CC BY
15Перспективные устройства и технологии утилизации помёта клеточного содержания птиц
Сидыганов Юрий Николаевич,
д.т.н. профессор, ФГБОУ ВО «Поволжский государственный технологический университет»
Онучин Евгений Михайлович,
к.т.н. доцент, ФГБОУ ВО «Поволжский государственный технологический университет», пл. Ленина, дом 3, 424000 г.Йошкар-Ола, Россия
Рыбаков Павел Андреевич,
магистрант, ФГБОУ ВО «Поволжский государственный технологический университет», [email protected]
Выполнен обзор и анализ основных технологий утилизации куриного помёта клеточного содержания при промышленном птицеводстве, дана оценка их эффективности и сделаны выводы по перспективам их применения, на основе сформулированных требований к производительности, ресурсо-ёмкости и экологичности процесса утилизации. Одним из перспективных способов, отвечающим данным требованиям является термическая утилизация помёта (сжигание). Данный способ обладает высокой производительностью и позволяет существенно сократить объёмы отходов промышленного птицеводства и тем самым снизить затраты на дальнейшее их обращение. Анализ практического опыта показал, что специально разработанные устройства для сжигания подстилочного и клеточного помёта в практической деятельности не используются. Поэтому, учитывая актуальность данного направления, необходимо создать специальное устройство. В связи с этим рассмотрены основные устройства для сжигания отходов промышленного птицеводства. Установлено, что необходима разработка взаимосвязанной специализированной технической системы, которая будет обеспечивать предварительную подсушку избытка влаги отходов промышленного птицеводства, гранулирование и его высокотемпературное сжигание с рекуперацией энергии.
Ключевые слова: птицефабрика, помёт клеточного содержания птиц, технология, устройство, твёрдое топливо, твёрдые взвешенные вещества, сжигание.
Актуальность развития перспективных технологий и технических средств для утилизации куриного помёта обуславливается тем, что отходы промышленного птицеводства, относящиеся к III классу опасности [1], требуют применения эффективных мер для обеспечения экологической безопасности территорий, на которых расположены предприятия индустриального птицеводства. В настоящее время под временное хранение птичьего помёта занято не менее 2 млн. га земель, при этом отходы птицефабрик являются естественной средой развития личинок мух, яиц гельминтов, патогенной микрофлоры, а также источником выделяемых в атмосферу, почву, поверхностные и грунтовые воды вредных веществ. Неприятные запахи распространяются от отвалов куриного помёта на большие расстояния. Всё это приводит к нарушениям экосистемного баланса окружающей среды [7].
На территории Российской Федерации по данным Министерства сельского хозяйства Российской Федерации на 2017 г. по всем категориям птиц [6] действует 643 средних и крупных птицефабрики, на которых содержится 465,2 млн. голов птиц. В Республике Марий Эл работает 7 птицеводческих хозяйств: ООО «Птицефабрика Акашевская», ЗАО «Марийское», ООО «Крестьянское подворье - АГРО», ООО «Племенная птице - фабрика Линдовская», ООО птицефабрика «Птичий двор», ООО «Птицефабрика Звениговская», СПК Птицефабрика «Горномарийская». Суммарное поголовье птиц в этих крупных и средних хозяйствах составляет 8,382 млн. голов [11]. По сравнению с 2016 г. прирост поголовья всех категорий птиц на территории РФ на 2017 г. составил 27,4 млн., а в Республике Марий Эл 193 тыс. голов. С каждым годом наблюдается прирост поголовья и соответственно отходов промышленного птицеводства, и отсюда возникает острая проблема утилизации куриного помёта, которая до сих пор не решена в полном объёме не нашла эффективного решения.
Цель: На основе анализа способов и технических средств для утилизации птичьего помёта выявить наиболее перспективные технологии для утилизации помёта клеточного содержания птицы.
О
R >
R п
н
и ы
г
о
Задачи: Рассмотреть основные известные способы утилизации птичьего помёта при промышленном птицеводстве, оценить их преимущества и недостатки, влияющие на эффективность при утилизации помёта от клеточного содержания птицы, выполнить анализ существующих технологий и устройств для сжигания отходов промышленного птицеводства и дать оценку их эффективности и перспективности, на основе сформулированных требований к производительности, ресурсоёмкости и экологично-сти.
Критериями для оценки конкурентоспособности технологий и технических средств для утилизации птичьего помёта целесообразно принять показатели, характеризующие производительность процессов (затраты времени), ресур-соёмкость (затраты материальных ресурсов) и экологичность, которая характеризует остаточное негативное воздействие на окружающую среду продуктов утилизации птичьего помёта и побочных выбросов самого технологического процесса [2].
Применительно к производственным процессам промышленного птицеводства, характеризующегося значительной концентрацией поголовья птиц на площадках вблизи городов, и соответственно огромными объёмами помёта (до 200 тонн в сутки), особое значение приобретают критерии производительности и ресурсоёмкости. При этом критерий ресурсоёмкости включает в себя капитальные затраты на здания и оборудования, изымаемые под хранение помёта земли, затраты материалов и энергии на транспортировку и переработку помёта [14].
Основные технологии и устройства утилизации отходов промышленного птицеводства
По данным патентной информации из общедоступных источников: научных журналов и специализированных сайтов [5,6], существует ряд способов и методов утилизации отходов промышленного птицеводства. Описанные в научно-технической литературе технологии утилизации куриного помёта в основном касаются подстилочного помёта, обладающего большей калорийностью и меньшей влажностью ^ до 60%), и в целом намного менее опасного, чем клеточный помёт, и ,в частности, способного поддерживать стабильное горение.
Учитывая организацию и спецификацию производственного процесса средних и крупных птицефабрик: вид получаемой продукции (мясо или яичная продукция), вид птицы (цыплята-бройлеры, индюшата, утята, гусята, перепела и др.), способ содержания (клеточное, напольное), а также климатическая зона - утилизация куриного помёта, может быть осуществлена по четырём основным способам [4].
Пассивное компостирование. Это самая известная и простейшая технология, которая используется большинством птицефабрик. Органическая смесь в виде куриного помёта + подстилочный материал вывозится на поля и через полгода хранения происходит созревание смеси. В результате чего образуется компост, который используется в земледелии в виде удобрений. Но при данной технологии будет выделяться сильный неприятный запах, а также будет происходить загрязнение почвы яйцами и личинками гельминтов и мух, поверхностных и грунтовых вод и появление сорных растений. Кроме того бесподстилочный помёт, образующийся при клеточном содержании птицы, требует для компостирования предварительного смешивания с наполнителем, что существенно удорожает процесс. В целом данный способ утилизации птичьего помёта, требующий изъятия значительных площадей под компостирование, с учётом индустриального характера и значительных объёмов отходов от средних и крупных птицеводческих производств, их расположения вблизи населённых пунктов является бесперспективным [13].
Интенсивное компостирование, являющееся усовершенствованной разновидностью пассивного компостирования, позволяет получить готовый компост из исходной органической смеси в буртах за 7 суток, путём нагнетания теплого воздуха в нижнюю часть, где происходит рост мезофильных и термофильных микроорганизмов. Данный технологический процесс позволяет существенно сократить необходимые для утилизации помёта площади, но в тоже время требует повышенных затрат на организацию продувки буртов подогретым воздухом. В холодный период года реализация интенсивного компостирования возможна только в закрытых помещениях, что делает этот способ экономически несостоятельным [5].
Вакуумная сушка помета. Эта технология является инновационной для птицефабрик и используется для ликвидации многолетних накоплений от пометных стоков, при производстве сухого помета, поступающего из клеточных батарей. Однако затраты на получение сухого помета будут напрямую зависть от влажности помётной массы (чем меньше влажность, тем меньше затрат). Влажность бесподстилочного помёта при клеточном содержании птиц составляет примерно 95%, что говорит о больших затратах при утилизации такого помёта данным способом.
Термическая сушка. Этот технологический процесс применяется для тех птицефабрик, где птица содержится в клеточных батареях. Данная технология является наиболее эффективным и мало затратным, так как в короткие сроки и в
больших объемах под действием высокой температуры 800-1500°С перерабатываются отходы от средних и крупных птицеводств и при этом запах, патогенная флора и вредные токсичные вещества от куриного помета полностью уничтожаются [3].
Преимуществами данной технологии являются:
- соответствие всем экологическим требованиям;
- малое количество готового материала - золы, пригодной для дальнейшего использования;
- отсутствие утечки биогенов;
- положительный энергетический баланс даже при влажности 70%;
- высокая производительность процесса утилизации отходов промышленного птицеводства.
Анализ практического опыта утилизации куриного помёта показывает, что специально разработанные устройства для сжигания как подстилочного, так и клеточного помёта в практической деятельности не используются. В тоже время, учитывая практическую значимость данного направления, необходимо создать оригинальное устройство, на основе существующих установок, отличающееся уникальной системой, практической и научной новизной. В связи с этим, для выбора наиболее эффективной и практичной конструкции устройства требуется провести анализ с последующими выводами существующих устройств для сжигания твёрдого топлива. В настоящее время выделяют также четыре основных устройства для сжигания твёрдого топлива схожими по свойствам с помётом клеточного содержания птиц [9].
Топка со слоевым сжиганием топлива. Это наиболее известное и древнее устройство для сжигания твёрдого топлива. Применяется для кускового сжигания топлива в слое на колосниковой решётке, через которую подаётся воздух необходимый для процесса горения. Выделяют три класса топок: с неподвижной колосниковой решёткой и подвижным или неподвижным слоем топлива и движущейся колосниковой решёткой и подвижным слоем топлива. К преимуществам данной топки можно отнести относительно низкую стоимость и минимальное время для активизации процесса горения, а также регулируемость диапазона мощности (10% - 100%) [10]. Несмотря на преимущества, устройство имеет ряд значительных недостатков. Данную топку невозможно использовать при сжигании спекающегося твёрдого топлива и материала с легкоплавкой золой. Также осуществляется значительный физический и химический недожёг топлива. Для сжигания бесподстилочного птичьего помёта в слоевой топке необходима значительное снижение его влажности и придание кусковой структуры. Относительно высокая зольность
птичьего помёта также снижает эффективность его утилизации в такой топке.
Топка с кипящим или псевдоожиженном слоем. Принцип работы данной топки с сжиганием топлива в слое заключается в следующем. Подъёмная сила в слое топлива стабилизирует вес частиц газовоздушным потоком, вследствие чего происходит процесс подобный сжижению -интенсивный теплообмен частиц по всему сечению и высоте слоя [12]. Из-за того, что в над-слоевом пространстве скорость газа и площадь живого сечения значительно меньше (1,0 - 2,5 м/с), то большая часть частиц, вынесенных из слоя, падают обратно в кипящий слой. В связи с этим, горящие частицы, окружённые инертными газами, не перегреваются, так как максимальная температура слоя не превышает 9000С [8].
Данное устройство просто в технологическом процессе. Однако при использовании этого оборудования возникают следующие проблемы: потеря углерода (С) до 20-30% в виде выноса из топлива, что скажется на нестабильном процессе горения, зашлаковывание пространства и самих сопл из-за нехватки достаточного объёма воздуха, коррозионный износ теплопередающих поверхностей вследствие высокой влажности 60%, сгорание сложных углеводородов (СпН2п) и разложение экотоксикантов и жидкостей опасных для организма человека таких, как фуран (С4Н40) и диоксины (С12Н4С|40) не будет происходить из-за малой температуры. Кроме того физико-механические свойства бесподстилочного птичьего помёта от клеточного содержания птиц, представляющего собой коллоидную массу, не позволяют напрямую сжигать его в топках данного типа даже после предварительной сушки.
Вихревая (циклонная) топка. Это устройство, в котором поток газов движется по сложной траектории увлекая частицы топлива и образующейся при его сгорании золы. Топливо в данной топке постоянно находится во взвешенном состоянии за счёт аэродинамической силы вихря.
Устройство с вихревым сжиганием имеет также ряд недостатков. Из-за низкой температуры плавления золы 12000С возникают трудности при работе, образование большого количества шлака. В связи с этим параметры циклонной топки сильно меняются, вследствие чего снижается тепловая мощность установки. Также в результате плавления золы изменяются характеристики топлива, что приводит к дисбалансу процесса горения. Поэтому для данного устройства исключительно важно применять определённый вид топлива, знать все его характеристики и технология самого сжигания твёрдого топлива должна предусматривать либо сухое, либо жидкое шлакоудаление.
О в
£
в
и
и ы
S
О
Котёл с циркулирующим кипящим слоем или факельное сжигание.
Это устройство считается высокотехнологичным. Принцип действия заключается в следующем, основная часть твёрдых взвешенных частиц находится постоянно в кипящем слое с температурой до 1500°С, а циркуляция топлива и влажных дымовых газов происходит по всей высоте топки. При этом часть образовавшейся золы выносится через золоуловитель. После топки, с целью очистки и улавливания твёрдых взвешенных частиц из влажных дымовых газов, установлен циклон, из которого частицы возвращаются обратно в зону горения, что является рециклом и обеспечивает стабильный процесс горения, а воздушные газы движутся на дальнейшую очистку. Под действием высокой температуры и в условиях обеднённой кислородом пространства в зоне активного горения происходит разложение всех летучих газов, а азотсодержащие компоненты переходят не в соединение N0^ а в безвредный молекулярный азот N2 [13].
Главным недостатком данной установки является специальная подготовка топлива, то есть для стабильного процесса горения нужно учитывать зольность и влажность исходного топлива, что удорожает технологический процесс. Но, не смотря на минусы устройство, имеет ряд преимуществ - это возможность экономичного и эффективного сжигания почти всех видов твёрдого топлива, в том числе трудносгораемых, осуществляется хорошее перемешивание воздуха с твёрдым топливом, что даёт устройству работать с небольшим избытком кислорода (а = 1,2 - 1,25) [11]. Также простота регулирования режима работы и стабильный процесс горения топлива, что позволит автоматизировать весь топочный процесс.
Выводы. Существующие технологии для утилизации помёта клеточного содержания птиц и имеющиеся устройства для сжигания твёрдого топлива не позволяют осуществлять эффективную утилизацию помёта, образующегося при клеточном содержании птиц на крупных птицеводческих предприятиях.
Наиболее перспективным способом по критериям производительности, ресурсоёмкости и эко-логичности процессов утилизации представляется термическая утилизация помёта (сжигание). Данный способ обладает высокой производительностью, позволяет существенно сократить объёмы остающихся продуктов утилизации и тем самым снизить затраты, связанные с их дальнейшим обращением, в перспективе позволяет получить дополнительную энергию, что снизит энергоёмкость птицеводческого производства.
Тем не менее эффективная реализация этого способа на основе существующего оборудова-
ния не представляется возможной и необходима разработка специализированной технической системы, обеспечивающей предварительную подсушку помёта, его гранулирование, высокотемпературное сжигание с рекуперацией энергии.
Литература
1. Приказ МПР России от 02.12.2002 № 786 "Об утверждении федерального классификационного каталога отходов"
2. Аверьянов Ю.И., Энергосберегающая технология переработки помета / Аверьянов Ю.И., Глемба В.К., Глемба К.В. // Вестник ЧГАУ. 2009. Т. 55. С. 10-15.
3. Белопухов С.Л. Методические указания по проведению испытаний биологических объектов методом термического анализа / Белопухов С.Л., Шнее Т.В., Дмитревская И.И. // М.: Изд-во РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. 2014. 87 с.
4. Бессарабов Б.Ф. Птицеводство и технология производства яиц и мяса птиц / Бессарабов Б.Ф., Бондарев Э.И., Столяр Т.А. // СПб.: Издательство «Лань», 2005. 352 с.
5. Иванов А.Н. Способы и установки для утилизации птичьего помета / Иванов А.Н., Белов В.В. // Образование и наука: современные тренды: коллективная монография. 2017. С. 151-167
6. Каменских А.Д. Результаты вычислительного эксперимента на имитационной математической модели функционирования технико-технологических систем для теплоснабжения животноводческого комплекса / Каменских А.Д., Медяков А.А., Онучин Е.М. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета.
2013. № 89. С. 568-580.
7. Лысенко В.П. Птичий помет-отход или побочная продукция // Птицеводство. 2015. № 6. С. 55-56.
8. Медяков А.А. Схемно-конструктивные решения каталитических систем для производства и преобразования энергии при анаэробной переработке органических отходов / Медяков А.А., Онучин Е.М., Каменских А.Д. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2013. № 91. С. 611-620.
9. Неверова О.П. Экосистемный подход к утилизации помета / Неверова О.П., Зуева Г.В., Сарапулова Т.В. // Аграрный вестник Урала.
2014. № 8 (126). С. 38-41.
10.Сидыганов Ю.Н. Инфракрасный обогреватель с направленным движением каталитического наполнителя / Сидыганов Ю.Н., Медяков А.А., Онучин Е.М., Каменских А.Д. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2014. № 101. С. 1857-1867.
11.Сидыганов Ю.Н. Имитационная математическая модель функционирования системы теплоснабжения животноводческого комплекса на базе каталитического устройства сжигания / Си-дыганов Ю.Н., Медяков А.А., Онучин Е.М., Каменских А.Д. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2014. № 101. С. 1847-1856.
12.Сидыганов Ю.Н. Имитационная математическая модель функционирования каталитических систем для производства и преобразования энергии при анаэробной переработке органических отходов животноводства / Сидыганов Ю.Н., Медяков А.А., Онучин Е.М., Каменских А.Д. Имитационная // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2013. № 91. С. 589-600.
13.Щеткин Б.Н. Методология экологически безопасной переработки птичьего помета в ор-ганоминеральные удобрения и создания устройств оценки качества их внесения в почву при возделывании сельскохозяйственных культур: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Санкт-Петербург, 2004. 35 с.
14.Эрнст Л.К. Переработка отходов животноводства и птицеводства / Эрнст Л.К., Злочевский Ф.И., Ерастов Г.И. // Животноводство России. 2004. № 9. С. 23.
15.Патенты на изобретения РФ и патентный поиск по библиотеке патентов России [Электронный ресурс]. URL: http:// www.freepatent.ru (дата обращения 08.03.2018).
16.Патентный поиск, поиск патентов на изобретения, зарегистрированные в РФ и СССР [Электронный ресурс]. URL: http://www.findpatent.ru (патентный поиск) (дата обращения 08.03.2018).
Perspective devices and technologies for manure recycling
in cage-type industrial poultry production Sidyganov Yu.N., Onuchin E.M., Rybakov P.A.,
Volga State University of Technology
The paper provides review and analysis of the main technologies for manure recycling in cage-type industrial poultry production, assessment of their effectiveness as well as conclusions on the prospects for their application, based on the formulated requirements for productivity, resource intensity and environmental friendliness of recycling processes. One of the promising methods that meets the mentioned requirements is the thermal recycling of manure (incineration).This method has a high productivity and allows to significantly reduce the volume of industrial poultry waste and thereby reduce the cost of its further processing. The analysis of practical experience demonstrates that specially designed devices for manure incineration are not used, therefore, it is necessary to create a special device. In this regard, the authors describe devices for industrial poultry waste incineration. The research proves the necessity to develop an interrelated specialized technical system in order to ensure the preliminary drying of the excess moisture of industrial poultry wastes, granulation and high-temperature combustion with energy recovery.
Key words: poultry farm, manure in cage-type poultry production, technology, device, solid fuel, solid suspended matter, incineration. References
1. The order of the Ministry of Natural Resources of Russia of
02.12.2002 No. 786 "On approval of the federal classification catalog of waste"
2. Averyanov Yu.I., Energy-saving technology of litter processing
/ Averyanov Yu.I., Glemba V.K., Glemba K.V. // Herald of the ChGAU. 2009. P. 55. P. 10-15.
3. Belopukhov S.L. Methodological instructions for conducting
tests of biological objects by the thermal analysis method / Belopukhov SL, Shnei TV, Dmitrevskaya II / M .: Publishing House of the RGAU-MAKSA named after K.A. Timiryazev.
2014. 87 p.
4. Bessarabov B.F. Poultry farming and technology of production
of eggs and poultry meat / Bessarabov BF, Bondarev EI, Stolyar TA // SPb .: Publishing House "Lan", 2005. 352 p.
5. Ivanov A.N. Methods and installations for utilization of bird
droppings / Ivanov, A.N., Belov, V.V. // Education and Science: Modern Trends: A Collective Monograph. 2017. P. 151-167
6. Kamenskikh A.D. Results of the computational experiment on
the simulation mathematical model of the functioning of technical and technological systems for the heat supply of the cattle-breeding complex / Kamenskikh AD, Medyakov AA, Onuchin EM // The political network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University. 2013. No. 89. P. 568-580.
7. Lysenko V.P. Bird droppings or by-products // Poultry farming.
2015. № 6. P. 55-56.
8. Medyakov AA Schematic and constructive solutions of catalytic systems for the production and conversion of energy in anaerobic processing of organic waste / Medyakov AA, Onuchin EM, Kamensky AD // The political network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University. 2013. No. 91. pp. 611-620.
9. Neverova OP Ecosystem approach to the utilization of litter /
Neverova OP, Zueva GV, Sarapulova T.V. // The agrarian messenger of the Urals. 2014. No. 8 (126). Pp. 38-41.
10. Sidiganov Yu.N. Infrared heater with directional movement of the catalytic filler / Sidyganov Yu.N., Medyakov AA, Onuchin EM, Kamenskikh AD // The political network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University. 2014. No. 101. P. 1857-1867.
11. Sidiganov Yu.N. Simulation mathematical model of functioning of the heat supply system of the cattle-breeding complex on the basis of the catalytic combustion device / Sidiganov Yu.N., Medyakov AA, Onuchin EM, Kamensky AD // The political network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University. 2014. No. 101. P. 1847-1856.
12. Sidiganov Yu.N. Simulation mathematical model of the functioning of catalytic systems for the production and conversion of energy in anaerobic processing of organic wastes of livestock / Sidiganov Yu.N., Medyakov AA, Onuchin EM, Kamensky AD Imitation // Polymathematical network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University. 2013. No. 91. P. 589-600.
13. Shchetkin BN Methodology of ecologically safe processing of poultry manure in organomineral fertilizers and creation of devices for assessing the quality of their introduction into the soil when cultivating agricultural crops: the author's abstract. dis. ... Dr. techn. sciences. St. Petersburg, 2004. 35 p.
14. Ernst L.K. Processing of livestock and poultry waste / Ernst LK, Zlochevsky FI, Erastov GI // Animal husbandry of Russia. 2004. № 9. P. 23.
15. Patents for RF inventions and patent search on the Russian Patent Library [Electronic resource]. URL: http: // www.freepatent.ru (circulation date is 08/03/2018).
16. Patent search, search for patents for inventions registered in the Russian Federation and the USSR [Electronic resource]. URL: http://www.findpatent.ru (patent search) (circulation date 08.03.2018).
О
R >
R n n H
