Как использовать тепло, выделяемое силосом или компостом, для отопления фермы? — опыт Брянского ГАУ

Текст: Т. В. Панова, канд. техн. наук, доц.; М. В. Панов, канд. техн. наук, доц., ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет»

Известно, что эффективность животноводческого предприятия во многом определяется факторами содержания поголовья и деятельности персонала. Неподходящий микроклимат приводит к развитию у рабочих производственных и профессиональных заболеваний, а также снижает продуктивность животных.

В свете проблемы формирования оптимальных условий производства актуальными остаются анализ и разработка методов и инструментов управления теплом, образующимся при разложении органики. В данном процессе значимую роль играют силосование и компостирование, обеспечивающие термогенез.

РАЗОБРАТЬСЯ В ПРОБЛЕМЕ

Сегодня в европейских странах и России разработаны энергосберегающие технологии улучшения микроклимата в животноводческих и других помещениях, основанные на приеме тепла от разлагающегося навоза из подземных хранилищ, а также распадающейся биомассы в анаэробных условиях — сточных вод, мусорных отходов и иных растительных остатков. Данные методы выделения тепла не лишены недостатков. В первом случае воздух, подаваемый в производственные строения от навозохранилища, приобретает стойкий неприятный запах, а создание биогаза по второй схеме требует значительных вложений на установку комплекса и оборудования автоматизации.

Для более четкого понимания проблемы целесообразно описать основные процессы, значимые для ее преодоления. Гниение, или аммонификация, — этап разложения азотистых органических соединений, в частности белков и аминокислот, вызываемый гнилостными бактериями и сапротрофными грибами, с образованием дурно пахнущих конечных продуктов, то есть аммиака и первичных аминов. Гниение сопровождается повышением температуры органического сырья из-за протекающих в нем микробиологических реакций.

БИОХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

Нагревание растительного материала, или термогенез, можно наблюдать во время обычных сельскохозяйственных процессов, например силосования и компостирования. Первый из них сопровождается выделением тепла и повышением в массе температуры, от которой зависит направленность биохимических реакций. Разогревание продолжается до тех пор, пока не будет использован весь кислород, находящийся между частицами, и пустоты не заполнятся углекислым газом, а растительные клетки не погибнут. В хорошо уплотненной массе, изолированной от атмосферы, дыхание прекращается через 6–8 часов после загрузки в силосохранилище. Гниение силоса, сопровождающееся значительным самосогреванием, отмечается при рыхлой укладке и недостаточном уплотнении, в связи с чем в массе остается воздух. Процесс происходит в первой микробиологической фазе, когда задерживается развитие молочнокислых микробов и накапливается молочная кислота, подавляющая гнилостные бактерии. Гниение вызывают микроорганизмы Er. herbicola, E. coli, Ps. Aerogenes, P. vulgaris, B. subtilis, Ps. fluorescens, а также плесневые грибы.

Компостирование — управляемый аэробный биологический процесс, при котором растительные и другие органические материалы разлагаются на составные части с повышением температуры до 70ºС. Чем разнообразнее компоненты и регулярнее вентилирование компостной кучи, или бурта, тем активнее идет распад. Для этого применяются различные материалы: скошенная трава, остатки кормов, листья, ветки, щепки, опилки, стружка, бумага, помет, навоз и другое. Тепло, выделяемое при гниении силоса и приготовлении компоста, можно использовать для обогрева построек, в частности бытовых помещений и молочного блока животноводческих ферм и комплексов.

УТИЛИЗАЦИЯ ТЕПЛА

В ходе научно-исследовательской работы специалистами ФГБОУ ВО «Брянский государственный аграрный университет» было проведено инструментальное исследование условий труда, процесса заготовки силоса и его качественных характеристик на предприятиях ФГУП УОХ «Кокино» и ОАО «Агрофирма “Культура”». Приборный анализ показал, что микроклимат внутри помещений, где содержались привязанные лактирующие животные, в молочных корпусах в холодное время года со среднесуточной температурой снаружи 10ºС и ниже не соответствовал санитарно-зоологическим нормам. Температура воздуха составляла от 8 до 12ºС, относительная влажность — от 85 до 97%. Для исправления положения была рассмотрена возможность нагрева воздуха над поверхностью гниющего растительного сырья и предложена установка приточно-вытяжного теплоутилизатора.

Устройство представляет собой систему трубопроводов, заглубленных в материал, который может находиться в бурте или контейнере, помещенном в облицованный приямок. Оборудование работает следующим образом. Емкость заполняется растительной массой повышенной влажности, например силосом, сенажом, опилками, отходами кормов и прочим, и помещается в облицованный приямок, или органика закладывается в бурт. Сырье при хранении самосогревается под действием микробиологических процессов. Через определенное время с помощью встроенного насоса системы нагнетания подается воздух сквозь перфорированные трубы в нижнюю часть контейнера. При этом теплый воздух выдавливается из силоса и удаляется сквозь отверстия в стенках посредством открытого вентиля по системе воздухоотведения со встроенным фильтром. По наклонному лотку жидкая фракция, поступающая из емкости через отверстия, стекает в сокосборник, откуда через вертикальный стояк периодически откачивается. После удаления теплого воздуха вентиль системы воздухоотведения должен быть закрыт. По мере необходимости процедура повторяется. Таким образом происходит утилизация тепла, образующегося при хранении растительного сырья повышенной влажности.

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА

Производительность приточно-вытяжного теплоутилизатора зависит от процесса гниения компостируемого сырья, поэтому необходимо знать количество тепла, выделяемого при разложении органики. Объем, полученный за весь период снижения качества силоса, описывается выражением Q = mc(4,36 ∙ e0,0235∙t + 0,73 ∙ e0,0049∙t + 0,056 ∙ e0,0011∙t). Учитывая возможность распадения материала по фазам его приготовления, количество теплоты, которая будет образовываться за отдельные промежутки времени, можно представить в виде системы уравнений Q(t). В этом случае в нее будут входить выражения (4,36 ∙ e0,0235∙t) ∙ mc, при 0 ≤ t ≤ 96, (41,6 + 0,73 ∙ e0,0049∙t) ∙ mc, при 96 ≤ t ≤ 336, (44,4 + 0,056 ∙ e0,0011∙t) ∙ mc, при 336 ≤ t ≤ 1440.

Для подтверждения теоретических зависимостей, описывающих процесс гниения, был заложен лабораторный опыт. В ходе него на экспериментальном образце теплоутилизатора изучались физико-химические свойства растительного сырья, состав выделяющихся газов, скорость воздушного потока в приточной и вытяжной ветвях установки. При этом использовались определенные приборы: метеометр МЭС-200, инфракрасный термометр UT-301, насос-пробоотборник НП-ЗМ, универсальный газоанализатор УГ-2, газоанализатор Колион 1В-06, аспиратор ПУ-4Э, рН-метр-милливольтметр рН-150 МА, рефрактометр ИРФ-454, влагомер ВЗМ-1. Кроме того, применялись весы Scout SRA210, цифровой многоканальный самописец Flash-Recorder-2-16RTC-SD, цифровой термоанемометр ТКА-ПКМ/50. По результатам исследований была разработана номограмма для определения конструктивных параметров устройства.

ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

В ходе реализации опыта были подобраны конструктивные параметры приточно-вытяжного теплоутилизатора для компоста объемом один кубический метр: диаметр приточной трубы — 110 мм, вытяжной — 110 мм, труб аэрации — 50 мм, мощность насоса — 120 Вт. Длина элементов приточной трубы должна составлять 0,5 и 1,5 м, трубы аэрации — 0,8 м, вытяжной — 1,5 м. После обработки результатов эксперимента были сделаны определенные выводы. Так, опасные для человека и животных газы отсутствовали, максимальный разогрев растительного сырья достигал 64ºС, кислотность была выше 4,5, что свидетельствовало о наличии процесса гниения. Кроме того, была выявлена оптимальная плотность заложения растительного материала для получения максимального количества теплоты, выделяемой при распаде.

В целом для использования теплоутилизатора в производственных условиях рекомендуется в непосредственной близости от животноводческих помещений устраивать облицованные приямки объемом не менее одного кубического метра, куда с помощью бульдозера будут помещаться остатки корма, некачественный силос и прочее растительное сырье. После заполнения в массу заглубляются трубы аэратора, приточная ветвь теплоутилизатора, размещаемая на поверхности, и приямок закрывается теплоизоляционным материалом. Вытяжная ветвь выводится из-под укрывного полотна и направляется к обогреваемому помещению, например через оконный проем. Время полного разложения растительного сырья до качественного компоста — до 18 месяцев. Для ускорения процесса распада и поддержания температуры в массе не ниже 50ºС необходимо осуществлять периодическую продувку материала воздухом с помощью насоса через трубы аэрации. Реализация подобного подхода позволит обеспечить оптимальные условия в животноводческих предприятиях.