CC BY
31
УДК 57.084
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЙ МОБИЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ СТЕРИЛИЗАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
Ю.А. Кожевников, кандидат технических наук С.В. Пашкин, доктор физико-математических наук М. С. Тургенбаев, кандидат технических наук А.Н. Русаков, кандидат технических наук ФГБНУ ФНАЦ ВИМ E-mail: trv1000@mail.ru
Аннотация. Разработано и изготовлено опытно-промышленное оборудование для стерилизации крупнотоннажных жидких органических отходов. Оборудование успешно прошло апробацию на российском и белорусском свинокомплексах, получены положительные отзывы. Оборудование в максимальной степени удовлетворяет нормативным документам НТП17-99 «Нормы технологического проектирования систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета» и значительно превышает по основным показателям существующее. Разработанное оборудование готовится к промышленному производству. Испытания показали высокую (100%) эффективность стерилизации при минимальных энергетических затратах даже при температурах в стерилизационной камере 130°С и экспозиции при данной температуре примерно 5 минут. Время нахождения навоза в установке составляло около 30 минут. Главный результат испытаний - подтверждена возможность быстрой эффективной стерилизации крупнотоннажных органических отходов на примере жидких навозных стоков. Удельные затраты электрической энергии на стерилизацию складываются из затрат на прокачку навоза, тепловых потерь из-за выноса теплоты вместе со стерилизованным навозом, потерь теплоты через теплоизоляцию в окружающую среду. Установки данного типа могут найти применение и для оперативной стерилизации биомассы павших животных, в том числе инфицированных свиной чумой, птичьим гриппом и т.п. Большая производительность, мобильность и малые операционные затраты делают их исключительно эффективными при ликвидации эпидемий среди животных.
Ключевые слова: органические отходы, стерилизация, инновация, органические и минеральные удобрения, опытная установка.
Введение. Проблема устойчивого развития человечества является одной из основных проблем XXI столетия. Рост народонаселения на планете, необходимость увеличения количества продовольствия для его пропитания стимулируют увеличение производительности труда в сельском хозяйстве, которое невозможно достигнуть без перевода сельского хозяйства на промышленную основу, укрупнения животноводческих хозяйств, интенсификации производства на мелких хозяйствах.
Все это ведет к локальному увеличению количества органических отходов в виде навоза, помета, растительных отходов, отходов пищевой промышленности и т. п. Города также не отстают от сельского хозяйства по накоплению органических отходов (иловые осадки сточных вод, ТБО и др.).
Современные технологии обращения с отходами уже сейчас не справляются с их переработкой - количество органических отходов во всем мире неуклонно растет (на млн тонн каждый год); в России, например, площади под этими отходами составляют уже примерно половину площади Московской области. В цифрах количество накопленных органических отходов в России составляет не менее 250 млрд тонн. Для утилизации органических отходов в настоящее время повсеместно используются традиционные биологические методы преобразования отходов в полезные продукты - органоминеральные удобрения (ОМУ) - с последующим их вывозом на поля. Однако все биологические методы - компостирование, отстой жидкой органики в лагунах, биогазовые и т.п. - небыстрые, характерное время переработки в
ОМУ исчисляется неделями и месяцами. Помимо больших занимаемых, как правило открытых, площадей, отходы ухудшают экологическую обстановку в округе, распространяя зловоние и отравляя водоемы.
В условиях России с ее относительно холодным климатом применение и интенсификация биологических методов также требует дополнительных энергетических и операционных затрат - и все же за неимением лучших их пока приходится применять. Существенной особенностью сельскохозяйственных отходов, которые по объему составляют более 80% всех видов органических отходов, является их высокая влажность на уровне 7595%. Из-за этого известный процесс прямого сжигания отходов для получения тепловой или электрической энергии также оказывается неэффективным - затраты на сушку обычно превышают ту энергию, которую можно получить из органической составляющей этих отходов.
Поскольку существующие в настоящее время технологии утилизации органических отходов практически подошли к пределу своих возможностей, свежий инновационный подход к решению проблемы становится необходимым. Поиск и разработка других, более эффективных способов переработки жидких сельскохозяйственных отходов в наше время является актуальной задачей.
Сущность инновационного подхода, выполняемая задача. Согласно нормативным документам НТП 17-99 «Нормы технологического проектирования систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета» [1] имеются определенные требования к системам утилизации крупнотоннажных сельскохозяйственных отходов.
«...п. 1.3. Проекты «Систем» должны разрабатываться на базе современных прогрессивных технологий, технических решений технологического оборудования, обеспечивающих:
- экономичность строительства и эксплуатации сооружений;
- подготовку и использование всех разновидностей навоза, его фракций и помета в качестве органического удобрения сельско-
хозяйственных угодий и почвы непосредственно или путем производства комплексных органических или органоминеральных удобрений;
- переработку навоза и помета в высококачественные органические удобрения, биогумус и для получения вторичных продуктов;
- безотходную переработку и максимальное использование всех видов навоза и помета для внесения в почву;
- выполнение зооветеринарных и санитарно-гигиенических требований эксплуатации животноводческих и птицеводческих предприятий при минимальных расходах воды;
- гарантированную охрану окружающей природной среды от загрязнения навозом, пометом и продуктами их переработки;
- высокий уровень механизации и автоматизации производственных процессов удаления и подготовки навоза и помета к использованию».
Целью настоящей работы является разработка оборудования, полностью удовлетворяющего указанным в нормативном документе требованиям по переработке органических отходов и значительно превышающего по основным показателям существующее. До настоящего времени в сельском хозяйстве традиционно, а также исходя из имеющихся на местах технических возможностей, никакие методы утилизации органических отходов, кроме естественных биологических, практически не рассматривались и не применялись.
При подготовке ОМУ биологическими методами одним из основных тормозов оперативной переработки жидкого навоза является необходимость его стерилизации, т.е. уничтожения в нем болезнетворных и других вредных микроорганизмов, спор, семян сорных растений и т. п. В полученную стерильную среду впоследствии при необходимости могут быть специально внесены полезные микроорганизмы, которые, не встречая конкуренции, образуют полноценные ОМУ. В естественных условиях стерилизация (или обеззараживание) происходит в основном
термическим способом за счет длительной выдержки в этих условиях. Низкая скорость стерилизации при биологическом получении ОМУ связана с относительно низкой температурой обеззараживания, поскольку эта температура создается метаболизмом самих участвующих в этом процессе микроорганизмов. Здесь максимальные температуры составляют не более 70-80°С, и даже длительные экспозиции при таких температурах не всегда могут гарантировать полную стерилизацию. Однако имеются вредные микроорганизмы, споры, семена сорных растений, которые выдерживают и значительно более высокие температуры, вплоть до 150°С. Например, споры сибирской язвы выдерживают температуры свыше 130°С, в почве они могут существовать многие сотни лет. Заметим, что в медицинских учреждениях стерилизацию материалов и инструмента проводят в соответствии с нормативными документами при температурах не ниже 135°С.
Существует множество способов стерилизации органических веществ - химические (реагенты), электромагнитные (СВЧ, высокое напряжение, электронные пучки и т.п.), радиационные, ударными волнами, кавитацией и т. д. Общим недостатком всех этих методов является возможность сохранения в ряде случаев активных микроорганизмов и спор в закрытых зонах, а также относительная дороговизна и трудность обработки больших объемов подвергаемого стерилизации органического материала (скажем, обработки круглосуточно 10 м3/ч и более). В то же время существует универсальный, общепризнанный Санэпидслужбой и другими надзорными ведомствами, дающий 100% эффект стерилизации и обезвреживания, термический способ, заключающийся в нагреве обрабатываемой среды до достаточно высоких температур и выдержке при такой температуре определенного количества времени. Данный метод, как выше отмечалось, практически используется в интенсивных биологических методах получения ОМУ - при компостировании отходов (температура до 70°С) и при биогазовых технологиях (температура до 60°С). Нагрев осуществляется,
главным образом, за счет жизнедеятельности микроорганизмов. Длительность экспозиции составляет от нескольких дней до нескольких недель.
Оперативно эффективную стерилизацию можно произвести и за более короткое время, если поднять температуру стерилизации выше 120-150°С. Однако, чтобы не допустить испарения или сушки обрабатываемого материала, давление при переработке нужно повышать до 1-2 МПа. В медицинских учреждениях для стерилизации используют автоклавы с давлением до 1 -2 МПа, а стерилизацию проводят в течение нескольких минут при температурах выше 130°С. Считается, что указанного режима достаточно для полной стерилизации биомассы и применяемых материалов (бинтов, хирургического инструмента, шприцов и т.п.). Однако для стерилизации навозных стоков прямое применение данного метода нецелесообразно по двум причинам:
- большие энергетические затраты (пример: нагрев 1 т жидкого навоза на 100°С в час даже без испарения воды требует подвода мощности W = 4,2 (кДж/(кг-град)) х 100 (град) х 1000 (кг/ч) / 3600 (с/ч) = 140 (кВт);
- опасность вторичного заражения, если пути загрузки и выгрузки сырья и продукта из автоклава смогут пересекаться в случае переработки больших масс отходов, что возможно в условиях сельскохозяйственного производства.
С учетом разумного времени загрузки, нагрева, охлаждения и отбора получаемых стерильных продуктов полный периодический цикл будет длиться не менее нескольких часов и сопровождаться значительными энергозатратами. Заметим, что установки подобного типа в настоящее время широко применяются в России для утилизации трупов зараженных животных и птиц (например, инсинераторы типа «Турмалин»).
Опытно-промышленная установка номинальной производительностью 75 м3 жидкого навоза в сутки. Максимально удовлетворить требованиям НТП 17-99 можно лишь в процессе непрерывной переработки отходов, когда скорость переработки отхо-
дов будет превышать (с учетом неравномерности поступления отходов) скорость их образования. Реально производительность промышленного оборудования должна быть не менее 1 тонны отходов в час.
Созданная опытно-промышленная установка «САНИТ-75» позволяла в непрерывном режиме перерабатывать 3 тонны отходов в час или 75 тонн отходов в сутки. При этом полностью исключалась возможность контакта потока исходного сырья со стерилизованными продуктами на любой стадии процесса стерилизации (ввод сырья и вывод стерилизованного продукта производились по разным каналам). Еще одним главным условием работы установки была минимизация затрат энергии, как тепловой, так и электрической, для процесса стерилизации. Последнее условие может быть выполнено, когда тепловая энергия выходящего из стерилизатора потока стерилизованного продукта будет в максимальной степени отдавать теплоту сырому продукту, и основной нагрев сырья будет происходить в системе рекуперативных теплообменных аппаратов.
Имея большой практический опыт переработки жидкого навоза при повышенных давлениях, в том числе в сверхкритических условиях, мы сразу пошли на создание демонстрационной опытно-промышленной установки достаточно высокой производительности. Основные технические параметры установки приведены в таблице 1.
Установка работала следующим образом: жидкий свиной навоз с избыточным давлением до 2,4 МПа, создаваемым шнековым насосом, подавался через специальную систему теплообменных аппаратов в проточную стерилизационную камеру. Гидродинамическая система включала в себя также проточный электрический нагреватель проходящего сырья, соответствующие клапаны, регуляторы давления и температуры [5]. Установка имела в своем составе автоматическую систему запуска, которая обеспечивала предварительную стерилизацию гидродинамического тракта (озоном), а также АСУТП для работы установки в автоматическом стационарном режиме.
Таблица 1. Основные технические характеристики _установки_
Параметр Величина
Номинальная производительность по свиному навозу влажностью 85-99% 75 м3/сутки или 3 м3/ч
Температура стерилизации Регулируемая в диапазоне от 80 до 170°С
Время нахождения навоза в стерилиза-ционной камере Регулируемое от 3 до 10 минут
Режим работы Непрерывный, круглосуточный
Предполагаемый ресурс работы основных узлов в номинальном режиме До 10 лет при условии выполнения соответствующих регламентных работ по насосному агрегату гидродинамической системы
Вес установки Не более 2,5 тонн
Габариты установки 1,5 х 1,5 х 4,5 м3
Вариант исполнения Передвижной (для кузова длин-нобазной «ГАЗели»)
Выход на рабочий режим с предварительным обеззараживанием озоном составлял в зависимости от установленной температуры стерилизации 2-3 часа, останов мог проводиться автоматически в течение 30 минут.
Результаты промышленных испытаний. Первоначально установка «САНИТ-75» была апробирована в Малопургинском районе Удмуртии на свинокомплексе «Искра».
Рис. 1. Пусконаладочные работы на свинокомплексе в Удмуртии
Проводились замеры энергетических характеристик установки, а также исследовалась эффективность стерилизации жидкого свиного навоза путем взятия проб для бактериологического анализа. Испытания показали высокую (100%) эффективность стерили-
зации при минимальных энергетических затратах даже при температурах в стерилиза-ционной камере 130°С и экспозиции при данной температуре примерно 5 минут. Время нахождения навоза в установке составляло около 30 минут. В таблице 2 приведены типичные замеры потребляемой электрической мощности от температуры стерилизации.
Таблица 2. Типичные энергетические _характеристики установки_
№ Температу- Входная Выходная Полная по-
заме ра стери- темпера- темпера- требляемая
ме- лизации, °С тура, °С тура, °С мощность, кВт
ра
14 130 8 11 14
21 150 8 13 20
28 120 10 13 14
32 170 10 17 25
Эти испытания проводились поздней весной 2014 г., жидкий навоз отбирался от навозохранилища, и температура навоза на входе в установку составляла 8-10°С. Потребляемая шнековым насосом мощность составляла около 2 кВт. Остальная мощность уходила на поддержание высокой температуры в сте-рилизационной камере. Эксперименты показали, что на данной установке средние удельные затраты на стерилизацию жидкого навоза составляли в зависимости от заданного режима работы 5-8 кВт-ч/т навоза (для сравнения, на автоклавной установке затраты составили бы примерно 140 кВт-ч/т). Затраты электроэнергии можно существенно уменьшить, если перейти к другому источнику тепловой энергии для стерилизации, например, газу. Тогда электроэнергия потребовалась бы только для прокачки навоза через установку, т. е. 2 кВт-ч на тонну навоза [6].
По приглашению Союзного государства Россия - Беларусь установка из Удмуртии немедленно переехала в г. Мозырь Гомельского района Республики Беларусь (рис. 2) для участия в XII Республиканском экологическом форуме и последующих промышленных испытаниях на крупнейшем в Беларуси свинокомплексе «Заря». Установка работала на данном комплексе в течение нескольких недель, и результаты прежних испытаний в Удмуртии были здесь подтверждены.
Рис. 2. Разгрузка установки на свинокомплексе «Заря», Беларусь
Установка продемонстрировала свою работоспособность и высокие параметры в промышленных условиях. После проведенных испытаний установка была перевезена в г. Минск для участия в Международном Экологическом форуме (Energy Expo-2014) и сопутствующей конференции. Демонстрация установки в Беларуси неизменно вызывала большой интерес как среди работников сельского хозяйства, так и среди представителей руководства республики. Белорусские коллеги высоко оценили инновационность решения проблемы утилизации органических отходов и перспективы ее применения не только в сельском хозяйстве, но и для решения муниципальных проблем утилизации иловых осадков сточных вод, применения в торфяной промышленности и в пищевых производствах.
Обсуждение результатов испытаний.
Главный результат испытаний - подтверждена возможность быстрой эффективной стерилизации крупнотоннажных органических отходов на примере жидких навозных стоков. Удельные затраты электрической энергии на стерилизацию складываются из затрат на прокачку навоза, тепловых потерь из-за выноса теплоты вместе со стерилизованным навозом, потерь теплоты через теплоизоляцию в окружающую среду и составляют на данной опытно -промышленной установке: затраты на прокачку навоза - 1,5-2,0 кВт-ч/м3 навоза; потери теплоты за счет выноса вместе с потоком стерилизованного навоза - 4-7 кВт-ч/м3; потери теплоты через теплоизоляцию установки (оценка) - менее 2 кВт. Опыт работы в производственных условиях на
данной опытно-промышленной установке позволяет дать прогноз относительно параметров перспективных серийных установок данного типа.
Параметры перспективных серийных установок для термической стерилизации жидких навозных стоков:
- возможная производительность передвижных единичных модулей (не требующих капитального строительства, годных к транспортировке) стерилизационных установок - от 0,5 до 100 т/ч (10-2500 т/сутки);
- габариты установок - до 1000 т навоза в сутки в пределах 2х5х2 м ; до 2500 т навоза в сутки в пределах 2,2х6х3,5 м . При производительности до 100 т/сутки допустимо ставить электрический нагреватель, который может входить в состав установки. При большей производительности желательно ставить внешний газовый или дизельный нагреватель, который целесообразно оформлять отдельным блоком. Вес установок (без газового нагревателя) - от 1,5 до 10 т.
Удельные затраты энергии: при температуре стерилизации до 120°С
- на прокачку - 2 кВт-ч/т навоза;
- на нагрев электричеством - 4 кВт-ч/т навоза;
- на нагрев природным газом - 0,5-1,0 м3/т навоза.
при температуре стерилизации до 170°С
- на прокачку - 2 кВт-ч/т навоза;
- на нагрев электричеством - 7 кВт-ч/т навоза;
- на нагрев газом 1,0 - 1,5 м3/т навоза.
Ресурс работы основного оборудования
(не включая стандартный насос и стандартный внешний газовый нагреватель) - не менее 10 лет. Нужно заметить, что установки данного типа могут найти применение и для оперативной стерилизации биомассы павших животных, в том числе инфицированных свиной чумой, птичьим гриппом и т.п. Большая производительность, мобильность и малые операционные затраты делают их исключительно эффективными при ликвидации эпидемий среди животных. Подробные описания работы наших установок типа «СА-НИТ», возможности их применения, резуль-
таты испытаний на свинокомплексе в Беларуси можно найти в оперативных публикациях белорусских коллег, например [2,3,4].
Заключение. О перспективности применения разработанных установок непрерывной переработки в ОМУ животноводческих отходов можно судить по данным, приведенным в таблице 3.
Таблица 3. Сравнительные характеристики
эффективности различных технологий переработки жидких навоза и помета в ОМУ
Параметр Биологические методы (компостирование, биогаз и т.п.) Автоклавный метод Непрерывный инновационный метод
Температура стерилизации, оС 20-70 70-200 70-200
Давление в стерилизаторе, МПа 0,1 1-2 1-2
Время стерилизации от 1 недели до 1 года до 5 часов до 1 часа
Гарантия полноты стерилизации Нет Да Да
Удельные затраты энергии на тонну ОМУ Мало 100-200 кВгч 5-10 кВгч
Занимаемая площадь под модуль 100 Большая Небольшая Малая
Экологические проблемы Большие Нет Нет
Стоимость изготовления и обслуживания Средняя Малая Малая
Проверенный на опытно-промышленной установке инновационный способ непрерывной переработки в ОМУ жидких органических отходов может полностью решать экологические проблемы предприятий практически с любыми объемами отходов при минимальных энергетических затратах. Данная технология по сравнению с другими известными технологиями наилучшим образом удовлетворяет положению 1.3. основного действующего в сельском хозяйстве нормативного документа НТП 17-99 «Нормы технологического проектирования систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета».
Литература:
1. Нормы технологического проектирования систем удаления и подготовки к использованию навоза и помета: НТП 17-99. М., 2001.
2. Ключенович В.И., Ходин В.В. Инновационные подходы в области переработки органических отходов // Экология производства. 2014. № 11. С. 68-71.
3. Иванов Ю.А., Миронов В.В. Экологичное животноводство, проблемы и вызовы // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2015. № 87. С. 35-48.
4. Международный энергетический и экологический форум «Энергетика. Экология. Энергосбережение. Электро». Минск, 2014.
5. Термохимическая конверсия органического сырья / Чижиков А.Г. и др. М., 2012. 245 с.
6. Мировой опыт и перспективы развития / Копытов В.В. и др. М., 2013.
Literatura:
1. Normy tekhnologicheskogo proektirovaniya sistem udaleniya i podgotovki k ispol'zovaniyu navoza i pometa: NTP 17-99. M., 2001.
2. Klyuchenovich V.I., Hodin V.V. Innovacionnye pod-hody v oblasti pererabotki organicheskih othodov // Eko-logiya proizvodstva. 2014. № 11. S. 68-71.
3. Ivanov YU.A., Mironov V.V. Ekologichnoe zhivotno-vodstvo, problemy i vyzovy // Tekhnologii i tekhniches-kie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2015. № 87. S. 35-48.
4. Mezhdunarodnyj energeticheskij i ekologicheskij forum «Energetika. Ekologiya. Energosberezhenie. Elektro». Minsk, 2014.
5. Termohimicheskaya konversiya organicheskogo syr'ya / CHizhikov A.G. i dr. M., 2012. 245 s.
6. Mirovoj opyt i perspektivy razvitiya / Kopytov V.V. i dr. M., 2013.
ENERGY-EFFICIENT MOBILE COMPLEX FOR ORGANIC WASTE STERILIZATION Y.A. Kozhevnikov, candidate of technical sciences S.V. Pashkin, doctor of physical- and- mathematical sciences M.S. Turgenbaev, candidate of technical sciences A.N. Rusakov, candidate of technical sciences FGBNY FNAC VIM
Abstract. Experimental-and-industrial equipment for large-capacity liquid organic waste's sterilization is developed and manufactured. This equipment was successfully tested on Russian and Belarusian pig farms, the positive comments were received. The equipment to the maximum extent meets the NTP 17-99 normative documents "Norms of technological design of systems for manure and dung removal and preparation for using" and significantly exceeds the existing one in terms of main indicators. The developed equipment for industrial productivity is been prepared. The tests showed high (100%) sterilization efficiency at minimum energy costs even at 130°C of temperatures in the sterilization's chamber and at this temperature's exposure for about 5 minutes. The manure spend time in this unit about 30 minutes was amounted. The main result of these tests- the large-capacity organic waste's rapid effective sterilization possibility on the liquid manure effluents' example was confirmed. The electrical energy for sterilization's specific cost of manure pumping, heat losses due to the heat removal together with sterilized manure, heat losses through thermal insulation to the environment are consisted. Units of this type for dead animals biomass, including swine fever, avian influenza infected, etc, rapid sterilization can be used. High productivity, mobility and low operating costs make them extremely effective at epidemics among animals eliminating. Keywords: organic waste, sterilization, innovation, organic and mineral fertilizers, pilot unit.
