CC BY
371
УДК 662.75
В. Н. Башкиров, А. З. Халитов, А. Н. Грачев,
Д. В. Тунцев, А. Т. Шаймуллин
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОХИМИЧЕСКОГО МЕТОДА ПЕРЕРАБОТКИ
КУРИНОГО ПОМЕТА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ПРОДУКТОВ
Ключевые слова: куриный помет, материальный баланс, термохимический метод.
В работе представлен материальный баланс продуктов термохимической переработки куриного помета. Наибольший выход наблюдается для жидких продуктов.
Key words: chickеn litter, material balance, thermochemical method.
In work the material balance of products of thermochemical processing of a chicken dung is presented. The greatest exit is observed for liquid products.
Одним из лимитирующих факторов, сдерживающих увеличение объёмов производства продукции сельского хозяйства России до научно обоснованных норм, является то, что животноводческие производства помимо мяса, молока и яиц производят навоз, помет и различные отходы, связанные с содержанием животных. Серьезной проблемой птицефабрик является утилизация куриного помета. Ежегодно в РФ образуется более 20 млн. т куриного помета. А в связи с постоянным ростом производимой продукции и поголовья птиц проблема приобретает всё более острый характер. Существующие способы утилизации помёта кардинально решить проблему не позволяют.
Таблица 1 - Элементный состав помета
Одним из наиболее перспективных способов переработки куриного помета является термохимический метод.
Предлагаемый термохимический метод переработки представляет собой процесс быстрого пиролиза, который заключается в термическом разложении пометной массы в отсутствии окислителя при относительно низких температурах 450-550 С высокой скорости нагрева 500-1000 °С/сек. и
Сырой куриный помет представляет собой устойчивую коллоидную систему влажностью 80-90%. В состав помета входят различные химические вещества, например, кислоты, сульфиды, сераорганические соединения, бензопироллы, фенолы (в частности 2,6- дитретбутилфенол и его производные); 2,6- дитретбутилкрезол,
бензохиноны, ароматические соединения, витамины (каротин, провитамины Д, Е, К; рибофлавин, пиридоксин; никотиновая кислота, В12 и т.д.), в пределах до 1,5% имеются все незаменимые аминокислоты [1]. Элементный состав птичьего помета и его энергетическая ценность представлены в табл. 1.
незначительном времени пребывания продуктов в реакционном пространстве (до 2-3 с) [2]. В результате быстрого пиролиза помета образуются углистый остаток и парогазовая смесь, которая в последствии разделяется на жидкие продукты и неконденсируемый газ.
Отдельные стадии процесса
термохимического разложения помётной массы были исследованы на экспериментальной установке, схема которой представлена на рис. 1.
Наименование Влажность(%) Зольность Элементный состав Высшая Теплота сгорания (МДЖ/кг)
С Н N О
Курица 27.15 22.7 38.415 5.37 3.32 33.88 15.71
Бройлер 33.35 21.45 39.62 5.05 3.35 34.05 15.75
Индейка 16.25 5.93 45.86 6.12 1.12 41.93 18.74
Экспериментальная установка
термохимического разложения куриного помёта включает в себя: 1 - баллон с инертным газом; 2 - ротаметр; 3 - реактор
термохимического разложения куриного помёта; 4 - систему контроля температуры процесса термохимического разложения куриного помета; 5 - конденсатор; 6 -
регулируемый трансформатор; 7 - сборник конденсата; 8 - сборник несконденсированного газа; 9 - пробоотборник газа; 10, 11 - запорная аппаратура.
Наличие инертного газа, в нашем случае используется азот, необходимо для исключения контакта продуктов разложения с кислородом воздуха.
Ротаметр дает возможность
контролировать скорость процесса вытеснения воздуха из системы.
Рис. 1 - Схема установки термохимического разложения куриного помёта
Реактор, в котором протекает собственно сам процесс термохимического разложения куриного помёта, а именно процесс быстрого пиролиза, является герметичным, снабжен нагревателем, обеспечивающим быстрый нагрев помёта до температуры 4505500С, имеет технологические отверстия для датчиков температуры и штуцера для подачи азота, отвода вытесняемого воздуха и образующихся парогазовых продуктов термохимического разложения помёта.
Быстрый контролируемый нагрев помета в реакционной зоне осуществляется кондуктивно на плоской поверхности стальной пластины с известными геометрическими параметрами и электрическими характеристиками. К концам ленточного нагревателя присоединены электрические медные шины. Кроме того, в крышке реактора установлены два штуцера для продувки азотом и отвода образующейся в результате термохимического разложения
помета парогазовой смеси, а также патрубок для установки датчика температуры. Датчиком температуры является хромель-алюмелевая термопара. Сигнал с датчика температуры в режиме реального времени регистрируется и обрабатывается с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и компьютера.
Для осуществления процесса термохимического разложения в режиме быстрого пиролиза для нагрева помета до
О
температуры 450-550 С с указанной скоростью
20 °С/сек необходимо обеспечить заданное напряжение и силу тока. Тарирование температуры нагревателя в зависимости от параметров электрического тока и положения сердечника трансформатора осуществляется до проведения процесса термохимического разложения.
Конденсация образующейся в процессе термохимического разложения куриного помёта парогазовой смеси осуществляется в холодильнике Либиха, соединённого через аллонж с колбой Бунзена, являющейся сборником сконденсированного продукта.
Сборник несконденсированного газа (несконденсированной части парогазовой смеси, образовавшейся в результате термохимического разложения куриного помёта) представляет собой широкий мерный сосуд, в который вставлен вверх дном второй мерный сосуд. На дне второго мерного сосуда расположен штуцер с краном.
После сборки всех элементов установки в соответствии с рисунком в широкий мерный сосуд заливается фиксированное количество дистиллированной воды. При открытом кране на дне второго мерного сосуда из последнего при помощи струйного насоса удаляется воздух, после чего кран закрывается. На греющую поверхность нагревателя помещается фиксированное количество сухого куриного помёта, реактор и вся система
герметизируются. При открытом кране 10 осуществляется продувка системы азотом при небольшом расходе, контролируемого по ротаметру 2. Устанавливаются необходимые температуры и расход подаваемых в конденсатор хладагента. В соответствии с тарировочным графиком устанавливаются необходимые параметры подаваемого на шины нагревателя электрического тока. Заданная температура поверхности нагревателя устанавливается в течении 5-7 секунд. Образующаяся парогазовая смесь за счёт разности давлений, возникающей в результате конденсации части парогазовой смеси и
разряжения, создаваемого столбом жидкости в перевёрнутом вверх дном мерном цилиндре, поступает в сборник несконденсированного газа. Объём несконденсированного газа определяется по шкале на стенке перевёрнутого вверх дном мерного цилиндра. Весь процесс пиролиза длится в зависимости от температуры нагревателя от 20 до 60 секунд после чего подача электрического тока прекращается. После охлаждения установки определяется масса образовавшегося углистого остатка. Количество образующейся жидкой фазы вычисляется путем вычитания из массы исходного сухого помёта суммарной массы углистого остатка и несконденсированного газа. Количество конденсата в сборниках значительно ниже расчётного, так как в лабораторной установке исключить
конденсацию высококипящих фракций образующейся парогазовой смеси в соединительных магистралях и на стенках самого реактора невозможно. Но это не исключает качественный анализ
образующегося конденсата. Отбор проб несконденсированного газа осуществляется с помощью крана 11 в пробоотборник 9.
В результате проведенных
исследований был определен материальный баланс, образующихся в процессе быстрого пиролиза куриного помета, продуктов
О О
(скорость нагрева 20 С/сек, температура 550 С) представлены в виде диаграммы на рис. 2.
100% -| |---1 і----1 і----1
90%-----\ \------\ \-------\ \--
80% ШШ рч ЕЕЗ
70%-----\ \------\ \-------\____\--
60%----\ \---------\____\------ --------
результаты которого представлены в виде схемы на рис. 3.
□ жидкость
□ газ
■ уголь
пробы
Рис. 2 - Материальный баланс продуктов быстрого пиролиза куриного помета
На основе полученных данных также был рассчитан энергетический баланс процесса,
Рис. 3 - Энергетический баланс процесса быстрого пиролиза куриного помета
Таким образом, одним из наиболее перспективных способов утилизации куриного помета является термохимический метод посредством быстрого пиролиза. В результате проведенных исследований был определен материальный баланс продуктов быстрого пиролиза и энергетический баланс процесса. Материальный баланс показывает что выход жидких продуктов составляет от 32 до 43,7%, при общей термической эффективности процесса в 74,7%. Пиролизный газ может сжигаться в газогенераторе для выработки электроэнергии. Жидкие продукты могут быть использованы, как в качестве топлива для осуществления процесса быстрого пиролиза, так и для технологических и бытовых потребностей птицефабрик. Углистый остаток может быть использован как улучшающая структуру почвы добавка и удобрение.
Литература
1. Nii Ofei D.Mante Influence of wood on the pyrolysis of poultry litter 2008 - p. 7-8.
2. Тунцев, Д. В. Математическая модель термического разложения древесины в условиях кипящего слоя и конденсации продуктов разложения / Д.В. Тунцев, А.Н. Грачев, Р.Г. Сафин // Вестник Казан. технол. ун-та.- 2011.- Т. 14, №14.- С. 130-137.
31,34
50%
24,38
22,89
40%
30%
20%
10%
0%
3
В. Н. Башкиров - д-р техн. наук, проф. каф. химической технологии древесины КНИТУ, [email protected]; А. З. Халитов - асп. каф. переработка древесных материалов КНИТУ, [email protected]; А. Н. Грачев - каанд. техн. наук, доц. той же кафедры; Д. В. Тунцев -каанд. техн. наук, асс. той же кафедры; А. Т. Шаймуллин - асп. той же кафедры.
