CC BY
180
Заключение. Решение проблемы увеличения производства говядины в Гомельской области положено в основу развития мясного скотоводство. Это диктуется резкой интенсификацией молочного скотоводства, снижением поголовья молочных коров, а вместе с этим и производства говядины. Кроме этого в каждом хозяйстве имеются животные с низкой молочной продуктивностью, которых целесообразно использовать по технологии мясного скотоводства. Анализ состояния мясного скотоводства в Гомельской области свидетельствует о его развитии практически во всех районах, о наращивании численности как маточного, так и общего поголовья, и об его экономической эффективности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Адаптивные системы земледелия в Беларуси / под общ. ред. А.А. Попкова // Бел-НИИАЭ. - Минск, 2001.
2. Краткий зоотехнический справочник / сост. Г.Н. Доброхотов. - Минск: Колос, 1975. - С. 20-65.
3. Справочник по качеству продуктов животноводства / А.Т. Мысик, С.М. Белова, Ю.П. Фомичев [и др.]. - М.: Агропромиздат, 1985. - 239 с.
4. Богдевич, И.М. Рекомендации по ведению агропромышленного производства в условиях радиоактивного загрязнения земель Республики Беларусь / И.М. Богдевич; под ред. проф. И.М. Богдевич. - Минск, 2008. - 74 с.
5. Карпенко, А.Ф. Развитие скотоводства в загрязненных районах Гомельской области / А.Ф. Карпенко, Е.В. Дубежинский //Актуальные проблемы интенсивного развития животноводства: материалы ХШ Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 80-летию образования зооинженерного факультета УО «БГСХА». - Горки, 2010. - С. 338-342.
6. Карпенко, А.Ф. Экономическая и радиологическая оценка эффективности производства сельскохозяйственных предприятий Брагинского района / А.Ф. Карпенко, А.Л. Мостовенко, М.В. Макарова //Аграрная экономика. - 2010. - № 5.- С. 30-34.
7. Карпенко, А.Ф. Радиологическая оценка переспециализации / А.Ф. Карпенко, А.Л. Мостовенко, Е.В. Дубежинский // Актуальные проблемы интенсивного развития животноводства: материалы Х^ Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. образованию кафедр кормления с.-х. животных, физиологии, биотехнологии и ветеринарии и15-летию кафедры ихтиологии и рыбоводства УО «БГСХА». - Горки, 2011. - С. 3-6.
8. Карпенко, А.Ф. Состояние развития мясного скотоводства по программам переспециализации в Гомельской области / А.Ф. Карпенко, А.Л. Мостовенко, Е.В. Дубе-жинский // Актуальные проблемы интенсивного развития животноводства: сб. науч. тр. - Горки, 2011. - Вып. 14. - Ч. 1. - С. 218-223.
9. Кузнецов, В.В. Экономика сельского хозяйства / В.В. Кузнецов. - Ростов н/Д.: Феникс, 2003. - 161-163 с.
10. Шалак, М.В. Технология переработки продукции животноводства: учебник / М.В. Шалак, М.С. Шашков. - Минск: ИВЦ Минфина, 2012. - С. 8
УДК 628.385
ПОДБОР И ПОДГОТОВКА ЖИВОТНОВОДЧЕСКОГО СЫРЬЯ ДЛЯ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК
А.С. ДОБЫШЕВ, А.А. ОСТРЕЙКО УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия» г. Горки, Могилевская обл., Республика Беларусь, 213407
(Поступила в редакцию 12.03.2013)
Введение. В настоящее время в мире все больше внимания уделяется вопросу использования возобновляемых источников энергии, к которым относится и биомасса, служащая для получения биогаза и
ценных биоудобрений. Лидерами в этом производстве являются Дания, Германия, США, Китай, Индия и другие страны. В общем энергобалансе Дании биогаз занимает 18 %, Германии - 8 %, однако последняя лидирует по количеству средних и крупных биогазовых установок 10 000 шт. [1].
Биогазовый потенциал Беларуси только за счет животноводческих ферм по последним данным составляет 4 млрд. кубометров биогаза [2], что эквивалентно 20 % объема поставки в 2011 г. в Беларусь природного газа. Помимо навоза в республике имеется большое разнообразие различных источников органического сырья, пригодного для переработки в биогаз.
Важнейшими факторами, влияющими на производительность биогазовых установок, являются правильный подбор компонентов сырья, из которого производится биогаз,и грамотная их подготовка к ферментации.
В процессе проведения исследований использовались различные литературные источники: публикации, материалы научных конференций, симпозиумов, Интернет-ресурсы, посвященные решению данной проблемы, а также применяемые измельчители-смесители и предлагаемое измельчающее устройство.
Цель работы - выявить и проанализировать факторы, влияющие на процесс получения биогаза из различных типов сырья; определить их оптимальное соотношение с учетом повышения его выхода и улучшения качества; определить критерии, по которым следует подбирать сырье для биогазовых установок; обосновать необходимость смешивания различных видов сырья и предварительной его подготовки перед подачей в ферментатор с анализом существующих технологий и оборудования. На этой основе разработать конструктивную схему установки для измельчения и смешивания отходов животноводства и растениеводства.
Материал и методика исследований. Исследования проводили путем сравнения и логического анализа различных характеристик и параметров сырья в результате его подбора и подготовки перед загрузкой в ферментатор, и на основании этого была предложена технологическая схема процесса и разработана конструкция измельчителя-смесителя отходов животноводства и растениеводства.
Результаты исследований и их обсуждение. Качество сырья, загружаемого в ферментатор биогазовой установки, характеризуется влажностью, скоростью его расщепления и степенью разложения, наличием в нем питательной среды для жизнедеятельности бактерий, выходом биогаза на единицу сухого вещества, содержанием метана в биогазе и соотношением углерода и азота в сырье (табл. 1) [3, 4].
Именно от этих показателей зависит время его сбраживания, количество получаемого биогаза и его состав.
Расщепление органики на отдельные составляющие и превращение в метан происходит лишь во влажной среде, поскольку различные ви-
ды бактерий, участвующие в этом процессе, могут перерабатывать только вещества в растворенном виде. Установлено, что влажность сырья, загружаемого в реактор биогазовой установки, составляет не менее 85 % в зимнее время и 92 % в летнее время года [4] , а выход биогаза напрямую зависит от вида используемого сырья, а также от температуры процесса сбраживания.
Таблица 1. Выход биогаза и содержание в нем метана, а также соотношение содержания углерода и азота при использовании разных типов сырья.
Тип сырья Выход газа на 1 кг сухого вещества, м3 Содержание метана, % Соотношение углерода и азота С/Ы
Навоз КРС 0,25-0,34 65 16,6-25
Свиной навоз 0,34-0,58 65-70 6,2-12,5
Птичий помет 0,31-0,62 60 7,3-9,65
Конский навоз 0,20-0,30 56-60 25
Овечий навоз 0,30-0,62 70 33
Сточные воды, фекалии 0,31-0,74 70 6-10
Пшеничная солома 0,20-0,30 50-60 100-150
Овсяная солома 0,29-0,31 59 50
Кукурузная солома 0,38-0,46 59 50
Трава 0,28-0,63 70 12
Листва деревьев 0,21-0,29 58 50
Скорость расщепления сырья определяет время пребывания его в ферментаторе и чем меньше это время, тем более экономична установка. Сырье всегда состоит из различных групп веществ, скорость разложения которых значительно отличается между собой (рис. 1) [5]. В качестве единицы измерения для минимального времени разложения в ферментаторе служит время генерации соответствующего вида бактерий, поэтому если время брожения будет коротким, то бактерии не успеют удвоить свою бактериальную массу, что приведет к падению газообразования и соответствует нижней границе необходимого времени для брожения.
Скорость разложения
\ сахар (моно-, дисахариды) \ крахмал (полисахариды)
\ протеины
пектины (полисахариды)
целлюлоза (полисахариды) лигнин ^^^^^^^ воск
рамки текн.-экономического Время брожения
времени брожения
Рис. 1. Скорость разложения групп веществ
Верхняя граница времени для брожения определяется технически и экономически моментом, когда количество вырабатываемого газа
396
настолько мало, что увеличение объема ферментатора будет дороже, чем добытый газ.
Быстроразлагаемое сырье, такое как сахарная свекла, отходы продуктов питания и другое, приводит к стремительному переокислению ферментатора, поэтому мало подходит для брожения в чистом виде и должно использоваться в смеси с другими видами сырья. Большинство установок для своей работы используют силос из трав, кукурузы, люпина, остатки зерна и т. д. (табл. 2) [6] в смеси с жидким или твердым навозом, который в чистом виде, как правило, используется редко. Выход газа в них доказывает эффективность смешивания различных видов сырья перед его ферментацией. Установлено, что совместное использование навоза КРС и помета птиц повышает выход биогаза до 0,528 м3/кг, тогда как при использовании только навоза КРС он составлял 0,380 м3/кг, а гомогенизация навоза КРС позволяет повысить производство биогаза с 0,174 до 0,380 м3/кг [7].
Таблица 2. Удельные показатели современных биогазовых установок
Исходное сырье Выход биогаза, м3 Электроэнергия, кВтхч Тепловая энергия, кВтхч Удобрение, кг сухого вещества
1 т свиной жижи + 100 кг зерноотходов 78 170 187 76
1 т свиной жижи + 100 кг кукурузного силоса 43 93 102 60
1 т навозной жижи КРС 22 48 54 56
1 т твердого куриного помета + 100 кг падших птиц 268 582 643 433
На рис. 2 наглядно показана разница в выходе газа из выделений различных видов животных и птицы в зависимости от продолжительности периода брожения [5]. Похожая зависимость имеет место при брожении энергетических растений и других органических остатков, для которых время брожения в ферментаторе должно составлять минимум 42 дня, а для сырья в виде отходов переработки агропромышленное™ - от 20 до 35 дней [4, 5].
Степень разложения сырья напрямую зависит от его состава и отражается на количестве получаемого газа. Обычно величина ее варьирует в пределах от 30-70 %, а для усредненного периода брожения будет составлять до 60 %. Установки, работающие исключительно на возобновляемом сырье, достигают степени разложения от 80 % органической сухой массы [4]. Кроме того, применение энзимов, бустеров для искусственной деградации сырья (например, ультразвуковых или жидкостных кавитаторов) и других приспособлений позволяет увеличить выход биогаза на самой обычной установке с 60 до 95 % от теоретически возможного выхода [8].
выкдд га».
м"кг оСВ
0,6
о, 5
0,4
0,2
0,1 I-------
О -------
О Ю 20 ЗО 40 ^О ЁО
Сражений,
Рис. 2. Выход газа при термофильном режиме в зависимости от вида сырья и продолжительности брожения
Для роста и жизнедеятельности метанообразующих бактерий необходимо обязательное присутствие в сырье органических и минеральных питательных веществ, таких как углерод, азот, водород, сера, фосфор, калий, кальций, магний и некоторого количества микроэлементов - железа, марганца, молибдена, цинка, кобальта, селена, вольфрама, никеля и др. Эти микроэлементы особенно необходимы бактериям для образования энзимов, ускоряющих процесс брожения. Все эти вещества в необходимом количестве содержатся в жидком и твердом навозе. Достаточное их количество содержится также в сене, кукурузе (свежей или консервированной), пищевых отходах, внутренностях животных, барде, молочных продуктах, которые могут бродить в чистом виде без добавления других видов сырья [9].
Важным фактором, влияющим на выход биогаза, является соотношение углерода и азота в перерабатываемом сырье. Если оно чрезмерно велико, то недостаток азота будет сдерживать процесс метанового брожения. Если же это соотношение слишком мало, то образуется такое большое количество аммиака, что он становится токсичным для бактерий. Поэтому для поддержания его в оптимальных пределах с целью получения максимально возможного выхода биогаза современные биогазовые установки работают на смешанном сырье, используя следующие соотношения питательных веществ [5]: С : N : Р = 75:5:1 или 125:5:1; С : N = 10:1 или 30:1; N : Р = 5:1.
При подборе сырья необходимо учитывать, что только из органической части сухой массы можно произвести метан [9,10]. Поэтому содержание органической сухой массы в соотношении с общей массой является главным критерием для выбора составляющих смеси. Так, сырье с высоким содержанием воды (например барда) приносит по сравнению с количеством вносимого материала небольшое количество газа, так как из воды он не выделяется.
Содержание метана в биогазе определяется в первую очередь составом сырья. Максимальное его количество получается из протеинов - 71 %, жиры дают 68 %, а углеводороды - лишь 50 % [5, 9]. Поэтому предпочтение отдается смесям сырья с высоким содержанием жиров и протеинов, таких как отходы зерна, свекла и картофель.
В среднем выход газа из энергетических растений составляет 0,3 м3 метана на 1 кг органического сухого субстрата с отклонениями до ±30 % [5]. Существенная разница проявляется при расчете выхода газа с 1 га посевной площади. Например, у свеклы и силосных сортов кукурузы по сравнению с другими культурами он составляет свыше 6000 м3/га [9], поэтому силос из кукурузы является самым используемым сырьем для биогазовых установок.
Зерно и клубнеплоды хоть и имеют высокий выход газа, но с 1 га возделываемой площади он будет составлять около 3000 м3/га, что в два раза ниже, чем у кукурузного силоса из-за меньшего количества биомассы.
Повышение эффективности биогазовой установки определяется подбором компонентов по однородности и степенью предварительного их измельчения, последнее влияет на количество произведенного газа через длительность периода брожения. Твердые материалы, в особенности растительного происхождения, в составе смеси не должны превышать 12 % и быть предварительно измельчены до размеров частиц не более 30 мм с помощью режущих, разрывающих или плющильных устройств перед подачей в ферментатор [9, 10].
Огромный потенциал отходов растениеводства, отходов очистки и переработки зернового сырья остается в настоящий момент невостребованным (рапсовая солома, солома зерновых, свекольная и картофельная ботва и т. д.). Для их измельчения и смешивания с твердой фракцией навоза перед подачей в ферментатор нами предлагается специальная установка (рис. 3), в которой растительное сырье загружается в приемный бункер 10 и попадает на вращающиеся с одинаковой угловой скоростью рифленые (с насечками) вальцы 9, затем проходит второй ряд вальцов 8 угловая скорость вращения которых больше чем скорость вальцов 9, в результате чего оно плющится, истирается растягивается и разрывается, а затем подается к шнеку 7, которым подпрес-совывается и поступает к измельчителю ножевого типа с подвижными 13 и неподвижными 11 ножами, между которыми размещены распорные шайбы 12 определенной толщины. Для перемещения блока неподвижных ножей предусмотрены регулировочные болты 14. От механических поломок ножи 13 и 11 предохраняет автомат отключения 15. Измельчающий аппарат приводится в работу электродвигателем 1 с помощью клиноременной передачи со шкивами 2 и 6.
Для защиты измельчителя от поломок на валу шнека 3 жестко закреплен специальный поводок 4 со срезной предохранительной шпилькой 5. Регулировка степени измельчения сырья достигается изменением количества ножей режущего аппарата и угла установки лезвия первого подвижного ножа 13 аппарата относительно конца витка шнека 7. Измельченное до определенной величины частиц растительное сырье поступает в смесительную камеру 17, в которую через другой приемный бункер 19 дозированно, посредством шнека 20, подается твердая фракция навоза, предварительно проходящая через матрицу 18 и частично измельчаеющаяся.
Рис. 3. Конструктивная схема предлагаемого измельчителя-смесителя отходов растениеводства и животноводства: 1, 25, 32 - электродвигатели; 2, 6, 21, 26, 31 - шкивы; 3, 24, 28 - валы; 4, 23 - поводки; 5, 16, 22 - срезные предохранительные
шпильки; 7, 20 - шнеки; 8, 9 - вальцы; 10, 19 - приемные бункера; 11- неподвижные ножи; 12 - распорные шайбы; 13 - подвижные ножи;
14 - регулировочные болты; 15 - автомат отключения; 17- смесительная камера; 18 - матрица; 27 - форсунки; 29 - конический шнек-смеситель; 30 - выгрузное окно
Здесь происходит их смешивание с доизмельчением посредством вертикально установленного конического шнека-смесителя 29 со специальными ножами для доизмельчения, а также предварительное увлажнение посредством впрыска через форсунки 27 воды или подготовленной навозной жижи. Затем увлажненная, измельченная и гомогенизированная смесь через выгрузное окно 30 поступает в накопитель для дальнейшего смешивания с жидкой фракцией навоза до заданной влажности и подачи насосом в ферментатор или посредством системы шнеков напрямую попадает туда. Применение данной установки позволит измельчать отходы растениеводства до размеров частиц, способных разлагаться в реакторе в короткие сроки брожения, например, рапсовую солому, отходы после очистки зерна и другое, а также твердый навоз с одновременным их смешиванием и увлажнением, повышая тем самым выход биогаза и эффективность биогазовой установки.
Заключение. Представлен потенциал, которым обладают предприятия республики для производства биогаза. Выявлены и проанализированы факторы, влияющие на процесс его получения из различных типов сырья, определено оптимальное их соотношение с учетом повышения выхода биогаза, улучшения его качества, определены критерии, по которым следует подбирать сырье для биогазовых установок.
Обоснована необходимость смешивания сырья и предварительной его подготовки перед подачей в ферментатор с анализом существующих технологий и оборудования, на основании которого разработана и предложена конструкция установки для измельчения и смешивания отходов животноводства и растениеводства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Агропрактик. Эффективные удобрения и биогаз: два в одном [Электронный ресурс]. - 2012. - Режим доступа: http://agropraktik.ru/blog/Renewable_Energy/16.html. -Дата доступа: 16.01.2013.
2. Деловой портал BEL.BIZ. Биогаз как альтернатива «российской трубе» [Электронный ресурс]. - 2012. - Режим доступа: http: // economics. bel. biz/ articles/ biogaz_ kak_altemativa_rossijskoj_trube /. - Дата доступа: 26.11.2012.
3. ПРООН. Проект «Содействие развитию биогазовых технологий в Узбекистане». Практическое руководство по применению биогазовых технологий [Электронный ресурс]. - 2008. - Режим доступа: http: //www. leds.uz/ userfiles/333/ й^/Практическое%20 руководство%20по%20применению%20биогазовых%20технологий^Т - Дата доступа: 21.09.2012.
4. Росбиогаз. Руководство по биогазовым технологиям [Электронный ресурс]. -2012. - Режим доступа: http: //www. rosbiogas. ru/literatura/rukovodstvo-po-biogazovim-texnologiyam / - Дата доступа: 06.11.2012.
5. Барбара, Э. Биогазовые установки: практ. пособие / Э. Барбара, Ш. Хайнц. -2006. - 238 с.
6. Цыганов, А.Р. Биоэнергетика (Энергетические возможности биомассы): монография / А.Р. Цыганов, А.В. Клочков. - Минск, 2011. - 141 с.
7. Студенческий клуб «Альтернатива». Сборник научных трудов студентов России. Биогазификация органических отходов сельскохозяйственного производства [Электронный ресурс]. - 2011. - Режим доступа: http://cs-alternativa.ru/text/1806/4 - Дата доступа: 18.10.2012.
8. Агроперспектива. А у нас биогаз [Электронный ресурс]. - 2012. - Режим доступа: http://www.agroperspectiva.com/ru/free_article/190. - Дата доступа: 06.02.2013.
9. Баадер, В. Биогаз: теория и практика / В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер; пер. с нем. и предисл. М.И. Серебряного. - М.: Колос, 1982. - 148 с.
10. Биомасса как источник энергии: пер. с англ. / под ред. С. Соуфера, О. Заборски. -Минск: Мир, 1985. - 368 с.
