ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОСТИРУЕМОГО МАТЕРИАЛА В ПРОЦЕССЕ БИОФЕРМЕНТАЦИИ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 631.338.92:631.861

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОСТИРУЕМОГО МАТЕРИАЛА В ПРОЦЕССЕ БИОФЕРМЕНТАЦИИ

Михаил Сергеевич Колдин

кандидат технических наук, доцент [email protected] Иван Павлович Криволапов

кандидат технических наук, доцент

[email protected]

Мичуринский государственный аграрный университет

г. Мичуринск, Россия

Аннотация. В статье представлены результаты теоретических исследований процессов компостирования отходов животноводства с определением теплопроводности компостируемого материала при поточном способе производства и с учётом конструктивных особенностей установок модульного типа. Исследования позволяют определить значения параметров удельного тепловыделения смеси и коэффициента теплообмена термоизоляционного слоя. Проведен анализ факторов влияющих на процесс саморазогрева компостируемой смеси. По результатам исследований будут проверены и уточнены оптимальные конструктивные параметры элементов установок ускоренного компостирования.

Ключевые слова: органические удобрения, соломонавозная смесь, стадии компостирования, биоферментация, установка, удельное тепловыделение, теплоизоляционный слой.

На сегодняшний день на территории Российской Федерации разной степени очистки и переработки необходимо подвергнуть более 440 млн. тонн навоза и стоков в год. Применение только минеральных удобрений для повышения плодородия 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. тонн 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 (рисунок 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 период Т=5.„10 суш стадия обеззараживания период Т=5_7 сут стадия дозреЬания период Т=10.„20 сут

механическое перенешиЬание наЙо:а с Й.тцапагтианщим материалом с уклоЗкой смеси 6 Йурты на открытых птщаЭках отношение углероЭа к азату "N=2530 Влажность смеси \'!=(Б% ЬыдержиЙаниЕ компастируЕмой смЕси 6 условиях аэрации 1. йиофЕрмЕнтоция суйсгпрато 6 аэрационных компостирующих устанаЙках 6 рыхлом состоянии; 2. перейийка суйстрата с памицьга рыхлитега йуртой оптимальная Влажность к=Ы165% транспартироЙка а хранение аОнсраОной компастируемай массы В Йургпах под найесап или на открытых плпщпЗках Влажность компостной смеси

размножение мезафильных микроорганизмов ссморазгрей компостируемой массы ас температуры ЬЗй.ВБ'С актиЙьсе ЁыЙЕЛЕние гпеплоЙой энергии размножение термофильных микроорганизмов рост тЕмпЕратуры компастируемай массы За значений 1=55_751 уЙеличение Йыйеляемой теплоЙсй энергии, уничтожение патогеноЙ закрепление питательных ЙещестЬ-азот, фосфора калий снижение температуры продукта За значений 1=30_'»Б"11 естесгпЙеннае кислпраднае насыщение, стуртуризация компасто

Рисунок 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°). Данные установки позволяют значительно сократить сроки переработки до 7-10 суток, 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 [6-8]:

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

2. Эффективная теплопроводность капиллярно-пористых тел зависит от влажности смеси.

3. Значительное влияние на эффективную теплопроводность материала оказывает теплопроводность газового микрозазора между частицами

дисперсионного материала.

Согласно проведенным исследованиям [5], задав краевые условия и текущие значения координат смеси х; у; 2 параметров времени т, влажности Ж при решении ряда уравнений, изменение теплопроводности определяется функцией:

t = f(x;y;z;W;т; Пу;Ув),

где ПУ - пористость смеси; ув - средняя скорость воздуха, проходящего через смесь.

Определить данную функцию в явной форме аналитическим путем не представляется возможным. Поэтому, приняв во внимание, что в процессе компостирования соломонавозных смесей критической фазой является период разогрева до температуры обеззараживания (55оС), необходимо рассмотреть данный процесс на основе уравнения теплового баланса.

Выделившаяся в процессе компостирования теплота Qoб за период т будет расходоваться непосредственно на нагрев соломонавозной смеси Qa от температуры Тсм1 до температуры Тсм2, теплообмен с окружающей средой Qmеn, на нагрев проходящего через смесь воздуха Qвоз, 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:

Qоб = Qa + Q теп + Q воз + Q ИСП' (1)

где Qoб - общее тепловыделение соломонавозной смеси, Дж/с; Qa -активное тепловыделение в соломонавозной смеси, Дж/с; Qтеn - потери теплоты на теплообмен с окружающей средой, Дж/с; Qвоз - потери теплоты на нагрев воздуха, нагнетаемого в компостируемую смесь, Дж/с; Qucn - потери теплоты на парообразование, Дж/с.

Активное тепловыделение в соломонавозной смеси определяется по выражению:

Са _ шсм • ссм • (Тсм2 Тсм1^ (2)

где тсм - масса компостируемой соломонавозной смеси, кг; ссм - удельная теплоемкость соломонавозной смеси, Дж/(кг-°С); Тсм2 - конечная температура солонавозной смеси, °С; Тсм1 - начальная температура соломонавозной смеси, °С.

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

Зоб = ™см • 9см • ^ (3)

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

Потери теплоты на теплообмен с окружающей средой составят:

Степ = / • (Твн - Тн), (4)

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

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

Своз СВОЗ • ^воз • (^воз2 — ^воз1), (5)

где сеоз - удельная теплоемкость воздуха, Дж/(кг-°С); твоз - количество воздуха, прошедшего через соломонавозную смесь за время компостирования, кг; Твоз2 - конечная температура воздуха, °С; Твоз1 - начальная температура воздуха, °С.

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

Сисп ^см • • ^, (6)

где км> - 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:

тсм • 9 см • т = тсм • ссм • (^см2 - 7^1 ) + ^ • О^вн — Тн) +

+ своЗ • ^воз • (^воз2 - ^воз1) + ^см • • ^ (7)

Если принять следующие допущения Тсм2=Твн=Твоз2 и Тсм1=Тн=Твоз1, то выражение (7) запишется как:

тсм • 9см • т = тсм • ссм • (^см2 - ^см1) + ^ • (^см2 - ^см1) +

+своз • твоз • (^см2 - ^см1) + тсм • • ги (8)

После математических преобразований уравнение теплового баланса примет вид:

гр _гр тсм ' Чем ' 7 ~ тсм ' ' Ги /д\

Тсм2 _ Т см1 + , (9)

т • с +1 + т • с

см см воз воз

Из выражения (8) можно также найти значения параметров удельного тепловыделения дсм и коэффициента теплообмена термоизоляционного слоя /, при которых будет происходить процесс саморазогрева соломонавозной смеси:

q > (Тсм 2 ~ Тсм1) • (Щм • + > + твоз • ) + mCT • kW • Гц (10)

I<< mсм 'Чсм 'т m° 'kw 'Гц -m • с -m • с (11)

'Г 'Г см см воз воз V /

см 2 см1

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

Список литературы:

1. Колдин М.С., Алёхин А.В. Исследование параметров процесса биоферментации соломонавозных смесей в компостирующих установках // 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. Завражнов А.И., Колдин М.С., Миронов В.В. Обоснование поточной технологии ускоренного компостирования отходов на фермах КРС //

Вестник МичГАУ. №1. Мичуринск: Изд-во Мичуринского госагроуниверситета, 2006., с. 162-170.

3. Биореактор для переработки подстилочного навоза, помета в органическое удобрение и биогаз / В.Д. Хмыров, Д.В. Гурьянов, В.С. Калинин, А.И. Иосифов // Стратегии и тренды развития науки в современных условиях. 2020. № 1 (6). С. 77-79.

4. Установка для компостирования / Завражнов А.И., Капустин В.П., Миронов В.В., Колдин М.С., Никитин П.С. // Патент на полезную модель РФ № 71116. Приоритет от 06.07.2007.

5. Хмыров В.Д., Гурьянов Д.В., Куденко В.Б. Уборка и переработка помета в органическое удобрение // Наука и Образование. 2021. Т. 4. № 3.

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

7. Колдин М.С. Исследование теплофизических свойств соломонавозных смесей при компостировании / Вестник Всероссийского научно-исследовательского института механизации животноводства. 2012. № 4 (8). С. 4852.

8. Хмыров В.Д., Гурьянов Д.В., Куденко В.Б. Технология переработки помета в органическое удобрение // Аграрный научный журнал. 2021. № 12. С. 127-129.

UDC 631.338.92:631.861

DETERMINATION OF THERMOPHYSICAL CHARACTERISTICS OF COMPOSTED MATERIAL IN THE PROCESS OF BIOFERMENTATION

Mikhail S. Koldin

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

[email protected] Ivan P. Krivolapov Candidate of Technical Sciences, Associate Professor

[email protected] Michurinsk State Agrarian University Michurinsk, Russia

Annotation. The article presents the results of theoretical studies of the processes of composting animal waste with the determination of the thermal conductivity of the composted material in a flow production method and taking into account the design features of modular installations. The studies allow to determine the values of the parameters of the specific heat release of the mixture and the heat transfer coefficient of the thermal insulation layer. The analysis of the factors influencing the process of self-heating of the composted mixture was carried out. According to the results of the research, the optimal design parameters of the elements of accelerated composting plants will be checked and refined.

Key words: organic fertilizers, straw manure mixture, composting stages, biofermentation, installation, specific heat release, heat-insulating layer.

Статья поступила в редакцию 15.02.2022; одобрена после рецензирования 10.03.2022; принята к публикации 25.03.2022.

The article was submitted 15.02.2021; approved after reviewing 10.03.2022; accepted for publication 25.03.2022.