автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности использования сапропеля естественной влажности на удобрение путем улучшения качественных характеристик и конструкции шнекового нагнетателя

тв од

_ 8 &ЕК

На правах рукописи

Павлов Алексей Николаевич

Повышение эффективности использования сапропеля естественной влажности на удобрение путем улучшения качественных характеристик и конструкции шнекового нагнетателя

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург - Пушкин 1998

Работа выполнена в Великолукской государственной сельскохозяйственной академии

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор Морозов В.В.; кандидат технических наук, профессор Болдов ММ

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ Вагин Б.И.; кандидат технических наук, старший научный сотрудник Афанасьев В.Н.

Ведущая организация - Псковский научно-исследовательский институт

сельского хозяйства ( Псковский НИИСХ )

Защита состоится '' ■/£) " 1998 года в_¿V часов на

заседании диссертационного совета К020.59.01 Северо-Западного научно-исследовательского института механизации и электрификации сельского хозяйства по адресу: 189625, г.Санкт-Петербург-Павловск, п.о. Тярлево, Фильтровское шоссе, 3, корпус № 1, помещение 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СЗНИИМЭСХ.

Автореферат разослан" £ " Ню^^рсЛ 1998 года

(

Ученый секретарь диссертационного совета />4-. Черей Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важнейших проблем, которая стоит сегодня перед учеными - аграрниками, является поиск эффективных путей использования сапропеля на удобрение с целью увеличения выпуска продукции растениеводства на основе повышения плодородия почвы в зональных научно-обоснованных системах земледелия.

При интенсивном развитии земледелия особое значение приобретает проблема повышения эффективности факторов его интенсификации, которая не может быть решена, прежде всего, без увеличения содержания органического вещества в почве.

В Нечерноземной зоне России с низким естественным плодородием, в настоящее время до 15% почв содержит менее 1% гумуса, а 80% почв - от 1 до 2%. Чтобы ликвидировать дефицит гумуса и повысить урожайность, требуется увеличить внесение органических удобрений на 40% к достигнутому уровню.

Наличие существующей кормовой базы, подстилочного материала, способы содержания животных и запасы торфа не могут обеспечить производство органических удобрений в полной мере. Вместе с тем установлено, что одним из важнейших резервов местного органического сырья являются богатейшие запасы озерных сапропелей.

Сапропель содержит азот, фосфор, кальций, калий, большой набор микроэлементов, некоторые антибиотики, биостимуляторы. Кроме того, по содержанию основных питательных элементов питания растений, биологической активности, способности активизировать микробиологические процессы в почве сапропель превосходит торф.

Однако недостаточная изученность сапропелевых месторождений, отсутствие специальных рабочих органов для подачи сапропеля естественной влажности, несовершенство технологий производства и внесения удобрений привели к тому, что в большинстве областей региона местные ресурсы органического сырья сапропелей используются слабо. В СНГ и за рубежом накоплен обширный опыт работы с сапропелем, однако этих материалов недоста-

точно для повышения эффективности использования сапропеля естественной влажности на удобрение в условиях Нечерноземной зоны России.

Поэтому повышение эффективности механизированного процесса использования сапропеля с улучшением его качества и природоохранных показателей, в основе решения которой должны лежать новые прогрессивные технологии, имеет важное научное и народно-хозяйственное значение.

Решению указанной народно-хозяйственной проблемы посвящена диссертационная работа, выполненная в период 1994-1998 г.г. в рамках координационных планов региональной научно-технической программы «Нечерноземье».

Цель и задачи исследований. Научно обосновать улучшение качественных характеристик сапропеля, выбрать рабочий орган, установить конструктивные и технологические параметры, и на этой основе повысить эффективность использования сапропеля естественной влажности, улучшить качество удобрений и охрану природной среды. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- используя метод группового учета аргументов и результаты экспериментальных исследований, установить зависимости основных физико-механических свойств сапропеля естественной влажности и обосновать пути улучшения его качества;

- применяя методы математического моделирования, изучить процесс трансформирования сапропеля органическими добавками с целью обоснования технологических параметров улучшения его основных характеристик;

- выработать методический подход улучшения качества сапропеля и обосновать тип нагнетателя для внутрипочвенного внесения удобрений естественной влажности;

- разработать теоретические основы обоснования и выбора конструктивных и технологических параметров нагнетателя для подачи сапропелевых удобрений естественной влажности с механическими и волокнистыми включениями растительных остатков;

- провести экспериментальную проверку агрономической ценности сапропелевых удобрений и рабочего органа для подачи, определить экономическую эффективность и дать практические рекомендации производству.

Методика исследований. В соответствии с поставленными задачами методикой предусматривалось проведение теоретических и экспериментальных исследований на основе системного подхода. Экспериментальная часть работы выполнена на озерах Псковской области, на территории которой расположено свыше 3,5 тысяч озер с общим запасом сапропеля свыше 1 млн. т. Основные исследования проведены на озерах Теляжно, Меленка, Лышники и в колхозе «Труженик» расположенного в южной части области.

Состав и свойства сапропеля определяли в соответствии с методическими указаниями по разведке озерных месторождений и агрохимическому анализу сапропелей.

Аналитическую и исследовательскую работу выполняли в лабораториях кафедр общего земледелия и агрохимии, тракторов и сельхозмашин, проблемной лаборатории лугового кормопроизводства Великолукской ГСХА и в Великолукской проектно-изыскательной станции.

В основу теоретических исследований положены математические модели взаимодействия сапропеля с винтовыми поверхностями шнекового нагнетателя, положения физики, теоретической механики, гидравлики и высшей математики.

Экспериментальные исследования физико-механических свойств сапропеля, агрохимических и микробиологических показателей, влияние его внесения на свойства почвы, рабочих характеристик нагнетателя проводили с применением методик группового учета аргументов и планирования многофакторных экспериментов. Обработку экспериментальных данных осуществляли методами математической статистики с использованием ПЭВМ.

Научная новизна. Впервые использован комплексный подход оценки эффективного использования сапропеля естественной влажности на удобрение и выбора рабочего органа с использованием результатов исследований физико-механических, агрохимических и микробиологических свойств сапропеля.

Установлены физико-математические зависимости основных характеристик и конструктивных параметров шнекового нагнетателя для подачи сапропелевых удобрений естественной влажности.

На основании современных требований к органическому сырью разработан методический подход улучшения качественных характеристик сапропеля и научно обоснован новый способ производства и использования сапропелевых удобрений естественной влажности, в соответствии с которыми предложена технология и комплекс машин.

На защиту выносятся следующие научные положения:

- совокупность математических моделей свойств сапропеля в залежи, послуживших основой для улучшения качества сапропелевого сырья и расчета технологических параметров шнекового нагнетателя;

- номограммы для определения физико-механических, агрохимических и микробиологических характеристик сапропеля естественной влажности;

- математические модели для определения конструктивных и технологических параметров шнекового конического нагнетателя для подачи сапропеля естественной влажности с органическими добавками жидкого навоза;

.- математические модели для определения параметров технологии улучшения качества сапропелевого удобрения путем трансформирования жидким навозом при внутрипочвенном внесении.

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Практическая ценность заключается в том, что в результате проведенных исследований получена возможность внедрения механизированной технологии приготовления и внесения сапропелевых удобрений естественной влажности в производство, которая наиболее полно учитывает агрохимические, микробиологические и физико-механические свойства сапропеля, что способствует существенному улучшению качества удобрений и охраны окружающей среды. Разработан и внедрен в производство шнековый нагнетатель для подачи сапропелевых удобрений естественной влажности. Выявлены наиболее рациональные органические удобрения с утилизацией жидкого навоза.

Разработанные методы расчета и определения конструктивных и технологических параметров рабочего органа, физико-механических свойств, агрохимических и микробиологических характеристик сапропеля могут использоваться в конструкторских организациях и научных учреждениях при создании и совершенствовании техники для подачи сапропеля, а также в высших и средних учебных заведениях при обучении студентов сельскохозяйственных специальностей.

Апробация работ. Основные результаты исследований диссертационной работы доложены и одобрены на межвузовских научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов в 1996, 1998 г.г. Материалы диссертации апробированы на расширенных заседаниях кафедры тракторов и сельхозмашин, совета инженерного факультета Великолукской ГСХА.

Публикации. Основные положения и результаты исследований опубликованы в четырех печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и рекомендаций, списка литературы, приложения. Работа изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 24 таблицы, 28 рисунков. Список литературы содержит 167 наименований, в том числе 7 иностранных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана научная характеристика состояния проблемы, обоснована актуальность темы, представлены основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор и анализ работ о сапропеле, как природном ресурсе органического сырья для производства удобрений, о влиянии его на эффективность производства продукции растениеводства и улучшение свойств почвы. Также изложены технологии использования его на удобрение, способы его внесения и дан анализ используемых рабочих органов.

Из обзора следует, что в озерах Нечерноземной зоны разведанные запасы сапропелей составляют более 500 млн. т., которые содержат все питательные вещества, необходимые для растений. Органическая часть сапропеля состоит из аморфного детрита и остатков водорослей, животных и высших растений.

Одним из основных классификационных показателей является зольность сапропеля, которая колеблется от 20 до 60%. Верхний предел зольного остатка равен 85%, нижний - 4...6%. Особенно ценен сапропель, содержащий менее 10% золы.

В минеральном составе первое место, как правило, принадлежит кремнию, содержание которого достигает 70...80% в пересчете на ЗЮ2. Однако, нередки случаи, когда основу минеральной части составляют карбонаты кальция, содержащие до 50% и более СаС03 в подвижной форме. Содержание фосфора изменяется от 0,05 до 7,0% (на сухое вещество в пересчете на Р205). Содержание азота в нем достигает 4...6%. Важнейшим показателем качества и агрономической ценности органического вещества сапропелей является доступность азота для растений и отношение между углеродом и азотом.

Сравнительно низкое содержание общего азота свидетельствует, что даже при высоких дозах внесения сапропелей, они не могут в полной мере выполнить потребность растений в азотном питании. Поэтому обогащение сапропелей азотом, в равной мере фосфором, калием и другими необходимыми элементами питания, является важнейшим условием их высокой эффективности.

Применение удобрений на основе сапропеля позволяет улучшить водно-физические, химические и микробиологические свойства почвы, улучшить качество продукции растениеводства и повысить урожайность.

Так, под воздействием сапропеля в почве происходит увеличение гумуса на 63%, азота на 60%, кальция на 384,7% фосфора на 62% и калия на 30%. Урожайность зерновых культур, овощей повышается на 20...100% в зависимости от типа почвы и дозы внесения удобрения. Кроме того, сапропель следует рассматривать также как органический и органоминеральный материал. Под его влиянием в почве значительно возрастает скважность, увеличивается

объемный вес, капиллярная и полная влагоёмкость. Наилучшие результаты использования сапропеля получены при совместном его внесении с различными органическими добавками и минеральными удобрениями. Поэтому в естественном состоянии сапропель желательно рассматривать как сырье для производства удобрений и технология приготовления должна включать операции улучшения качественных характеристик.

Исследованиями М.З. Лопотко, A.A. Цюниса, А.И. Фомина, Г.А. Евдокимовой, В.И. Хохлова, В.В. Ржевского и др. были выявлены агрохимические и физические свойства сапропеля, взаимодействие его с рабочими органами машин и влияние его на урожайность, качество продукции и плодородие почвы. Однако в их исследованиях были недостаточно учтены особенности формирования залежи сапропеля как источника органического сырья и не доведены до адекватности описания свойства залежи, моделирование которых необходимо для определения параметров технологии производства и использования удобрений.

Исследованиями H.A. Мироновича, Е.А. Кирдуна, П.Л. Кузьницкого, Н.В. Коруэна и др. было установлено, что при существующих технологиях сапропель в залежи перемешивают и обводняют, затем пульпу перекачивают на берег и сразу же начинают длительный и дорогостоящий процесс ее обезвоживания, что приводит к разрыву технологического цикла во времени, занимаются значительные площади, и в условиях Северо-Западной зоны РФ не всегда получают желаемый результат. Поэтому наиболее благоприятные условия для производства удобрений можно получить при разработке сапропеля естественной влажности.

Достаточно полно изучены вопросы взаимодействия сапропеля повышенной влажности с рабочими органами используемых насосов и гидравлической системы подачи, что нашло отражение в трудах И.В. Косаревича, О.М. Букача, К.Г. Арутюнина, В.П. Смирнова, Ю.А. Скобельцина, A.B. Громодского и др. Однако в их исследованиях были недостаточно учтены особенности производства и использования сапропелевых удобрений естественной влажности, и работы были направлены на интенсификацию технологических процессов существующих рабочих органов, что недостаточно для разработки новых.

Кроме того, не полностью изучены закономерности взаимодействия сапропелевых удобрений естественной влажности с винтовыми поверхностями шне-кового нагнетателя.

Много работ посвящено улучшению качественных характеристик сапропеля, но, в основном, они носят попутный характер исследований, не содержат конкретных рекомендаций по обоснованию технологических параметров, и без проведения специальных исследований использование для разработки больших объемов сапропеля не представляется возможным.

На основе проведенного анализа научных разработок установлено, что для повышения экономической эффективности производства удобрений на основе сапропеля, необходимо дополнительно провести научные изыскания, для чего были сформулированы задачи исследований.

Во второй главе представлены основные показатели физико-механических, агрохимических, микробиологических свойств залежи, теоретическое обоснование типа рабочего органа; режимов работы и технологические параметры улучшения качества сапропеля.

Оценка экспериментальных данных показала, что важнейшие показатели сапропеля: влажность, уровень кислотности, содержание азота, окиси кальция, фосфора, количество микроорганизмов, характеризующие качество сапропелевого сырья для удобрений, могут изменяться в широких пределах.

Естественная влажность сапропеля варьирует в пределах 73,5...97,3%, что обусловлено различием химического состава минеральной части. В целях повышения эффективности технологии производства и повышения качества удобрения сапропель целесообразно извлекать из залежи влажностью 74...84%.

Уровень кислотности сапропелей изменяется от 4,7 до 8,0 ,и для производства удобрений целесообразно использовать сапропели, рН которых выше 5.

Установлено, что кальций в сапропелях отличается высокой подвижностью, что объясняется значительным агрономическим эффектом карбонатных сапропелей. Поэтому сапропели, включающие более 20% на сухое вещество карбонатов кальция, могут рассматриваться как эффективные известковые

материалы, а менее 20% для приготовления удобрений. Кроме того, сапропе-ли с содержанием азота менее 1,5% нецелесообразно использовать как органическое сырье на удобрение.

Методом селекции моделей получены уравнения регрессии, адекватно описывающие зависимости агрохимических, микробиологических показателей от влажности, представленные в таблице 1.

Таблица 1

Зависимости агрохимических показателей сапропеля от влажности

Название Наименование Вид уравнения

озера показателя

Теляжно кислотность рН=7091,22-225,909\у+0,462\м2+0,056\л/3-0,001\л/4

азот N=-15959,4+616,922w-6,374w2-0,028wэ+0,001w4

окись фосфора Р=4671,23-143,762\л/-0,135^+0,049^-0,001\ил

окись кальция К=-41878,1+1475,39\/у-1 1,543\л/2-0,131\«3+0,002\/\/4

численность мик- М=2,3*106-69352иМ43,865\л/2+25,988\лЛ

роорганизмов 0,318ш4+0,001ш5

Установлено, что агрохимические и микробиологические показатели с изменением влажности по глубине залегания уменьшаются, и в пределах одного озера имеют тесную связь.

Для улучшения качества сапропеля его необходимо трансформировать органическими добавками.

В связи с этим, для целенаправленного проведения трансформирования на основе математических зависимостей построена номограмма для определения физико-механического, агрохимического состава исходного материала (рис. 1).

Для подачи сапропеля естественной влажности целесообразно использовать шнековый нагнетатель, который обеспечивает подачу сапропеля густой консистенции влажностью 75...85%, прост по конструкции и пуску, не требует запорной аппаратуры и, имея большие проходные сечения, обеспечивает подачу смесей с механическими и волокнистыми включениями.

Проведенные теоретические исследования позволили обосновать конструктивные параметры шнекового нагнетателя и технологические режимы

е- - влажность; -в- Р205; -Д-Са203; Ы; рН.

работы. Для определения необходимых параметров рассмотрели движение частицы сапропеля, опирающейся на винтовую поверхность (рис. 2).

Рассмотрев два последовательных витка шнека, из их подобия получено значение коэффициента подобия, который равен:

" l-2^ttg<pc/g¡^

где ср - угол подъема винтовой линии, град;

(3 - угол наклона конуса, град.

Установлено, что на его величину оказывают влияние углы подъема винтовой линии шнека и наклона образующей конуса.

Зная радиусы входного сечения Ян и выходного Я*, получена зависимость для определения длины нагнетателя 1_ через количество витков шнека \Л/В:

V **

Я*

где IV

г!п-

(3)

Таким образом установлено, что основные размеры нагнетателя тесно связаны между собой и зависят от углов подъема винтовой линии, наклона конуса и числа витков шнека.

При работе шнекового нагнетателя на поверхности ротора шнека вдоль оси создается область, которая не участвует в подаче удобрения, в этой области масса вовлекается во вращение с ротором и не перемещается вперед. Поэтому важной задачей является уменьшение этой зоны или ограничение поступления в нее удобрения. В результате проведения теоретических исследований установлено, что скорость потока удобрения изменяется по высоте витка. Следовательно, для ограничения зоны, не участвующей в подаче удобрений, ротор шнекового нагнетателя целесообразно изготавливать конусным.

Для определения подачи конического шнекового нагнетателя в зависимости от конструктивных параметров, а также физико-механических свойств сапропеля рассмотрели на основании теории взаимодействия вязкопластич-ной смеси с рабочими органами шнекового нагнетателя.

Г. Шенкель предлагает рассчитывать подачу по формуле (4), т.к. составляющей подачи процесса передвижения материала считается аксиальная составляющая v, вектора скорости v¡:

e=V,F, (4)

где F - площадь поперечного сечения шнекового канала, м2;

vt - аксиальная составляющая скорости \\, м/с.

Аксиальную составляющую V2 можно определить из выражения:

V1H = 7t,D,,nsincpcoscp(l - tgtpctgai), (5)

где D„ - диаметр входного поперечного сечения шнековой камеры, м;

п - частота вращения шнека, с"1;

а - угол между направлением движения материала и плоскостью боковых поверхностей винтовой поверхности шнека, град, который равен:

eos2 ф - 0.5 c'ga=--■

sin2cp

Ввиду того, что корпус шнековой камеры - конический, тогда входной диаметр шнекового нагнетателя можно определить по формуле:

D„ = Dt+2ctsp{L-z), (6;

где Dk - выходной (минимальный) диаметр конуса, м;

Z - расстояние от максимального диаметра до рассматриваемого сече ния, м.

Площадь поперечного сечения канала для конического шнека опреде л им из выражения:

FH=b„hBsin(p, (7

где Ь„ - ширина шнекового канала, м;

hH - глубина канала, м.

Ввиду того, что вал шнека выполнен конусным, глубина канала в любои сечении определяется из зависимости:

h„=ho+(L-Z)(ctg(3-tga), (8

где а-угол наклона вала, град.;

h0 - глубина канала на выходе из нагнетателя, м.

В определенных условиях работы шнекового нагнетателя наблюдается явление обратного тока, что вызывает снижение подачи. Коэффициент снижения подачи, исходя из условий, что нагнетатель конического типа определили из выражения:

an=(l-Knn), (9)

где Кпп - безразмерный коэффициент, равный

Dieitg(pKn2\Dk +2(1 - Z)ctgfyisin <р cos ip( 1 - tg(pctgco) p Km= bpyhed2L '

где s- величина зазора между навивкой шнека и внутренней поверхностью кожуха нагнетателя, м; h„ - высота подлаповсй полости, м; р - плотность удобрения, кг/м3; d - диаметр выходного патрубка, м; |iy - коэффициент динамической вязкости удобрения, Па»с. Исходя из необходимости обеспечить непрерывность потока подаваемого удобрения, применив уравнение неразрывности потока для установившегося движения, с учетом того, что выход осуществляется через боковое отверстие, после математических преобразований получена зависимость для определения подачи:

7zd2

Q = кп\Ък + 2(L - z)cfg/?}?sm <¡>cos^(l - tgipctga, (10)

где к -безразмерный параметр, определяющий отношение площадей поперечного сечения входного сечения к выходному. При условии, что длина трубопровода при внесении удобрений от нагнетателя до рабочих органов в почве незначительна, принято, что давление на выходе из патрубков равно давлению, создаваемому нагнетателем, т.е. Р=ДР, тогда развиваемое давление будет:

^ («г[/Э4 + 2(L - Z)clgffyi sin <р cos^l - tg<pctga>)} (11)

Результаты теоретических исследований позволили обоснованно определить конструктивные и технологические параметры шнекового нагнетателя.

В третьей главе изложены программы и методики экспериментальных исследований, дана характеристика используемой установки.

Изучение агрохимических и физико-механических свойств сапропеля провели на основании образцов, взятых из озер разных районов Псковской области, в соответствии с методическими указаниями по разведке озерных месторождений сапропеля. При этом использовали герметичный пробоотбор-ный челнок объемом 500 см3, который открывали на необходимой глубине.

Взятые пробы упаковали в герметичную светонепроницаемую тару, хранили и подготавливали к анализам в соответствии с ГОСТом 17644-72.

Влажность сапропеля определяли в соответствии с ГОСТом 26712-85. Обменную кислотность (рН солевой суспензии) определяли в соответствии с ГОСТом 11623-65. Уточнения по измерению рН проводили по «Методическим указаниям».

Состав основных химических компонентов азота, фосфора, калия в виде окислов устанавливали по существующим методикам: химический состав содержания общего азота - методом сжигания органического вещества концентрированной серной кислотой; фосфора - фотокапориметрически после сухого озоления; калия - объемным кобальт - нитратным методом после мокрого озо-ления навески.

Микробиологическое состояние сапропеля в озерах и при трансформировании органическими добавками определяли методом обрастания стенок по холодному. В качестве питательных сред использовали питательный агар с экстрактом кильки и мясо-пептонный агар.

Для построения адекватных моделей зависимости агрохимических свойств от влажности и глубины использовали метод селекции моделей, основанный на групповом учете аргументов, и по результатам полученных значений строили регрессионную модель.

Исследование режимов работы шнекового нагнетателя для подачи сапропелевого удобрения естественной влажности проводили на лабораторной установке. Привод нагнетателя осуществляли от двигателя постоянного тока типа П12У4, частоту вращения которого изменяли за счет электрической схемы управления.

Развиваемое нагнетателем давление определяли при подаче удобрения из бункера по трубопроводу. Для этого в нагнетательном трубопроводе устанавливали манометр типа МТП-1. Частоту вращения измеряли электротахометром ТЭ-240.

Определение оптимальных конструктивных размеров нагнетателя и технологических параметров процесса трансформирования сапропеля органическими добавками осуществляли по методике планирования многофакторного эксперимента.

Математическую обработку результатов проводили на ЗВМ 1БМ-РС/ХТ и получали адекватные уравнения регрессии.

В четвертой главе представлены технологическая схема лоточного производства сапропелевого удобрения естественной влажности и основные пути наиболее рационального выбора механизированных комплексов, обеспечивающих выполнение всех операций технологического цикла с учетом требований производства и охраны природной сферы. Выделены два независимых комплекса: подготовительный - связанный с работами для разработки сапропеля на удобрения и основной - обеспечивающий выполнение работ по приготовлению удобрения и внутрипочвенному внесению его на поля.

По всем комплексам дано описание работ с указанием технологических, средств, технологических параметров и рабочего органа, созданного на основании проведенных исследований.

При технологическом процессе сапропель из залежи скреперующе-заборным устройством подается в бункер-накопитель установки УРС. После заполнения бункера установка подтягивается к берегу и сапропель насосом по трубопроводу подается на берег в машину МЖТ-8 для смешивания с жидким навозом в соотношении 5:1. Трактор Т-150К массу перевозит на поля для внутрипочвенного внесения.

В комплекс машин для приготовления удобрения и подачи его естественной влажности введен новый рабочий орган: шнековый нагнетатель. Для выбора его конструктивных параметров использовали метод экспертной оценки, предварительно выполнив исследования по методике планирования мно-

гофакторного эксперимента. В качестве переменных факторов были выбраны следующие параметры:

п - частота вращения шнека, с"1; с1 - диаметр выходного патрубка, м; р -угол наклона конуса, град; р - плотность сапропеля, кг/м3.

Математическая обработка данных эксперимента на ЭВМ позволила выделить значимость входных переменных и получить адекватные уравнения регрессии зависимости подачи и давления от этих величин:

0=53,98+0,38(5+3,32Ь+0,52п+0,275р-0,367рсИ ,483рп-0533рр-

-0,534с1п+0,317с1р+0,975пр (12)

Р=0,027+0,004р+0,003п+0,0003р+0,0005рп (13)

Установлено, что на величину давления шнекового нагнетателя существенно влияют частота вращения шнека и плотность сапропеля (рис. 3 ).

р, кг/м ^

Рис.3 Зависимость напора шнекового нагнетателя от плотности сапропеля и частоты вращения шнека

Кроме того установлено, что подача нагнетателя зависит от частоты вращения шнека, влажности, угла наклона конуса и наилучшие рабочие характеристики обеспечиваются при конструктивных параметрах: длине нагнетателя - 0,8 м, диаметре входного сечения - 0,8 м, частоте вращения - 17,5 с"1, угле наклона конуса - 58°, диаметре выходного патрубка - 0,15 м, шаге - 0,16 м.

Результаты испытаний показали, что со снижением влажности сапропеля подача, давление и КПД нагнетателя возрастают по определенной влажности, после чего наблюдается снижение этих показателей (рис. 4).

Рис. 4.5 Зависимость рабочих характеристик нагнетателя от влажности сапропеля:

- подача; 43— - давление; - КПД.

Наибольшее значение подачи, давления и коэффициента полезного действия соответственно составили: 58 м3/ч; 0,05мПа; 0,67 при влажности 78...80%.

В производственных условиях установлено, что интенсивность отказов шнекового нагнетателя в среднем равна 0,004, коэффициент отказов 13,6%, что свидетельствует о высокой надежности предлагаемой конструкции рабочего органа. Незначительное число отказов связано с недостатками в организации работ по техническому обслуживанию, с нарушениями условий эксплуатации и режимов работы.

В предлагаемой технологии производства и использования удобрения по охране окружающей среды внедрен комплекс научных, технико-производственных и экономических мер, направленных на сохранение озер в процессе выработки залежи, а также на предотвращение отрицательных последствий, связанных с сушкой сапропеля и сбросами сточных вод в водоемы.

Активизация микробиологической деятельности в сапропеле влияет на содержание подвижных и легкогидролизуемых соединений и определяет качество удобрений. Для улучшения свойств сапропеля нами использована наиболее эффективная, органическая добавка - жидкий навоз крупно-рогатого скота.

Установлено, что внесение трансформированного сапропеля, по сравнению с натуральным, положительно влияет на микробиологический и химический состав почвы. В пробах, через 20 дней, преобладали шаровидные бактерии, осуществляющие гнилостный процесс. Через 40 ... 60 дней, преимущественно выделяются палочковидные бактерии, осуществляющие процесс аммонификации, нитрификации. Активность микроорганизмов значительно возрастает с увеличением температуры окружающей среды. Влияние на их активность больше всего оказывает время, и самый благоприятный период в течение 20 ... 45 дней.

При внесении трансформированного сапропеля наибольшее значение содержания подвижных форм основных питательных элементов отмечено при повышении температуры от 10 до 15 °С и влажности почвы 20%, что положительно влияет на водно-воздушный режим.

Кроме того, результаты исследований показали, что сапропель, трансформированный органическими добавками жидкого навоза, оказывает положительное влияние на рост и развитие сельскохозяйственных культур (табл. 2).

Таблица 2

Влияние сапропелевых удобрений на рост и развитие ячменя

Варианты Высота, Вес стеб- Вес ли- Сохранившихся Погибших

см лей, г стьев, г растений, % растений, %

Контроль (почва) 50,3 19,9 34,9 84 16

почва + сапропель 60,0 22,4 49,7 91 9

почва + сапропель + 68,5 29,9 57,4 94 6

+ навоз

В пятой главе приведены расчеты экономической эффективности использования сапропеля естественной влажности на удобрение.

Анализ затрат труда и средств показал, что при производстве и внесении сапропелевых удобрений естественной влажности с использованием шне-

кового нагнетателя затраты труда снизились в 1,3 раза, трудоемкость в 1,5 раза, а производительность труда повысилась в 1,2 раза.

Экономическая эффективность технологии производства и внесения сапропелевых удобрений в сравнении с базовым вариантом составила 29120,5 рублей.

Основные выводы и рекомендации

1. На Северо-Западе России для повышения плодородия почвы и увеличения выпуска продукции растениеводства целесообразно использовать ресурсы сапропеля, которые при разработке естественной влажности, трансформированные органическими добавками, внесенные в пахотный слой, оказывают положительное влияние на микробиологическое состояние почвы и рост сельскохозяйственных культур.

2. Агрохимические, микробиологические и физико-механические показатели сапропеля, характеризующие качество сырья для удобрения, с увеличением глубины и влажности залежи изменяются в широких пределах: влажность от 73,50 до 97,31%; окись кальция от 3,52 до 34,68%; фосфора от 0,09 до 0,28%; азота от 0,85 до 3,65%; кислотность от 4,7 до 8,0; количество микроорганизмов от 29 до 212 тыс.шт.

В связи с этим, для улучшения свойств удобрения и снижения затрат на его производство, необходимо использовать сапропель установленного качества естественной влажности.

3. При производстве сапропелевого удобрения и его внутрипочвенном внесении для улучшения агрохимических и микробиологических показателей целесообразно использовать органические добавки.

При этом наилучшие свойства проявляются при использовании жидкого навоза крупнорогатого скота в соотношении сапропеля к навозу 5:1, влажности почвы -18 ... 20%, температуре - 15°С.

4. При подаче сапропеля естественной влажности 88...79% шнековым нагнетателем скорость потока в межвитковом пространстве изменяется по высоте витка. Поэтому для ограничения зоны низких скоростей ротор нагнетателя целесообразно изготавливать коническим.

5. Для подачи сапропеля густой консистенции с механическими, волокнистыми включениями растительных остатков жидкого навоза крупнорогатого скота необходимо использовать конический, шнековый нагнетатель, наилучшие рабочие параметры которого обеспечиваются при частоте вращения шнека - 17,5с"1; длине шнека - 0,8м; угле наклона конуса - 58°; диаметре входного сечения - 0,6м; шаге - 0,16м; диаметре выходного патрубка - 0,15м.

6. Наиболее экономически целесообразным является производство удобрения из сапропеля естественной влажности, трансформированного жидким навозом крупнорогатого скота, вносимого в пахотный слой. В этом случае снижаются затраты труда в 1,5 раза, занятость площадей уменьшается на 4,4 га с улучшением показателей охраны окружающей среды.

7. Использование комплекса машин с применением шнекового нагнетателя для производства сапропелевого удобрения естественной влажности, вносимого в пахотный слой, позволяет повысить производительность технологического процесса в 1,2 раза. При этом производственные затраты окупаются за 1,1 года, а годовой экономический эффект составляет 29120,5 рублей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Морозов В.В., Павлов А.Н. Совершенствование технологии производства и внесения сапропелевых удобрений // Информационный листок. ЦНТИ.-№249-96. - Псков, 1996. -2с.

2. Морозов В.В., Павлов А.Н. Обоснование конструктивных параметров шнекового насоса для подачи сапропеля. - Биологическая и техническая интенсификация сельскохозяйственного производства: Тез. докл. XXXII научно-практической конференции. - Великие Луки, 1997. - С.148-149,

3. Морозов В.В., Болдов М.М., Павлов А.Н. Определение производительности шнекового нагнетателя. - Биологические и технико-экономические проблемы в сельском хозяйстве: Тез. докл. XXXIII научно-практической конференции. - Великие Луки, 1998.-С.135-136.

4. Морозов В.В., Болдов М.М., Павлов А.Н. Влияние внутрипочвенного внесения сапропелевых удобрений на рост и развитие ячменя // Информационный листок. ЦНТИ.- №16-96,- Псков, 1998. -Зс.

Министерство сельского хозяйства и продовольствия

Российской Федерации

Павлов Алексей Николаевич

Повышение эффективности использования сапропеля естественной влажности на удобрение путем улучшения качественных характеристик и конструкции шнекового нагнетателя.

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

научные руководители - доктор технических наук,

профессор В.В. Морозов, кандидат технических наук, профессор М.М. Болдов

Великолукская государственная сельскохозяйственная академия

Специальность 05.20.01 - Механизация

сельскохозяйственного производства

Великие Луки 1998

Введение...........................................................................4

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Сапропель - природный ресурс органического сырья для производства удобрений........................................8

1.2. Влияние сапропеля на плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур...........................14

1.3. Существующие технологии использования сапропеля на удобрение и способы его внесения.......................18

1.4. Пути повышения эффективности использования сапропелевых удобрений и задачи исследований..............26

Г лава 2. Теоретическое изучение характеристик сапропеля, конструктивных и технологических параметров шнекового нагнетателя.

2.1. Математическое моделирование агрохимических

и физико-механических характеристик сапропеля..............31

2.2. Теоретическое обоснование конструктивных параметров шнекового рабочего органа для подачи трансформированного сапропеля и повышение эффективности его работы...................................................34

2.3. Теоретическое обоснование технологических параметров шнекового, конического нагнетателя..................49

Глава 3. Методика экспериментальных исследований........56

Глава 4. Организация поточного производства удобрения и результаты внедрения

4.1. Технология работ и комплекс машин для поточного производства удобрения...............................................65

4.2. Определение конструктивных параметров шнекового нагнетателя..............................................................68

4.3. Экспериментальные исследования нагнетателя при подачи трансформированного сапропеля естественной влажности............................................................72

4.4. Влияние сапропелевого удобрения на микробиологический, агрохимический состав почвы и урожай-

ность ячменя....................................................................76

Глава 5. Технико-экономическая эффективность использования сапропеля естественной влажности на

удобрение........................................................................82

Основные выводы и рекомендации...................................85

Список литературы...........................................................87

Приложение...................................................................102

Введение

Одной из важнейших проблем, которая стоит сегодня перед учеными-аграрниками, является поиск эффективных путей разработки сапропеля на удобрение с целью увеличения выпуска продукции растениеводства на основе повышения плодородия почвы в зональных научно обоснованных системах земледелия.

При интенсивном развитии земледелия особое значение приобретает проблема повышения эффективности факторов его интенсификации, которая не может быть решена, прежде всего без увеличения содержания органического вещества в почве. За последние десятилетия в результате интенсивного использования земель в почвах Нечерноземной зоны с низким естественным плодородием резко снизилось содержание гумуса, и в настоящее время до 20% почв содержат менее 10% гумуса, а 80% почв от1% и до 2%.

При современном уровне внесения органических удобрений и использования пожнивно-корневых остатков возделываемых культур в ближайшее время нельзя не только увеличить содержание органического вещества в почве, но и обеспечить бездефицитный баланс гумуса на пахотных угодьях.

В этой связи повышение плодородия почв следует рассматривать как важнейшее условие дальнейшего улучшения культуры земледелия, имеющее большое экономическое значение. Поэтому в настоящее время поискам дополнительных источников органического сырья уделяется большое внимание.

Установлено, что одним из важнейших резервов местного сырья для производства органических удобрений являются богатейшие запасы озерных сапропелей. По данным торфяного фонда министерства геологии, общий прогнозный запас сапропелей в Российской Федерации составляет 420 млрд. тонн, в том числе в

Нечерноземной зоны свыше 500 млн. тонн, и с каждым годом в результате эвтрофии озер запасы его возрастают.

Сапропель - это ценное органоминеральное сырье, которое содержит железо, азот, фосфор, кальций, калий, большой набор микроэлементов, некоторые антибиотики, витамины и по своим агрохимическим, физико-механическим показателям, способности активизировать микробиологические процессы в почве с улучшением ее свойств превосходит торф. Однако сдерживающими факторами производства сапропелевых удобрений является несовершенство существующих технологий, недостаточная изученность агрохимических и микробиологических свойств, а также отсутствие рекомендаций и технических средств для внутрипочвенного внесения. Поэтому повышение эффективности использования сапропеля естественной влажности с улучшением его агрохимических и микробиологических свойств при внутрипочвенном внесении является актуальной задачей,имеющей важное народно-хозяйственное значение.

Решению данной проблемы посвящена диссертационная работа, выполненная автором в период с 1994-1998гг. В рамках координационных планов региональной научно-технической программы «Нечерноземье».

В настоящей работе предусматривалось проведение теоретических и экспериментальных исследований на основе системного подхода.

В основу теоретических исследований положено математическое моделирование технологических процессов и условия работы рабочего органа, методы теоретической механики, основы гидравлики, дифференциального и интегрального исчисления. При проведении экспериментальных исследований использовались приемы вариационной статистики, а также метод группового учета аргументов. Для изучения характеристик нагнетателя проведена серия лабораторных опытов по методике многофакторного экспе-

римента. Обработка результатов исследований проводилась с использованием стандартных и специально разработанных программ на базе компьютерной техники.

Дано математическое описание процесса взаимодействия сапропеля естественной влажности со шнековыми поверхностями и теоретически обоснованы конструктивные и технологические параметры конусно-шнекового нагнетателя. Получены математиче-. ские зависимости и уравнения для определения агрохимического и микробиологического состава сапропеля в зависимости от глубины залегания и влажности с целью улучшения его качества. По результатам исследований на защиту выносятся:

- Совокупности математических моделей свойств сапропеля в залежи, послужившие основой для улучшения качества сапропелевого сырья и расчета технологических параметров шнекового нагнетателя;

- Номограммы, для определения физико-механических, агрохимических и микробиологических характеристик сапропеля естественной влажности;

- Математические модели для определения конструктивных и технологических параметров шнекового конического нагнетателя для подачи сапропеля естественной влажности с органическими добавками жидкого навоза;

- Математические модели для определения параметров технологии улучшения качества сапропелевого удобрения путем трансформирования жидким навозом при внутрипоч-венном внесении.

Диссертация является самостоятельной работой. В разработке отдельных вопросов программы исследований принимали участие: кандидат технических наук Ю.И. Горелов, кандидат физико-математических наук A.B. Голубев, кандидат сельскохозяйственных наук Д.С. Корнышев и старший преподаватель С.П. Сазы-кова.

Всем автор выражает огромную благодарность. За содействие в проведении экспериментальных исследований благодарю председателя колхоза «Труженик» В.Г. Кяримова

Считаю своим приятным долгом выразить благодарность научным руководителям, заведующему кафедры «Тракторы и сельскохозяйственные машины» доктору технических наук, профессору В.В. Морозову и кандидату технических наук, профессору М.М. Болдову, а также кандидату технических наук, доценту С.А. Кат-ченкову за помощь и содействие в создании благоприятных условий для выполнения диссертационной работы.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Сапропель - природный ресурс органического сырья для производства удобрений

Сапропель (от греческого эаргоэ-гнилой и ре1ов-ил, грязь) -илистое отложение пресноводных водоемов, содержащее большое количество органических веществ, углеводы, битумы, а также другие сапропелиты в коллоидном состоянии (112).

Внешне сапропель имеет вид желеобразной однородной массы, консистенция которой в верхних слоях приближается к смета-нообразной, а в нижних, более плотных, уже может хорошо резаться ножом. На консистенцию сапропеля сильно влияют минеральные примеси, присутствующие нередко в значительных количествах и придающие ему характер глинистых, песчаных, известковых и других образований (76, 127, 142, 156).

Сапропели широко распространены на земном шаре. Процессы их накопления происходят и в настоящее время, в результате чего народное хозяйство несет убытки оттого, что большое количество водоемов хозяйственного использования при наличии в них невостребованных запасов сапропеля превращаются в болото (рис. 1.1) (86).

По данным СГП «Торфогеология» на территории Российской Федерации выявлено 5898 озёрных месторождений сапропеля с геологическим запасом свыше 420 млрд. м3, в том числе, в озерах нечерноземной зоны разведанные запасы сапропеля составляют более 500 млн. м3, которые содержат все питательные вещества, необходимые для растений (72, 96, 119, 154). Мощность залежи • сапропелевых отложений различна и, как правило, в озёрах она составляет от 3 до 10 м, но иногда достигает и 30...40 м (37, 38, 42, 1 18, 137).

Рис, 1.1 Динамика накопления сапропеля в озере «Ужо» Новосокольнического района Псковской области.

Наиболее изучены и перспективны для использования в сельском хозяйстве сапропелевые отложения центральных и се. веро-^ападных областей Нечерноземной зоны (94), запасы которых представлены в (табл. 1.1).

Одним из основных показателей при оценке сапропеля на удобрение является зольность, которая в среднем изменяется от 20 до 60%. Верхний предел зольного остатка равен 85%, нижний -4...7%. Особенно ценны сапропели с зольностью менее 10% (89, 106).

Окраска сапропелей очень разнообразна: коричневая, темно-оливковая, темно-серая, почти черная, серо-желтая, зеленоватая, голубоватая, розовая и красноватая. Цвет имеет большое значение при оценке сапропеля, так как указывает на наличие органических и неорганических веществ (зеленоватый - хлорофилла, розовый - каротина, голубоватый - вивианита, черный, быстро тем-

неющий на воздухе - восстановленного железа, сероватый - примеси извести) (63).

Таблица 1.1 Запасы сапропеля в Нечерноземной зоны Р.Ф.

Прогнозные данные Разведанные данные I

Область количество запас, количество запас,

месторождений, шт. млн. м3 месторождений, шт. млн. м3

Владимирская 105 70 58 39

Ивановская 60 114 12 40

Ленинградская 1360 1600 75 164

Московская 158 200 82 129

Новгородская 859 800 54 188

Псковская 953 1700 81 269

Рязанская 95 150 52 81

Смоленская 100 200 15 10

Извлеченный из залежи сапропель на воздухе быстро окисляется и теряет естественную окраску. Одним из отличительных признаков его является коллоидная структура и влажность, которая изменяется в широких пределах (60...97%). Это объясняется способностью органических коллоидов поглощать большое количество воды (22, 76, 127, 142). Объемная масса сапропеля в среднем равна 1,02...1,08 т/м3. При этом чем больше зольность и меньше влажность, тем больше возрастает его масса за счет увеличения плотности (100, 129, 150).

Сапропель обладает также специфическими свойствами: медленно сохнет, с трудом отдавая воду, и высохнув, становится твердым и совершенно не намокает (24). Основные свойства и ценность сапропеля, как сырья для производства удобрений оп-

ределяются соотношением органического и минерального вещества, представленном на (рис.1.2) (1, 85, 90, 97, 125).

Рис. 1.2 Органические и минеральные составляющие сапропеля

Кроме представленных элементов, сапропели также содержат биологически активные вещества: витамины, стимуляторы роста, гормоны, антибиотики и т.д. (15, 140, 167).

Разнообразие растительного и животного мира озер, богатое минеральное питание - определяют классификацию сапропелей, которые подразделяются на 3 типа, 6 классов и 19 видов (табл.1.2) (54).

Таблица 1.2

Классификация сапропелей

тип КЛАСС вид Направление использования

Биогенный органический протококовый ционофицейный смешанно-водорослевый Торфянистый зоогеново-водорослевый удобрение, кормовые добавки, лечебные грязи, для производства строит, материалов

кремнистый диатомовый удобрение

Кластогенный органо-силикатный органо-песчанистый диатомово-песчанистый органо-глинистый диатомово-глинистый удобрение

силикатный песчанистый глинистый мелиорант для корневого улучшения почв

Смешанный карбонатный органо-известковый глинисто-известковистый известковый удобрение, для нейтрализации кислотных почв, кормовые добавки

железистый органо-железистый известково-железистый удобрение

лимонитовый сульфидный не используется

К наиболее перспективным сапропелям для производства удобрений относятся: органический, органо-глинистый, органо-известковый, органо-песчанистый и известковый (5, 19, 44).

Органический сапропель, образуется в небольших по площади бессточных водоемах и по распространенности занимает второе место. Средняя зольность его равна 20%. Основная его часть представлена силикатным материалом в виде глинистых и песчанистых частиц. Среднее значение гидролитической кислотности составляет 27,4 мг • экв на 100г. Емкость поглощения изменяется от 56,0 до 98,8, средняя - 71,2 мг • экв на ЮОг (81, 128).

Органо-глинистый сапропель образуется в нижних и средних слоях. Он распространен в северо-западных областях нечерноземной зоны. Зольность его изменяется от 30 до 65%, минераль-• ный состав очень богат микроэлементами (127).

Органо-известковистый сапропель характерен для слабосточных водоемов эвтрофного типа. По распространенности он занимает третье место. Емкость поглощения его в среднем равна 43 мг • экв на 100г сухого вещества (29, 57).

Известковый сапропель образуется в озерах, питающихся сильнокарбонатными водами, в которых создаются оптимальные условия для химического осаждения монокарбоната. Емкость поглощения его находится в пределах 23...39 мг • экв на 100г сухого вещества (188).

В результате сложных физических, химических и биологических процессов, происходящих в озерах, сапропель оказывается обогащенным, помимо собственного органического вещества, кальцием, фосфором, железом, микроэлементами, физиологически активными веществами и имеет важное сырьевое значение для производства различных видов удобрений. По своим агрохимическим и физическим свойствам донные отложения представляют большой интерес для использования в сельскохозяйственном производстве с целью повышения плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур.

Кроме того необходимо отметить, что накопление сапропеля в водоемах сопровождается сокращением их площадей и постоянной гибелью. Поэтому проблема использования сапропеля на удобрение ведет к спасению озер и является важной народнохозяйственной задачей, не только экономической, но и экологической.

1.2. Влияние сапропеля на плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур

Использование сапропеля в земледелии известно с глубокой древности. Уже в XVIII веке широкое развитие огородничества на ' землях вокруг озер было связано с сапропелем, а начиная с 30-х годов нашего столетия работы по его использованию получили более широкое развитие.

В настоящее время для повышения плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур сапропель применяют для производства удобрений во многих областях СевероЗападной зоны Российской Федерации, а также в странах ближнего и дальнего зарубежья (6, 155, 162).

Ценность его определяется широким набором минеральных элементов питания растений, содержанием азота, фосфора, калия, железа, серы, микроэлементов, благоприятной реакцией среды (рН), а также наличием значительных количеств биологически активных веществ: каротина, витаминов, кислот и высокоразвитой микрофлорой. Качественные характеристики различных видов сапропеля Нечерноземной зоны Российской Федерации представлены в таблице 1.3 (132, 147).

Установлено, что при внесении сапропеля в почву он оказывает многостороннее, положительное д�