Экономическая эффективность виброударного фазового разделения влажных дисперсных пищевых отходов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экономическая эффективность виброударного фазового разделения влажных дисперсных пищевых отходов

Севостьянов Иван

Серьезной экологической проблемой предприятий пищевой промышленности стран СНГ является утилизация влажных дисперсных пищевых отходов, таких как спиртовая барда, пивная дробина, свекловичный жом, кофейный и ячменный шлам и т.п. В большинстве случаев данные отходы выливаются на грунт, что приводит к загрязнению окружающей среды. В передовых странах Европы для решения описанной проблемы используются различные технологии фазового разделения отходов на твердую и жидкую фазы [1, 2]. При этом твердая фаза используется как добавка к сельскохозяйственным кормам, а жидкая фаза (вода) - возвращается на производство. Однако известные технологии фазового разделения с использованием механических, электролитических, термических, химических и биологических способов, а также оборудование различных типов для их осуществления - являются достаточно энергоемкими и дорогостоящими.

Нами предлагается технология с использованием механических способов виброударного обезвоживания твердой фазы отходов и виброударного фильтрования их жидкой фазы на оборудовании с гидроимпульсным приводом (ГИП) [3]. Для увеличения производительности рабочих процессов, уменьшения их энергоемкости, обеспечения минимальной конечной влажности твердой фазы отходов и заданного качества очистки жидкой фазы, технология включает несколько последовательных стадий обезвоживания и фильтрования, каждая из которых реализуется на отдельной единице оборудования, с увеличением от стадии к стадии интенсивности нагрузки отходов.

На рис. 1 представлена схема шнекового пресса и вибропресса с ГИП для предварительного обезвоживания. При их использовании твердая фаза отходов через патрубок 12 загружается в шнековый пресс, приводимый от электродвигателя 13 через редуктор 14. В процессе перемещения и сжатия в цилиндре 10 отходов, удаленная из них жидкость, стекает через мелкие отверстия, закрытые фильтровальной сеткой, во внешний цилиндр 11. Далее предварительно обезвоженные отходы через патрубок 16 и резинотканевый рукав 17 попадают в пресс-форму 26 вибропресса, после заполнения которой шнековый пресс останавливается. Включаются приводы вибропресса, вибростол 18 которого, связанный с гидроцилиндром 25 ГИП, осуществляет возвратно-поступательные вертикальные перемещения с частотой до 40 Гц и амплитудой до 2,5 мм, создавая снизу виброударную нагрузку порции отходов. Сверху отходы в пресс-форме 26 нагружены инерционным усилием, создаваемым пуансоном 4, подвижной траверсой 9 и грузами 8, а также статическим усилием, которое обеспечивает гидроцилиндр 1. Отжатая с порции жидкость выводится через закрытые фильтровальной сеткой отверстия пресс-формы 26 (на схеме не показаны), стекает в желоб 19 вокруг вибростола, а дальше по эластичной трубке 20 - в бак 21. После обезвоживания порции 23 до влажности 50 - 55%, ГИП выключается, а траверса 9 с пуансоном 4 с помощью гидроцилиндра 1 поднимаются вверх до упора траверсы в ограничители 7. При этом заслонка 5, которая в процессе обезвоживания перекрывает патрубок 6, также поднимается. Включается шнековый пресс, обеспечивающий вытеснение обезвоженной порции через патрубок 6 на конвейер 22 и заполнение пресс-формы 26 следующей порцией. Далее шнековый пресс выключается, опускается траверса 8 и запускается ГИП; цикл обезвоживания отходов повторяется.

Рис. 1. Схема шнекового пресса и вибропресса с ГИП для предварительного обезвоживания твердой фазы отходов

В соответствии с результатами экспериментов, проведенных на стенде - прототипе вибропресса (см. рис. 1), конечная влажность спиртовой барды, свекловичного жома и кофейного шлама после окончательного обезвоживания не превышала U_к = 20 ч 24%. Для сравнения, после обезвоживания данных отходов на наиболее эффективном известном оборудовании аналогичного назначения - шнековых прессах и центрифугах [4, с. 534, 588], U_к составляет не меньше 30 ч 76% [4, с. 586].

Процесс фильтрования жидкой фазы отходов целесообразно разбить на стадии микро-, ультра- и нано-фильтрования [1, с. 211], на каждой из которых предлагается использовать установку с ГИП, выполненную по единой схеме, показанной на рис. 2,

Рис. 2. Схема установки с ГИП для потокового виброударного фильтрования жидкой фазы отходов

однако при переходе от первой к последней стадии необходимо использовать фильтровальные мембраны с все меньшими порами в стенках [1, с. 215], кроме того, увеличивать перепад давления между их внутренними и внешними поверхностями. Только после три-стадийного фильтрования содержание в жидкой фазе отходов химических и биологических примесных компонентов будет приведено в соответствие с допустимым, что позволит без отрицательных последствий для окружающей среды сливать ее в водоемы либо повторно использовать на производстве [1, с. 211 - 213]. Для обеспечения высокой производительности рабочего процесса в корпусе 12 установки (см. рис. 2) параллельно установлено сразу несколько трубчатых керамических мембран 5 [1, с. 211] с уплотнительными кольцами 4. Отходы с бака 8 подаются центробежным насосом 6 через обратный клапан 7 мембранного типа, кран 13, по каналам мембран 5, кран 14, гидролинии 9 и дальше опять по той же системе, в направлении, показанном стрелками. С помощью кранов 13, 14 в среде отходов, проходящих по каналам мембран создаются необходимые сопротивление и давление. В результате жидкая фаза отходов вытесняется через поры в стенках мембран, фильтруется и по отводам 10 стекает в бак 11. Для уменьшения засорения пор мембран и повышения производительности рабочего процесса, в среде отходов, циркулирующих по их каналам, с помощью двухступенчатого плунжера 1 создаются ударные волны напряжений и деформаций. Плунжер 1 располагается в корпусе 3, соосном с корпусом 12. Полости обоих корпусов соединяются с помощью короткого резинотканевого рукава 15. Перемещения плунжера 1 сверху ограничивает пружина 2. Верхняя торцовая полость А корпуса 3 соединяется с нагнетательной гидролинией ГИП, таким образом, при периодическом увеличении и уменьшении в последней давления рабочей жидкости, плунжер 1 осуществляет вертикальные возвратно-поступательные перемещения, результатом которых и являются ударные волны в среде отходов. Возврат плунжера 1 в верхнее положение на этапах падения давления в полости А обеспечивает пружина 2. Рукав 15 предотвращает передачу вибраций от корпуса 3 к мембранам 5.

В соответствии с полученными нами на стенде - прототипе установки (см. рис. 2) экспериментальными данными, производительность потокового виброударного фильтрования жидкой фазы спиртовой барды, свекловичного жома и ячменного шлама на 18 ч 31% выше и стабильнее во времени производительности потокового безударного фильтрования.

Определим теперь экономический эффект от внедрения предлагаемых способов и технологического комплекса для их реализации в масштабах абстрактной кофейной фабрики с суточной массой кофейного и ячменного шлама в качестве отходов: m_с = 20 т. Начальная влажность шлама U_н = 95%. Комплекс включает виброударное сито с ГИП для первого предварительного обезвоживания шлама до влажности U_к.с = 85% с электродвигателями суммарной мощностью N_эУс = 10 кВт, шнековый пресс и вибропресс с ГИП для второго и третьего обезвоживания (см. рис. 1) до влажности U_к.п = 55% с электродвигателями мощностью N_эУп = 30 кВт, вальцовую установку с ГИП для окончательного обезвоживания до влажности U_к.у = 25% с электродвигателями мощностью N_эУу = 23 кВт, а также установки с ГИП для микро-, ультра- и нано-фильтрования (см. рис. 2) с электродвигателями мощностью N_эУф = 63 кВт. шнековый вибропресс гидроимпульсный

Массы жидкости, удаленной при обезвоживании на виброударном сите, шнековом и виброударном прессах, а также на вальцовой установке - m_у.с, m_у.п, m_у.у - определяем как

т; т; (1)

т.

Энергоемкость обезвоживания на указанном оборудовании составляет

кВт·ч/т; кВт·ч/т; (2)

кВт·ч/т,

где УТ_о = 24 ч - длительность обезвоживания суточной массы m_с шлама на предприятии.

Средняя энергоемкость обезвоживания на оборудовании предлагаемого комплекса

кВт·ч/т, (3)

что больше энергоемкости обезвоживания на шнековом прессе ВПД-7 - Э_ш = 5 кВт·ч/т [4, с. 588] с такой же самой как у оборудования комплекса производительностью. Однако, как указывалось выше, шнековые прессы обеспечивают конечную влажность отходов не выше U_к = 30 ч 76% (меньшие значения - при существенном снижении производительности обезвоживания и более интенсивном засорении фильтровальных отверстий). Таким образом, для достижения U_к = 20 ч 25% (как после обезвоживания на предлагаемом комплексе) отходы после прохождения через шнековый пресс обязательно подвергаются сушке, энергоемкость которой, в зависимости от используемого оборудования составляет 340 ч 2500 кВт·ч/т [4, с. 796 - 838]. В результате средняя энергоемкость комплекса шнековый пресс - вакуумная сушилка, при обеспечении U_к = =25% будет составлять порядка 375 кВт·ч/т, а это значительно больше Э_У = 90,85 кВт·ч/т.

Массу m_т твердой фазы шлама с U_к = 25%, которую может получить рассматриваемое предприятие после обезвоживания 20 т исходных отходов с U_н = 95% вычисляем как

т. (4)

В соответствии с результатами экспериментов, проведенных на украинском СП "Галка Лтд" при сжигании брикетов из кофейного и ячменного шлама с U_к = 25%, удельная теплота их сгорания в воздухе составляет порядка 31·10⁶ Дж/кг. Таким образом, теплота сгорания Q_с всего шлама массой m_т в течении суток будет равняться

Дж. (5)

Т.к. на предприятиях пищевой промышленности для получения необходимого на производстве пара используют покупной природный газ, подсчитаем какому объему W_п газа по теплоте сгорания эквивалентен шлам массой m_т. С этой целью делим Q_с (см. формулу (5)) на удельную теплоту сгорания природного газа [5]

м³. (6)

Для сжигания обезвоженного шлама с U_к = 25% может быть использована газовая установка [6] производительностью 350 кг отходов в час и с соответствующим расходом природного газа - 80 м³. Суточная масса концентрата шлама m_т = 6 т может быть сожжена в этой установке за время ч с затратами газа м³. Таким образом, экономия газа за сутки будет составлять

м³. (7)

При оптовой стоимости природного газа в Российской Федерации в 2013 г. - 2700 ч 3850 руб. за 1000 м³ [7], экономия на газе в год в денежном выражении составит

млн. руб. (8)

Суммарная мощность электродвигателей комплекса равняется: N_эУ = N_эУс + N_эУп + +N_эУу + N_эУу.ф = 10 + 30 + 23 + 63 = 126 кВт. С учетом среднего оптового тарифа на электроэнергию для промышленных предприятий РФ [8]: 1500 ч 1600 руб/МВт·ч, годовые затраты для предлагаемого комплекса по данной статье составят

млн. руб. (9)

Тогда годовая прибыль от внедрения предлагаемого комплекса на рассматриваемом предприятии без учета экономии на воде, в результате повторного использования на производстве жидкой фазы шлама после его нано-фильтрования, затрат на зарплату операторам (всего для обслуживания комплекса и газовой установки для сжигания шлама необходимо 8 операторов оборудования пищевой промышленности средней квалификации), а также других мелких затрат, составит

млн. руб. (10)

Ориентировочная стоимость оборудования комплекса и установки для сжигания - 17,44 млн. руб. Таким образом, срок их окупаемости приблизительно равен

года (11)

Еще большего эффекта от внедрения предлагаемого комплекса следует ожидать в случае использования для сжигания твердой фазы шлама пиролизных котлов, которые при функционировании практически не потребляют газа и электроэнергии [9].

С учетом вышеизложенного, высокую экономическую эффективность предлагаемых способов виброударного обезвоживания и фильтрования влажных дисперсных пищевых отходов, а также оборудования с ГИП для их реализации можно считать доказанной.

Библиографический список

1. Валентас К. Дж. Пищевая инженерия: справочник с примерами расчетов/ Валентас К. Дж., Ротштейн Э., Сингх Р. П. - СПб.: Профессия, 2004. - 848 с.

2. Ветошкин А. Г. Технология защиты окружающей среды (теоретические основы)/ А. Г. Ветошкин, К. Р. Таранцева. - Пенза: Изд-во Пенз. технол. ин-та, 2004. - 249 с.

3. Искович-Лотоцкий Р. Д. Машины вибрационного и виброударного действия/ Искович-Лотоцкий Р. Д., Матвеев И. Б., Крат В. А. - Киев: Технiка, 1982. - 208 с.

4. Антипов С. Т. Машины и аппараты пищевых производств. В 2 кн. Кн. 2/ С. Т. Антипов, И. Т. Кретов, А. Н. Остриков. - М.: Высш. шк., 2001. - 680 с.

5. Удельная теплота сгорания топлива - [Электронный ресурс] - Режим доступа. - URL: http://www.sci.aha.ru/ALL/b11.htm .

6. Пат. 23991 Україна, МПК F 23 G 5/00: Установка для утилізації відходів/ Іскович-Лотоцький Р. Д., Повстенюк П. В., Шматалюк М. І., Данилюк О. М. (Україна). - №u 200702015; Заявл. 26. 02. 2007; Опубл. 11. 06. 2007, Бюл. №8, 2012 р.

7. Тарифы для промышленных потребителей - [Электронный ресурс] - Режим доступа. - URL: http://www.mrgtula.ru/prom_potrebitel/tarifs/ .

8. Тарифы для организаций - [Электронный ресурс] - Режим доступа. - URL: http://www.fstrf.ru/tariffs/info_tarif/electro/organizations/359 .

9. Отопление без газа. Расчет экономического эффекта применения твердотопливных газогенераторных котлов «Мотор Сич». - [Электронный ресурс] - Режим доступа. - URL: http://kotly.org.ua/calculation.html.

Размещено на Allbest.ru