CC BY
105
УДК 636.5:628.477
Д. М. Николаев, Ф. М. Абусев, Н. З. Дубкова, И. А. Дубков, О. В. Иванова
ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ ПТИЦЕФАБРИК В СУХИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ УДОБРЕНИЯ
Ключевые слова: промышленное птицеводство, птичий помет, утилизация отходов, органическое удобрение.
С увеличением производства основной продукции птицеводства в пропорциональных количествах возрастает и поступление органических отходов. Эти отходы пока не могут быть полностью использованы, но представляют огромный потенциал в виде органических компонентов, необходимых для других отраслей российского АПК. Предложен способ получения сухих порошковых органических удобрений из отходов птицефабрик.
Keywords: industrial poultry farming, poultry manure, waste utilization, organic fertilizer.
With the increase in the production of basic poultry products in proportional quantities, the supply of organic waste also increases. These wastes can not yet be fully used, but they represent a huge potential in the form of organic components necessary for other branches of the Russian agribusiness AIC. A method for obtaining dry powder organic fertilizers from waste from poultry farms is proposed.
Интенсификация сельскохозяйственного производства и расширение ареалов сельскохозяйственных угодий привели к росту количества отходов и их воздействия на компоненты природы. Особое внимание заслуживает проблема переработки отходов птицефабрик и ферм, большую долю которых составляет помет. Ежесуточно средняя по масштабам птицеферма производит до 300 тонн помета. Своевременное непринятие принудительно-предупредительных мер по утилизации этих отходов привело к тому, что многие птицефабрики, размещающиеся около крупных городов и поселков, стали оказывать негативное действие на санитарно-экологическое состояние окружающей природной среды. В конечном итоге наносится серьезный экономический, экологический и социальный ущерб не только сельскохозяйственным землям, но и жителям близлежащих населенных пунктов.
Утилизация органических отходов птицеводческих хозяйств представляет собой серьезную проблему, связанную с их химическим составом. Птичий помет относится к 3 классу токсичности; кроме этого, в помете развивается патогенная микрофлора. Отходы птицеводства остаются одними из основных факторов распространения инфекционных и инвазионных заболеваний в районе их нахождения.
Существующие способы утилизация отходов птицеводческих хозяйств путем естественного микробиологического сбраживания малоэффективны в связи с длительностью периода утилизации и выделением сравнительно небольшого количества биогаза в единицу времени. Утилизация таких отходов в каскаде очистных сооружений весьма затратна.
Разработка и внедрение высокоэффективных технологий, обеспечивающих технологичную утилизацию помета приобретают важное значение в вопросах охраны природы, повышения безопасности труда обслуживающего персонала, сохранения здоровья населения и повышения рентабельности производства.
Предлагается способ получения сухих порошковых органических удобрений с использованием вибрационной сушилки-мельницы [1, 2] . Он может быть использован для ликвидации многолетних
накоплений пометных стоков, при производстве сухого помета, поступающего из клеточных батарей. Разумеется, затраты на получение сухого помета будут тем меньше, чем ниже влажность пометной массы [16].
Отличительной особенностью технологического процесса следует отметить экологическую безопасность производства, отсутствие использования вла-гопоглощающих компонентов (торф, древесные опилки, солома и др.), минимальные площади объемов застройки, высокое качество получаемых органических удобрений.
Способ получения порошков в вибрационной сушилке - мельнице [3] предполагает измельчение продукта в процессе сушки мелющими телами, загружаемыми в аппарат, что обеспечивает более интенсивный период постоянной скорости сушки практически до полного высушивания продукта, а перемешивание всей загрузки - за счет вибрационного воздействия способствует интенсификации теплообмена.
Совмещение стадий сушки и измельчения является перспективным направлением решения проблемы интенсификации существующих порошковых технологий [4,5,6]. Измельчение продукта мелющими телами постоянно обновляет поверхность испарения со свободной влагой. Вибрационное перемешивание способствует выравниванию температуры и влажности во всем объеме загрузки и интенсификации теплообмена. Совмещение процессов сушки, измельчения и интенсивного перемешивания резко сокращает время проведения процесса.
После переработки жидкого помета получается сухой порошок, а сточная вода (конденсат) направляется на очистные сооружения для последующей очистки и обеззараживания.
Непрерывная вибрационная сушилка-мельница состоит из корпуса, представляющего собой горизонтальный секционированный перфорированный перегородками 4 барабан 1 (рис.1) имеющий тепло-обменную рубашку 2.
Корпус последней секции барабана имеет отверстия для выхода теплоносителя из рубашки в корпус. Барабан установлен на упругих опорах 5, име-
ющих одинаковую жесткость в вертикальном и горизонтальном направлениях, обеспечивающих круговые колебания корпуса, для создания которых к корпусу прикреплен двухмассный инерционный вибратор 3.
Загрузочное устройство, состоит из расходного бункера 6, загрузочного рукава 7 и патрубка для отвода сушильного агента 8. Загрузочный рукав выполнен в виде двух коаксиальных цилиндров, изготовленных из гибкого материала, причем внутренний цилиндр перфорирован по всей длине, а внешний - сплошной, присоединен к штуцеру 8 для выхода сушильного агента. Сушильный агент подается в рубашку 2 через штуцер 12, выгрузка готовой продукции происходит через перфорированную торцевую стенку 10 корпуса, патрубок 11 и затвор 13.
10 4 2 1 7 t. s
Рис. 1 - Непрерывная вибрационная сушилка-мельница: 1 - корпус; 2 - теплообменная рубашка; 3 - инерционный вибратор; 4 - перегородки секций; 5 - упругие опоры; 6 - загрузочный бункер; 7 - загрузочный рукав; 8 - патрубок отвода сушильного агента; 9 - мелющие тела; 10 - торцевая стенка корпуса; 11 - выгрузочный патрубок; 12 - штуцер подачи; 13 - затвор сушильного агента
Вибрационная шаровая сушилка-мельница работает следующим образом.
Подготовленное сырье загружается в расходный бункер 6 и через загрузочный рукав 7 попадает в барабан 1. При этом в бункере и загрузочном рукаве находится исходное сырье для поддержания в начале барабана коэффициента заполнения 1.
Инерционный вибратор 3 приводит корпус в круговое колебательное движение. Амплитуда колебаний устанавливается соответствующей массой дебаланса, а угловая частота колебаний - числом оборотов вала вибратора. Загрузка при этом приводится в состояние интенсивного перемешивания, что способствует эффективному теплообмену между нагретой стенкой корпуса и загрузкой. Вибрация корпуса приводит загрузку во взвешенное состояние и создает условия обдува частиц по всей их поверхности теплоносителем, проходящим через весь корпус в режиме противотока, обеспечивая интенсивное удаление как испарившейся поверхностной влаги частиц при их контакте с нагретой стенкой корпуса так и влаги, удаляемой при конвектив-
ном теплообмене между сушильным агентом и измельчаемыми частицами загрузки.
Сушильный агент (горячий воздух) подается в теплообменную рубашку через штуцер 12 и нагревает корпус барабана, а, дойдя до перфорированной зоны барабана, попадает внутрь последнего - в зону конвективного теплообмена. Увеличение площади сечения движения сушильного агента при переходе из рубашки в корпус значительно снижает его скорость, способствуя более полному и длительному во времени теплообмену между ним и частицами, находящимися во взвешенном состоянии, что интенсифицирует процесс сушки. Сушильный агент, пройдя через весь корпус, попадает в зону, полностью заполненную исходным влажным продуктом, где предварительно нагревает его и полностью отчищается от уносимой мелкой фракции готового порошка, которая налипает на влажную поверхность частиц исходного продукта при прохождении через поры между ними. Очищенный, охлажденный и насыщенный парами влаги сушильный агент удаляется через штуцер 8.
Готовый сухой продукт удаляется через перфорированную торцевую стенку 10 последней секции, выгрузочный люк 11 и затвор 13, исключающий выход сушильного агента.
Время контакта теплоносителя с загрузкой определяет скорость сушки. При этом интенсивность сушки значительно зависит от времени пребывания сырья в аппарате и перемешивающей способности вибрационного аппарата. Процесс перемешивания состоит из двух элементов: циркуляция загрузки вокруг его центра тяжести и взаимопроникновения частиц между слоями циркуляционного потока за счет прохождения упругих волн, возникающих при вибрации корпуса. Интенсивность этих элементов зависит от параметров вибрации, и определяет время пребывания загрузки внутри аппарата.
Исследование движения загрузки в непрерывном вибрационном аппарате проводилась на лабораторной установке (рис.2). Две трубы длиной в пять диаметров каждая жестко соединены между собой в вертикальной плоскости, имеют загрузочные и выгрузочные отверстия и продольный разъем на 1/3 радиуса в верхней части. Конструктивно элементы связи выполняют роль каркаса, на которых смонтирован инерционный вибратор и упругие опоры, соединяющие каркас со штангами, жестко закрепленными к основанию.
Дебаланс инерционного вибратора выполнен в виде двух дисков со смещенными отверстиями для их соединения между собой и посадки на вал вибратора. Поворот дисков относительно друг друга позволяет изменять эксцентриситет центра масс дисков. При этом меняется величина дебалансного момента, что определяет амплитуду колебаний корпуса. Произведена тарировка амплитуды колебаний корпуса в зависимости от угла относительно поворота дисков. Амплитуда измеряется ручным вибрографом ВР-1.
Рис. 2 - Лабораторный непрерывный вибрационный смеситель: 1 - корпус смесителя; 2 - каркас для крепления корпусов; 3 - инерционный вибратор; 4 - упругие опоры; 5 - ременная ступенчатая передача; 6 - опорные штанги; 7 - перегородки
Частота колебаний корпуса изменяется соответствующим передаточным отношением ступенчатой ременной передачи с помощью сменных шкивов. Числа оборотов вала вибратора регистрируются стробоскопом СТ-5.
Коэффициент заполнения корпуса регулируется установкой соответствующих перегородок 7, обеспечивающих требуемое значение параметра.
Для описания характера потока внутри аппарата используется принцип «черного ящика» [7] и определяется распределение времени пребывания трассера в непрерывном вибрационном смесителе. При установившемся выходном потоке гранулированного полиэтилена белого цвета, подаваемого дозирующим устройством в смеситель, наносится импульсное возмущение введением трассера в виде определенного количества черных гранул того же материала в поток на входе в аппарат. Время выхода каждой частицы на всех режимах работы вибросмесителя фиксируется и рассчитывается функция распределения времени пребывания (С-кривая).
Обработка С-кривых позволила определить среднее время пребывания (т) материала в аппарате при различных рабочих параметрах (А , а , кзап) установки. В каждом опыте измерялась производительность (пропускная способность <2) аппарата.
По производительности и габаритам смесителя с учетом коэффициента заполнения корпуса рассчитана средняя линейная скорость транспортировки
материала (Ш'ь). Оценка точности результатов исследования произведена сравнением реальной (800
мм) и расчетной (Ь = т ■ ) длин аппарата. Сред-
неквадратичное отклонение составляет £ = +0,186 или М = +0,0064 м (+8% ).
Методом Брандона найдены уравнения зависимости среднего времени пребывания, производительности и средней скорости движения материала в корпусе от рабочих параметров. Данные зависимости были проверены на адекватность сравнением расчетных и табличных значений критериев Фишера. По этим уравнениям можно выбрать параметры вибрации для данных габаритов корпуса, позволяющие обеспечить время пребывания, требуемое для сушки сырья с различной начальной влажностью до требуемой конечной, при соответствующей производительности.
Результаты опытов, которые проводятся при различных значениях амплитуды и коэффициента заполнения представлены в виде кинетических кривых (рис.3).
о 10О2ао:т^)зпЕпе7ао8оояп
Оаиын
Рис. 3 - Кинетические кривые смешения непрерывного вибрационного смесителя
Из экспериментальных данных можно сделать заключение, что наилучшее перемешивание имеет место при рабочих параметрах смесителя, лежащих в пределах : кзап = 0,5 - 0,7 ; А = 0,6 - 0,83 мм; а = 367 рад/с, что соответствует значениям критериев параметрического П1 = 8,4 -11,86 и Фруда Fr = 8,1 -11,4 .
Комплексная оценка производственной технологической линии сушки птичьего помета показала, что этот способ промышленной переработки помета может быть использован на птицефабриках яичного и мясного направлений различной мощности. Безусловно, основной приоритет следует отдать тем птицефабрикам, которые для содержания и выращивания птицы используют клеточные батареи.
Помимо реального экономического эффекта в птицеводческом хозяйстве будет обеспечено надежное экологическое благополучия из-за отсутствия источника загрязнения окружающей природной среды - птичьего помета, а растениеводческие хозяйства будут иметь возможность увеличения урожайности сельскохозяйственных культур за счет повышения плодородия своих полей.
Литература
1. Патент РФ № 2064477. БИ № 21, 1996.
2. Свидетельство на полезную модель RU 14649. БИ №22, 10.08.2000.
3. Патент РФ № 2229340. БИ № 15, 27.05.2004.
4. Н.З. Дубкова З.К. Галиакберов, Н.А. Николаев, Исследование кинетики сушки при получении порошков из растительного сырья, ХиПСС, Ж., №2, , c.23-24. (2002)
5. Н.З. Дубкова. Вестник Казанского технологического университета, Т. 17, № 19, 274-276. (2014)
6. Н.З. Дубкова, Дубков И.А., Галиакберов З.К, Николаев А.Н. Вестник Казанского технологического университета, № 19, 105-108. (2012).
7. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. Химия, Москва, 1976. 463 с.
© Д. М. Николаев, магистрант кафедры оборудования пищевых производств ФГБОУ ВО «КНИТУ»; Ф. М. Абусев, магистрант той же кафедры; Н. З. Дубкова, к.т.н., доцент той же кафедры; И. А. Дубков, к.т.н., доцент той же кафедры; О. В. Иванова, к.т.н.,доцент той же кафедры, [email protected].
© D. M. Nikolaev, Candidate for a Master's degree, Department of Food Production Equipment, Kazan National Research Technological University; F. M. Abusev, Candidate for a Master's Degree, the same Department; N. Z. Dubkova, c.t.n., docent, the same Department, I. A. Dubkov, c.t.n., docent, the same Department, O. V. Ivanova c.t.n., docent, the same Department, [email protected].
