Электротехнологическая озонаторная установка для обеззараживания кормовых смесей

Известно, что от качества кормов и их биологической ценности зависит жизнеспособность и продуктивность сельскохозяйственных животных. Изыскание средств и способов улучшения основных показателей кормов имеет большое значение, т.к. является способом интенсификации внутренних ресурсов организма животных, заложенных природой.
В настоящее время во всем мире проявляется интерес к озону. Обработка озоном позволяет увеличить сроки безопасного хранения зерна и кормосмесей, не ухудшая их питательных качеств. Наиболее распространенным способом озонирования является обработка насыпи зернового материала. Однако при применении данной технологий имеется ряд проблем связанных со значительным перерасходом озона, неравномерностью обеззараживания и сравнительно высокой трудоемкостью процесса. Предлагается проводить обработку озонированным воздухом кормовых смесей в подвижном слое при ссыпании материала с использованием озонаторов коронного разряда. В отличие от существующих способов, это позволит повысить эффективность и равномерность обработки при сохранности питательных свойств и снижение трудо- и энергозатрат.
Цель работы – разработка электротехнологической озонаторной установки с обоснованием режимных параметров обработки озоном кормосмесей в подвижном слое с использованием озонаторов коронного разряда.
Объект исследования: процесс обработки озоном кормовых смесей и их составляющих на установке с озонатором коронного разряда.
Предмет исследования: выявление закономерностей влияния режимов обработки озоном кормовых смесей на степень их обеззараживания и питательные свойства.
Основные научные задачи:
– провести анализ существующих способов обработки озоном зерна и зернопродуктов;
– исследовать процесс взаимодействия озона с обрабатываемым материалом при обеззараживании кормовых смесей и сравнить адекватность теоретических предпосылок с результатами экспериментальных исследований;
– разработать способ обработки озоном кормовых смесей, обеспечивающий высокую эффективность обеззараживания при сохранении питательных качеств материала;
– исследовать обеззараживающее действие озона на микрофлору кормовых смесей при обработке их в свободно падающем потоке, влияние озонирования на качество получаемого продукта, а также определить режимные параметры и технические требования к разрабатываемой электротехнологической озонаторной установке;
– разработать установку для обработки озоном кормовых смесей и провести ее испытания в производственных условиях, а также оценить экономическую эффективность использования озона в процессе обеззараживания
– разработать методику расчета озонаторной установки и рекомендации по обеззараживанию озоном кормовых смесей и зерновых материалов
Методика исследований. Поставленные задачи решены на основе системного анализа ранее разработанных способов озонирования. Использовано математическое и физическое моделирование процесса озонирования. Оценка микробиологических показателей получаемого продукта проведена согласно ГОСТ 10444.15-94, аминокислотный состав определялся согласно ГОСТ 13496.4-93
Научную новизну результатов исследования представляют:
– математическая модель взаимодействия озона с зерновым слоем, связывающая основные значимые факторы, влияющие на степень обеззараживания;
– технологическая схема озонаторной установки, позволяющая проводить обработку озоном кормовых смесей непосредственно в потоке, в процессе их ссыпания и позволяющая встраивать ее в существующие технологические процессы;
– режимы и конструктивно-технологические параметры озонаторной установки, позволяющие эффективно проводить процесс обеззараживания, не оказывая отрицательного влияния на биохимические свойства и качество получаемого продукта;
– методика расчета озонаторной установки для обеззараживания кормовых смесей и зерновых материалов.
ическая значимость. Разработанный и проверенный в производственных условиях способ обеззараживания кормовых смесей озонированным воздухом в свободно падающем потоке позволяет:
– снизить зараженность кормовых смесей до требуемых норм с сохранением питательных свойств
– обеспечить экологическую чистоту процесса обработки кормовых смесей и снизить загрязненность окружающей среды и обработанного продукта за счет отказа от использования ядохимикатов;
– существенно снизить (на порядок) энергозатраты на обеззараживание кормовых смесей.
Получен патент на изобретение «Устройство для обработки озоном сыпучих материалов»
Основные положения, выносимые на защиту:
– установлено, что озон при обработке стационарного слоя расходуется в основном на химическое взаимодействие и разложение на поверхности, что ведет к перерасходу озона и увеличению энергозатрат;
– разработанный способ обеззараживания кормовых смесей встречным потоком озона в их свободно падающем потоке, обеспечивает высокую равномерность обработки и повышает экологичность процесса
– разработанные режимы обеззараживания кормовых смесей озоном с использованием разработанной озонаторной установки, обеспечивают снижение микробной обсемененности на порядок и сохранность питательных свойств;
– процесс обеззараживания кормовых смесей с использованием озона позволяет существенно повысить экономическую эффективность процесса по сравнению с применением традиционных химических препаратов.
Реализация результатов исследований. Определены основные технологические параметры процесса обеззараживания, разработана и изготовлена экспериментальная установка для обработки кормовых смесей озоновоздушными смесями. Изучено влияние режимов обработки на обеззараживание и качественные показатели кормовых смесей нескольких марок при различных экспозициях обработки. Проведены испытания в производственных условиях в комбикормовом цехе ОАО «Хлебная база №9» г. Александров.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований обсуждены и одобрены на Международной научно-практической конференции «Инновационные и энергосберегающие технологии в сельском хозяйстве» (ФГОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина, 2012г.); на тридцать втором Всероссийском семинаре «Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии» (Химический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова 2012г.); на 8-й Международной научно-технической конференция «Энергосбережение и энергообеспечение в сельском хозяйстве» (ГНУ ВИЭСХ РАСХН, 2012г.); на 2-й Конференции молодых ученых и специалистов Отделения механизации, электрификации и автоматизации «Научное обеспечение инновационных процессов в агропромышленной сфере» (ГНУ ВИЭСХ РАСХН, 2013г.); на 9-й Международной научно-технической конференция «Энергосбережение и энергообеспечение в сельском хозяйстве» (ГНУ ВИЭСХ РАСХН, 2014г.).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 9 опубликованных работах, в том числе 3 – из перечня ведущих периодических изданий, определенных ВАК при Министерстве образования и науки РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Основное содержание диссертации изложено на 112 страницах, включает 31 рисунок, 13 таблиц, список литературы из 103 наименований, в том числе 12 на иностранных языках
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обозначена проблема, решаемая в данной работе; обоснована актуальность выбранной темы исследований; сформулирована цель и задачи работы; приведены положения, выносимые на защиту.
Работа выполнялась в соответствии с Межведомственной координационной программой фундаментальных и приоритетных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 1996…2009 г.г. шифр IX.01. «Разработать систему конкурентоспособных экологически безопасных технологий и комплексы энергосберегающих машин нового поколения для производства приоритетных видов сельскохозяйственной продукции 1999…2014 гг.; – в ВИЭСХ по теме «Провести НИР, разработать методы инженерного расчета и обосновать экологически безопасные технологии и комплекс технических средств получения, первичной обработки и хранения высококачественной сельскохозяйственной продукции».
В первой главе диссертации «Состояние вопроса и задачи исследования» приведен обзор ситуации в области обеззараживания зерна и кормовых смесей; указаны основные причины ухудшения качества зерна и зернопродуктов и перечислены существующие методы их обработки. Приведены преимущества и недостатки последних, обоснован выбор озонирования как перспективного метода обеззараживания зерна и кормосмесей. Дан анализ существующих способов озонирования зерновых продуктов, определены задачи исследований.
Изучены научные труды в области озонирования сельскохозяйственной продукции таких авторов как: Бородин И.Ф., Бутко М.П., Возмилов А.Г.. Кривопишин И.П., Кзенз Н.В., Сторчевой В.Ф., Ткаченко С.Н., Троцкая Т.П., и др.
Анализ известных способов озонирования зерна и зернопродуктов показал, что наиболее применяемые способы обработки стационарного слоя зернового материала не обеспечивают равномерного обеззараживания, трудоемки, но экономически более целесообразны по сравнению с применением ядохимикатов. На основе этого сделан вывод о необходимости обработки озоном кормовых смесей и их компонентов в свободно падающем потоке, с помощью которого предполагается обеспечить равномерность процесса, снизить энергозатраты и повысить эффективность обеззараживани
Учитывая, что озон – газ токсичный и применяется сравнительно недавно, важно было разработать режимы обработки с использованием невысоких концентраций его в процессах обработки, во избежание отрицательного воздействия его на персонал при эксплуатации и объект обработки.
Следует отметить, что режимы обработки кормовых смесей и в частности комбикорма озоном должны отличаться от режимов обработки цельного зерна, т.к. комбикорм не имеет защитной оболочки в отличие от цельного зерна, что увеличивает влияние озона на питательные вещества, содержащиеся в комбикорме
В соответствии с вышеизложенным состоянием вопроса определена цель и поставлены задачи теоретических и экспериментальных исследований.
Во второй главе «Теоретическое и экспериментальное обоснование процесса обработки озоном зернопродуктов» исследованы факторы, влияющие на процесс взаимодействия озона с кормовыми смесями, и экспериментальными исследованиями определена их значимость. На основании этого разработана математическая модель взаимодействия озона с зерновым материалом, позволяющая исследовать процесс озонирования кормовых смесей.
Для определения потребности в озоне для обеззараживания кормовых смесей важно определить значения составляющих расхода озона в процессе озонирования. Известно, что время жизни молекулы озона на поверхности зернового материала зависит от внешних факторов и свойств самой поверхности. К тому же озон реагирует с веществами, находящимися в самом зерновом материале и при этом происходит снижение концентрации озона.
Для изучения процесса взаимодействия озона с кормовыми смесями были проведены исследования прохождения озоновоздушной смеси через слой зернового материала.
Распределение озона в процессе озонирования можно представить в виде диаграммы, рис. 1.
При прохождении озона через насыпь, каждый слой этой насыпи поглощает определенную величину поступающего озона. С увеличением высоты слоя будет происходить уменьшение количества озона на величину dp, равное количеству поглощенного и разложившегося озона в этом слое за время t. Следовательно, для описания уменьшения количества озона, при некоторых допущениях, можно использовать уравнение органического роста.
Известно, что озон является нестабильным реагентом, чувствительным к воздействию параметров атмосферы, в которой происходит озонирование и свойствам самого обрабатываемого материала. По уравнению баланса для общей массы озона в объеме были произведены расчеты зависимости концентрации озона от времени работы озонатора. Период полураспада озона, при t = 17 – 23 оC и относительной влажности 55-75% составил Т ≈ 8 мин, из чего следует вывод, что при обработке озоном кормовых смесей в процессе их ссыпания, разложением озона gобм в объеме можно пренебречь.
В результате экспериментов было установлено, что сорбционная емкость пропорциональна концентрации озона и зависит от вида зернового материала и времени контакта. Величину адсорбированного озона зерновым материалом определяли по изменению веса последнего в результате обработки. Изменение веса зерновых материалов в результате адсорбции озона имеет незначительную величину, менее 1% и привес происходит только в течение первых минут. Далее вес материала снижается, так как озон интенсифицирует выход влаги и вступает в химические реакции с компонентами кормосмеси, что сопровождается выделением газообразных веществ, которые уносятся с отработанной озоновоздушной смесью. Это подтверждает предположение, что процесс адсорбции озона носит непродолжительный характер – рис. 3.
При длительной обработке озон расходуется на процессы химического взаимодействия и разложения на поверхности зернового материала – gразл и g(хим.р), которые в настоящее время существующими методами исследования невозможно разделить.
Для подтверждения предложенной модели было проведено исследование по определению распределения изменения содержания озона в зернистом материале. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 4. Проведенные исследования обработки различных по свойствам зернистых материалов озоном в неподвижном слое показали, что концентрация озона по высоте слоя снижается, рис. 5. Тенденция к выравниванию концентрации с течением времени имелась, однако выравнивания ее не происходило. Это приводит к неравномерности обработки слоя по высоте и значительному перерасходу озона.
Разность значений концентрации между входом и выходом озона из модуля – это суммарное количество озона, адсорбированного слоем и разложившимся на нем. Озон, адсорбированный в слое и содержащийся в межзерновом пространстве, воздействует на сам материал слоя и микрофлору, находящуюся на поверхности зерен в течение длительного времени, по предварительной оценке, до месяца. Для оценки воздействия озона на основные составляющие сухих кормовых смесей было проведено исследование изменения концентрации озона на выходе из слоя при многократном пропускании озоновоздушной смеси через слой зернистого материала. Полученные данные показали, что повышение концентрации на выходе до установившегося значения происходит в течение первой минуты. Следовательно, нет необходимости обрабатывать стационарный слой в течение нескольких часов.
Анализируя результаты исследований можно сделать вывод, что обработка материала при ссыпании в течение нескольких секунд может способствовать эффективному снижению микробной обсемененности, к тому же будет обеспечено снижение энергоемкости процесса за счет снижения затрат энергии на перемещение материала. В качестве источника озона для этих целей целесообразно использовать озонаторы коронного разряда, т.к. в данном случае нет необходимости в высоких концентрациях, к тому же данный тип озонаторов не требователен к качеству используемого для выработки озона воздуха, что важно при эксплуатации на сельскохозяйственных предприятиях.
В третьей главе «Разработка установки для обеззараживания кормовых смесей» представлены материалы экспериментальных исследований по отработке режимов процесса озонирования. Разработана методика проведения эксперимента для изучения обеззараживающего действия озона на патогенную микрофлору кормовых смесей и влияние на качество получаемого продукта; дан расчет и описание разработанной и изготовленной экспериментальной установки, получены и приведены результаты исследований процесса обработки озоном комбикорма при ссыпании в свободно падающем потоке.
Для обеспечения равномерности обработки, была разработана экспериментальная установка по обеззараживанию озоном кормосмесей в их свободно падающем потоке. За основу смесительной камеры была взята конструкция из двух труб разного диаметра, расположенных коаксиально. Смесительная камера установки состоит из вертикальной колонки, внутри которой расположена труба, на внешней поверхности которой по винтовой линии расположены лопатки под углом 450 , по которым ссыпаются кормовые смеси (рис. 6).
В качестве источника озона использовался озонатор ОС-10 коронного разряда с производительностью по озону до 10 г/ч с возможностью ее плавного регулирования (рис. 7).
Для определения оптимальных режимов работы установки были проведены исследования эффективности обеззараживания материала при подаче озоновоздушной смеси как в противотоке, так и при подаче прямотоком. Установлено, что использование противотока имеет предпочтение Определено влияние скорости подачи озоновоздушной смеси на распределение озона по высоте установки. С увеличением скорости подачи распределение становится более равномерным. При больших скоростях унос мелкой фракции комбикормовой смеси, вместе с отработанной озоновоздушной смесью, становился ощутимым и превышал 10%.
Озонированию подлежал комбикорм для кур-несушек марки Пк-1. Исходя из физических свойств данного комбикорма, выполнен расчет геометрических размеров смесительной камеры и определены основные параметры установки:
– Высота смесительной камеры – 2000мм,
– Диаметр внешней трубы – 200мм,
– Диаметр внутренней трубы – 150мм,
– Производительность дозатора – 0,4т/ч,
– Скорость истечения, – 0,63м/с,
– Скорость озоноводушной смеси внутри колонки – 0,5м/с.
Важным параметром озонаторной установки является доза озона, численно равная произведению концентрации озона в озоновоздушной смеси на время контакта с обрабатываемым материалом.
Регулирование дозы озона можно осуществить следующими способами: изменяя концентрацию озона (электрическим путем) и/или экспозицию (путем изменения высоты смесительной камеры). Для изменения экспозиции, на внешней трубе смесительной камеры расположили три штуцера – пробоотборника. Четвертой точкой отбора проб служило выходное отверстие. Концентрацию озона изменяли путем регулировки частоты задающего генератора озонатора
Для осуществления управления установкой и контроля основных параметров была разработана схема управления и мониторинга, рис. 8. Основным элементом данной схемы является устройство мониторинга УМ-30НЕО, являющимся свободно программируемым контроллером. Управление установкой происходит с пульта оператора через локальную сеть Ethernet. Схема позволяет регулировать скорость вращения крыльчатки вентилятора, изменять производительность озонатора, контролировать температуру воздуха и концентрацию озона в помещении. Так как на процесс озонирования влияют множество факторов, поэтому определение оптимального значения дозы озона возможно только экспериментальным путем, на основе микробиологического анализа обработанных образцов. Для этого были проведены экспериментальные исследования в лабораторных условиях по обеззараживанию комбикорма при ссыпании в бункер. Степень обеззараживания оценивалась по показателям изменения общей микробной обсемененности (таблица 1) Математический анализ полученных результатов позволил получить зависимость общей микробной обсемененности (зараженности) от дозы озона (рис. 9). Рисунок 9 – Фактические (а) и расчетные (б) кривые зараженности комбикорма
При значении дозы озона 175 с·мг/м3 происходит переход от стимуляции роста микрофлоры к её угнетению.
Следует отметить, что в процессе ссыпания происходит снижение концентрации озона на выходе и, следовательно, последующие партии комбикорма получат меньшую дозу озона, чем в начале обработки. Для оценки степени обеззараживания комбикорма при работе установки в установившемся режиме был произведен микробиологический анализ проб комбикорма на начальном этапе ссыпания и в установившимся режиме. Концентрация озона на входе была повышена до 210 мг/м3 . Первые пробы отбирались сразу после начала ссыпания, последующие спустя 2 минуты. Контролем служили необработанные образцы. Результаты представлены в таблице 2.
Для исследования влияния режимов озонирования кормовых смесей на качество получаемого продукта, проведен анализ обработанных партий на состав общих аминокислот (рис. 10). Важным было установить предельно допустимые режимы обработки озоном, в пределах которых качество получаемого продукта не меняется, т.к. опыт предыдущих исследователей свидетельствует, что при высоких концентрациях озона наблюдается снижение содержания витаминов и ряда других составляющих. Как видно из полученных данных (рис. 10), концентрации озона до 0.21 г/м3 при времени контакта до 5 секунд, что соответствует дозе озона 1000 с·мг/м3 , обеспечивают высокую степень обеззараживания и не влияют на аминокислотный состав комбикормовых смесей.
Обобщив результаты исследований, был сделан вывод о проведении дальнейших экспериментальных исследований при дозах озона в пределах от 300 до 1000 с·мг/м3
В четвертой главе «Исследование процесса обеззараживания озоном кормовых смесей в производственных условиях и оценка техникоэкономических показателей процесса» приведены результаты испытаний опытной установки в комбикормовом цехе одного из предприятий Владимирской области. На основании полученных данных определена экономическая эффективность использования озона в процессе обеззараживания кормосмесей.
Для проведения комплексных испытаний в условиях реального производства, нами разработана и изготовлена опытная установка для обработки озоном сухих кормовых смесей в свободно падающем потоке. Установка размещалась в отделении упаковки готовой продукции комбикормового цеха ОАО «Хлебная база №9» г. Александров (рис. 11) . Целью испытаний являлась: определение эффективной концентрации озона в озонированном воздухе при минимальном времени (экспозиции) обеспечивающей требуемое снижение микробной обсемененности и сохранность питательных веществ
Исследования проведены в следующей последовательности:
– Кормовая смесь загружается в бункер и включается дозатор, установленный в верней части – далее смесь попадает в вертикальную колонку (смесительную камеру) и ссыпается вниз
– Озоновоздушная смесь из озонатора подается в нижнюю часть установки и направляется вверх, обеспечивая обработку смеси в противотоке;
– Скорость озоновоздушного потока в камере регулируется воздушной заслонкой;
– Отработанная озоновоздушная смесь отводится из выходного патрубка в систему вентиляции через деструктор озона.
Все элементы установки, контактирующие с озоном, выполнены из материалов стойких к окислению.
Концентрация озона измерялась озонометром на входе и выходе из смесительной камеры. В качестве источника озона использовали озонатор ОС-10 коронного разряда с производительностью по озону до 10 г/ч. Озонированию подлежали кормовые смеси торговой марки «Мустанг» различной формы выпуска: порошок, россыпь, гранулы. В ходе опытов контролировалась температура окружающей среды и относительная влажность воздуха. Испытания проведены при следующих условиях:
– температура воздуха в отделении цеха, где располагалась установка + 4 оС, наружная температура -18 оС днем и -30 оС ночью;
– концентрация озона в озоновоздушной смеси (ОВС) изменялась в пределах 20-40 мг/м3 ;
– время контакта ОВС составляло 8 секунд;
– скорость воздушного потока в смесительной камере 0,3-0,8 м/с. Увеличение значения микробной обсемененности при концентрации озона 30 мг/м3 , обусловлено свойством озона при малых дозах стимулировать рост микрофлоры. Этот эффект усиливается при низких температурах Всего через установку было пропущено около 500 кг кормовых смесей различного состава.
Проведя анализ результатов испытаний, определена минимальная доза озона, гарантированно улучшающая микробиологические показатели в широком диапазоне температур – 400 с·мг/м3
Для определения экономической эффективности проведено сравнение разработанного метода и установки по обеззараживанию с использованием озона и базового метода обеззараживания с использованием жидкого химического препарата Лупро-Микс на основе пропионовой кислоты. Для внесения данного препарата используется насосно-дозирующий комплекс НДК-12, мощностью 150Вт, производительностью 0,5-6 л/мин.
Расчет произведеный по методу приведенных затрат для линии приготовления кормовых добавок производительностью 2,6 т/сут. показал низкие эксплуатационные затраты метода обработки озоном.
На основании проведенных исследований разработана методика расчета озонаторной установки и даны рекомендации по обеззараживанию озонированным воздухом кормовых смесей для определения эффективного режима обработки
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Анализ существующих способов обработки озоном зерна и зернопродуктов выявил ряд недостатков (перерасход озона, значительную трудо- и энергоемкость), что отрицательно влияет на эффективность. Установлено, что при обработке озоном неподвижного слоя (насыпи) зерновых материалов имеет место значительная неравномерность распределения его по высоте, а значительное время обработки приводит к снижению качественных показателей зерна и зернопродуктов.
2. Установлена аналитическая связь основных параметров процесса озонирования (времени и высоты слоя) с основными влияющими факторами.
3. Разработан и опробован способ обработки озоном кормовых смесей в свободно падающем потоке, обеспечивающий равномерность и высокую эффективность обеззараживания при минимальном времени контакта и защиту персонала от воздействия остаточного озона.
4. Оценено обеззараживающее действие озоновоздушной смеси на кормовые смеси при их обработке в свободно падающем потоке с использованием разработанной озонаторной установки. Установлено, что дозы озона от 400 до 1000 с·мг/м3 и концентрации озона не менее 40 мг/м3 способствуют значительному снижению микробной обсемененности и обеспечивают сохранение их питательных свойств.
5. Разработана электротехнологическая озонаторная установка для обеззараживания кормовых смесей с использованием озонатора коронного разряда с возможностью автоматизированного управления и контроля ее основных параметров. В производственных условиях проведено испытание разработанной установки. Полученные данные подтвердили правильность выбора режимов обработки (доза озона не менее 400 с·мг/м3 ) даже при очень низких температурах окружающей среды. Оценена экономическая эффективность использования озона в процессе обеззараживания комбикормов. Расчет показал низкие эксплуатационные затраты метода обработки озоном. Затраты на единицу продукции составили 32 руб./т, что более чем на порядок ниже затрат при применении традиционного химического способа.
6. Разработана методика расчета озонаторной установки и даны рекомендации по обеззараживанию озонированным воздухом кормовых смесей для определения эффективного режима обработки. Норма расхода озона на единицу кормовой смеси составляет 5-6 г/т.