Способ и устройство очистки воздушной среды животноводческих и птицеводческих помещений
Владельцы патента RU 2473213:
Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) (RU)
Изобретение относится к способам очистки воздушной среды, преимущественно сельскохозяйственных помещений, для содержания животных. Способ предусматривает обработку воздуха озоном. Воздух удаляют из животноводческого помещения. Далее воздух охлаждают и создают условия для образования водяного аэрозоля, после чего воздух сепарируют. Далее его подогревают до требуемой температуры и снова подают в животноводческое помещение. Устройство содержит вентилятор, охладитель и калорифер, установленные на линии воздушного потока, и озонатор. Кроме того, на линии воздушного потока расположены эжектор и сепаратор, а один из входов эжектора соединен с озонатором. Обеспечивается снижение энергопотребления, улучшение состояния воздушной среды, упрощение используемого оборудования. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к способам очистки воздушной среды, преимущественно сельскохозяйственных помещений, для содержания животных. В частности, изобретение может использоваться и в других случаях, например в замкнутых системах жизнеобеспечения.
Известно, что воздух животноводческих помещений содержит значительное количество микрофлоры, а также газообразных веществ, образующихся в результате жизнедеятельности животных (птицы), - аммиак, сероводород, меркаптаны и углекислый газ. Наличие загрязняющих веществ уменьшает продуктивность животных и особенно молодняка, а наличие микрофлоры может приводить к заболеваниям и даже гибели. Для улучшения условий содержания животных и птицы загрязненный воздух из животноводческих помещений выбрасывается наружу, а приточный воздух вентиляторами подается внутрь помещения. В холодное время года наружный воздух перед подачей в помещение подогревается. Например, на взрослую особь птицы (курица-несушка) по установленным нормам требуется 4-6 м3 воздуха в час. При одновременном содержании в птичнике в среднем 15000-20000 голов в него следует подавать 60000-120000 м3 свежего воздуха. Очевидно, что в зимний период требуется огромное количество энергии для подогрева приточного воздуха. По результатам проведенных исследований до 40% затрат на содержание животных приходится на создание микроклимата.
Для уменьшения затрат энергии на подогрев приточного воздуха можно применить частичную рециркуляцию воздуха. Но рециркулирующий воздух необходимо очистить от микрофлоры и газообразных и аэрозольных примесей. Наиболее просто это удается сделать, обработав воздух озоном.
Известен, например, способ обработки воздуха помещений озоном (авт. свидетельство СССР №883610, МКИ F24F 3/66, Бюл. Из. №43, 1981 г.).
Озон эффективно уничтожает микрофлору, а также многие вредные вещества, в том числе аммиак, сероводород и другие. Продуктами реакции являются нейтральные соединения - обычно соли неорганических кислот, углекислый газ и пары воды. В таблице представлены данные по составу воздуха птичника до и после обработки озоном.
Но обработанный таким образом воздух содержит значительное количество углекислого газа и паров воды. Углекислый газ оказывает негативное влияние на развитие и продуктивность животных и птицы, а избыток влаги в воздухе также нежелателен.
| Таблица | |||
| Эффективность обработки озоном воздуха птицеводческого помещения | |||
| Показатель | Ед. изм. | Исходный воздух | После обработки |
| Аммиак | мГ/л | 0,12 | 0,004 |
| Сероводород | мГ/л | 0,15 | 0,0002 |
| Органические соединения | мГ/л | 0,2 | - |
| Метанол | мГ/л | 0,1 | - |
| Кислород | % об. | 21.1 | 21,7 |
| Озон | мГ/л | - | 0,0005 |
| Углекислый газ | мГ/л | 14,2 | 14,1 |
| Микрофлора | Кол/м3 | 27480 | 200 |
Наиболее близким к предлагаемому изобретению решением является способ очистки воздуха от производственных загрязнений, преимущественно на птицеводческих предприятиях, путем промывки его водными растворами солей (сульфаты и нитраты аммония, карбонат натрия и гидроокись натрия) и озонированием циркулирующего воздуха перед каждой промывкой и удалением избыточного озона при помощи катализатора (авт. св. СССР №659842, МКИ F24F 3/6 Бюл. из. №16, 1979 г.).
Недостатком этого способа является его сложность. Необходимы емкости, трубопроводы с запорной арматурой и насосы. Также требуется дополнительная энергия на проведение процесса очистки и утилизации отработанных растворов. Причем одним из самых дорогостоящих растворов при этом способе очистки является раствор гидроокиси натрия, необходимый для удаления из рециркулирующего воздуха углекислого газа.
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение энергопотребления на поддержание микроклимата животноводческих помещений и упрощение аппаратурного оформления процесса очистки.
В результате использования предлагаемого способа уменьшается энергопотребление, улучшается состояние воздушной среды, упрощается количество и само использованное оборудование.
Технический результат достигается тем, что воздушная среда очищается озоном от микрофлоры, аммиака, сероводорода и других вредных компонентов, а значительная часть углекислого газа поглощается водным аэрозолем (туманом) и участвует в реакциях с образовавшимися веществами с получением новых нейтральных соединений. Избыточная влага конденсируется и также удаляется из циркулирующего воздуха.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что воздух, удаляемый из животноводческого помещения, охлаждают до точки росы, озонируют и создают условия для образования водяного аэрозоля (тумана), сепарируют, а затем подогревают до требуемой температуры и снова подают в животноводческое помещение.
Аэрозольные частицы воды, образующие туман, имеют огромную площадь поверхности, что способствует абсорбции углекислого газа и других образовавшихся в результате реакции веществ и самого избыточного озона. Затем водный аэрозоль сепарируют, а очищенный воздух подогревают до требуемой температуры и снова подают в животноводческое помещение. Очевидно, что затраты энергии на подогрев воздуха будут значительно меньше по сравнению с традиционной схемой приточно-вытяжной вентиляции, поскольку основная часть воздуха, поступающего в животноводческое помещение, охлаждается до точки росы, т.е. 7-10°С.
Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство, содержащее животноводческое помещение, вентилятор, теплообменник и калорифер, установленные по линии воздушного потока, и озонатор, оснащено эжектором и сепаратором, при этом один из входов эжектора соединен с озонатором.
Сущность изобретения поясняется схемой, представленной на фиг.1. Устройство содержит животноводческое помещение 1, вентилятор 2, теплообменник 3, озонатор 4, эжектор 5, сепаратор 6, калорифер 7.
Обработанный озоном воздух содержит минеральные вещества - соли неорганических кислот, в основном, углекислой, серной и азотной, в виде аэрозоля. При конденсации влаги из этого воздуха будет получен раствор, который может быть использован в качестве минеральных удобрений.
При озонировании воздуха, выходящего из животноводческого помещения, протекают следующие реакции:
4NH3+2O3+O2=NH4NO3+H2O
H2S+O3=H2O+SO2
2NH3+2O3+H2O+SO2=(NH4)2SO4+2O2
3CH4+4O3=3CO2+6H2O
2C8H7N+13O3=16CO2+7H2O+N2
C15H32+13O3=14COOH+CO2+9H2O
6COOH+O3=6CO2+3H2O
2NH3+CO2+H2O=(NH4)2CO3
2NH3+CO2+H2O=(NH4)HCO3
Кроме того, озон является сильным бактерицидным средством, и поэтому содержание микрофлоры в обрабатываемом воздухе снижается в десятки раз.
Устройство очистки работает следующим образом. Воздух из животноводческого помещения 1 вентилятором 2 подается в теплообменник 3, в котором охлаждается до точки росы. Для охлаждения теплообменник 3 может быть установлен на открытом воздухе вне помещения. Охлаждающим агентом является наружный воздух. Для интенсификации процесса теплообменник обдувается наружным воздухом с помощью вентилятора (на фиг.1 не показан).
Затем циркулирующий воздух поступает в эжектор 5 для того, чтобы создать водный аэрозоль (туман) из влаги, содержащейся в нем. Одновременно в эжектор 5 подсасывается озоновоздушная смесь из озонатора 4. Для интенсификации процесса озонирования и более полного окисления вредных примесей и микроорганизмов количество озона превышает стехиометрическре соотношение в 2-4 раза, а концентрация озона в воздухе, поступающем из озонатора, должна быть не ниже 10-20 мГ/м3. В эжекторе 5 при смешении потоков циркулирующий воздух теряет внутреннюю энергию, что приводит к образованию водного аэрозоля (тумана). Водный аэрозоль имеет огромную поверхность, что способствует абсорбции озона и поглощению образовавшихся в результате реакции озонирования нейтральных соединений, а также части углекислого газа. Также будут удаляться и твердые аэрозольные частицы - пыль, частицы корма и т.д. В сепараторе 6 циркулирующий воздух отделяется от сконденсированной влаги и поступает в калорифер 7, в котором подогревается до требуемой температуры и возвращается в животноводческое помещение 1. В процессе жизнедеятельности животных содержание кислорода в циркулирующем воздухе будет понижаться. Однако абсолютно герметичных животноводческих помещений не существует. Содержание кислорода будет поддерживаться постоянным за счет естественного подсоса воздуха в помещение 1.
Вместо эжектора 5 может быть установлена группа их или же устройства другого типа, которые предназначены для этой же цели, например детандеры. Озонатор 4 может быть установлен до вентилятора 2, однако при этом возможно отложение солей и коррозия крыльчатки вентилятора 2.
Применение предлагаемого способа очистки воздуха животноводческих помещений, реализованное в устройстве, позволит значительно снизить затраты энергии, требуемой для подогрева приточного воздуха, улучшит экологическую обстановку в месте расположения животноводческого помещения и позволит получить дополнительную животноводческую продукцию за счет улучшения условий содержания животных.
Предлагаемый способ применим в условиях холодного и умеренно холодного климата. Экономический эффект согласно проведенным расчетам зависит от вида животных и температуры и влажности наружного воздуха. Так, для условий Подмосковья при средней температуре наружного воздуха - 10-12°C для молодняка птицы (цыплята да 3 месяцев, температура содержания 30°C) затраты энергии в зимний период снизятся вдвое.
Пример. Животноводческое помещение - птичник имеет размер 70×12 м и высоту 4 м. В нем находится 18000 кур-несушек. Температура воздуха в помещении в соответствии с нормами - Тпом=+16-17°C и относительная влажность - 70-75%. Температура наружного воздуха - Тнар=-12°С, влагосодержание наружного воздуха принимаем равным 0. Вентилятор имеет производительность 60000 м3/ч. Теплоемкость воздуха считаем постоянной из-за незначительности изменения температуры воздуха и равной Ср=1 кДж/(кг·К).
Тогда затраты энергии на подогрев приточного воздуха составят по существующим схемам приточно-вытяжной вентиляции
E=W×Ср(Тпом-Тнар)=(60000:1,29)×1×[16-(-12)]=1300000 кДж/ч,
где 1,29 - объемная плотность воздуха, кг/м3.
Влагосодержание воздуха при 70% относительной влажности примерно 12 г/м3 (см. фиг.2), а при снижении температуры до 8°C влагосодержание (100% влажность) составит около 7,5 г/м3. Тогда потеря влаги составит
60000×(12-7,5)=270000 г/ч или 270 кг/ч
Всего в циркулирующем воздухе содержится углекислого газа
60000×0,039% CO2 или 24 м3/ч
В сконденсированном количестве воды может раствориться (см. фиг.2б)
2,75×270=743 г/ч или 743:44=33 моль/ч,
т.е. 0,75 м3/ч.
Определенное количество углекислого газа будет уходить на химические реакции с образованием карбоновых солей - примерно 2-2,5 м3/ч. Всего будет уходить около 3 м3/ч, или около 13%, что достаточно, учитывая, что в атмосфере его содержится около 0,039%.
Однако точная величина может быть определена только экспериментально.
1. Способ очистки воздушной среды животноводческих и птицеводческих помещений, включающий обработку воздуха озоном, отличающийся тем, что воздух, удаляемый из животноводческого помещения, охлаждают до температуры точки росы и создают условия для образования водяного аэрозоля, сепарируют, а затем подогревают до требуемой температуры и снова подают в животноводческое помещение.
2. Устройство очистки воздушной среды животноводческих и птицеводческих помещений, содержащее вентилятор, охладитель и калорифер, установленные на линии воздушного потока, и озонатор, отличающееся тем, что на линии воздушного потока установлены эжектор и сепаратор, причем один из входов эжектора соединен с озонатором.
