Процессы обезвоживания органических веществ большой первоначальной влажности (до 98%) характерны для целого ряда отраслей. Отрасли, использующие в производстве большие объемы воды, получают отходы с влагосодержанием до 98%. В электронной промышленности это отходы «мокрой» технологии, процессов производства печатных плат, фотолитографии и т. д. Подобные отходы есть в отраслях химической, медицинской и других промышленностях. Особенно остро стоит проблема обезвоживания (до стандартной влажности 14%) для производств с годовыми объемами продукции в миллионы тонн, например, пищевая, комбикормовая промышленности и, особенно, при переработке различных отходов, шламов сточных вод.
Осложнившаяся экологическая ситуация во всем мире требует более пристального внимания к процессам переработки и утилизации отходов, в том числе птичьего, свиного, коровьего помета, которые зачастую просто сбрасываются в окружающее пространство.
Общее количество/осадков сточных вод только по России к 2000 г. составит от 120 до 140 млн. тонн в год [52, 54, 76]. Количество отходов сельского хозяйства (помет птиц, свиней, крупного рогатого скота) — в 1,5 раза больше. Вокруг Москвы, в некоторых случаях практически в черте города, располагаются 32 птицефабрики с суточным выходом птичьего помета от 100 Т/ сутки. Сегодня эти отходы, как правило, не перерабатываются, а по мере накопления в помещениях для содержания животных и птицы вывозятся на поля, где и складируются на долгие годы. Вешние воды, осенняя распутица и просто дожди смывают их в ближайшие водоемы, заражая воду болезнетворными микроорганизмами. Эти воды, в конечном итоге, попадают в мировой океан, заражая флору и фауну. А ближайшие водоемы — это источники пресной воды, которую мы потребляем. Поэтому по вопросам экологии эта проблема выходит на международный уровень.
Проблема переработки птичьего помета для России имеет большое значение, т.к. только здесь были организованы гигантские фермы с суточным выходом помета у птицеферм — до 300 т/ сутки, а в свинофермах — до 2000 т/сутки. Особенно остро стоит проблема для ферм, находящихся в черте города [34]. Для птицеводческих и животноводческих хозяйств, «вросших» в населенные пункты, основными условиями приемлемости технологий переработки помета являются:
— экологическая безопасность производства, т. е. минимизация степени влияния технологии переработки на окружающую среду;
— отсутствие потребности использования поглощающих материалов и наполнителей (торф, солома, опилки, минералы, например, бишофит, окись кальция и т. д.);
— минимизация объемов застройки под технологическое оборудование;
— сравнительная технологичность и окупаемость.
На сегодняшний день существуют следующие технологии по переработке помета:
— компостирование;
— высокотемпературная сушка (1=800 °С);
— аэробные технологии ферментации;
— анаэробные технологии с выделением биогаза;
— прямое сжигание.
Анализ перечисленных требований и рассмотрение применяемых технологий [2, 11, 22, 24, 49, 55, 56, 59, 65−68, 75, 83, 84, 93−99] показывают, что в настоящее время сведения о совмещении положительных качеств в реальной технологии, удовлетворяющих требованиям, отсутствуют, равно как и сведения о сравнительной эффективности той или иной технологии.
Проблема не в том, как переработать помет и любые другие отходы, но в большей степени, как обеспечить экологическую и санитарно-эпидемиологическую безопасность того или иного предприятия для окружающей среды [60]. Существующие на сегодняшний день технологии не могут обеспечить такую защиту.
Таким образом, проблема переработки отходов птицеводства и животноводства — это проблема не только конкретной фабрики и района, в котором она расположена, но и общегосударственная проблема, поднимающая вопросы утилизации отходов и получения высококачественного продукта (удобрение, кормовая добавка), отвечающего мировым стандартам, т. е.:
— влажность, не более 14%;
— отсутствие в конечном продукте канцерогенов и других заразных и вредных веществ, вирусов и бактерий, т. е. получение экологически чистого продукта;
— сохранение структуры исходного продукта;
— сохранение процентного состава органической составляющей и всех других биологически ценных компонентов в конечном продукте, по сравнению с исходным сырьем.
Технологической основой для создания устройств, позволяющих решить эти проблемы, могут явиться процессы низкотемпературного обезвоживания в вакууме. Кроме птицеводства и животноводства, подобные установки смогут найти прямое применение для решения задач обезвоживания всех видов шламов, включая бытовые и промышленные, на городских станциях очистки сточных вод, что также является актуальной экологической проблемой.
Изучено низкотемпературное вакуумное обезвоживание, применительно к сушке древесины, сублимации продуктов питания, однако известные научные результаты не дают возможности решить вышеуказанные проблемы.
В связи с этим, целью данной работы является разработка научных основ экологически безопасной принципиально новой технологии низкотемпературного обезвоживания органических веществ большой влажности в вакууме (НОВ) и создание под эту технологию высокопроизводительного оборудования оборудования нового класса.
Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Разработана физико-математическая модель процесса низкотемпературного обезвоживания в вакууме;
2. Синтезирована структура машины НОВ и ее отдельных систем;
3. Разработана инженерная методика расчета как самой машины, так и отдельных ее модулей;
4. Проведены масс-спектрометрические исследования выходных продуктов;
5. Обоснована экономическая целесообразность разработки технологии НОВ.
Низкотемпературное обезвоживание в вакууме — это как раз тот инструмент, который обеспечивает не только экологическую безопасность процесса, но и экологическую чистоту самого продукта, получаемого в процессе переработки. Это безотходная энергосберегающая технология, в процессе которой происходит фракционирование исходного жидкого продукта на три составляющие: сухой остаток, чистую воду, которую можно использовать, и незначительный экологически безопасный выхлоп.
На защиту выносятся:
1. Физико-математическая модель процесса обезвоживания в вакууме;
2. Технология НОВ, созданная на основе физико-математической модели;
3. Инженерная методика расчета и выбора параметров отдельных модулей оборудования НОВ;
4. Методика проведения исследований химического состава выходных продуктов при вакуумном обезвоживании;
5. Задачи синтеза структуры оборудования НОВ;
6. Концепция высокопроизводительной машины НОВ вертикального типа.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Теоретически обоснована и создана физико-математическая модель процесса НОВ;
2. Впервые выявлена взаимосвязь химического состава выходных продуктов и технологических режимов НОВ;
3. Разработана идеология конструкции высокопроизводительной установки НОВ вертикального типа.
Практическая значимость.
1. Построена инженерная методика расчета оборудования НОВ;
2. Синтезирована структура оборудования НОВ;
3. Результаты исследований и разработок использованы в процессе создания участка по переработке птичьего помета на Красногорской птицефабрики и цехана Томилинской птицефабрики.
Практическая значимость работы состоит в разработке инженерной методики расчета отдельных узлов и всего модуля оборудования НОВ и методики проведения исследований химического состава выходных продуктов в процессе НОВ.
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.
1. Анализ существующих методов и оборудования, используемых для сушки органических веществ выявил их преимущества и недостатки и доказал актуальность создания нового экологически безопасного процесса сушки, которым явилась технология низкотемпературного обезвоживания в вакууме — НОВ.
2. Установлена принципиальная возможность использования метода низкотемпературного вакуумного обезвоживания органических веществ большой влажности для получения экологически чистого продукта низкой влажности (до 1%), в том числе, получение из сырого птичьего помета экологически чистого удобрения с высокой агрохимической ценностью.
3. Теоретически обоснована физико-математическая модель процесса НОВ. Доказано, что возможна реализация процесса, обеспечивающего фракционирование первоначально жидкого продукта с влажностью до 99% на 3 составляющие: сухое вещество, влажностью до 1%, воду, пригодную для использования в технических целях, и незначительный экологически чистый газообразный выхлоп.
4. Впервые, используя технологию НОВ становится принципиально возможным полное сохранение органической составляющей исходного продукта, исключение потерь основных питательных веществ в сухом помете, повышение экономичности процесса.
5. Показано, что использование диапазона температур от 40 до 100 °C устраняет эффект разложения углеводородистых соединений, и в тоже время, позволяет произвести обеззараживание исходного продукта.
6. Эксперименты, проведенные по разработанной методике, подтвердили правильность построения физико-математической модели и показали, что в сыром помете, влажностью 77,8%, имеющем 32,5% зольности и 67,5% органики, после обезвоживания в вакууме сохраняется содержание зольности — 32,5% и органики — 67,5%. Сконденсированная вода, получаемая при вакуумном обезвоживании по своему составу чище водопроводной.
7. Впервые показано, что автоматизация процесса и требуемые технические параметры обезвоживания могут быть реализованы при наличии правильно выбранного соотношения между массопотоком паров воды — Мп из сырого продукта и скоростью их откачки из технологического объема — 80ТК (Мп < 80тк).
8. Анализы химического состава газообразного выхлопа, конденсата и сухого продукта подтвердили положение об экологической безопасности технологии (стоки отсутствуют, а выхлопные газы практически повторяют состав атмосферного воздуха) и возможность сохранения идентичности исходного и конечного продукта.
9. Впервые выявлена взаимосвязь технологических и конструктивных параметров оборудования НОВ. На примере создания новой технической системы низкотемпературного обезвоживания органических веществ в вакууме, проведен анализ процесса выбора рациональной структуры автоматизированной машины. На основании физико-математической модели технологии НОВ синтезирована структура оборудования НОВ, которая включает рабочий объем, вакуумный агрегат, систему подачи и формирования потока исходного продукта, систему нагрева и систему питания и управления.
10. Созданный опытный образец установки НОВ, разработанная инженерная методика расчета и выбора параметров, расчет производительности позволили доказать эффективность и практическую целесообразность технологии и оборудования, выявили области ее возможного применения, в том числе, консервирование продуктов высокой биологической ценности (лекарственные средства, ферменты, эндокринное сырье, препараты крови, продукты питания и др.) — переработка и/или утилизация различных отходов (шламов сточных вод, отходов птицеводства, животноводства, пищевой и др. промышленностей).
Основные положения диссертации опубликованы в работах:
1. Веселова Е. Л, Ковалева Н. Л. Синтез структуры машины вакуумного обезвоживания. // Справочник. Инженерный журнал. -1998. № 4. -С. 9−17.
2. Веселова Е. Л. Обезвоживание в вакууме. Физика технологии. Применение. //Справочник. Инженерный журнал. -1998. № 1. -С. 18−20.
3. Сравнительный анализ методов сушки влажных органических веществ. /Е. Л. Веселова, Е. А. Деулин, Л. К. Ковалев. // Тезисы докладов «Вакуумная наука и техника.» 3-я научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов. — Гурзуф, — 1996. — С. 17.
4. Вакуумная система для откачки объемов с гигантскими потоками водяного пара. Конденсационный насос на тепловых трубах. / Е. Л. Веселова, Е. А. Деулин, Л. К. Ковалев, А. Г. Томашевский. // Тезисы докладов «Вакуумная наука и техника» 3-я научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов. — Гурзуф- -1996.-С. 18.
5. Веселова Е. Л., Ковалев Л. К. Физическая модель вакуумного процесса низкотемпературного обезвоживания органических веществ. // Тезисы докладов «Вакуумная наука и техника». 4-ая научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов. — Гурзуф, — 1997. — С. 46−48.
6. Веселова Е. Л., Ковалев Л. К. Вариации структуры машины, как средство совершенствования ее функциональных возможностей. // Высокие технологии в промышленности России. Материалы II Российской конференции с участием зарубежных специалистов. -Москва: МАИ. -1997. — С. 288 — 304.
7. Низкотемпературное обезвоживание органических веществ в вакууме. / Е. Л. Веселова, Л. К. Ковалев, 3. И. Метельский. // Тезисы докладов «Вакуумная наука и техника». 3-я научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов. — Гурзуф, -1996. — С. 16.
8. Установка низкотемпературного обезвоживания органических веществ в вакууме. / Е. Л. Веселова, Л. К. Ковалев, 3. И. Метельский. // Тезисы докладов «Вакуумная наука и техника». 3-я научно-техническая конференция с участием зарубежных специалистов. — Гурзуф. — 1996. — С. 19.
9. Положительное решение на выдачу патента. Заявка № 96 109 427. Устройство для сушки органических веществ. / Л. К. Ковалев, 3. И. Метельский, Е. Л. Веселова.
10. Положительное решение на выдачу патента. Заявка № 97 113 310. Способ низкотемпературного обезвоживания веществ в вакууме. / Л. К. Ковалев, Е. Л. Веселова, А. Ф. Крайнев.
11. Положительное решение на выдачу патента. Заявка № 97 115 600. Вещество, получаемое низкотемпературным обезвоживанием птичьего помета в вакууме — Гуано-рус. / Л. К. Ковалев, Е. Л. Веселова, А. Ф. Крайнев.
12. Положительное решение на выдачу патента. Заявка № 97 111 704. Устройство для низкотемпературного обезвоживания органических веществ в вакууме. / Л. К. Ковалев, Е. Л. Веселова, А. Ф. Крайнев.
13. Патент № 2 107 235. Установка для сушки органических веществ. / Л. К. Ковалев, 3. И. Метельский, Е. Л. Веселова. // Б. И. № 8 от 20.03.98.
5.4.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
