CC BY
8
УДК 631.22.018: 631.862.2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТРЕБНОГО КОЛИЧЕСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И ПАРАМЕТРОВ СООРУЖЕНИЙ
ЛИНИИ ПОДГОТОВКИ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ЖИДКОГО НАВОЗА С МЕХАНИЧЕСКИМ РАЗДЕЛЕНИЕМ НА ФРАКЦИИ
П.И. Гриднев, доктор технических наук Т. Т. Гриднева, кандидат технических наук
Ииститут механизации животноводства - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ E-mail: vniimzh213 @list.ru
Аннотация. На животноводческих предприятиях с гидравлическими системами уборки навоза образуется навоз влажностью более 96%. Наиболее распространенным способом утилизации такого навоза является предварительное разделение его на фракции с последующим использованием твердой фракции в виде компоста и жидкой - в системе орошения. Экспериментальным путем установлено влияние влажности исходного навоза, диаметра отверстий фильтрующей перегородки и производительности установки на эффективность процесса разделения по сухому веществу и влажность образующейся твердой фракции. Установлено, что при разделении на фракции навоза крупного рогатого скота при уменьшении диаметра фильтрующей перегородки с 2 мм до 0,75 мм обеспечивается наиболее эффективное разделение по сухому веществу. Величина указанного коэффициента достигает 57%. При разделении на фракции свиного навоза влажностью от 94-98,8% увеличение диаметра фильтрующей перегородки с 0,5 мм до 1,5 мм способствует увеличению производительности на 30-50 т/ч, максимальное изменение влажности исходного навоза - увеличению производительности от 9 до 30 т/ч. Определена допустимая производительность аппаратов вихревого слоя для гомогенизации жидкой фракции навоза. Установленные закономерности позволяют для каждого конкретного животноводческого предприятия определить суточный выход жидкого навоза, объемы твердой и жидкой фракций, вместимость хранилищ для карантинирования твердой и жидкой фракций, потребное количество: насосов для транспортирования исходного навоза и жидкой фракции; центрифуг для разделения навоза на фракции; аппаратов вихревого слоя для гомогенизации жидкой фракции.
Ключевые слова: жидкий навоз, твердая фракция, жидкая фракция, центрифуга, карантинная емкость, транспортер, насос, навозохранилище.
Введение. Во всем мире при промышленном производстве продукции животноводства, в особенности свинины и говядины, применяют различные способы гидравлической уборки навоза из помещений. При этом влажность образующегося навоза достигает 96-98%, что крайне нецелесообразно с точки зрения дальнейшего использования его в качестве сырья для производства органических удобрений. В последние годы существенно усовершенствованы системы содержания животных, приготовления и раздачи кормов, гидравлические способы уборки навоза. Все это вместе взятое позволило снизить влажность получаемого навоза до 95-96% [1-5]. Один из перспективных путей утилизации такого навоза базируется на предваритель-
ном механическом разделении его на фракции. Твердая фракция подвергается биотермическому обеззараживанию и используется в качестве удобрения, а жидкая после каран-тинирования и хранения в емкостях - в системах орошения [2,4,6,7,9].
Для эффективного функционирования линии утилизации жидкого навоза применительно к конкретному животноводческому предприятию необходимо определять потребное количество применяемых технических средств с определенными характеристиками, вместимость приемной емкости для исходного навоза, карантинных емкостей для жидкой фракции, хранилищ для карантини-рования твердой фракции и хранения жидкой фракции до момента использования в
системах орошения [4,8,10]. Определяющими факторами для расчета этих параметров являются характеристика животноводческого предприятия и эффективность процесса разделения навоза на фракции по сухому веществу. По первому факту определяется выход навоза с предприятия, по второму -количество и качество образующихся фракций навоза. Кроме того, при низкой эффективности процесса разделения навоза на фракции по сухому веществу (менее 50%) в процессе хранения жидкой фракции образуется плотный слой осадка, который невозможно выгрузить насосным оборудованием. Использование для выполнения этой операции тяжелой мобильной техники приводит к необходимости строительства дорогостоящих хранилищ с бетонным покрытием, снижению эффективности функционирования системы утилизации навоза. Следовательно, для каждого конкретного животноводческого предприятия должна быть определена рациональная структура технологии подготовки к использованию жидкого навоза с механическим разделением его на фракции.
Установлено, что повышение эффективности функционирования системы подготовки навоза для использования на основе ме-
ханического разделения его на фракции может быть обеспечено за счет: создания универсальной машины для одностадийного выполнения процесса; повышения эффективности разделения исходного навоза на фракции по сухому веществу; выполнения технологических требований по влажности твердой фракции навоза и гранулометрическому составу жидкой фракции; оптимизации параметров сооружений для хранения исходного навоза, твердой и жидкой фракции [5,9-12].
Кроме того, для сокращения сроков хранения жидкой фракции, а следовательно, и затрат на строительство хранилищ, обусловленных ветеринарно-санитарными требованиями, целесообразно изыскать способ и технические средства для ускоренного обеззараживания жидкой фракции.
Цель исследований - разработать методологическое обоснование потребности в технических средствах и параметров сооружений линии подготовки к использованию жидкого навоза с механическими разделением его на фракции.
Материалы и методы. Принципиальная схема линии подготовки жидкого навоза к использованию с механическим разделением его на фракции представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Принципиальная схема технологии
подготовки к использованию бесподстилочного навоза на основе механического разделения его на фракции:
1 - трубопровод подачи исходного навоза;
2 - приемный резервуар исходного навоза; 3 - насосы для перемешивания и подачи
навоза в цех разделения; 4 - цех разделения навоза
на фракции; 5 - центрифуги для разделения навоза на фракции; 6 - самотечный коллектор для жидкой фракции навоза; 7 - распределительная камера; 8 - карантинные емкости для жидкой фракции; 9 - насос для перекачки жидкой фракции; 10 - аппарат для вихревого слоя для гомогенизации и обеззараживания жидкой фракции; 11, 12 - накопители жидкой фракции; 13 - карантинные емкости для твердой фракции навоза; 14 - транспортер для выгрузки твердой
фракции навоза из цеха разделения
11/
Согласно предложенной схеме, исходный навоз из животноводческих помещений по напорному трубопроводу подается в приемный резервуар, совмещенный с цехом разделения. Из приемного резервуара предварительно перемешанный навоз подается в центрифуги. Жидкая фракция после центрифуг самотеком отводится через распределительную камеру в карантинные емкости, твердая - транспортером выгружается на площадку для временного хранения, а затем периодически бульдозером загружается в карантинные емкости.
После карантинирования твердая фракция мобильным транспортером вывозится на полевые площадки для биотермического созревания, жидкая фракция насосом забирается из карантинных емкостей, подается в аппарат вихревого слоя для гомогенизации и обеззараживания и далее загружается в накопители. Из накопителей жидкая фракция по мере необходимости насосами подается в систему орошения. При экспериментальных исследованиях процесса разделения навоза на фракции производительность центрифуги определяли по времени выгрузки требуемого объема исходного навоза из приемного резервуара. Выход жидкой фракции определяли по уровню заполнения промежуточной емкости. Влажность исходного навоза и его отдельных фракций определяли по ГОСТ 26713-85, потребляемую мощность электропривода - в соответствии с ГОСТом 9999-94 (МЭК 258-68).
Результаты исследований и обсуждение. Основным параметром, определяющим состав оборудования линии механического разделения навоза на фракции, размеры площадки для карантинирования твердой фракции, вместимость емкостей для жидкой фракции, является выход навоза с предприятия.
Суточный выход экскрементов от животных определяется по формуле:
Уф (1)
где Ы] - количество животных в у'-й половозрастной группе, гол.; г - порядковый номер помещения; - количество половозрастных групп в помещении, шт.; qj - суточ-
ная норма выхода экскрементов от животного у'-й половозрастной группы, кг/гол;' - код группы.
Помимо экскрементов в навоз попадает вода. Суточный расход воды определяется по формуле:
^ = ^ • Щ, (2)
где - суточная норма расхода воды на одно животное '-й группы, кг/гол.
Суточное количество навоза, образующегося на предприятии, определяется суммой экскрементов и воды:
тн = Уф , + Щ . (3)
При разделении навоза массу каждой фракции определяют по формулам: тн(Шн-Ш2)
тл = -;
т2 = тн — т1, (4)
где тн, т1, т2 - соответственно масса исходного навоза и его фракций, кг; Шн, , Ш2 - соответственно влажность навоза и его фракций, %.
Отечественными и зарубежными учеными установлено, что эффективность процесса разделения навоза на фракции зависит от физико-механических характеристик исходного навоза и конструктивных особенностей применяемого для этих целей технического средства [5,6,7,9,11]. В нашем случае предлагается выполнять процесс разделения на центрифуге фильтрующего типа. При этом определяющей величиной производительности процесса помимо характеристик исходного навоза является диаметр отверстий фильтрующей перегородки.
Определить производительность центрифуги и эффективность процесса разделения навоза на фракции без проведения дополнительных экспериментальных исследований не представляется возможным. Кроме того, необходимо учитывать требования к процессу разделения навоза на фракции - влажность твердой фракции не более 80%, эффективность разделения по сухому веществу не менее 50% [4,8,9,10]. Основные результаты экспериментальных исследований процесса разделения навоза на фракции представлены на рисунках 2-5.
<^J> J
0,75 1 1,25 1,5 1,75 с!, мм
Рис. 2. Влияние диаметра отверстий фильтрующей перегородки на производительность центрифуги при разделении на фракции навоза крупного рогатого скота: 1 - "Мц^^З0/«; 2 - "Мц^ЗД0/«; 3 - "исх.=96,4%; 4 - "исх.=97,5%; 5 - "исх.=98,25%
Анализ экспериментальных данных, представленных на рисунке 2, показывает, что при разделении на фракции навоза крупного рогатого скота производительность центрифуги в пределах исследуемых величин зависит от влажности исходного навоза в меньшей степени, чем от диаметра отверстий фильтрующей перегородки. Так, с изменением диаметра отверстий от 0,75 до 2,0 мм при исследуемых значениях влажности исходного навоза (от 94,3 до 98,2%) производительность центрифуги изменяется на 2840 т/ч, а повышение влажности исходного навоза с 94,3 до 98,2% дает максимальное увеличение производительности при диаметре отверстий фильтрующей перегородки в 2 мм только на 22 т/ч.
При меньшем диаметре отверстий фильтрующей перегородки обеспечивается наиболее эффективное разделение исходного навоза по сухому веществу. С уменьшением влажности исходного навоза эффективность разделения его увеличивается. Максимального значения коэффициент разделения достигает при влажности исходного навоза 94,3% и диаметре отверстий фильтрующей перегородки 0,75 мм. При этом величина указанного коэффициента достигает 57%.
Кроме вышеперечисленных зависимостей важное значение для качественной оценки технологий механического разделения навоза на фракции имеют влажность твердой и
жидкой фракций и удельная энергоемкость процесса (рис. 3). Результаты производственных испытаний показали, что в пределах исследуемых значений диаметра отверстий фильтрующей перегородки (0,75-2,0 мм) и влажности исходного навоза (94,398,2%) влажность твердой фракции практически зависит только от производительности установки.
w„/
\ w,
w
40 50 60 70 0, т/ч
Рис. 3. Зависимости удельных энергозатрат, влажности твердой и жидкой фракции от производительности центрифуги при разделении
на фракции навоза крупного рогатого скота (^.сх=95,5%, d=1,5 мм)
С увеличением производительности от 40 до 80 т/ч влажность твердой фракции увеличивается с 72 до 82%, при этом удельная энергоемкость процесса снижается с 0,55 до 0,29 кВтт/ч. Производительность центрифуги не оказывает существенного влияния на влажность жидкой фракции, при исследуемых режимах она находится в пределах 96,298,8%. Влажность твердой фракции навоза оказывает влияние на интенсивность биотермического процесса разложения беззольного вещества в процессе хранения.
Исследованиями установлено, что при влажности твердой фракции 72,6% необходимая для обеззараживания температура внутри бурта достигается на пятые сутки. При увеличении влажности твердой фракции до 84,3% период достижения требуемой температуры увеличивается до 11 суток. Однако следует отметить, что при соблюдении требований по формированию буртов (высота, ширина, время и т.д.) биотермический процесс обеззараживания (разложения беззольного вещества) устойчиво протекает во все
периоды года при влажности твердой фракции не более 84,3%.
4
0,5 0,75 1 1,25 Л, мм
Рис. 4. Влияние диаметра отверстий фильтрующей перегородки на производительность центрифуги
при разделении на фракции свиного навоза:
1 - ,№исх=94%; 2 - ,№исх=95,6%; 3 - ,№ш;х=97,5%;
4 - ,№ИСх.=98,8%
Анализ экспериментальных данных по определению влияния диаметра отверстий фильтрующей перегородки и влажности исходного свиного навоза на производительность центрифуги, представленных на рис. 4, показывает, что с увеличением диаметра отверстий фильтрующей перегородки от 0,5 до 1,5 мм производительность увеличивается на 30-50 т/ч. При этом, как и при разделении на фракции навоза крупного рогатого скота, на производительность центрифуги в исследованном диапазоне наиболее существенное влияние оказывает диаметр отверстий фильтрующей перегородки, а не влажность исходного навоза. Максимальное изменение влажности исходного навоза дает увеличение производительности от 9 до 30 т/ч.
Необходимая эффективность разделения навоза по сухому веществу (не менее 50%) обеспечивается при диаметре отверстий фильтрующей перегородки не более 1,0 мм. При влажности исходного навоза Wиcx=94% возможно использование перегородки с диаметром отверстий до 1,5 мм. При всех исследованных режимах разделения свиного навоза на фракции влажность твердой фракции удовлетворяет требованиям по надежному обеспечению процесса биотермического разложения органического вещества (рис. 5). С
увеличением производительности центрифуги от 40 до 100 т/ч удельная энергоемкость процесса разделения свиного навоза на фракции уменьшается от 0,48 до 0,25 кВтт/ч.
- уу„/
--
0.2 -- 50
40 50 60 70 0, т/ч
Рис. 5. Зависимости удельных энергозатрат, влажности твердой и жидкой фракции от производительности центрифуги при разделении на фракции свиного навоза ^исх.=97,5%, d=1,0 мм)
Результаты выполненных исследований позволили установить ряд эмпирических зависимостей, необходимых при проектировании технологий и технических систем для механического разделения на фракции жидкого навоза и стоков. Допустимая производительность установки для разделения навоза на фракции при различных диаметрах отверстий фильтрующей перегородки может быть рассчитана по зависимостям:
- навоз крупного рогатого скота:
^^ = 94,3%:
01 = - 7,9695d2 + 42,1297d + 5,55243; (5) = 95,1%:
02 = - 10,4786d2 + 53,144d + 2,06388; (6)
Wз = 96,4%:
03 = - 16,92Ш2 + 72,43Ш - 6,11806; (7) = 97,5%:
04 = - 16,6648d2 + 73,47Ш - 3,46608; (8) = 98,2%:
05 = - 25,066Ы2 + 97,2709d - 14,4393; (9)
- свиной навоз:
Wl = 94%:
01 = - 19,4286d2 + 67,257Ы + 12,3; (10) = 95,6%:
02 = - 27,4286d2 + 92,457Ы + 2,8; (11)
Wз = 97,5%:
03 = 4,57143d2 + 42,057Ы + 24,6; (12) = 98,8%:
04 = - 22,857Ы2 + 94,5143d + 8,6. (13)
Влажность жидкой и твердой фракций навоза и удельная энергоемкость процесса разделения в зависимости от производительности могут быть определены по зависимостям:
- навоз крупного рогатого скота ("исх = 95,5%):
"ж = 98,4333 + 0,006666670; (14)
"т = 0,00033333303 - 0,0714248602 + 5,08810 - 39,5571; (15)
Кд. = 0,00017142902 - 0,02697140 + 1,35286; (16)
- свиной навоз ("исх=97,5%):
"ж = 98,4333 + 0,006666670; (17)
"т = - 0,0041269802 + 0,7711110 + 42,9016; (18)
Кд. = 3,49206 10-5 02 + 0,008422220 -0,75073. (19)
Экспериментальным путем установлено, что эффективность процесса обработки жидкой фракции навоза в аппаратах вихревого слоя в значительной мере зависит от массы ферромагнитных частиц, загруженных в рабочую зону аппарата, их геометрических размеров и соотношения их диаметра и длины. Наибольшая производительность обработки жидкой фракции навоза в 22,0 т/ч достигается при диаметре ферромагнитных частиц 1,6 мм, соотношении длины и диаметра 16 и массе загруженных ферромагнитных частиц 350 г. Таким образом, для любого животноводческого предприятия по предложенным зависимостям определяется количество образующегося жидкого навоза. С соблюдением требований по эффективности разделения навоза на фракции по сухому веществу и влажности получаемой твердой фракции определяется производительность центрифуги и допустимый диаметр отверстий фильтрующей перегородки. Далее определяется потребное количество центрифуг для обработки суточного объема навоза при работе в одну смену, количество насосов для подачи исходного навоза на разделение, объемы образующихся твердой и жидкой фракций. В соответствии с нормами технологического проектирования рассчитывается вместимость хранилищ для карантинирования твердой и жидкой фракций. Для каждой
фракции - по три раздельных хранилища на шестисуточный выход [4]. Зная производительность аппаратов вихревого слоя, можно рассчитать их потребное количество из соображений обработки суточного количества жидкой фракции за одну смену.
Выводы.
1. Необходим ыми требован ия ми для процесса механического разделения жидкого навоза на фракции являются эффективность разделения по сухому веществу не менее 50% и влажность получаемой твердой фракции не более 80%.
2. При заданных конструктивных параметрах предлагаемой для выполнения процесса разделения центрифуги достижение требований по эффективности процесса и влажности твердой фракции возможно обеспечить, изменяя диаметр отверстий фильтрующей перегородки и производительность по исходному навозу.
3. Используя установленные экспериментальным путем зависимости по производительности процесса разделения навоза на фракции и диспергирования (гомогенизации) жидкой фракции на аппаратах вихревого слоя, представляется возможным определить потребное их количество для обработки суточного объема навоза при условии работы в одну смену.
4. Закономерности по объемам образующихся твердой и жидкой фракций позволяют определять вместимость хранилищ для их карантинирования в соответствии с действующими нормами проектирования.
Литература:
1. Стратегия развития механизации и автоматизации животноводства на период до 2030 г. М., 2015. 149 с.
2. Технологические требования к новым техническим средствам в животноводстве. М., 2010. 108 с.
3. Иванов Ю.А., Гриднев П.И. Направления развития фундаментальных исследований по проблемам механизации производства продукции животноводства // Вестник ВИЭСХ. 2017. № 4(29). С. 56-62.
4. Методические рекомендации по проектированию систем удаления, обработки, обеззараживания, хранения и утилизации навоза и помета: РД-АПК 3.10.15.01 -17. М., 2017. 153 с.
5. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Основные направления совершенствования технологий и технических средств для уборки навоза из помещений и подготов-
ки его к использованию // Техника и оборудование для тела. 2012. № 3(177). С. 20-25.
6. Киров Ю.А. Повышение эффективности рабочего процесса сгущения навозных стоков в гидроциклоне // Техника и оборудование для села. 2012. № 3. С. 25-28.
7. Киров Ю.А. Обоснование конструктивных и режимных параметров флотационной установки для разделения на фракции и очистки навозных стоков // Техника и оборудование для тела. 2012. № 2. С. 17-20.
8. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Экологическая оценка технологий откорма свиней // Вестник РСХН. 2015. № 6. С. 33-37.
9. Лукьяненко И.И. Центробежное фильтрование свиного навоза // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1975. № 1. С. 19-21.
10. Ковалев Н.Г., Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Научное обеспечение развития экологически безопасных систем утилизации навоза // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2016. № 1(50). С. 62-69.
11. Соколов В.И. Современные и промышленные центрифуги. М.: Машиностроение, 1967. 523 с.
12. Соколов В.И. Центрифугирование. М., 1976. 408 с.
Literatura:
1. Strategiya razvitiya mekhanizacii i avtomatizacii zhi-votnovodstva na period do 2030 g. M., 2015. 149 s.
2. Tekhnologicheskie trebovaniya k novym tekhniches-kim sredstvam v zhivotnovodstve. M., 2010. 108 s.
3. Ivanov YU.A., Gridnev P.I. Napravleniya razvitiya íUndamental'nyh issledovanij po problemam mekhanizacii proizvodstva produkcii zhivotnovodstva // Vestnik VI-ESKH. 2017. № 4(29). S. 56-62.
4. Metodicheskie rekomendacii po proektirovaniyu sistem udaleniya, obrabotki, obezzarazhivaniya, hraneniya i uti-lizacii navoza i pometa: RD-APK 3.10.15.01 -17. M., 2017. 153 s.
5. Gridnev P.I., Gridneva T.T. Osnovnye napravleniya so-vershenstvovaniya tekhnologij i tekhnicheskih sredstv dlya uborki navoza iz pomeshchenij i podgotovki ego k ispol'zovaniyu // Tekhnika i oborudovanie dlya tela. 2012. № 3(177). S. 20-25.
6. Kirov YU.A. Povyshenie effektivnosti rabochego processa sgushcheniya navoznyh stokov v gidrociklone // Te-khnika i oborudovanie dlya sela. 2012. № 3. S. 25-28.
7. Kirov YU.A. Obosnovanie konstruktivnyh i rezhimnyh parametrov flotacionnoj ustanovki dlya razdeleniya na frakcii i ochistki navoznyh stokov // Tekhnika i oborudovanie dlya tela. 2012. № 2. S. 17-20.
8. Gridnev P.I., Gridneva T.T. Ekologicheskaya ocenka tekhnologij otkorma svinej // Vestnik RSKHN. 2015. № 6. S. 33-37.
9. Luk'yanenko I.I. Centrobezhnoe fil'trovanie svinogo navoza // Mekhanizaciya i elektrifikaciya sel'skogo hozy-ajstva. 1975. № 1. S. 19-21.
10. Kovalev N.G., Gridnev P.I., Gridneva T.T. Nauchnoe obespechenie razvitiya ekologicheski bezopasnyh sistem utilizacii navoza // Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vosto-ka. 2016. № 1(50). S. 62-69.
11. Sokolov V.I. Sovremennye i promyshlennye centrifu-gi. M.: Mashinostroenie, 1967. 523 s.
12. Sokolov V.I. Centrifugirovanie. M., 1976. 408 s.
DETERMINING OF REQUIRED QUANTITY OF TECHNICAL MEANS AND PARAMETERS OF LIQUID MANURE'S
PREPARATION FOR USING WITH MECHANICAL SEPARATION INTO FRACTIONS' LINE P.I. Gridnev, doctor of technical sciences T.T. Gridneva, candidate of technical Sciences IMJ-filial of FGBNY FNAC VIM
Abstract. There on livestock farms with hydraulic manure removing systems content of moisture is more than 96%. The most common way of such manure removing is its preliminary into fractions dividing and the solid fraction in the compost form and liquid- at the irrigation system using. The influence of the initial manure moisture content, the filter partition's holes diameter and the installation's producing on the separation process for dry matter and the humidity of the formed solid fraction efficiency was experimentally established. It was found that at cattle manure into fractions dividing, at the filter partition's diameter from 2 mm to 0,75 mm reducing, the most effective separation by dry matter is provided. The value of the specified ratio is as high as 57%. At pig manure into fractions of dividing at a humidity from 94-98,8%, filter's partition diameter from 0,5 mm till 1,5 mm increasing, the productivity in 30-50 t/h is increased, the original manure's humidity maximum changing by productivity from 9 till 30 t/h increasing is promoted. The vortex layer devices performance for manure liquid fraction permissible homogeniza-tion is determined. The established regularities allow the liquid manure daily output for each specific livestock enterprise, solid and liquid fractions volume's storage capacity for quarantining solid and liquid fractions, the required number of pumps for initial manure and its liquid fractions' transporting; centrifuges for manure into fractions dividing; vortex layer devices for liquid fraction's homogenizing to determine.
Keywords: liquid manure, solid fraction, liquid fraction, centrifuge, quarantine container, conveyor, pump, manure storage.
