центрифуги напором, создаваемым лопатками ротора. Осадок, отложившийся на сетке ротора, срезается ножом и попадает в выгрузное устройство, откуда выводится шнеком по лотку.
Существенным недостатком в данной конструктивно-технологической схеме является высокая влажность получаемой твердой фракции навоза, не удовлетворяющая зоотехническим требованиям.
Анализируя рабочий процесс непрерывного центробежного фильтрования в цилиндрических роторах с ножевым съемом осадка, можно выделить два существенных фактора, влияющих на влажность твердой фракции навоза: давление фильтрования и время фильтрования массы навозных стоков в зоне центробежных сил. Давление фильтрования в данном случае определяется центробежной силой и площадью фильтрующей поверхности ротора. Время фильтрования определяется угловой скоростью вращения ротора и промежутком периода фильтрования, который проходит масса навоза от точки загрузки до точки съема осадка с фильтрующей поверхности.
То есть, анализируя вышеизложенное, можно сделать вывод, что для снижения влажности получаемого осадка навоза необходимо использовать два пути: либо увеличить время пребывания массы навоза в зоне фильтрования, либо увеличить давление фильтрования.
Первый путь представляется бесперспективным, так как для увеличения времени фильтрования необходимо увеличить отрезок дуги от точки загрузки исходной массы до точки съема осадка, что приведёт к большим размерам фильтрующего ротора, а следовательно, и к большой металлоемкости и энергоемкости всей конструкции.
Второй путь - создание давления в зоне центробежного фильтрования, достаточного для удаления из исходной массы жидкого навоза избыточной и части физико-механически связанной влаги. Этот путь наиболее приемлем и открывает возможности для усовершенствования известной конструктивно-технологической схемы.
Увеличить давление фильтрования можно в двух случаях: I) увеличить центробежную силу, действующую на массу навоза, но это приведёт к увеличению радиуса фильтрующего ротора и к большой металлоемкости всей конструкции центрифуги, а также к увеличению угловой скорости вращения фильтрующего ротора, что тоже нежелательно, потому что при этом уменьшается время пребывания массы жидкого навоза в зоне фильтрования центрифуги; 2) введение в зону фильтрования дополнительного элемента, который будет создавать то самое необходимое давление на массу навоза, при котором влажность последнего снизится до нужного значения.
Анализируя процесс фильтрования в центрифуге, можно сделать вывод, что элементом, создающим дополнительное давление на массу навоза, находящуюся в зоне фильтрования, может служить эластичный ролик, установленный перед ножом для съёма осадка по ходу вращения фильтрующего ротора, и подпружиненный относительно внутренней поверхности перфорированной сетки ротора.
Такой принцип уже применялся в конструктивных схемах машин для обезвоживания жидкого навоза. Как уже было рассмотрено выше, аналогичный принцип заложен в сепараторе "Сафите" (Франция), прессе «Long-wood Engineering» (Англия), дуговом сите типа СДФ.
В данном случае встаёт вопрос об обосновании места установки отжимающего ролика в зоне фильтрования центрифуги (рисунок 3.15). В дальнейшем будем пользоваться термином "угол установки" отжимающего ролика относительно вертикальной оси ротора. Обозначим его углом " . Очевидно, что при постоянных частоте вращения ротора, подаче и влажности исходной массы навоза и конструктивных параметрах ротора, угол " установки отжимающего ролика будет соответствовать также постоянному значению. Но, при изменении одного из названных параметров процесса, этот угол также будет принимать иное значение. Следовательно, необходимо определить зону установки отжимающего ролика в роторе центрифуги. Эта зона определяется крайними значениями угла установки Р\ — Р — Pi при которых работа отжимающего ролика будет давать положительный эффект.
