Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства

Диссертационная работа:

Шамшуров Дмитрий Николаевич. Повышение эффективности биогазовых установок за счет применения мембранно-абсорбционных газоразделительных систем : диссертация ... кандидата технических наук : 05.20.01 / Шамшуров Дмитрий Николаевич; [Место защиты: Моск. гос. агроинженер. ун-т им. В.П. Горячкина]. - Йошкар-Ола, 2008. - 256 с. : ил. РГБ ОД, 61:08-5/346

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 12

  1. Обзор существующих и перспективных технологических решений по переработке биоорганической массы 12

  2. Особенности синтеза и технологии анаэробного сбраживания водного органического субстрата (на основе куриного помета) 15

1.3 Анализ конструкции биогазовых установок 27

  1. Особенности конструкций установок отечественного производства 27

  2. Зарубежный опыт использования технологического биогазового оборудования 34

1.3.3 Классификация биогазовых установок 49

1.4. Анализ существующих и перспективных технологических

решений контакторных систем 56

  1. Постановка вопроса, цель и задачи исследований 67

  2. Выводы 68

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА

МАССОПЕРЕНОСА В ГАЗОВОЙ И ЖИДКОЙ ФАЗАХ, МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА МАССОПЕРЕНОСА ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ.69

  1. Идеализация процесса массопереноса 69

  2. Математическая-модель массопереноса в газовой фазе 71

  1. Уравнение импульсов длягазовой фазы 71

  2. Уравнение неразрывности для»газовой'фазы .... 76

2.3 Математическая модель массопереноса в жидкой фазе 84

  1. Уравнение импульсов для жидкой фазы 84

  2. Уравнение неразрывности для жидкой фазы 87

  1. Моделирование процесса массопереноса через мембрану 88

  2. Математическая модель процесса массопереноса в мембранном контакторе 92

  3. Численные методики решения системы 96

2.7 Выводы 102

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ 103

  1. Общая методика экспериментального исследования 103

  2. Описание лабораторной установки для проведения экспериментов по обогащению метаном биогаза и насыщения воздуха либо воды углекислым газом 104

  3. Методика экспериментальных исследований системы комплексной переработки органических отходов 113

  4. Методика определения влажности и зольности 119

  5. Планирование и обработка результатов эксперимента 120

  6. Методика для измерения концентрации газов 126

  1. Методика измерения влажности и температуры 128

  2. Методика количественного химического анализа воды и

водных растворов 131

3.9 Выводы 135

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ 137

  1. Сорбция углекислого газа в контакторе 137

  2. Методика инженерного расчета установки 140

  3. Имитационные модели процесса газоразделения биогазовой смеси с применением мембранно-абсорбционного контактора 145

  4. Результаты эксперимента по разделению биогазовой смеси

с применением мембранно-абсорбционного контактора 147

4.5 Выводы 158

ГЛАВА 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ВЫПОЛНЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 160

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 166

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 168

ПРИЛОЖЕНИЯ 183

>

Введение к работе:

Интенсивное развитие сельского хозяйства, в том числе перевод животноводства и птицеводства на промышленную основу создает глобальную проблему утилизации жидких и твердых органических отходов образующихся в большом количестве. Хранить и перерабатывать такие отходы весьма непросто. Кроме того, в последнее время проблемы использования отходов животноводства привлекают пристальное внимание специалистов по охране окружающей среды и органов здравоохранения, озабоченных возможностью проникновения загрязнений в водоемы и распространения таким путем возбудителей заболеваний.

Сельское хозяйство, становясь источником загрязнения окружающей среды, требует особого внимания для решения данной проблемы, в этой связи биоконверсия сельскохозяйственных отходов приобретает решающее значение для агропромышленного производства. Необходимо научиться наиболее полно и экономично использовать ту часть отходов, которую возможно применить как удобрение, и в то же время решить проблемы, связанные с возможным загрязнением среды из-за большого объема таких отходов.

В настоящее время в Республике Марий Эл достаточно остро стоит энергетическая проблема. В сельском хозяйстве она усугубляется дефицитом энергетических мощностей, недостаточным уровнем централизации электроснабжения. Теплоснабжение животноводческих ферм, других производственных объектов и жилого сектора осуществляется от мелких котельных, работающих на привозном жидком и твердом топливе, доставка которого требует больших экономических и энергетических затрат.

Необходимость энергосбережения и снижения загрязнения окружающей среды заставляет более рационально использовать традиционные энергоресурсы, а так же искать другие, желательно возобновляемые и недорогие источники энергии.

Существуют различные методы и способы переработки органических
отходов агропромышленного производства, анализ работ

[4,5,14,21,28,35,38,56,83,96] показывает, что рациональное использование

топливно-энергетических ресурсов невозможно без совершенствования существующих и создания новых энергосберегающих технологий, к которым в полной мере можно отнести процесс анаэробного сбраживания органических отходов. Совершенствование данного процесса позволит успешно бороться с высокой загрязненностью почвы и водных слоев отходами агропромышленного производства, а так же решать вопросы по обеззараживанию и более глубокой переработке отходов растениеводства, животноводства и птицеводства с одновременным получением товарного биогаза и высококачественных удобрений.

Процессы, основанные на разложении органических отходов, с получением газа и его последующим использованием в быту, известны давно: в Китае - мировом лидере по производству биогаза - история насчитывает 5 тыс. лет, в Индии - 2 тыс. лет.

При переработке органических отходов в анаэробных условиях образуется горючий газ на 60% состоящий из метана, и твердый остаток, содержащий весь или почти весь азот и все другие питательные вещества, содержащиеся в исходном растительном материале. В природе такой процесс развивается при недостатке кислорода, в .местах скопления веществ растительного и-животного происхождения: в болотах, осадках на дне озер, а также в желудке травоядных. Он может протекать и в закрытой емкости, наполненной подходящим органическим веществом, куда не поступает воздух. Метанобразующие бактерии и некоторые другие микроорганизмы, продуцирующие нужные этим бактериям субстраты, формируют в таких условиях систему прочных симбиотических отношений, которая может функционировать неопределенно долгое время, если в нее в подходящем количестве поступают все новые порции отходов.

К органическим отходам агропромышленного производства относят продукты растениеводства, в особенности солома, свекольная и картофельная ботва и другие растительные остатки, если они не использовались непосредственно в качестве корма, а так же экскременты животных. Таких отходов ежегодно образуется 250 млн. т. (по сухому веществу) из них: в

животноводстве и птицеводстве - 150 млн.т., а в растениеводстве - 100 млн.т. [94,95]

Содержащиеся в органических отходах микроэлементы в большинстве случаев могут быть вновь использованы как органические удобрения, что позволяет таким образом экономить минеральные удобрения, требующие больших затрат энергии и средств.

В последнее время возрастает интерес к разработкам новых конструкций биоэнергетических установок для переработки органических отходов в условиях анаэробного сбраживания [23,43,90,137,105], для получения газообразного топлива и органических удобрений в процессе метановой ферментации отходов агропромышленного производства и имеющих следующие достоинства, выгодно отличающие от других методов и способов переработки [7,9,12,14,15,20,26,43,92]:

выделяемый биогаз является источником энергии;

получение высококачественного органического удобрения, уничтожение яиц гельминтов, семян сорных растений, подавление запаха навоза;

поддержание чистоты окружающей среды;

улучшение социальных условий проживания сельского населения;

возможность организации безотходного производства*.

Главным недостатком анаэробных процессов переработки является малая скорость реакции по сравнению с аэробными процессами [126], поэтому для достижения лучшего эффекта требуется установки больших размеров. К тому же сказывается недостаток фундаментальных научных знаний по данным процессам, а так же опыта и данных по их крупномасштабной реализации. Следовательно, развитие в области анаэробной переработки органических отходов производства и переработки сельскохозяйственной продукции должно идти в направлении разработки систем с большой биологической активностью, проектирования более компактных аппаратов, при одновременном изучении кинетики, микробиологического и биохимического механизмов процессов сбраживания.

Установлено [36,84,93,94,], что анаэробная переработка отходов животноводства и растениеводства приводит к минерализации азота и фосфора - основных слагаемых удобрений, обеспечивая их лучшую сохранность, тогда как при традиционных способах приготовления органических удобрений методами компостирования безвозвратно теряется до 30-40% азота.

Российский опыт последних лет, показывает, что биогазовые технологии при их комплексной экономической оценке с учетом требований современного рынка становятся востребованными. Эти технологии являются, комплексными техническими решениями и в зависимости от социально-экономического положения общества на рынке может доминировать тот или иной продукт в зависимости от способа переработки. Если до последнего времени рынок определял в качестве доминирующего положения производство органических удобрений, а биогаз и экология, стояли на втором месте, то в настоящее время упор делается на выработку биогаза [94].

Существующие способы и методы переработки навоза животных для получения органических удобрений не нашли широкого применения в Республике Марий Эл из-за неподходящих климатических условий и низкого технического уровня сельхозпроизводства. По нашему мнению наиболее подходящим способом переработки навоза может послужить анаэробное метановое сбраживание, в сооружениях устанавливаемых непосредственно вблизи животноводческих ферм и работающих в течение теплого времени года, а при определенных условиях и круглогодично.

Проведенные исследования показали, что состав и количество биогаза не являются постоянными и зависят от вида перерабатываемого субстрата и технологии производства биогаза. Для стабилизации состава получаемого биогаза и доведение его до качественного, самостоятельного альтернативного источника энергии возможно при использовании мембранного газоразделения, что позволит расширить сферы применения биогаза. Разработанный новый методы разделения, основанный на использовании селективных мембран нашел применение в предложенной к разработке технологической схеме.

Имеющие ряд преимуществ мембранные технологии, позволяют качественно
извлекать, из газовой смеси заданный компонент, используя мембранную абсорбцию
в противоточном режиме между жидкой и газовой фазами разделенных мембраной в
мембранном контакторе. К тому же мембранные методы в большинстве случаев
являются более дешевыми и экологически чистыми.
^ В настоящее время мембранное разделение является одной из наиболее

интенсивно развивающихся отраслей технологии разделения газов. Наиболее перспективным представляется использование мембранной абсорбции для очистки газовых смесей от кислых примесей, осушки воздуха, а также для оксигенации, озонирования и обезгаживания жидкостей.

В связи с этим, разработка и исследование технологии для анаэробной

переработки органических отходов с применением очистки биогазов методом

и мембранного газоразделения и получения смеси газов, обогащенной метаном

является актуальной задачей, решение которой будет способствовать

совершенствованию технологий получения биогазов.

Цель исследований. Совершенствование технологии анаэробной переработки органических отходов сельскохозяйственного производства с применением очистки биогазов методом мембранного газоразделения и описание закономерностей массопереноса в мембранно-абсорбционных газоразделительных системах.

Объект исследований. Процесс переработки органических отходов, с получением биогаза обогащенного метаном, воздуха либо воды насыщенных углекислым газом, и высококачественного удобрения.

Методика исследований. Теоретические и экспериментальные
исследования переработки органических отходов и разделения полученного
биогаза выполнены методом факторного анализа, методом планирования
экспериментов; экспериментальные исследования проведены на основе общих
положений проведения научно-исследовательских работ с использованием
'# стандартных методик получения и разделения биогазов; параметры

оптимизировались путем математического моделирования.

Научная новизна. Заключается в разработке модели процесса массопереноса в жидкой и газовой фазах мембранно-абсорбционной газоразделительной системы, позволяющей оптимизировать параметры ее работы в составе системы комплексной переработки органических отходов.

Практическая ценность работы. Разработана технологическая линия

^ комплексной переработки органических отходов, с получением биогаза

обогащенного метаном, воздуха либо воды насыщенных углекислым газом, и

высококачественного удобрения. Новизна технического решения подтверждена

патентом РФ на полезную модель.

Реализация результатов исследований:

Автором в составе группы ученых и специалистов России выполнена
работа по разработке технологической линии комплексной переработки
,> органических отходов, с получением биогаза обогащенного метаном, воздуха

либо воды насыщенных углекислым газом, и высококачественного удобренияш рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», выполнение научно-исследовательских работ:

  1. «Выполнение работ по развитию центра коллективного пользования «Экология, биотехнологии и процессы получения экологически чистых энергоносителей», (ЦКП ЭБЭЭ)» в рамках государственного контракта № 02.552.11.7005;

  2. «Разработка способов получения удобрений и субстратов методом биодеградации биологически разлагаемой части твердых коммунальных отходов для использования в лесном хозяйстве и ландшафтном строительстве» в рамках государственного контракта № 02.515.11.5020.

Результаты работ переданы заказчику - правительству Российской Федерации. На основании выполненных исследований составлены технические предложения, которые переданы заинтересованным организациям - ОАО ># «Тепличное», ЗАО Племзавод «Семеновский» Республики Марий Эл.

По результатам исследований разработана, изготовлена и запущена в

эксплуатацию на птицефабрике ОАО «Тепличное» Республики Марий Эл

биогазовая установка и технологическая линия получения биогаза обогащенного метаном, воздуха либо воды насыщенных углекислым газом. . Назащиту выносятся:

1. Усовершенствованная система комплексной переработки органических
отходов, с получением биогаза обогащенного метаном, воздуха либо воды

tfe насыщенных углекислым газом, и высококачественного удобрения.

  1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов массопереноса в мембранно-сорбционных газоразделительных системах..

  2. Методика расчета технологической линии комплексной переработки органических отходов.

4. Результаты испытаний и технико-экономическая эффективность
)ju опытно-промышленного образца биогазовой установки, размещенной в ОАО

«Тепличное» Республики Марий Эл, эффективность его использования в хозяйственных условиях.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований
доложены и одобрены на научных конференциях профессорско-
преподавательского состава «Наука в условиях современности» Марийского
государственного технического университета в 2005-2008 годах, на П-й
Всероссийской научно-практической конференции «Организация и развитие
информационного обеспечения органов управления, научных и
образовательных учреждений АПК» («Росинформагротех» г. Москва 2006г.), на
международной научной сессии «Агротехинновации в АПК», (МГАУ г. Москва
2006г.), на Всероссийской научно-практической конференции

«Энергосберегающие технологии и новые источники энергообеспечения в производстве и техническом обслуживании материально-технической базы отраслей АПК» (ВВЦ г. Москва 2007г.), на научно-практической конференции в рамках международной научно-образовательной школы-конференции по Щ биоинженерии и приложениям «Перспективы развития инноваций в биологии» (МГУ имени М.В. Ломоносова г. Москва 2007г.), на научно-практическом семинаре «Энергетика и энергосбережение: настоящее и будущее» в рамках

коллективной экспозиции Минобрнауки России и Роснауки, VIII Московского международного салона инноваций и инвестиций (ВВЦ г. Москва 2008г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных работах, в том числе 5 в журналах перечня ВАК, получен патент РФ на полезную модель № 65048.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 182 страницах машинописного текста, содержит 11 таблиц, 43 рисунка, список литературы из 163 наименований, 5 приложений.

Подобные работы
Молоканов Сергей Васильевич
Повышение эффективности использования МТА с колесными тракторами класса 1,4 за счет применения пневмогидравлической навесной системы
Скворцов Игорь Петрович
Повышение качества работы молотильно-сепарирующего устройства комбайна Дон-1500Б за счет применения системы контроля процесса повторного обмолота
Пяткин Дмитрий Борисович
Повышение эффективности рабочего процесса вакуумного насоса доильной установки за счет оптимизации его конструктивных и технологических параметров
Иващенко Валентина Николаевна
Повышение производительности и качества работы зерноуборочного комбайна на основе применения физической модели системы "комбайнер-комбайн"
Самсонов Андрей Николаевич
Повышение эффективности систем естественной вентиляции в помещениях для содержания КРС путем совершенствования их режимов работы и способа подачи наружного воздуха
Челядинов Валентин Дмитриевич
Методы и средства повышения эффективности работы системы испарительного охлаждения и доувлажнения воздуха в теплице
Лапшин Игорь Петрович
Повышение эффективности сепарирующих систем в послеуборочной обработке зерна круговыми и импульсными возбуждениями рабочих органов
Овчинников Дмитрий Николаевич
Повышение эффективности зерноочистительных систем на основе использования фрикционных наклонных поверхностей для предварительного фракционирования
Ловчиков Александр Петрович
Повышение эффективности технологических систем уборки зерновых культур : на примере регионов Южного Урала и Северного Казахстана СНГ
Молофеев Владимир Юрьевич
Повышение эффективности функционирования высевающих систем зерновых сеялок посредством создания устройств контроля качества их работы

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net