автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Совершенствование технологических процессов использования сапропеля на кормовые добавки путем обоснования послойной разработки залежи и конструктивных параметров смесителя

5Í

SP §

d §

t

S) §

I

ö 4

tu

öS а

^ I 4

\ V V

% I 4 ^

kr

V 4

& \ ** I

I

^! S3

„nHi о .....

Av /л*

Hi O Q

Is? :

So S я || g- ! 1

v, v- ^ ■

. >, -\

л

\J

Va

I

S

ê

< '»с

Министерство сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации

Великолукская государственная сельскохозяйственная академия

на правах рукописи

Антипов Сергей Олегович

Совеошенствование технологических процессов использования сапропеля на кормовые добавки путем обоснования послойной разработки залежи и конструктивных параметров смесителя.

Специальность 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного производства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

научные руководители - доктор технических наук,

профессор В.В. Морозов, кандидат технических наук, доцент С.А. Катченков

Великие Луки 1999

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

Глава 1. Современный уровень разработки и использования сапропеля на кормовые добавки

1.1. Сапропель - природный ресурс органо-минерального сырья для производства кормовых добавок сельскохозяйственным животным.....................8

1.2. Существующие технологии разработки и использования сапропеля на кормовые добавки...............16

1.3. Совершенствование технологических процессов использования сапропеля естественной влажности

на кормовые добавки и задачи исследований ..............23

Глава 2. Теоретическое обоснование производства кормовых смесей и конструктивных параметров смесителя

2.1. Математическое моделирование процесса перемешивания двухкомпонентных смесей ......................29

2.2. Теоретическое обоснование конструктивных параметров шнекового рабочего органа для перемешивания сапропеля с кормом ......................................45

2.3. Алгоритм построения параметров, определяющих конструктивные характеристики шнекового смесителя, для заданных условий ......................... ..........56

Глава 3. Моделирование свойств и характеристик сапропеля в залежи для послойной разработки на кормовые добавки

3.1. Оценка химических характеристик сапропеля в залежи для использования на кормовые добавки.........63

3.2. Физико-механические свойства сапропелевого сырья для производства кормовых добавок.................73

3.3. Оценка биоэнергетических характеристик и питательной ценности сапропеля в залежи ....................82

3.4. Оптимизация параметров залежи сапропелей

для послойной разработки на кормовые добавки.........97

Глава 4. Методика экспериментальных исследований .... ..103 Глава 5. Рекомендуемая технология работ и комплекс машин для использования сапропеля естественной влажности на кормовые добавки

5.1. Технология работ и комплекс машин для разра-

ботки и использования сапропеля на кормовые добавки .................................................................... ..119

5.2. Экспериментальные исследования шнекового рабочего органа при смешивании сапропеля естественной влажности с кормом ................... ..................122

Глава 6. Технико-экономическая эффективность использования сапропеля естественной влажности на кормовые добавки ..................................................................133

Основные выводы и рекомендации ........... ....... .......... ..137

Список литературы ........................................................139

Приложение ...........................................;......................153

Введение.

Интенсификация и расширение сельскохозяйственного производства тесно связаны с проблемой повышения выпуска продукции животноводства. В современных условиях эта проблема не может быть решена без организации правильного использования кормов, так как в последние годы в результате снижения производства грубых, сочных и зеленых кормов возник дефицит рационов по ряду биологически активных и минеральных веществ. Существующее состояние кормовой базы, слабое производство белково-витаминных добавок не могут обеспечить животноводство органо-минеральным кормовым сырьем в достаточном объеме.

Чтобы восполнить дефицит кормовых смесей и правильно сбалансировать по питательным веществам рационы, в настоящее время необходимо изыскание дополнительных источников сырья, одним из которых являются богатейшие запасы озерных сапропелей. Поэтому, проведение научных исследований, способствующих увеличению производства органо-минеральных кормовых добавок, является актуальной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Основными элементами сапропеля являются: окиси кальция, фосфора, оксиды железа, алюминия, марганца, кремния, а также различные микроэлементы. Кроме того, он содержит большое количество каротина, витамины Д, Вь В2, В3, В6, В12, фолиевую кислоту, стимуляторы роста, гормоны, антибиотики и по своим энергетическим показателям, способности активизировать физиологические процессы в организме животных превосходит мел и костную муку.

По данным торфяного фонда министерства геологии, общий прогнозный запас сапропеля в Российской Федерации составляет 230 млрд. тонн, в том числе в Нечерноземной зоне

свыше 50 млрд. тонн, и с каждым годом в результате эвтрофии озер запасы его возрастают.

Это ценное органо-минеральное сырье давно привлекает внимание ученых и практиков для использования его в животноводстве и других отраслях народного хозяйства. Однако, существующие технологии производства сапропелевых кормовых добавок имеют невысокие технико-экономические показатели, не удовлетворяют природноохранным требованиям, а органо-минеральное сырье из-за потери ценных соединений при длительном обезвоживании и хранении имеет низкое качество. Отсутствие научно обоснованных технологий привело к тому, что богатейшие запасы сапропеля в ряде областей региона используются слабо. Поэтому, совершенствование технологических процессов использования сапропеля на кормовые добавки с улучшением его качественных характеристик является актуальной, задачей.

Решению этой важной народохозяйственной проблемы посвящена диссертационная работа, выполненная в период с 1995...1998 гг. в рамках координационных планов региональной научно-технической программы «Нечерноземье».

В настоящей работе проведены теоретические и экспериментальные исследования на основе системного подхода.

В основу теоретических исследований положено математическое моделирование технологических процессов, методы теоретической механики, основы кинетической теории жидкостей, механики грунтов, дифференциального и интегрального исчисления. При проведении экспериментальных исследований использовались приемы вариационной статистики, а также метод группового учета аргументов. Для изучения характеристик смесителя проведена серия лабораторных исследований по методике многофакторного эксперимента. Обработка научных ре-

зультатов проводилась с использованием стандартных и специально разработанных программ на базе компьютерной техники.

Дано математическое описание процесса перемешивания двухкомпонентных смесей и теоретически обоснованы конструктивные и технологические параметры шнекового смесителя. Получены математические зависимости и уравнения для определения химического и микробиологического состава сапропеля, его питательной и энергетической ценности в зависимости от глубины залегания,- с целью улучшения качества органо-минерального сырья. По результатам исследований на защиту выносятся:

- совокупности математических моделей свойств сапропеля в залежи, послужившие основой для определения параметров послойной разработки на кормовые добавки и расчета технологических параметров шнекового смесителя;

- математические модели для определения энергетической и питательной ценности сапропеля естественной влажности;

- математические модели для определения конструктивных и технологических параметров шнекового смесителя для перемешивания сапропеля естественной влажности с кормом;

- технологический комплекс машин для разработки и использования сапропеля естественной влажности на кормовые добавки, позволяющий улучшить качество сырья и охрану окружающей среды.

Диссертация является самостоятельной работой. В разработке отдельных вопросов программы исследований принимали участие: кандидат технических наук Ю.И.Горелов, кандидат экономических наук О.Г.Петрова.

Всем автор выражает огромную благодарность. За содействие в проведении экспериментальных исследований признателен председателю сельскохозяйственного производственного кооператива «Рассвет» Пустошкинского района А.Ф.Маркевич.

Считаю своим долгом выразить благодарность научным руководителям, заведующему кафедры «Тракторы и сельскохозяйственные машины» доктору технических наук, профессору

B.В.Морозову, а также кандидату технических наук, доценту

C.А.Катченкову за помощь и содействие в создании благоприятных условий для выполнения диссертационной работы.

Глава I. Современный уровень разработки и использования сапропеля на кормовые добавки

1.1. Сапропель - природный ресурс органо-минерального сырья для производства кормовых добавок сельскохозяйственным животным

Сапропель (от греческого Sapros - гнилой и pelos - ил, грязь) - илистые отложения пресных водоемов, содержащие большое количество органических веществ, углеводы, битумы и др. - сапропелиты. в коллоидном состоянии (82). Это продукт физико-механической и химико-биологической переработки остатков, населяющих озеро растительных и животных организмов, а также неорганических компонентов биогенного происхождения и минеральных примесей, приносимых в водоемы водой и ветром. Самые верхние слои сапропеля (10...40 см) сильно обводненные, разжиженные и еще не оформленные, носят название пелогена. В этих слоях идет процесс становления сапропеля из массы отмершего планктона путем его переработки личинками насекомых, червями, маллюсками и особенно микроорганизмами (1 0, 1 02, 106)..

С глубиной залежи жизнь затухает, а с ней и процессы изменения сапропеля - идет в основном интенсивное его уплотнение и он приобретает более густую консистенцию (38, 40).

Мощность сапропелевых отложений различна и зависит от многих причин, обычно в озерах она равна 3...5...10 м, но достигает мощности до 20 м, а иногда и до 40 м (53, 87, 92, 1 1 1, 121). Общий запас выявленных сапропелевых отложений в озерах Российской Федерации составляет 230 млрд. куб. м., в том числе 50 млрд. куб. м в Нечерноземной зоне (50,69,71, 86,

103) и с каждым годом в результате эвтрофии озер запасы его возрастают (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Эвтрофия озера Колпинское

Внешне сапропель имеет вид желеобразной однородной массы, консистенция которой в верхних слоях приближается к сметанообразной, а в нижних более плотных, может иметь несущую способность.

На консистенцию сапропеля сильно влияют минеральные примеси, присутствующие нередко в значительном количестве и придающие ему характер глинистых, песчаных, известковых и других образований. Отличительные его признаки - коллоидная структура и высокое влагонасыщение в естественном состоянии (53, 68, 105).

Естественная влажность основной массы отложений составляет 84...96%, средняя статистическая влажность - 88,4% (73, 1 07, 125).

При влажности около 90% сапропель практически теряет всякую несущую способность, переходя в жидкое состояние, при влажности около 40% превращается в камень, способный вы-

о

держивать нагрузки до 125 кг/см и плохо размокать в воде. Влажность сапропеля имеет тесную обратную связь с зольностью и плотностью. Органический сапропель обладает более высокой влажностью, что в значительной степени обусловлено структурными особенностями твердой фазы, гидрофильностью материала (79, 121).

Окраска сапропеля очень разнообразна. Цвет имеет большое значение при оценке сапропеля, так как указывает на наличие органических и неорганических веществ (зеленоватый -хлорофилла, розовый - каротина, голубоватый - вивианита, черный, быстро темнеющий на воздухе - восстановленного железа, сероватый - примесей извести) (40).

Объемная масса сапропелей равна в среднем

о

1,002... 1,005 т/м (107). Чем выше зольность, тем больше его масса, с уменьшением влажности масса сапропеля растет за счет увеличения его плотности (123).

Содержание органического вещества в сапропеле составляет не менее 15% на сухое вещество. Следовательно, в нем должно быть не более 85% минеральных частиц. Эти показатели считают условной границей сапропелевых отложений.

Органическая часть сапропеля состоит из аморфного детрита и остатков водорослей, животных и высших растений. В органическом веществе битумы составляют 5...17%, углеводы -25...40%, сапропелевые кислоты 15...40%, негидролизуемый остаток - 4...20% (78).

Одним из основных классификационных показателей является зольность сапропеля, которая колеблется от 20 до 60%. Верхний предел зольного остатка равен 85%, нижний -4.,..6% (49, 66, 78, 121).

Величина и состав золообразующих компонентов обусловлены особенностью их формирования, накопления и зависят от условий питания, химического состава питающих водоем вод, привноса минеральных веществ с речными наносами в результате эрозийных процессов, от биохимических процессов, а также от влияния антропогенного фактора (29, 39, 102, 139, 144).

Основными компонентами золы сапропеля являются окиси кремния, магния, железа, алюминия, марганца, фосфора, натрия, углекислый кальций, а также различные микроэлементы (12, 31, 54, 69, 70, 79, 96). Содержание микроэлементов в са-пропелях сильно варьирует. Количество Са, Мо, Со, Рв, Аэ, Эп фиксируется, в основном, в пределах от 0 до 10 мг/кг сухого вещества; N[, Си - 5...50; Сг - до 100; 7.х\ - до 200; Мп - до 2000...3000 мг/кг сухого вещества. Наибольшие концентрации присущи высокозольным сапропелям (5).

Состав минеральной части и свойства сапропеля неодинаковы - они меняются в зависимости от вида водоема, места и глубины залегания (31, 33, 61, 66, 105, 120, 122, 123,125, 137). В минеральном составе первое место, как правило, принадлежит кремнию, содержание которого достигает 70...80% в пересчете на 8Ю2. Однако,. нередки случаи, когда основу минеральной части составляют карбонаты кальция, содержащие до 50% и более СаС03 в подвижной форме (7, 92). Фосфор встречается в виде фосфорно-кислой закиси железа (вивианита), рассеянного вмассе сапропеля, и в форме различных соединений с органическим веществом.

Содержание фосфора изменяется от 0,05 до 7,0% (на сухое вещество в пересчете на Р2О5) (49). Содержание железа в сапропелях составляет 2...7%, но в отдельных случаях может достигать 1 6... 18%.

Кроме перечисленных химических компонентов, сапропель содержит также большое количество каротина. В сапропеле

пресноводных озер содержатся витамины •Д1В1,В2.Вз,Вб,В12, фо-лиевая кислота, стимуляторы роста, гормоны, антибиотики и т.д. (7, 13, 32, 34, 70, 71, 88, 90, 115, 142, 143).

Сапропель является одним из существенных и практически неиспользуемых ресурсов органического сырья, содержащим в своем составе целый комплекс биологически активных веществ (36, 43, 93, 141). Однако, в зависимости от места залегания, содержание питательных веществ в сапропеле неодинаковое.

Общее признание сапропели получили в качестве минеральной добавки за их зольную часть, которая отличается большим разнообразием неорганических веществ. Основным фактором накопления этих элементов является наличие в озерном иле сапропелеобразователей биологически активных веществ, а также способность коллоидной фракции органического вещества адсорбировать макро- и микроэлементы, приносимые в водоем питающими его поверхностными и подземными водами.

В составе сапропелей содержатся вещества, возбуждающие сердечную мышцу и увеличивающие работу сердца. Скармливание сапропеля всем видам сельскохозяйственных животных стимулирует кровотворение. Обогащение скелета минеральными веществами определяет его кровотворную функцию. Чтобы скелет был хорошо развит, организм животного должен получать достаточное количество солей кальция, фосфора и витамина Д. Для увеличения выработки костным мозгом эритроцитов и гемоглобина требуются такие компоненты, содержащиеся в сапропеле, как железо, медь, кобальт, витамин В^- Таким образом, в сапропеле содержатся все необходимые вещества для кровотворения (45, 47, 1 13).

Опытами Свердловского сельскохозяйственного института установлено, что скармливание сапропеля больше стимулирует рост животных, чем меловая подкормка, и включение его в пи-

тание животных повышает ассимиляцию веществ основного рациона - белков, кальция, фосфора и других элементов. Этим обусловливается более интенсивный рост всех животных, получающих сапропелевую подкормку (18, 32, 37).

Кости скелета животных, получающих сапропель, имеют больший вес, они богаче золой, более прочные и выдерживают большую статическую нагрузку, чем кости животных, получающих меловую подкормку. При скармливании сапропеля сельскохозяйственным животным все конституционально-продуктивные показатели костей скелета возрастают, особенно процент золы, соответственно возрастает и минерализация скелета. Лучший рост бывает у тех животных, которые получают оптимальное количеств�