автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эффективности переработки органических отходов в удобрения путем совершенствования процесса смешивания

На правах рукописи

Новиков Илья Петрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ В УДОБРЕНИЯ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ

Специальность 05.20.01 -Технологии и средства механизации сельского хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

005543ии*

Санкт - Петербург - Пушкин - 2013

005543002

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Костромская государственная сельскохозяйственная академия

(ФГБОУ ВПО «Костромская ГСХА»)

Научный руководитель:

Малаков Юрий Фёдорович -

доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Калюга Василий Васильевич - доктор

технических наук, профессор, профессор кафедры "Технические системы в агробизнесе" ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

Брюханов Александр Юрьевич - кандидат технических наук, заведующий отделом инженерной экологии сельскохозяйственного производства ГНУ СЗНИИМЭСХ Россельхозакадемии Ведущая организация Всероссийский научно-исследовательский,

конструкторский и проектно-технологический институт органических удобрений и торфа (ГНУ ВНИПТИОУ Россельхозакадемии) Защита состоится « 24 » декабря 2013 года в 13 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.060.06 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО СПбГАУ) по адресу: 196601, Санкт-Петербург-Пушкин, Петербургское шоссе, д.2, СПбГАУ, ауд. 2.719

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

Автореферат размещен на сайтах: http://vak2.ed.еоу.ги;ЬНр://5рЬааи.ги Автореферат разослан « » ноября 2013 года

Учёный секретарь у / / /У Смирнов Василий

диссертационного совета

/ ~

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Максимально возможные урожаи сельскохозяйственных культур можно получить только при совместном применении органических и минеральных удобрений. При этом минеральные удобрения в основном способствуют повышению урожайности. Органические удобрения, помимо повышения урожайности, улучшают структуру и плодородие почв, способствуя увеличению содержания гумуса, что непременно сказывается на качестве продукции.

Одной из разновидностей органических удобрений является биокомпост. Биокомпост, полученный ускоренным методом с соблюдением установленных параметров ферментирования, представляет собой высокоэффективное органическое удобрение, обеззараженное от яиц и личинок гельминтов, патогенной микрофлоры, не содержит жизнеспособных семян сорняков. Содержит подвижные формы азота и фосфора, способствующие оптимизации минерального питания растений. Характеризуется высоким содержанием органического вещества и благоприятными физическими свойствами.

В условиях активного применения минеральных удобрений в сельском хозяйстве органические удобрения не только не теряют своего значения, но их роль в повышении плодородия почв, получения высококачественной, экологически чистой продукции растениеводства, возрастает. Поэтому необходимо обеспечить сельское хозяйство высокопроизводительными и экономически выгодными способами и технологиями производства высококачественных органических удобрений, решая тем самым проблему утилизации отходов производства животноводческих предприятий и птицефабрик.

Земледелие сегодня требует комплексных, экологически оправданных методов хозяйствования для сохранения и использования почвы, водных ресурсов, атмосферы с целью удовлетворения потребностей человечества в высококачественной продукции с сохранением природных комплексов.

На уровне отдельных полей и водосборов следует рассматривать одновременно четыре основные экологические проблемы земледелия:

1) сохранение почвы как компонента биосферы и основного средства производства в сельском хозяйстве;

2) поддержание качества водных ресурсов в соответствии с установленными стандартами;

3) получение продуктов земледелия оптимального качества;

4) обеспечение условий для непрерывного роста продуктивности почвы.

Вынос растениями элементов питания из почвы с урожаем компенсируется за счет внесения минеральных удобрений и пожнивными остатками лишь на 15%.

Снижение интенсификации земледелия за последние десять лет привело к уменьшению содержания гумуса в почве с 2,2 - 2,0 до 1,8 -1,4%, начался процесс подкисления почв, заметно падает содержание подвижных форм фосфора и обменного калия. Резкое снижение применения органических удобрений, естественным образом отражается на почвенном плодородии и в конечном результате, на урожайности всех сельскохозяйственных культур и качестве продукции растениеводства.

Вопросами разработки технологий и технических средств для приготовления органических удобрений занимались Ю.И. Вахромеев, Ю.В. Иванов, Н.Г. Ковалев, В.П. Коваленко, Г.Е. Листопад, Г.И. Личман, Н.М. Марченко, В.Н Афанасьев, Н.З. Милащенко, Б.А. Нефедов, П.Д. Попов, Е.П. Харламов, С.Д. Сметнев, И.С. Шатилов, В.А. Шмонин и др.

Применение органических удобрений в виде биокомпостов, повышает плодородие почв и грунтов за счет обогащения их гумусовыми соединениями, азотом, фосфором, кальцием и микроэлементами. При внесении компостов активизируется агрономически полезная микрофлора, повышается подвижность питательных веществ. Благодаря наличию термофильных микроорганизмов и бактерий-антагонистов улучшается фитосанитарное состояние агросистем. Создается определенный микробный ценоз в ризосфере растений, особенно при локальном внесении компоста.

Процесс смешивания занимает особое место в технологии переработки органических отходов, ввиду прямого влияния на качество приготавливаемой смеси и тем, что он самый трудоемкий и определяет производительность технологии в целом. К смешивающим устройствам предъявляют два основных требования. Первое, обеспечить заданное соотношение компонентов (по массе или объему) в готовой смеси с отклонениями, не превышающими установленных допусков. Второе, перераспределить частицы смешиваемых компонентов так, чтобы показатель неравномерности их распределения был в пределах технологических требований.

Объектом исследования является процесс смешивания компонентов в технологической линии производства биокомпостов.

Методика исследования. При выполнении диссертационной работы использовались как стандартные, так и частные методики исследования с применением математического планирования эксперимента и обработки данных на ЭВМ.

Научная новизна состоит в:

• разработке узла смешивания в технологической линии производства биокомпостов;

• разработке математических и физических моделей, описывающих процесс смешивания исходных компонентов в исследуемом устройстве;

• определении оптимальных значений основных параметров влияющих на качественные и количественные показатели узла смешивания;

• получении уравнении регрессии, описывающих зависимость между основными управляющими факторами процесса смешивания исходных компонентов;

• разработке технологической схемы управления процессом смешивания исходных компонентов.

Достоверность основных положений подтверждена положительными результатами лабораторных и производственных исследований.

Практическая ценность и реализация результатов исследований

Разработан узел смешивания исходных компонентов для технологической линии производства и система управления основными параметрами процесса смешивания. Изготовлен лабораторный и экспериментальный образец узла смешивания технологической линии производства биокомпостов, прошедший производственные испытания в ООО «БХЗ - Arpo» Буйского района Костромской области, при испытаниях получено 36 т. биокомпоста. Производственный образец узла смешивания так же использовался для производства биокомпостов по технологии в бурте, при этом объём массы исходных компонентов для биокомпоста составил 250 м3.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов в ФГОУ ВПО "Костромская ГСХА" 2008...2011 гг. и СПб-ГАУ г.Санкт -Петербург в 2011 г. С 2008 г. по 2011г. работа выполнялась в рамках программы НИР ФГОУ ВПО Костромской ГСХА и программы СТАРТ 08 финансируемая государственным фондом развития малых форм предприятий в научно - технической сфере. В 2008 году технологическая линия по переработке органических отходов в биокомпосты, в состав которой входит новый узел смешивания исходных компонентов, была отмечена золотой медалью на 10-ой выставке «Золотая осень» в номинации «За производство высокоэффективных экологически безопасных удобрений: почв, грунтов, подкормок, технологий улучшения плодородия почв».

Основное содержание диссертации изложено в 8 научных работах, в том числе - патенте на изобретение № 2365566.

Публикации. Основная часть работы изложена в 8 научных публикациях, в том числе одном патенте на изобретение и трёх изданиях рекомендованных ВАК.

Объём работы. Работа состоит из введения 5 глав, списка использованной литературы, включающего ЮЗнаименовании и 3 приложений. Общий объём работы изложен на 143 страницах машинописного текста, включая 10 таблиц и 46 рисунков. На защиту выносятся:

• технологическая схема процесса смешивания исходных компонентов для приготовления биокомпостов;

• модель функционирования технологического процесса работы узла смешивания;

• идентификация и установка основных закономерностей процесса смешивания исходных компонентов;

• результаты лабораторных и производственных испытаний узла смешивания;

• основные параметры рабочих органов узла смешивания в зависимости от необходимого соотношения исходных компонентов в компостируемой массе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены проблема, актуальность работы, цели и задачи исследования, научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» рассматриваются агрохимические и агроэкологические свойства компоста, существующие технологии производства компостов, ускоренное компостирование и разложение в аэробных условиях, а так же факторывлияющие на процесс приготовления компоста. Изменение органического вещества в процессе приготовления биокомпостов и анализ систем ускоренного компостирования. Характеристика процесса смешивания и виды смесителей по назначению и принципу действия, их классификация. Проанализировав смесители различного типа действия и конструкций, выявили их основные недостатки: малая производительность, что не позволяет их использовать на предприятиях с большим выходом отходов производства, это приводит к их накоплению и загрязнению окружающей среды; зависимость процесса от погодных условий, что не позволяет использовать установку в зимнее время года; сложность аппаратурных решений основных процессов требует высокой квалификации оператора, большая энергоёмкость узла смешивания и вероятность заклинивания при попадании посторонних предметов; забивание перфорации трубопроводов, системы вентиляции ферментёров, в которых происходит процесс компостирования, что приводит к снижению производительности установки и возникновению очагового эффекта ферментации, снижающего качество выходного продукта; отсутствие контроля за параметрами ферментации не позволяет выполнять оптимального управления процессом; сложность процесса выгрузки готового продукта и его автоматизации; ручное управление узлами и механизмами осуществляющими подачу воздуха в компостируемую массу.

На основе проведённого анализа сформулирована цель исследования: совершенствование и автоматизация процесса смешивания исходных компонентов компостируемой массы.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи: разработать технологическую схему и конструкцию узла смешивания для технологии ускоренного производства биокомпостов; разработать модель процесса функционирования узла

смешивания; экспериментально определить зависимости между основными параметрами работы узла смешивания; установить оптимальные режимы рабочих органов узла смешивания для получения максимальной равномерности распределения компонентов в компостируемой массе; провести производственные испытания узла смешивания в технологической линии приготовления биокомпостов; определить экономическую эффективность применения разработанного узла смешивания.

Во второй главе «Анализ технологического процесса работы узла смешивания» описывается модель функционирования узла смешивания, описание отдельных законов, связывающих процесс смешивания исходных компонентов, а так же технологическая схема работы и конструкция узла смешивания.

Узел смешивания проектируем, как конструкцию, представляющую собой ёмкости 1,2 с расположенными на их днище цепочно - планчатыми транспортёрами для подачи массы к шнеку. Над выгрузными транспортёрами закреплены измельчающие битера 7, 8, которые закрыты отражающим кожухом 9, выполненным в виде дуги. Ёмкости объединены направляющим кожухом 5 двойного шнекового транспортёра - смесителя 6, который выполняет роль транспортировки массы и её тщательного перемешивания. На выходе двойного шнекового транспортёра - смесителя подготовленная масса попадает на ленточный транспортёр для дальнейшей транспортировки в узел ферментирования.

На рисунке 2 представлена схема движения исходных компонентов и компостируемой массы в смесителе.

2

Рисунок 1 - Общий вид узла смешивания: 1,2 — ёмкости для исходных компонентов; 3,4 — подающие транспортёры прицепов разбрасывателей; 5 - кожух узла смешивания; б -двойной шнековый транспортёр-смеситель; 7,8 — измельчающие битера; 9 -отражающий кожух; 10, 11 -шнек.

31

ндмсикдакядийбигер

«уряныД

.¡¡йЩ&Ц____... дяоЛяой

на

ТЕ

зге

Рисунок 2 - Схема процесса смешивания исходных компонентов

Основные преимущества узла смешивания технологической линии по производству биокомпостов: непрерывный принцип работы; высокая производительность, до 60 т/сут; высокая равномерность смешивания; простота аппаратурных решений основных процессов; исключение вероятности заклинивания подвижных деталей при попадании посторонних предметов;

полная механизация процессов загрузки исходных компонентов и выгрузки компоструемой массы;

основными элементами являются стандартные прицепы разбрасыватели органических удобрений, что в значительной мере сокращает финансовые затраты.

Процесс смешивания исходных компонентов протекает в условиях постоянно изменяющихся воздействий, которые в дальнейшем при осуществлении процесса ферментирования влияют на качество получаемого биокомпоста. В качестве выходной переменной У может рассматриваться любой из случайных параметров, характеризующих качественный показатель протекания процесса смешивания исходных компонентов в устройстве или их совокупность (рис. 3). Такими параметрами являться: равномерность распределения компонентов в исходной смеси 0(1); производительность узла смешивания 8(1) и как следствие - время процесса смешивания 1:. Параметр равномерности распределения компонентов в исходной смеси 0(1) характеризует качественную оценку процесса смешивания и оценивается коэффициентом вариации заданного соотношения компонентов в подготовленной к компостированию смеси. Так как параметры, характеризующие

подготовленную компостируемую массу и время процесса смешивания t, находятся в прямой зависимости от равномерности распределения компонентов в исходной смеси Q(t), то примем её в качестве выходной переменной характеризующей качественный показатель процесса смешивания Y. В качестве управляющего параметра, оказывающего непосредственное влияние на значение качественного показателя процесса Y, выступает: режимы работы рабочих органов узла смешивания, которыми являются: подающие транспортёры ёмкостей для исходных компонентов; измельчающие битеры ёмкостей для исходных компонентов; двойной шнековый транспортёр-смеситель.

На устройство так же оказывает воздействие вектор внутренних связей D, по результатам предварительных экспериментов в качестве составляющих вектора выступает производительность узла смешивания S(t), которая оказывает влияние, в качестве обратной связи, на все параметры рабочих органов смесителя и соответственно качественные показатели готовой смеси.

Таким образом, процесс, протекающий в узле смешивания, можно представить в виде информационной модели (рисунок 3).

Поскольку модель процесса 0 функционирования ферментирующего

устройства представляет собой многомерную систему, то для идентификации её разбивают на одно- и двухмерные частные модели.

Внешние возмущения F, такие как отношение углерода к азоту C:N(t) и влажность исходных компонентов p(t) зависят от отношения компонентов в компостируемой массе и их физических свойств, это соотношение задается параметрами смешивающего устройства и является величиной, отклонения которой зависят от рода материалов используемых при компостировании.

Параметр высоты слоя исходных компонентов в ёмкостях h, задаётся в зависимости от объёма, конструкции ёмкости и высоты установки измельчающего битера. Частота вращения рабочих органов регулируется путём изменения передаточного числа цепной передачи их привода и изменением частоты вращения приводного электродвигателя.

An т..

ГШ)

>1

Рисунок 3 - Информационная модель процесса работы узла смешивания

Реализация представленной информационной модели процесса работы узла смешивания позволит найти соотношение между внешними возмущениями, качественным показателем и управляющим параметром процесса смешивания исходных компонентов.

Технологический процесс, выполняемый узлом смешивания, можно представить в виде развёрнутой информационной модели представленной на рисунке 4.

s/fl

он W.

V./U1 i й,Ш i BU)

Ас Av Ar A,

]пМ \УМ \nJtl

Inplll

Аул

\ши

Рисунок 4 - Модель функционирования технологического процесса работы узла смешивания: У„/¥Т(0 — отношение куриного помёта к торфу по массе; Хфх(1) - параметры физико-химического анализа исходных компонентов, определяющие химический состав; -

равномерность распределения компонентов при воздушном перемешивании; Q(t) — равномерность распределения компонентов в конце узла смешивания; - время процесса смешивания; Бй) -производительность узла смешивания.

Рассмотрим общую модель процесса формирования равномерности распределения исходных компонентов в предварительно подготовленной массе в конце процесса смешивания с учётом влияния заданной производительности линии (рис. 5).

Модель описывается оператором Ад, представляющий собой совокупность из двух операторов преобразования частных моделей АС1 и Ас2, которые преобразуют входящие воздействия влажность исходных куриного углерода

компонентах С:ТЧ,

производительность узла смешивания и как следствие режимы работы рабочих органов в выходной параметр

компонентов, торфа и помёта р((),отношение к азоту в исходных

Рисунок 5 - Общая модель процесса

формирования однородности распределения компонентов в массе при смешивании

равномерность распределения исходных компонентов в предварительно подготовленной компостируемой массе после смешивания 0(Х).В работе рассматривалась каждая частная модель вводящая в оператор Ад, а так же оператор внешних возмущений А^. Оператор Ад представляет собой двухмерную модель, и может быть разбит на две элементарные модели с операторами АдЬ Ад2, Ауп представляющие собой систему.

Модель, описывающая процесс формирования показателя равномерности распределения исходных компонентов в компостируемой массе представляет собой систему из двух элементарных моделей.

■ дг2(0 = ле2[с:ЛЧ0;/?(')] • О)

5(1) = Ауп{пМ,пЛ');УЛ»]

Ад 1

(2)

Аул

Составляющие входящих процессов вектор - функции Б являются постоянными величинами и их значения лежат в пределах допусков определяющих оптимальное соотношение исходных компонентов в компостируемой массе для благоприятного протекания процесса. Значение оптимальных параметров процесса компостирования, таких как отношение углерода к азоту и влажность компостируемой массы принимали на основе данных предыдущих исследовании.

Вид и структура оператора Ад, описывающего преобразование входного процесса Б(1;)с параметрами С:1Ч(1:) и в выходной процесс 0(1:), есть математическая модель процесса работы узла смешивания.

В третей главе «Экспериментальные исследования технологического процесса работы лабораторного образца узла смешивания» описывается методика проведения исследований, лабораторная установка, приборы, оборудование и результаты исследований. Организация экспериментальных исследований, обработка и анализ результатов, выполнялись на основе теории математического планирования экспериментов. Результаты экспериментов обрабатывались на ПЭВМ с использованием программы БТАПЗТТКА 6.0.

Экспериментальные исследования работы лабораторного образца узла смешивания включали в себя исследование работы основных рабочих органов и параметров процесса смешивания исходных компонентов.

Задачей данного этапа исследований стало получение достаточной информации о работе данной разработанной конструкции узла смешивания, и влияние параметров рабочих органов на процесс смешивания исходных компонентов.

Лабораторная линия представляет собой действующий узел смешивания выполненный в масштабе 1:5 к натуральной величине производственной экспериментальной установки (рис. 6).

Рисунок б — Лабораторный образец узла смешивания: 1 -ёмкости для исходных компонентов; 2 -прозрачный кожух; 3 -цепочно - планчатый транспортёр; 4 -измельчающий битер; 5 -привод цепочно - планчатого транспортёра; 6 - приводы измельчающих битеров; 7— кожух двойного шнека — смесителя; 8 — шнеки; 9 — транспортёр верхней загрузки ферментирующего устройства; 10- блок управления приводами рабочих органов; 11 — персональный компьютер.

Для контроля за частотой вращения рабочих органов смесителя использовались индуктивные датчики IBE3020-FPKG, которые реагировали на железные лепестки, закреплённые на вращающихся шкивах.

Микропроцессорным устройством служит персональный компьютер. Для работы с LPT портом компьютера была написана программа на языке программирования С++.

В качестве исходных компонентов для проведения эксперимента использовалась щепа лиственных и хвойных пород с площадью поверхности от 0,5 до 2см2. Часть опилок, имитирующая исходные компоненты, окрашивалась в синий цвет, для удобного определения равномерности смеси и наглядности эксперимента.

Степень неоднородности смеси оценивали коэффициентом вариации заданной концентрации компонента.

На лабораторной установке проведены эксперименты по определению зависимости величины равномерности двухкомпонентной массы <3, от частоты вращения измельчающих битеров ёмкостей для исходных компонентов пб, скорости подающих цепочно - планчатых транспортёров ёмкостей У^, частоты вращения двойного шнека смесителя пш, а так же эксперимент по определению оптимальной длинны двойного шнека смесителя. Уравнение регрессии равномерности смешивания исходных компонентов в смеси <3 в зависимости от факторов пб, пш и Утр

(}=86,1333+0,125 У.р+3,0375 Пб+1,6125 пш-2,37917 У^2-13,2042'Пб2 - 2,70417 пш2+1,25 УгрПб Н-0,6УтрПш +0,67511^

Уравнение регрессии описывающее равномерность смешивания исходных компонентов в зависимости от длинны двойного шнека смесителя.

(3 = 80,15-73,5ЪШ+80,0ЪШ2

Рисунок 7 - Поверхность отклика Рисунок 8 — График зависимости

при скорости подающих цепочно - равномерности массы от длины

планчатых транспортёров 0,0089 двойного шнека — смесителя

м/с.

При оптимальных параметрах рабочих органов максимальное значение равномерности распределения компонентов в массе составляет 89,2%.

В четвёртой главе «Экспериментальные исследования технологического процесса работы производственного опытного

образца узла смешивания» приведено описание конструкции и общего вида производственного образца, методика проведения производственных исследований и их результаты.

На данном этапе производили исследование работы узла смешивания и системы его автоматизации в условиях производства на производственной экспериментальной установке, на основе данных полученных при проведении лабораторного эксперимента.

На рисунках 9,10 представлен общий вид узла смешивание и его основные узлы.

______ /ч /ч

? \/ ч/ ч/

- h

ІГ- . " ці

fr*--«іфу-i^JJ У

Рисунок 9 - Общий вид ёмкости для исходных компонентов и привода рабочих органов: 1 - электродвигатель АИР132М6 /7,5; 2 -редуктор РОУ-б Н 030.000-1а; 3 - вал на привод измельчающего битера; 4 - вал РОУ РОМ 01.6005 (шпонка) на привод транспортера; 5 - транспортер РОУ-6 (19 скребков) (РОМ-00.1270); 6 — вал РОУ ПИН 01.605 ведущий транспортера; 7 —вал РОУ РОМ 01.1320-21 в сб.привода; 8 - измельчающий битер в сборе; 9 - звездочка РОУ-6 биттера Z-18 ПИН 01.810А; 10 - звёздочка ведущая; 11 - корпус подшипника; 12 - муфта упругая втулочно-пальцевая.

По результатам расчётов мощность на привод рабочих органов одной ёмкости для исходных компонентов составляет 8,5кВт. _

Рисунок 10— Общий вид узла смешивания

По результатам анализов исходных компонентов для соотношения в компостируемой массе углерода к азоту 1:20, торф с куриным помётом смешивался в соотношении 1:1,06.

Расчетная влажность при смешивании составляет 61,3%, рНср. -

8,12.

Анализируя данные эксперимента, установили, что при оптимальных режимах работы рабочих органов узла смешивания получена равномерность распределения исходных компонентов в компостируемой массе 93,4-94,8%. Данное значение величины равномерности массы является высоким показателем и достаточным для дальнейшего оптимального протекания процесса ферментирования.

После проведения исследований в условиях производства получены основные технологические параметры узла смешивания: производительность узла смешивания- 60 т/сут; скорость подающего транспортёра ёмкости для исходного компонента куриный помёт -0,05 м/с; скорость подающего транспортёра ёмкости для исходного компонента торф верховой - 0,09м/с; частота вращения измельчающий битеров ёмкостей исходных компонентов - 230 мин"1; масса загружаемых компонентов в ёмкости — 4т; частота вращения шнека двойного шнекового транспортёра смесителя - 120 мин"1; мощность на привод двойного шнекового транспортёра-смесителя -4,5 кВт; пределы регулировки соотношения куриного помёта и торфа в компостируемой массе - от 2,2/1 до 1/2 (куриный помёт/торф).

В пятой главе «Экономические показатели результатов исследования» выполнена оценка технико - экономической эффективности работы узла смешивания в технологической линии производства биокомпостов. Экономическое обоснование производилось по следующим показателям: капитальным вложениям, эксплуатационным затратам, затратам на амортизацию оборудования, годовой экономии, сроку окупаемости и прибыли при использовании данного узла смешивания и реализации продукции на рынке анализируемых потенциальных покупателей.

В результате расчетов получены следующие показатели: рассчитанные на единицу продукции: затраты на амортизацию -70,б9руб/т; Затраты на ремонт и ТО - 35,98 руб/т; Затраты на электроэнергию - 34,43 руб/т; Число обслуживающего персонала - 3 человека; фонд заработной платы - 134,38 руб/т; цеховая себестоимость (без исходного сырья) - 328,82 руб/т; себестоимость единицы продукции с учётом исходных компонентов -1200-1300 руб/т.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате произведённого анализа существующих технологических линии и устройств по ускоренному производству биокомпостов выявлены основные их недостатки. Разработанный узел смешивания позволяет: обеспечить непрерывный цикл работы технологической линии; получить высокую равномерность смешивания исходных компонентов, что обеспечивает в дальнейшем оптимальное протекание процесса компостирования массы; исключить вероятность заклинивания подвижных деталей при попадании посторонних предметов; обеспечить полную механизацию процессов загрузки исходных компонентов и выгрузки компоструемой массы; использовать в качестве основных элементов стандартные прицепы разбрасыватели органических удобрений, что в значительной мере сокращает финансовые затраты.

2. Разработана технологическая схема и изготовлен лабораторный образец узла смешивания, который представляет собой полную копию производственного образца в масштабе 1:5.

3. . При обработке данных экспериментов по программе множественного регрессионного анализа получено регрессионное уравнение величины равномерности смешивания исходных компонентов компостируемой массы О в зависимости от факторов частоты вращения измельчающих битеров ёмкостей исходных компонентов - пе, частоты вращения двойного шнекового транспортёра-смесителя - пш и скорости цепочно-планчатого транспортёра - У^:

(3 = 86,1333+0,125'Утр+3,0375'пб+1,6125'пш-2,37917'УХр2-13,2042пб2-2,70417пш2+1525'Утрп6 +0,6Утрпш +0,675пдПш Установлено, что наибольшее влияние на равномерность смешивания оказывает частота вращения измельчающих битеров ёмкостей исходных компонентов Пб, второе по значению имеет частота вращения двойного шнека - смесителя пш.

Получено уравнение зависимости равномерности массы от длины двойного двухшнекового транспортёра-смесителя:

д = 80,15-73,5гш+80,0Ъш2 Анализируя данные эксперимента, установили, что равномерность массы достигает максимального значения при наибольшей длине двойного шнека смесителя и составляет 86,8%. Данное значение величины равномерности массы является хорошим показателем и достаточным для дальнейшего оптимального

протекания процесса ферментирования на лабораторном образце линии.

4. На основе данных полученных в результате проведения экспериментов на лабораторном образце узла смешивания разработана конструкция, необходимая техническая документация и изготовлен производственный образец узла смешивания линии переработки органических отходов в биокомпост.

5. Разработана методика проведения производственных экспериментов по определению рациональных параметров работы основных рабочих органов технологической линии. При обработке данных экспериментов проведённых на узле смешивания получено высокое значение равномерности распределения исходных компонентов в компостируемой массе 93,4-94,8%. Определены оптимальные параметры рабочих органов узла смешивания: пределы регулирования соотношения исходных компонентов компостируемой массы, куриный помёт/торф - от 2,2:1 до 1:2 (по массе); обороты измельчающих битеров ёмкостей исходных компонентов- 230мин_1; скорость подающего транспортёра ёмкости для исходного компонента куриный помёт - 0,05 м/с; скорость подающего транспортёра ёмкости для исходного компонента торф верховой -0,09м/с; масса загружаемых компонентов в ёмкости - 4т; частота вращения шнека двойного шнекового транспортёра смесителя - 120 мин"1; мощность на привод двойного шнекового транспортёра-смесителя - 4,5 кВт; производительность узла смешивания, с учётом времени на подготовительные операций, регулировку и время загрузки исходных компонентов (рабочее время смены 8ч) - 60 т/сут.

6. Установлено, что использование предлагаемого узла смешивания в технологической линии по получению биокомпостов позволяет: сократить затраты по всем статьям расходов на 50 - 64%, в основном за счёт уменьшения энергетических затрат; повысить качество готового продукта, за счёт равномерного распределения компонентов в компостируемой массе; уменьшить время пребывания исходного сырья в технологической линии; автоматизировать процесс смешивания исходных компонентов и загрузки подготовленной массы вферментёр, тем самым уменьшить затраты на фонд заработной платы. Экономические расчеты показывают, что при внедрении в технологическую линию по производству биокомпостов разработанного узла смешивания срок окупаемости составит 1 год.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТАХ

1. Малаков Ю.Ф., Виноградова B.C., Соколов A.B., Новиков И.П., Биоконверсия органических отходов как способ повышения экологической чистоты производства и окружающей среды/ Вестник ФГОУ ВПО МГАУ им. В.П.Горячкина №2-2007. с.74-75

2. Малаков Ю.Ф., Новиков И.П., Разработка смешивающего устройства для технологии переработки органических отходов птицеводства и животноводства/ Материалы 59-й международной научно-практической конференции // «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе». Т IV. -Кострома: 2008 -194с. (139-140)

3. Малаков Ю.Ф., Виноградова B.C., Пономарев С.Н., Новиков И.П., Патент РФ №2365566 Линия переработки органических отходов в биокомпост/ Опубликовано: 27.08.2009 Бюл. №24

4. Малаков Ю.Ф., Новиков И.П., К вопросу обоснования параметров смешивающего устройства в технологии переработки органических отходов/ Известия Международной академии аграрного образования Выпуск №6 (2008) Том1 «Механизация сельскохозяйственного производства» с. 87-8 8

5. Малаков Ю.Ф., Соколов A.B., Пономарев С.Н., Новиков И.П., Результаты испытаний смешивающего устройства для технологии переработки органических отходов птицеводства и животноводства / Сб. научн. трудов профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГАУ «Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования» (27-28 января 2011) / Санкт-Петербург-Пушкин, СПбГАУ, 2011 -762 (348-351)

6. Малаков Ю.Ф., Новиков И.П., Результаты испытаний смешивающего устройства для технологии переработки органических отходов птицеводства и животноводства/ Труды Костромской государственной сельскохозяйственной академии - Выпуск 74. -Кострома: КГСХА, 2011. - 166с. (71-80)

7. Малаков Ю.Ф., Соколов A.B., Новиков И.П., Расчет экономической эффективности узла смешивания, технологической линии приготовления биокомпостов/ Сборник статей 63-й международной научно-практической конференции // «Актуальные проблемы науки в агропромышленном комплексе». Т И. -Кострома: КГСХА, 2012 -207с. (129-133)

8. Малаков Ю.Ф., Соколов A.B., Новиков И.П., Результаты производственных исследований узла смешивания линии переработки органических отходов в биокомпост / Известия Международной академии аграрного образования Выпуск №13 (2012) Том 2 с.61-66.

Новиков Илья Петрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ В УДОБРЕНИЯ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано в печать18.11.2013 г. Формат 60 х 84/16. Бумага для множительных аппаратов. Уч.печ.л. -1,25 Заказ № 63. Тираж 100 экз.

Отпечатано:

Салон оперативной печати «GUT» ИП Ульрих С.А. г. Кострома, ул. Щеми ловка д. 15 т. 8(4942) 37-16-41 e-mail:gud-poly@koshet.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Костромская государственная сельскохозяйственная академия»

04201455493 На правах рукописи

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ В УДОБРЕНИЯ ПУТЕМ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЦЕССА СМЕШИВАНИЯ

КОМПОНЕНТОВ

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского

хозяйства

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук, доцент Ю.Ф. Малаков

Кострома - 2013 1

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 .СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 7

1.1. Агрохимические и агроэкологические свойства компоста 7

1.2. Существующие технологии производства компостов 11

1.3. Ускоренное компостирование 14

1.3.1. Разложение в аэробных условиях и факторы, влияющие на процесс 14 приготовления компоста

1.3.2. Изменение органического вещества в процессе приготовления биокомпостов 17

1.4. Анализ систем ускоренного компостирования 18 1.5 Характеристика процесса смешивания 26

1.6. Виды смесителей по назначению и принципу действия 28

1.6.1. Классификация смесителей 28

1.6.2. Классификация смесителей непрерывного действия 38

1.7. Сравнительный анализ технологий производства биокомпостов и устройств для смешивания исходных компонентов компостируемой

массы 45

1.8. Математическое описание процесса смешивания компонентов 47

1.9. Постановка цели и задачи исследования 49

2. АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РАБОТЫ УЗЛА СМЕШИВАНИЯ 51

2.1. Технологическая схема работы линии приготовления биокомпостов 51 и узла смешивания

2.2. Модель функционирования узла смешивания 56

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РАБОТЫ ЛАБОРАТОРНОГО ОБРАЗЦА УЗЛА СМЕШИВАНИЯ 71 3.1. Задачи и программа лабораторных экспериментальных исследований 71

3.2. Лабораторный образец узла смешивания 72

3.3. Приборы и оборудование 84

3.4. Методика проведения эксперимента по определению оптимальных величин действующих факторов и режимов работы лабораторной экспериментальной установки 86

3.5. Результаты проведения экспериментов по определению 91

оптимальных величин действующих факторов и оптимальных режимов работы лабораторной экспериментальной установки 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА РАБОТЫ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА УЗЛА

СМЕШИВАНИЯ 102

4.1 Разработка конструкции производственного образца узла смешивания 102

4.2. Методика проведения эксперимента по определению равномерности смешивания исходных компонентов компостируемой массы 112

4.3. Результаты эксперимента по определению равномерности смешивания исходных компонентов компостируемой массы 114

4.4. Корректировка конструкции и параметров узла смешивания по результатам производственных исследований 117 5. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ 119

5.1. Оценка технико - экономической эффективности работы узла 119

смешивания в технологической линии для производства биокомпостов ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 131

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 133

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Максимально возможные урожаи сельскохозяйственных культур можно получить только при совместном применении органических и минеральных удобрений. При этом минеральные удобрения в основном способствуют повышению урожайности. Органические удобрения, помимо повышения урожайности, улучшают структуру и плодородие почв, способствуя увеличению содержания гумуса, что непременно сказывается на качестве продукции.

Одной из разновидностей органических удобрений является биокомпост. Биокомпост, полученный ускоренным методом с соблюдением установленных параметров ферментирования, представляет собой высокоэффективное органическое удобрение, обеззараженное от яиц и личинок гельминтов, патогенной микрофлоры, не содержит жизнеспособных семян сорняков. Содержит подвижные формы азота и фосфора, способствующие оптимизации минерального питания растений. Характеризуется высоким содержанием органического вещества и благоприятными физическими свойствами.

В условиях активного применения минеральных удобрений в сельском хозяйстве органические удобрения не только не теряют своего значения, но их роль в повышении плодородия почв, получения высококачественной, экологически чистой продукции растениеводства, возрастает. Поэтому необходимо обеспечить сельское хозяйство высокопроизводительными и экономически выгодными способами и технологиями производства высококачественных органических удобрений, решая тем самым проблему утилизации отходов производства животноводческих предприятий и птицефабрик[1, 2].

Земледелие сегодня требует комплексных, экологически оправданных методов хозяйствования для сохранения и использования почвы, водных

ресурсов, атмосферы с целью удовлетворения потребностей человечества в высококачественной продукции с сохранением природных комплексов.

На уровне отдельных полей и водосборов следует рассматривать одновременно четыре основные экологические проблемы земледелия:

1) сохранение почвы как компонента биосферы и основного средства производства в сельском хозяйстве;

2) поддержание качества водных ресурсов в соответствии с установленными стандартами;

3) получение продуктов земледелия оптимального качества;

4) обеспечение условий для непрерывного роста продуктивности почвы [10].

Вынос растениями элементов питания из почвы с урожаем компенсируется за счет внесения минеральных удобрений и пожнивными остатками лишь на 15%[35].

Снижение интенсификации земледелия за последние десять лет привело к уменьшению содержания гумуса в почве с 2,2 - 2,0 до 1,8 - 1,4%, начался процесс подкисления почв, заметно падает содержание подвижных форм фосфора и обменного калия. Резкое снижение применения органических удобрений, естественным образом отражается на почвенном плодородии и в конечном результате, на урожайности всех сельскохозяйственных культур и качестве продукции растениеводства[36, 12].

Вопросами разработки технологий и технических средств для приготовления органических удобрений занимались Ю.И. Вахромеев, Ю.В. Иванов, Н.Г. Ковалев, В.П. Коваленко, Г.Е. Листопад, Г.И. Личман, Н.М. Марченко, В.Н Афанасьев, Н.З. Милащенко, Б.А. Нефедов, П.Д. Попов, Е.П. Харламов, С.Д. Сметнев, И.С. Шатилов, В.А. Шмонин и др.

Применение органических удобрений в виде биокомпостов, повышает плодородие почв и грунтов за счет обогащения их гумусовыми соединениями, азотом, фосфором, кальцием и микроэлементами. При внесении компостов активизируется агрономически полезная микрофлора,

повышается подвижность питательных веществ. Благодаря наличию термофильных микроорганизмов и бактерий-антагонистов улучшается фитосанитарное состояние агросистем. Создается определенный микробный ценоз в ризосфере растений, особенно при локальном внесении компоста[53].

Процесс смешивания занимает особое место в технологии переработки органических отходов, ввиду прямого влияния на качество приготавливаемой смеси и тем, что он самый трудоемкий и определяет производительность технологии в целом. К смешивающим устройствам предъявляют два основных требования. Первое, обеспечить заданное соотношение компонентов (по массе или объему) в готовой смеси с отклонениями, не превышающими установленных допусков. Второе, перераспределить частицы смешиваемых компонентов так, чтобы показатель неравномерности их распределения был в пределах технологических требований.

Объектом исследования является процесс смешивания компонентов в технологической линии производства биокомпостов.

Методика исследования. При выполнении диссертационной работы использовались как стандартные, так и частные методики исследования с применением математического планирования эксперимента и обработки данных на ЭВМ.

Научная новизна состоит в:

• разработке узла смешивания в технологической линии производства биокомпостов;

• разработке математических и физических моделей, описывающих процесс смешивания исходных компонентов в исследуемом устройстве;

• определении оптимальных значений основных параметров влияющих на качественные и количественные показатели узла смешивания;

• получении уравнения регрессии, описывающих зависимость между основными управляющими факторами процесса смешивания исходных компонентов;

Достоверность основных положений подтверждена положительными результатами лабораторных и производственных исследований.

Практическая ценность и реализация результатов исследований.

Разработанузел смешивания исходных компонентов для технологической линии производства и технологическая схема управления процессом смешивания исходных компонентов.

Изготовлен лабораторный и экспериментальный образец узла смешиваниятехнологической линии производства биокомпостов, прошедший производственные испытания в ООО «БХЗ - Arpo» Буйского района Костромской области, при испытаниях получено 36 т. биокомпоста Производственный образец узла смешивания так же использовался для производства биокомпостов по технологии в бурте, при этом объём массы исходных компонентов для биокомпоста составил 250 м

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов в ФГОУ ВПО "Костромская ГСХА" 2008...2011 гг. и СПб-ГАУ г.Санкт - Петербург в 2010 - 2012гг. С 2008 г. по 2011г. работа выполнялась в рамках программы НИР ФГОУ ВПО «Костромской ГСХА» и программы СТАРТ 08 финансируемая государственным фондом развития малых форм предприятий в научно — технической сфере (приложение П. 2). В 2008 году технологическая линия по переработке органических отходов в биокомпосты, в состав которой входит новый узел смешивания исходных компонентов, была отмечена золотой медалью на 10-ой выставке «Золотая осень» в номинации «За производство высокоэффективных экологически безопасных удобрений: почв, грунтов, подкормок, технологий улучшения плодородия почв» (приложение П. 4).

Основное содержание диссертации изложено в 9 научных работах, в том числе - патенте на изобретение № 2336252.

На защиту выносятся:

• технологическая схема процесса смешивания исходных компонентов для приготовления биокомпостов;

• модель функционирования технологического процесса работы узла смешивания;

• идентификация и установка основных закономерностей процесса смешивания исходных компонентов;

• результаты лабораторных и производственных испытаний ферментирующего устройства;

• основные параметры рабочих органов узла смешивания в зависимости от необходимого соотношения исходных компонентов в компостируемой массе.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Агрохимические и агроэкологические свойства компоста

В настоящее время накоплен значительный опыт успешного применения компостов в качестве органического удобрения под сельскохозяйственные культуры.

При сравнительном изучении эффективности традиционного органического удобрения - навоза и компоста, внесенных в эквивалентных по азоту количествах, в Подмосковье, по данным ВНИПТИХИМ и НИИ сельского хозяйства Центральных районов Нечерноземной зоны, было установлено преимущество компоста. Если 1т. навоза давала прибавку урожая зеленой массы кукурузы 1ц, то 1т компоста - 3,2 ц. Следует указать при этом, что доза компоста была в 5 раз меньше, что позволило снизить затраты на вывозку, погрузку и внесение удобрения, а также увеличить экономическую эффективность производства [30].

Компост, полученный ускоренным методом с соблюдением установленных параметров биоферментации, представляет собой высокоэффективное органическое удобрение, обеззараженное от яиц и личинок гельминтов, патогенной микрофлоры, не содержит жизнеспособных семян сорняков.

По обобщенным данным ВНИИ удобрений и агропочвоведения им. Д.Н. Прянишникова, компосты имеют благоприятную реакцию среды (рН 6,7-8,4), высокое содержание органического вещества (67-78% в расчете на сухую массу), общего азота (2-3% и более), аммонийного азота (до 1,2%), общего фосфора (1-3% Р205) и калия (0,4 - 1,8% К20). [8]

Высокое качество компостов достигается также за счет увеличения выхода гуминовых кислот при повышении температуры компостируемой массы и увеличения содержания подвижных форм питательных веществ для растений.

Наряду с макроэлементами, в компостах содержатся необходимые для растений микроэлементы - медь, цинк, молибден, бор и др.

Содержание тяжелых металлов в компостах низкое. В сухой массе этих удобрений в среднем содержится кадмия 0,1 - 0,8 мг\кг, никеля 5-12 мг\кг, свинца 27 - 34 мгЛкг, ртути 0,11 мг\кг, что значительно ниже принятых предельно (ориентировочно) допустимых концентраций для почв, утвержденных Госсанэпиднадзором России (ГН 2.1.7.020-94).

Компост, полученный в результате ускоренной биоферментации в аэробных условиях смеси птичьего помета с торфом, согласно результатам лабораторного анализов имеет высокое содержание основных питательных веществ, прежде всего - азота и фосфора, равное соответственно 3,9 и 3,5%. Содержит также их подвижные формы, способствующие оптимизации минерального питания растений. Характеризуется высоким содержанием органического вещества - 75,8%, щелочной реакцией среды (рН 8,4), наличием необходимых для растений микроэлементов.

Компост отличается благоприятными физическими свойствами, имеет сыпучую консистенцию. Не содержит всхожих семян сорняков и вредных организмов.

В целом по агрохимическим, агрофизическим и санитарно-гигиеническим показателям компост можно отнести к ценным органическим удобрениям.

Как известно, птичий помет относят к органическим удобрениям с высоким содержанием питательных веществ для растений. Вместе с тем он обладает рядом неблагоприятных свойств. Так, сырой птичий помет имеет сильный неприятный запах, содержит большое количество семян сорных растений и микроорганизмов, среди которых встречаются возбудители опасных инфекционных болезней птицы, сельскохозяйственных животных и человека. Установлено, что в 1 мл помета содержится до 103 микробных клеток, возбудителей инфекций, других патогенных бактерий, вирусов и грибов [8, 11, 14].

К негативным свойствам наливного, сырого помета на птицефабриках относится также его вязкая, липкая консистенция, что осложняет работы по внесению такого удобрения в почву или грунт [63].

Устранение неблагоприятных свойств помета достигается с помощью его переработки методом ускоренного компостирования при температуре 55-70°С с применением активного вентилирования воздухом, когда происходит обеззараживание массы от фитопатогенов и жизнеспособных семян сорных растений. Приготовленный с помощью ускоренного компостирования компост свободен от сорняков и патогенной микрофлоры, т.е. экологически безопасен. В то же время, как указывалось ранее, аэробная биоферментация помета позволяет получать высококачественные удобрения с агрохимической точки зрения с высоким выходом гуминовых кислот и наличием подвижных форм основных элементов питания.

Как известно, одним из способов получения экологически безопасного удобрения из сырого птичьего помета является его высокотемпературная сушка при 600-800°С. Однако при этом в готовом продукте - сухом птичьем помете (СПП) полностью уничтожается микрофлора (в т.ч. полезная), и внесение его в почву или грунт может отрицательно сказаться на их биологической активности, а в конечном итоге и на продуктивности выращиваемых культур [66].

1.2. Существующие технологии производства биокомпостов

Микробиологический процесс разложения органического вещества происходит в две стадии. Сначала с ростом численности микроорганизмов температура компостируемой массы повышается до 40°С. На этой стадии в компосте усиленно размножаются мезофильные микроорганизмы (оптимальная температура их развития 25 - 30°С). Затем температура поднимается выше 40°С, что приводит к гибели мезофиллов и размножения термофилов. Это самая важная стадия компостирования, во время которой

окислительные процессы достигают наибольшей интенсивности; затем температура массы постепенно снижается, и процесс затухает [47].

Компостирование навоза или других органических удобрений с различными влагоемкими материалами не способствует повышению питательной ценности смеси компонентов и компоста в целом. Наоборот, содержание доступных питательных веществ в компосте уменьшается по сравнению с таковым в навозе из-за низкого содержания их во влагоемких материалах.

Несмотря на то, что приготовление компостов из органических удобрений не способствует повышению их питательной ценности, компостирование становится необходимым, в случае если навоз имеет неблагоприятные физико-механические свой