Исследование теплопроводности компостируемого материала при поточном способе производства органических удобрений Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 631.338.92:631.861 DOI 10.24412/2311-6447-2023-4-272-276

Исследование теплопроводности компостируемого материала при поточном способе производства органических удобрений

Study of the thermal conductivity of compostable material using the flow method for the production of organic fertilizers

Доцент M.C. Колдин, доцент В.Ю. Ланцев, доцент С.В. Соловьев, Мичуринский государственный аграрный университет, кафедра транспортно-технологических машин и основ конструирования, тел. +7 (47545)3-88-15, mikheyev@mgau. ru

профессор К.А. Манаенков (ORCID 0000-0002-1348-6770), Мичуринский государственный аграрный университет, кафедра стандартизации, метрологии и технического сервиса тел. +7 (47545) 3-88-15, ingfak@mgau. г и

доцент И.П. Криволапов (ORCID 0000-0002-1348-6770) Мичуринский государственный аграрный университет, кафедра технологических процессов и техносферной безопасности тел. 8-910-854-57-49, ivan0068(gibk.ru

Associate Professor M.S. Koldin, Associate Professor V.Yu. Lantsev, Associate Professor S.V. Soloviev,

Michurinsk State Agrarian University, chair of Transport and Technological Machines and Design Fundamentals, tel. +7 (47545) 3-88-15, rnikheyevfemgau.ru

Professor K.A. Manaenkov, Michurinsk State Agrarian University, chair of standardization, metrology and technical service tel. +7 (47545) 3-88-15, ingfakfg),mgau.ru

Associate Professor I.P. Krivolapov Michurinsk State Agrarian University, chair of Technological Processes and Technosphere Safety tel. 8-910-854-57-49, [email protected]

Аннотация, В статье рассмотрены теоретические исследования процессов компостирования отходов животноводства с определением теплопроводности компостируемого материала при поточном способе производства и с учётом конструктивных особенностей установок модульного типа. Результаты позволяют определить значения параметров удельного тепловыделения смеси и коэффициента теплообмена термоизоляционного слоя, при которых будет происходить процесс саморазогрева компостируемой смеси. Это позволит определить оптимальные конструктивные параметры элементов установок ускоренного компостирования.

Abstract. В статье рассмотрены теоретические исследования процессов компостирования отходов животноводства с определением теплопроводности компостируемого материала при поточном способе производства и с учётом конструктивных особенностей установок модульного типа. Результаты позволяют определить значения параметров удельного тепловыделения смеси и коэффициента теплообмена термоизоляционного слоя, при которых будет происходить процесс саморазогрева компостируемой смеси. Это позволит определить оптимальные конструктивные параметры элементов установок ускоренного компостирования.

Ключевые слова: компостирование, теплопроводность, органическое удобрение

Keywords: composting, thermal conductivity, organic fertilizer

На сегодняшний день на территории Российской Федерации разной степени очистки и переработки необходимо подвергнуть более 440 млн т навоза и стоков в год. Применение только минеральных удобрений для повышения плодородия

(О М.С. Колдин, В.Ю. Ланцев, С.В. Соловьев, К.А. Манаенков, И.П. Криволапов, 2023

позволяет лишь в ограниченной степени компенсировать вынос азота, фосфора, калия и других макро- и микроэлементов из почвы, особенно на стадии роста растений, вместе с тем, переработка термофильными бактериями только трети указанного объема отходов позволит дополнительно дать сельскому хозяйству страны свыше 5 млн т азота, фосфора и калия, которых так не хватает пахотным землям. Недостаток органических компонентов приводит к замедлению процессов формирования благоприятных физических свойств среды, ее водного, воздушного и теплового режимов; активизации микробиологической деятельности. Поэтому для улучшения обменных процессов активных веществ и устранения дефицита гумуса в почве существует необходимость применения органических удобрений в виде компостов [1].

Компосты могут быть получены в результате разложения различных органических веществ под влиянием деятельности микроорганизмов с соблюдением технологических, режимных параметров и условий переработки [2], которые включают в себя следующие стадии (рис. 1):

- смешивание исходного сырья (навоз) и компонентов (влагопоглощающий материал) в необходимых пропорциях;

- предварительное выдерживание смеси в буртах на открытых площадках;

- выдерживание смеси в установках модульного типа [3] с обеспечением процесса биоферментации (активная аэрация) перерабатываемого материала в теплоизолированных условиях;

- дозревание компоста в буртах под навесом или открытых площадках с однократным рыхлением.

стадии процесса компотироЬания

стадия адаптации НериоЗ Т=5..,10 суш стаЗия обеззараживания период Т=5...7 суш стадия дозребания период Т=10...20 сут I I I

!

механические перемешибсние на&пза с Йлогопаглащасщим материалам с у^лоЗкой смеси 6 Зурты но открытых площаЭках отношение углероЗа к озоту [ N=25-30 влажность смеси И=65% ЙыЗерхиЁание комппстируемш смеси 6 услобиях азраиии 1. Зиоферментоция субстрата Й аэраципнных кампашируотих устшовках й рыхлом состоянии, 2. герейибко суйстрота с помощью рыхлите/н Йуртоб оптимальной Ёлохность У=60..65% рН=6._7,5 тронспартироЙка и хрснение аЭнороЭнай компостируемой массы 6 Йуртах паВ нпСесам или на открытых плащоЗкак блахнпсть компостной смеси и=ии5% I I I I I I 1

! I

размножение мезафи/ъных миф ас р гони зм об. ссморозгреЙ котпстируемои массы За тетеротуры Ь5й.55'С активное быЗеление теплобой энергии размножение термофильных мжраоргониэмоб. рост тежерстуры компостируемой массы За знтенш Ь55_75'С увеличение йыйеляемой теплобой эиргии, уничтожение патогенов закрепление питательных бещестб озот, фосфор, каши снижение теппфсшуры продукта За значений Ь30_Уэ"[ естественное кис/юроЗное насыщение, стуртуризоция компоста 1 I 1 1 I ! 1

1 ] 1 1 1

Рис. 1. Стадии протекания процесса компостирования поточным способом При компостировании в органической массе повышается содержание доступных растениям элементов питания, обезвреживается патогенная микрофлора, уменьшается количество пектиновых веществ, удобрение становится сыпучим, что облегчает его внесение в почву. Для достижения экономического и экологического соответствия применяемых технических средств и технологий необходимо учитывать характерные особенности процессов компостирования, которые могут рассматриваться как процессы биологического окисления органического вещества с повышенными значениями температуры и влажности; так и физико-механические

процессы с изменением значений плотности и пористости перерабатываемого материала.

Наиболее перспективным способом приготовления компостов с заданными свойствами является высокотемпературная аэробная биоферментация отходов животноводства в вертикальных компостирующих установках (ВКУ) [3,4].

Процесс биоферментации компостируемой смеси влажностью 60-65 % в данных установках осуществляется путем ее аэрации в теплоизолированных условиях (температура разогрева массы составляет 55-70 °С). Данные установки позволяют значительно сократить сроки переработки до 7-10 сут., получить готовый продукт высокого агрохимического качества, обеспечить поточность и непрерывность производства.

Наряду с этим, теплофизические свойства компостируемых смесей являются определяющими факторами в выборе технологических приемов и технических средств при производстве органических удобрений. Даже простое перечисление всех видов процессов тепло- и массопереноса при компостировании соломонавозной смеси делает очевидным тот факт, что эффективная теплопроводность такой системы является сложнейшей функцией многих параметров: температуры, давления газа, химического состава материала и газа, пористости, размеров частиц и пор, степени черноты и температуры граничных поверхностей, коэффициента аккомодации поверхности частиц по отношению к газу наполнителю и других факторов [5].

Одним из основных допущений, общепринятых при рассмотрении процессов переноса теплоты и массы в дисперсионных средах при определенных условиях, является предположение о совокупности различных механизмов переноса теплоты в таких средах и в связи с этим о возможности пренебрежения тем или иным видом переноса теплоты в определенных условиях. В общем случае анализ многочисленных экспериментальных данных и теоретических исследований позволяет выявить следующие качественные закономерности переноса теплоты в капиллярно-пористых телах и дисперсных средах:

Теплопроводность материала частиц капиллярно-пористых тел не оказывает решающего влияния на эффективную теплопроводность.

Эффективная теплопроводность капиллярно-пористых тел зависит от влажности смеси.

Значительное влияние на эффективную теплопроводность мате-риала оказывает теплопроводность газового микрозазора между частицами дисперсионного материала.

Согласно проведенным исследованиям [5], задав краевые условия и текущие значения координат смеси х; у; z, параметров времени г, влажности W при решении ряда уравнений, изменение теплопроводности определяется функцией:

t = f(x; у; г; W; Т; Пу; VE)

>

где Г1\ - пористость смеси; ve - средняя скорость воздуха, проходящего через смесь.

Опреде-лить данную функцию в явной форме аналитическим путем не представляется возмож-ным. Поэтому, приняв во внимание, что в процессе компостирования соломонавозных смесей критической фазой является период разогрева до температуры обеззараживания (55 °С), необходимо рассмотреть данный процесс на основе уравне-ния теплового баланса.

Выделившаяся в процессе компостирования теплота Q0e за период г будет расходоваться непосредственно на нагрев соломонавозной смеси Qa от температуры Tcmi до температуры Тсм2, теплообмен с окружающей средой Qmen, на нагрев проходящего через смесь воздуха Qeo3, а также на испарение влаги Qucn. Баланс разогрева будет положительным (процесс саморазогрева) в том случае, если выделение теплоты при разложении органического вещества будет превышать ее потери во внешнюю среду. Математически это запишется в виде следующего выражения, которое будет являться уравнением теплового баланса компостируемой соломонавозной смеси:

Сой — Qa + Степ + Своз + Снш

где Qoo - общее тепловыделение еоломонавозной смеси, Дж/с; Qa - активное тепловыделение в еоломонавозной смеси, Дж/с; Qmen- потери теплоты на теплообмен с окружающей средой, Дж/с; Qeoa - потери теплоты на нагрев воздуха, нагнетаемого в компостируемую смесь, Дж/с; Qvm - потери теплоты на парообразование, Дж/с.

Активное тепловыделение в еоломонавозной смеси определяется по выражению:

С a = тсм " Ссм " (ТемЗ — TCHi,i

где тем - масса компостируемой еоломонавозной смеси, кг; сы - удельная теплоемкость еоломонавозной смеси, Дж/(кг-°С); Тсм2 - конечная температура солонавозной смеси, °С; Tcmi - начальная температура еоломонавозной смеси, °С.

Общее количество теплоты, выделенное в процессе компостирования еоломонавозной смеси, определяется из выражения:

Саб = " Чем ' т

где qcM- удельное тепловыделение еоломонавозной смеси, Дж/(кг-с); т - период компостирования, с.

Потери теплоты на теплообмен с окружающей средой составят:

Степ ' ' (TEH ^-hJ

где I - коэффициент теплообмена термоизоляционного слоя, Вт/(м2-ч); Твн и Тн - температура внутренней и наружной поверхности термоизоляционного слоя соответственно,

оС_ -

Количество теплоты, которое израсходовано на нагрев поступающего в компостируемую соломоиавозную смесь воздуха, определится по выражению:

Севе = cebs " твв5 " (^*воз2 _ J ebsI^1

где Се.оз - удельная теплоемкость воздуха , Дж/(кг-°С); ггьзоз - количество воздуха, прошедшего через соломонавозную смесь за время компостирования, кг; Твсв2 - конечная температура воздуха, °С; Teo3i - начальная температура воздуха, С.

Количество теплоты, поглощенное при испарении воды, определится из выражения:

Сисп = mcrt" Kw " Ги

где kw — отношение количества испарившейся воды к массе смеси, кг/кг; ги — удельная теплота парообразования, Дж/кг.

Подставив в уравнение теплового баланса (1) выражения (2), (3), (4), (5) и (6), получим:

тсп ' Ясп ' т = тсп ' Ссм ■ ~ ) + 1 ■ 'Твн — Тк) +

+ СВВЗ " ШЕОЗ " (^В032 ~ ^BOi-l) + тем " ^W " Г21 j

Если принять следующие допущения Тсм2=Твн=Твоз2 и ТСм1=ТИ=Тв0з1, то выражение (7) запишется как:

тсм ' Qcm. " Т = mcrt ■ Cm ■ 'XCKZ - 7"см1) + J ' (Хсм2 ~ ^cMl) + "^СЕВз" mE(B " (Тсм2 ~~ ^Cfrtl) mCM " ^W '^U

После математических преобразований уравнение теплового баланса примет вид:

Т =Т +

см 2 см 1

тсм-Чсм-Т-тсм-кП'-Ги

m ■с +l + m ■с

см см воз воз 1р.,

(У)

Из выражения (8) можно также найти значения параметров удельного тепловы-

деления qcM и коэффициента теплообмена термоизоляционного слоя I, при которых будет происходить процесс саморазогрева соломонавозной смеси:

(ТсМ2 ~ Тс,Л ) • К,, • Ссм + / + meos ■ Сеоз ) + ЩМ ' К ' ГП

Чем >

(10)

I « см 1см-^—^—и--т ■с -т ■с

Г£ rjn СМ СМ воз воз

см 2 см1

В выражения (9), (10) и (11) входят теплофизические характеристики соломо-навозных смесей (удельная теплоемкость и удельное тепловыделение), которые необходимо определить опытным путем.

ЛИТЕРАТУРА

1. Колдин М.С. Исследование параметров процесса биоферментации соломо-навозных смесей в компостирующих установках / М.С. Колдин, A.B. Алёхин // Сборник научных трудов: Инновационные подходы к разработке технологий производства, хранения и переработки продукции растениеводческого кластера. Материалы Всероссийской научно^-практической конференции. Мичуринск, 2020. С. 164-169.

2. Колдин М.С. Обоснование поточной технологии ускоренного компостирования отходов на фермах КРС / А.И. Завражнов, М.С. Колдин, В.В. Миронов / / Вестник МичГАУ. №1- Мичуринск: Изд-во Мичуринского госагроуниверситета, 2006., с. 162-170.

3. Патент на полезную модель № 71116 U1 Российская Федерация, МПК C05F 3/06. установка для компостирования : № 2007125749/22 : заявл. 06.07.2007 : опубл. 27.02.2008 / А. И. Завражнов, В. П. Капустин, В. В. Миронов [и др.] ; заявитель ФГОУ ВПО "Мичуринский государственный аграрный университет", ООО "Мичуринское плодородие"

4. Колдин М.С. Пути совершенствования технологий компостирования органических отходов ферм КРС. / Научные труды ГНУ ВНИИМЖ Россельхозакадемии. 2011. Т. 22. № 3 (3). С. 239-245.

5. Колдин М.С. Исследование теплофизических свойств соломонавозных смесей при компостировании. / Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2012. № 4 (8). С. 48-52.

REFERENCES

1. Koldin M.S. Issledovanie paramétrav processa biofermentacii solomonavoznyh smesej v kompo stir uyu sheh i h ustanovkah / M.S. Koldin, A.V. Alyohin // Sbornik nauchnyh trudov: Innovacionnye podhody k razrabotke tekhnologij proizvodstva, hraneniya i pererabotki produkcii rastenievodeheskogo klastera. Materialy Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii. Michurinsk, 2020. S. 164-169.

2. Koldin M.S. Obosnovanie potochnoj tekhnologii uskorennogo kompostirovaniya othodov na fer m ah KRS / A.I. Zavrazhnov, M.S. Koldin, V.V. Mironov // Vestnik MichGAU. №1- Michurinsk: Izd-vo Michurinskogo gosagrouniversiteta, 2006., s. 162170.

3. Patent na poleznuyu model' № 71116 U1 Rossijskaya Federaciya, MPK C05F 3/06. ustanovka dlya kompostirovaniya : № 2007125749/22 : zayavl. 06.07.2007 : opubl. 27.02.2008 / A. I. Zavrazhnov, V. P. Kapustin, V. V. Mironov [i dr.] ; zayavitel' FGOU VPO "Michurinskij gosudarstvennyj agrarnyj uni ver site t", ООО "Michurinskoe plodorodie"

4. Koldin M.S. Puti sovershenstvovaniya tekhnologij kompostirovaniya organich-eskih othodov ferm KRS. / Nauchnye trudy GNU VNIIMZH Rossel'hozakademii. 2011. T. 22. № 3 (3). S. 239-245.

5. Koldin M.S. Issledovanie teplofizicheskih svojstv solomonavoznyh smesej pri kompostirovanii. / Vestnik Vserossijskogo nauchno-issledovatel'skogo instituía mek-hanizacii zhivotnovodstva. 2012. № 4 (8). S. 48-52.

276