COMPUTER AUTOMATION OF ORGANIC WASTES “wET INCINERATION” installation for closed ecosystems

Full Text

Введение. Время автономного существования биолого-технических систем жизнеобеспечения (БТСЖО) [1] определяется ее степенью замкнутости, т. е. повторным использованием продуктов переработки отходов в биотическом круговороте. Одной из возможностей повышения степени замкнутости БТСЖО является разработка эффективных, надежных, биологически безопасных и не требующих больших затрат времени и энергии процессов переработки экзометаболитов человека и других органических отходов для включения их в круговоротные процессы. Одним из перспективных является метод «мокрого сжигания» в среде перекиси водорода Н2O2 [2], разработанный в Институте биофизики СО РАН. Переработка осуществляется следующим образом: взвесь измельченных твердых и жидких органических отходов смешивают с определенным количеством перекиси водорода, помещают в реактор, принципиальная схема которого, разработанная ранее, представлена на рис. 1. Эту смесь подвергают действию переменного электрического тока через помещенные в реактор угольные электроды. Расход перекиси водорода принимается следующий: на окисление 1 г сухой соломы, клетчатки, лигнина расходуется 16 мл 33%-ной Н2O2, на 1 г плотных отходов человека - 4 мл, на 1 мл урины - 0,5 мл. Необходимая для окисления органических отходов перекись водорода может воспроизводиться внутри системы [3]. Процесс и установка. Переменный электрический ток инициирует распад молекул H2O2 на радикалы ●OH, ●O, окисляющие органику в растворе по радикально-цепному механизму [4; 5]. Процесс «мокрого сжигания» органических отходов термостатируется кипением самого раствора; рабочая температура реакции обычно составляет около 100 °С. Время минерализации и величина используемого напряжения зависят от объема и состава органических отходов. Например, процесс окисления экзометаболитов человека занимает порядка 1,5-2 ч. При этом происходит практически полное окисление органического вещества, о чем судят по химическому потреблению кислорода (ХПК ~ 2 г/л). Получаемый раствор полностью стерилен [6]. Жидкие и газообразные продукты реакции могут быть использованы в основе минерального удобрения для выращивания высших растений на гидропонике [7-11], с периодическим обессоливанием по мере надобности. 32. В результате процесса образуется 0,5-5 г/л труднорастворимого осадка. Однако переработка осадка является предметом отдельного исследования. Рис. 1. Экспериментальная установка реактора «мокрого сжигания» с платиновой каталитической установкой: 1 - крышка для залива перекиси и отходов; 2 - сливной клапан; 3 - вентиль; 4 - змеевик охлаждения газов; 5 - электроды; 6 - пеногаситель с серводвигателем; 7 - емкость для сбора излишков пены; a, b - сосуды, предохраняющие от смешивания раствор из реактора и кислоту из сосуда сбора аммиака; c - сосуд сбора аммиака с 6%-ной кислотой; 8 - платиновый катализатор для окисления водорода и летучих углеводородов Среди цикла проводимых в настоящее время доработок по включению метода «мокрого сжигания» в круговоротные процессы опытных проектов БТСЖО, стояла реализация автоматизации и управления процессом с возможностью дистанционного мониторинга и сбора данных о параметрах протекания процесса для включения его в общую систему управления СЖО как единым целым. Работу вели на полупромышленном реакторе с рабочим объемом 6 л (12 л полный объем), который за 1 загрузку перерабатывает суточную норму экзометаболитов 2-х человек в течение 2 ч. Таким образом, при непрерывной работе реактора можно перерабатывать за сутки экзометаболиты 24 человек. Ранее было принципиально показано соответствие моментов переключения определенным значениям давления и сделана аналоговая система автоматизации данной установки [12; 13]. Процесс окисления экзометаболитов человека в полупромышленном реакторе протекает в 2 стадии: разгон при напряжении 100 В и рабочий режим при напряжении 50 В. Условием переключения служит достижение определенной величины давления - 18 см водяного столба (1800 Па) для данной установки. По этому же условию включаются пеногаситель для предотвращения попадания пены в колбы с кислотой и платиновая каталитическая установка для окисления летучих метаболитов (рис. 1). Условием завершения процесса и выключения всей установки является разрежение в реакторе до -2 см водяного столба (-200 Па), что сигнализирует о том, что вся перекись водорода израсходована. Дооснащение установки. В ходе работы полупромышленный реактор был оснащен цифровыми датчиками, регистрирующими основные параметры протекания процесса: ток (А), давление (P), напряжение (V) и температуру (T). Схема расположения датчиков представлена на рис. 2. Датчик давления расположен между двумя пустыми колбами в газовом тракте во избежание попадания пены на чувствительный элемент, что может повредить датчик. Рис. 2. Экспериментальная установка реактора «мокрого сжигания» с платиновым катализатором и оптимизированными параметрами тока, оснащенная системой автоматической регистрации параметров протекания реакции: 1 - крышка для залива перекиси и отходов; 2 - сливной клапан; 3 - вентиль; 4 - змеевик охлаждения газов; 5 - электроды; 6 - пеногаcитель с серводвигателем; 7 - емкость для сбора излишков пены; а, b - сосуды, предохраняющие от смешивания раствор из реактора и кислоту из сосуда сбора аммиака; c - сосуд сбора аммиака с 6%-ной кислотой; 8 - платиновый катализатор для окисления водорода и летучих углеводородов; 9 - блок питания c регулируемой частотой и формой тока; 10 - управляющий микроконтроллер, 11 - ЭВМ для записи параметров хода реакции Напряжение подавалось от блока питания с оптимизированными параметрами тока [14-16], что позволило сократить энергопотребление процесса на 18 %, а также облегчить конструкцию и сократить наводки на оборудование, включая чувствительные датчики при коммутации. Управляющие сигналы на блок питания подавались с выходов 3,3 В микроконтроллера Arduinо Mega 2560 через оптронную пару, что обеспечило гальваническую развязку управляющей и силовой цепи. Программная часть. Программа управления состояла из двух частей: 1) работающего на персональном компьютере пользовательского интерфейса и обработчика данных с датчиков давления и напряжения; 2) программы управления напряжением и пеногасителем, работающей на микроконтроллере. При этом микроконтроллер работает фактически в качестве интерфейса между персональным компьютером и блоком управления напряжения, а также пеногасителем. Связь микроконтроллера с персональным компьютером осуществляется через стандартный USB-порт, что обеспечивает совместимость практически с любой современной аппаратной платформой. Программа пользовательского интерфейса и обработки данных написана на языке Free Pascal в среде разработки Lazarus. Программное обеспечение осуществляет чтение данных с датчика давления, температуры, а также цифровых амперметра и вольтметра, подключенных к персональному компьютеру, и осуществляет их запись на жесткий диск. Мониторинг датчиков производится с частотой в 1 Гц. При превышении давлением в реакционной камере некоторого порогового значения (устанавливается пользователем, по умолчанию 1800 Па) происходит автоматическое переключение режима блока питания со 100 на 50 В, включение пеногасителя и платинового катализатора. Отключение питания всей установки, включая пеногаситель и катализатор, производится в двух случаях: - плановое отключение при исчерпании реакционной массы и, следовательно, падении давления (по умолчанию -200 Па относительно атмосферного); - аварийное отключение в случае чрезмерного повышения давления в камере (по умолчанию 3000 Па). На практике необходимость в автоматическом аварийном отключении не возникала. Данные с датчиков сохранялись в формате .csv, что позволило использовать для их обработки (и в частности, нахождения производной по времени) распространенное программное обеспечение, такое как OpenOfficeCalc или Microsoft Excel. Сохранение данных на диск производится ежесекундно, что позволяет сохранить их в случае обесточивания компьютера. При выходе из строя компьютера в результате обесточивания или по иным причинам происходит выключение питания и пеногасителя (в случае, если они, в свою очередь, остались необесточенными). Таким образом, разработанная система автоматизации эксперимента может быть использована в качестве прототипа контрольной системы промышленной установки «мокрого сжигания» органических отходов - она обеспечивает безопасную остановку системы в аварийной ситуации. Данные автоматически сохраняются на компьютере в форматах .txt и .xls, что позволяет, в случае надобности, проводить их математическую обработку, например нахождение производных в точке, стандартными пакетами, такими как Excel и MаtcаD. Данные могут быть использованы для синтеза более точных алгоритмов управления. Заключение. Таким образом, реализована цифровая схема управления установкой «мокрого сжигания» органических отходов для встраивания в информационную систему экспериментальной модели БТСЖО и последующего управления ею как единым целым. Реализовано аварийное отключение системы в случае превышения давления. Данные сохраняются в реальном времени в форматах, удобных для решения последующих задач.

About the authors

M. Yu. Saltykov

Institute of Biophysics SB RAS

50/50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

Ye. A. Morozov

Reshetnev Siberian State Aerospace University

Email: transserfer89@gmail.com
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

S. V. Trifonov

Institute of Biophysics SB RAS

50/50, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

A. V. Murygin

Reshetnev Siberian State Aerospace University

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

A. A. Tikhomirov

Reshetnev Siberian State Aerospace University

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

References

Supplementary files