هندسة معالجة وتدویر فرشة الدجاج بواسطة عملیة التغویز الحراری لتدفئة بیوت الدواجن

عبدالله, سعید الشحات; المسیری, وائل محمد

doi:10.21608/mjae.2017.97141

هندسة معالجة وتدویر فرشة الدجاج بواسطة عملیة التغویز الحراری لتدفئة بیوت الدواجن

نوع المستند : Original Article

المؤلفون

¹ أستاذ مساعد ـ قسم الهندسة الزراعیة ـ کلیة الزراعة ـ جامعة کفرالشیخ ـ کفرالشیخ 33516 ـ مصر

² مدرس ـ قسم الهندسة الزراعیة ـ کلیة الزراعة ـ جامعة کفرالشیخ ـ کفرالشیخ 33516 ـ مصر

10.21608/mjae.2017.97141

المستخلص

تعتبر صناعة الدواجن من أهم الصناعات الزراعیة فی مصر، حیث تعمل على سد جزء کبیر من الإحتیاجات البروتینیة إلا أنها تعانی من العدید من المشاکل المرضیة الممیتة فی الآونة الأخیرة نظراً لعدم مواتیة الظروف البیئیة المحیطة للإنتاج وخصوصاً فی فصل الشتاء، وتؤدی إلى نفوق الکثیر من الدواجن مما یؤدی إلى إرتفاع أسعارها. لذا یلجأ مزارعی الدواجن إلى تدفئة بیوت الدواجن للحفاظ على الظروف الحراریة المثلى للنمو مما یؤدی الى زیادة الطلب على أسطوانات الغاز المسال LPG، أحد مشتقات البترول، لتدفئة بیوت الدواجن وهذا یقلل من المعروض فی السوق المصری مما یزید من نقص هذه الاسطوانات لإستخدامها فی المنازل. وکذلک عدم توافر وسائل النقل المتاحة لإمداد القرى بهذه الإسطوانات نظراً لأن معظم الطرق المصریة طرق ترابیة وغیر مؤهلة للسیر علیها فی فصل الشتاء. بالاضافة الى ذلک لقد أصبحت فرشة مزارع الدواجن فی الآونة الآخیرة مصدر تلوث للبیئة المحیطة بخلاف ما کان یحدث سالفاً نظراً لظهور بعض الأمراض فى بیوت الدواجن والتی یصعب التعامل معها أو القضاء علیها والتی تنتشر بسرعة أکبر فی البیئة إذا ما استخدمت لتسمید التربة أو ما استخدمت فی المزارع السمکیة لتحفیز نمو الهائمات المائیة فی المزرعة والتی یتغذی علیها الأسماک.

لذا وللأسباب السابقة أصبحت التطبیقات الزراعیة لفرشة بیوت الدواجن محدودة للحد من تفشی هذه الأمراض فی مناطق زراعیة أخری تزید من حدتها. لذا یهدف هذا البحث إلى إیجاد مصادر طاقة بدیلة متاحة فى محیط بیوت الدواجن ولا تحتاج إلى عملیات نقل وإستغلالها فی تدفئة بیوت الدواجن مع الأخذ فی الاعتبار العامل البیئی فی التخلص بطریقة ملائمة من مخلفات مزارع الدواجن. تعتبر فرشة الدجاج واحدة من مخلفات صناعة الدواجن والتی یمکن إستغلالها ککتلة حیویة لإستخراج الطاقة منها. تم تطبیق تقنیة التغویز الحراری، فی الدراسة الحالیة، لتحریر الطاقة الحیویة الموجودة بفرشة الدجاج وإستخدامها فی تدفئة بیوت الدواجن. تم إختیار مزرعة دواجن موجودة بقریة 12 العزبة البیضة بمرکز الحامول بمحافظة کفرالشیخ. المزرعة مقسمة طولیاً إلى قسمین طولیین حیث أن المزرعة أبعادها 6 X 9 متر. تم تجمیع الفرشة بعد دورة الدواجن وتجفیفها باستخدام هواء ساخن على درجة حرارة 55 درجة مئویة بداخل صوبة بلاستیکیة أبعادها 1 X 2 X 1 متر حتى أصبح المحتوى الرطوبی أقل من 2,10٪ على أساس رطب بکثافة ظاهریة قدرها 389 کیلوجرام/مترمکعب. تم غربلة الفرشة بمناخل ما بین 20 و 35 میش للحصول على حبیبات متجانسة للإجراء التجریبی. یتکون النظام التجریبی من خمسة أجزاء رئیسیة: (1) مفاعل التغویز ذو الفرشة العائمة (2) قطاع تغذیة الکتلة الحیویة (فرشة الدجاج) (3) قطاع إمداد الهواء والبخار (4) قطاع تنقیة الغاز المنتج من الشوائب (5) وحدة توصیل الطاقة الحراریة إلى بیوت الدواجن. یتکون مخطط النظام الکلی من مبنیین: الأول حجرة المغوز والآخر هو مزرعة الدواجن والتی تتکون من نفقین: نفق الدواجن الأول یتم تدفئته بحرق الغاز الناتج لمعرفة القیمة الحراریة له من خلال التغیر فی درجة حرارة النفق الأول، أما نفق الدواجن الثانی، فتم تخصیصه لإستقبال الحرارة المنبعثة فى محیط حجرة المغوز من خلال سحب الهواء من هذه الحجرة باستخدام مروحة سحب موجودة فی نهایة النفق الثانی.

متغیرات الدراسة
لتحدید مدى متغیرات الدراسة، تم أخذ عینة من فرشة الدجاج لمعرفة کمیة الهواء اللازمة لحرق وحدة الآوزان من العینة حرقاً تاماً فکانت النسبة 4 کج هواء : 1 کج من الفرشة. لذا تم تحدید أربعة نسب مکافئ وهی 326,0 و 289,0 و 227,0 و 202,0. فی هذه التجربة تم تثبیت معدل سریان الهواء (وسیط التغویز) عند 809,0 کج/ساعة للتحکم فی نسب المکافئ من خلال التحکم فى معدل تغذیة فرشة الدجاج والتی تتغیر من 62,0 إلى 1 کج/ساعة، وکذلک للحصول على نفس زمن البقاء لوسیط التغویز (الهواء فقط أو الهواء مخلوط بالبخار) داخل مفاعل التغویز. تم أخذ ثلاث مستویات من حرارة مفاعل التغویز بعین الإعتبار فی هذه الدراسة وهی430 و560 و670 درجة مئویة. تم خلط خام الدولومیت بنسب 20 و30 و50٪ مع رمل خشن (1-2مم). تم دراسة هذا المخلوط للحصول على أنسب نسبة خلط لفرشة المحفز داخل المفاعل. وکذلک تم إختیار وسیطی تغویز وهما الهواء الجوی وهواء مدعم ببخار الماء. تم تحدید معدلات تغذیة الفرشة وکذا معدلات سریان الهواء (وسیط التغویز) لمفاعل التغویز بناءاً على مبدأ قانون توازن الطاقة بداخل مزرعة الدواجن لمعرفة العجز فى مستوى الطاقة، ومن ثم تلبیة إحتیاجات المزرعة من الطاقة الحراریة. لتحدید أنسب ظروف للإجراء التجریبی، تم تجمیع بعض البیانات الأولیة حول الظروف المناخیة فی المنطقة المحیطة بمزرعة الدواجن، فوجد أن الحالة المستقرة لدرجات الحرارة والرطوبة النسبیة تبدأ من الساعة الثانیة عشر منتصف اللیل إلى الساعة السابعة صباحاً، حیث أن درجات الحرارة عندها تکون مستقرة على درجة الحرارة الصغرى وهی 12 درجة مئویة أو 11 درجة مئویة خلال الفترة من 19 من ینایر إلى 22 من فبرایر لعام 2016م. حیث تعتبر أیضاً هذه الفترة من أکثر الفترات ضرراً على مزارع الدواجن. من خلال حسابات توازن الطاقة، یتضح أن العجز فی الطاقة الحراریة مقداره 1858 کیلوجول لکل ساعة للحفاظ على درجة حرارة مثلى للنمو عند درجة حرارة 23 درجة مئویة. تم استخدام الخریطة السیکرومتریة لتحدید خصائص الهواء المضاف عند ثلاثة ظروف تشغیل مختلفة من الخلط. فعندما یتم سحب الهواء کلیة من داخل المزرعة لإعادة تسخینه تکون خصائص الهواء المضاف 48 درجة مئویة ورطوبة نسبیة 14٪ ورطوبة مطلقة 00977,0 کج بخار/کج هواء جاف وعندما تکون نسبة الخلط 50٪ (50٪ هواء طازج و50٪ هواء من داخل المزرعة) تکون درجة حرارة الهواء المضاف 5,56 درجة مئویة ورطوبة نسبیة 9,8٪ ورطوبة مطلقة 0094,0 کج بخار/کج هواء جاف، وعندما لا یکون هناک نسب خلط أى أن کل الهواء الذی یتم تسخینه هو هواء طبیعی من خارج المزرعة تکون درجة حرارة الهواء المضاف 65 درجة مئویة ورطوبة نسبیة 5٪ ورطوبة مطلقة 00811,0 کج بخار/کج هواء جاف. یرجع هذا الإرتفاع فی درجة حرارة الهواء المضاف عند إنخفاض نسب الخلط إلى تعویض کمیة الحرارة الکامنة المفقودة بحرارة محسوسة نتیجة تغییر الهواء الداخلی بهواء خارجی. أما إذا أرید الحفاظ علی ثبات درجة حرارة الهواء المضاف عند 48 درجة مئویة کما فی الحالة الأولى عند الإضافة، فإنه یتم ترطیب الهواء ببخار الماء للحصول على نفس کمیة الحرارة المطلوبة للحفاظ على درجة حرارة 23 درجة مئویة ورطوبة نسبیة 70٪ داخل المزرعة. تم اختبار ثلاث مستویات مختلفة من درجات حرارة مفاعل التغویز 430 و 560 و 670 درجة مئویة. من الملاحظ أنه بزیادة درجات الحرارة من 430 إلى 560 إلى 670 درجة مئویة تزداد عملیة التحلل الحرارى لفرشة الدجاج من خلال زیادة درجة حرارة الهواء للنفق الأول من مزرعة الدواجن من 6,1 إلى 5,2 إلى 0,7 درجات مئویة فرق عند نسبة مکافئ 326,0 ونسبة خلط للدولومیت 50٪ ووسیط التغویز هواء جوی فقط. أما عند خفض نسبة المکافئ إلى 289,0 ترتفع الزیادة فی درجات الحرارة فى النفق الأول خلال عشرة دقائق إلى 7,3 و 0,7 و 8,10 درجة مئویة فرق عند درجات حرارة 430 و 560 و 670 درجة مئویة على الترتیب. ویرجع ذلک إلى أن معدل التغذیة لفرشة الدجاج 7,0 کج/ساعة أکثر ملائمة مع معدل سریان وسیط التغویز 809,0 کج/ساعة. مما یتضح أنه عند نسبة مکافئ 289,0 أن فرشة الدجاج تتمدد بالطریقة الملائمة داخل مفاعل التغویز بحیث یکون وسیط التغویز موزعاً توزیعاً متجانساً خلال الجزیئات. یتم حساب کمیة الطاقة الحراریة المنبعثة والمحتوى الحراری للغاز المنتج من خلال التغیر فی درجة الحرارة داخل النفق الأول والثانی لمزرعة الدواجن. الفرق بین الطاقة المستهلکة لتهیئة مفاعل التغویز والطاقة المتحصل علیها یمثل کمیة الطاقة المضافة أو یقاس بکم تضاعفت الطاقة الناتجة مقابل الطاقة المستهلکة من الغاز المسال من خلال تحریر الطاقة الحیویة الموجودة بالکتلة الحیویة. عند ظروف التشغیل المثلى: درجة حرارة للمفاعل 670 درجة مئویة ونسبة مکافئ 289,0 و50٪ من نسبة الدولومیت فی فرشة الحافز ووسیط تغویز هواء جوی فقط، تم الحصول على کمیة طاقة حوالی 28,9 ضعف مقابل الطاقة المستهلکة. أما أعلى مجموع طاقة حراریة (مجموع الطاقة الحراریة المنبعثة إلى الوسط المحیط وطاقة الغاز المنتج) هی 97,14 میجاجول/ساعة والتی عند وسیط تحفیز هواء مع بخار والتی تمثل فقط 08,8 ضعف الطاقة المستهلکة وذلک لإرتفاع الطاقة المستهلکة فى تولید البخار. عند نفس ظروف التشغیل السابقة وهی (670 درجة مئویة و نسبة مکافئ 289,0 و50٪ ووسیط تغویز هواء مع بخار)، وجد أن الغاز الناتج به أعلى قیمة حراریة وهی 12,5 میجاجول/کج. بالنسبة لتأثیر نسبة الخلط بفرشة الحافز، فمن الملاحظ بأنه بزیادة نسبة الدولومیت من 20 إلى 50٪، تزداد کمیة الطاقة المتحصل علیها بنسبة 36٪ مع إنخفاض ملحوظ فی نسبة القار الناتج مما یزید من جودة الغاز المنتج.

الموضوعات الرئيسية

هندسة النظم الحیویة

المراجع

Arena, U. 2012. Process and technological aspects of municipal solid waste gasification: A review. Waste Management, 32: 625-639.

Barisano, D.; G. Canneto; F. Nanna; E. Alvino; G. Pinto; A. Villone; M. Carnevale; V. Valerio; A. Battafarano and G. Braccio. 2016. Steam/oxygen biomass gasification at pilot scale in an internally circulating bubbling fluidized bed reactor. Fuel Processing Technology, 141: 74–81.

Cheng, Y.; Z. Thowa and C. Wang. 2016. Biomass gasification with CO₂ in a fluidized bed. Powder Technology, 296: 87–101.

Coutoa, N.; A. Rouboaa; V. Silvaa; E. Monteiro and K. Bouziane. 2013. Influence of the biomass gasification processes on the final composition of syngas. Energy Procedia, 36: 596–606.

Dounis, A. I.; M. J. Santamouris; C. C. Lefas and A. Argiriou. 1995. Design of a fuzzy set environment comfort system. Energy and Buildings, 22: 81-87.

Elnady, M. A.; H. A. Hassanien; M. A. Salem and H. M. Samir. 2010. Algal abundances and growth performances of Nile Tilapia (Oreochromisniloticus L.) as affected by different fertilizer sources. Journal of American Science, 6(11): 584-593.

FAO. 2013. Food and Agriculture Organization of the United Nations: Statistical yearbook, world food and agriculture, Rome.

Gomez, E.; D. Amutha; C. Rani; D. Cheeseman; M. Deegan; Wisec and A. Boccaccini. 2009. Thermal plasma technology for the treatment of wastes: a critical review. Journal of Hazardous Materials, 161: 614–626.

Gornowicz, E.; L. Lewko and J. Gornowicz. 2007. Effects of air temperature in the final growing period and of bird strain on carcase and meat quality in broiler chickens. Polish journal of food and nutrition sciences, 57: 4(A): 175-179.

Hamel, S.; H. Hasselbach; S. Weil and W. Krumm. 2007. Auto-thermal two-stage gasification of low-density waste-derived fuels. Energy, 32: 95–107.

Hernandez, J. J.; M. Lapuerta and E. Monedero. 2016. Characterization of residual char from biomass gasification: effect of the gasifier operating conditions. Journal of Cleaner Production, 138: 83-93.

Hinton, M. H. 2000. Infections and intoxications associated with animal feed and forage which may present a hazard to human health. Veterinary Journal, 159(2):124-138.

Johari, A.; H. Hashim; M. Ramli; M. Jusoh and M. Rozainee. 2011. Effects of fluidization number and air factor on the combustion of mixed solid waste in a fluidized bed. Applied Thermal Engineering, 31: 1861-1868.

Kim, Y. D.; C. W. Yang; B. J. Kim; K. S. Kim; J. W. Lee; J. H. Moon; W. Yang; T. U. Yu and U. D. Lee. 2013. Air-blown gasification of woody biomass in a bubbling fluidized bed gasifier. Applied Energy, 112: 414–420.

Knud-Hansen, C. F.; T. R. Batterson and C. D. McNabb. 1993. The role of chicken manure in the production of Nile tilapia (Oreochromisniloticus L.). Aquaculture and Fisheries Management, 24: 483-493.

Lasa, H.; E. Salaices; J. Mazumder and R. Lucky. 2011. Catalytic steam gasification of biomass: catalysts: thermodynamics and kinetics. Chemical Reviews, 111: 5404–5433.

Lemmens, B.; H. Elslander; I. Vanderreydt; K. Peys; L. Diels; M. Osterlinck and M. Joos. 2007. Assessment of plasma gasification of high caloric waste streams. Waste Management, 27: 1562–1569.

Lin, C. K. and Y. Yi. 2003. Minimizing environmental impacts of freshwater aquaculture and reuse of pond effluents and mud. Aquaculture, 226: 57–68.

Mansaray, K. G.; A. E. Ghaly; A. M. Al-Taweel; F. Hamdullahpur and V. I. Ugursal. 1999. Air gasification of rice husk in a dual distributor type fluidized bed gasifier. Biomass and Bioenergy, 17:315-332.

Mastellone, M. L.; D. Santoro; L. Zaccariello and U. Arena. 2010. The effect of oxygen nenriched air on the fluidized bed co-gasification of coal, plastics and wood. 3^rd International Symposium on Energy from Biomass and Waste, Venice, Italy, 8–11.

Moustakas, K.; D. Fatta; S. Malamis; K. Haralambous and M. Loizidou. 2005. Demonstration plasma gasification/vitrification system for effective hazardous waste treatment. Journal of Hazardous Materials, 123:120–126.

Nam, H.; A. L. Maglinao Jr.; S. C. Capareda and D. A. Rodriguez-Alejandro. 2016. Enriched-air fluidized bed gasification using bench and pilot scale reactors of dairy manure with sand bedding based on response surface methods. Energy, 95: 187–199.

OGJ. 2016. Oil and Gas Journal: Africa gaining importance in world LPG trade.http://www.ogj.com/articles/print/volume-95/issue-19/in-thisissue/general-interest/africa-gaining-importance-in-world-lpg-trade.html, visited on 25/12/2016

Pauls, J. H.; N. Mahinpey and E. Mostafavi. 2016. Simulation of air-steam gasification of woody biomass in a bubbling fluidized bed using Aspen Plus: A comprehensive model including pyrolysis, hydrodynamics and tar production. Biomass and Bioenergy, 95: 157-166.

Taupe, N. C.; D. Lynch; R. Wnetrzak; M. Kwapinska; W. Kwapinski and J. J. Leahy. 2016. Updraft gasification of poultry litter at farm-scale – A case study. Waste Management, 50: 324–333.

Thakkar, M.; J. P. Makwana; P. Mohanty; M. Shah and V. Singh. 2016. In bed catalytic tar reduction in the auto-thermal fluidized bed gasification of rice husk: Extraction of silica, energy and cost analysis. Industrial Crops and Products, 87: 324–332.

UN. 2016. United Nations: Statistics division energy statistics database. https://knoema.com/UNSDESD2016/un-statistics-division-energy-statistics-database-2016, visited on 25/12/2016

Xiao, X.; D. D. Le; K. Morishita; S. Zhang; L. Li and T. Takarada. 2010b. Multistage biomass gasification in internally circulating fluidized bed gasifier (ICFG): test operation of animal-waste-derived biomass and parametric investigation at low temperature. Fuel Processing Technology, 91: 895–902.

Xiao, X.; D. D. Le; L. Li; X. Meng; J. Cao; K. Morishita and T. Takarada. 2010a. Catalytic steam gasification of biomass in fluidized bed at low temperature: Conversion from livestock manure compost to hydrogen-rich syngas. Biomass and Bioenergy, 34: 1505–1512.

Xin, H.; I. L. Berry; G. T. Tabler and T. A. Costello. 2001. Heat and moisture production of poultry and their housing systems: broilers. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers, ASAE, 44(6): 1851–1857.

Yi, Y. 1998. A bioenergetics growth model for Nile tilapia (Oreochromisniloticus L.) based on limiting nutrients and fish standing crop in fertilized ponds. Aquacultural Engineering, 18: 157–173.