автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Технология и комплекс машин для послойной разработки сапропеля на удобрения

__ ^ЛШ^-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 110 иа АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

- О МАЙ Ш5

На правах рукописи

МОРОЗОВ Владимир Васильевич

ТЕХНОЛОГИЯ и КОМПЛЕКС МАШИН ДЛЯ ПОСЛОЙНОЙ РАЗРАБОТКИ САПРОПЕЛЯ НА УДОБРЕНИЯ

(Для условий Северо-Западной зоны РФ)

Специальность 05.20.01 —Механизация сельскохозяйственного производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

г. Санкт-Петербург— Пушкин 1995

Работа выполнена в Великолукской государственной сельскохозяйственной академии

Научный консультант — заслуженный деятель науки РФ, •академик академии аграрного образования РФ, доктор сельскохозяйственных наук, профессор В. П. Спасов.

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор В. С. Сечкки; академик АТ РФ, доктор технических наук, профессор Н. В. Лукнн; доктор технических'иаук А. А. Попов.

Ведущая организация — Псковский научно-исследовательский институт сельского хозяйства.

я

Защита состоится 1995 г. в 14 час.30 мин. на

заседании диссертационного Совета Д 120.37.04 в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу:

Адрес: 189620, Санкт-Петербург — Пушкин, Академический проспект, дом 23, аудцтору1Я 719.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПГАУ.

Официальные оппоненты-:

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

А. В. СОМИНИЧ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важнейших проблем, которая стоит сегодня перед учеными-аграрниками, является поиск эф -фективных путей разработки сапропеля на удобрение с целью увеличения выпуска продукции растениеводства на основе повышения плодородия почвы в зональных научно обоснованных сис -темах 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 зе -мель в почвах Нечерноземн9й зоны с низким естественным плодородием резко снизилось содержание гумуса, и в настоящее вре -мя до 15% почв содержит менее 10% гумуса, а 80% почв от I до Zfo. 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 почвы следует рассматривать как важнейшее условие дальнейшего улучшения культуры земледелия, имеющее большое экономическое значение.

Согласно государственной комплексной программе повышения плодородия почв России требуется увеличить внесение органических удобрений на 40$ и довести их заготовку до.600'млн.тонн в год, в основном за счет использования местных ресурсов.

Вместе с тем установлено, что одним из важнейших резер -вов местного органического сырья для производства удобрений являются богатейшие запасы озерных сапропелей. В многолетнюю практику■промышленной разработки сапропеля положена идея его добычи с использованием земснарядов и грейферных экскаваторов с последующей переработкой технологическим оборудованием для заготовки торфа. Однако существующие технологии и средства механизации не являются оптимальными, имеют невысокие технико-экономические показатели, не удовлетворяют природоохранным требованиям и высококачественным агрохимическим оценкам удоб-

рения, в результате в большинстве областей региона ресурсы сапропеля используются слабо. Поэтому повышение эффективно -сти механизированного процесса разработки сапропеля с улуч -шением его качества и природоохранных показателей, в осноге решения которой должны лежать новые прогрессивные технологии, имеет важное научное и народнохозяйственное значение.

Решению указанной проблемы посвящена диссертационная работа, выполненная автором в период 1985-1994 гг. в рамках координационных планов региональной научно-технической программы "Нечерноземье".

Цель работы. Научное обоснование послойной разработки сапропеля естественной влажности, создание методов расчета и выбора рабочих органов и технологических параметров и на этой основе разработать технологию и комплекс машин для послойной разработки сапропеля на удобрения, позволяющих существенно повысить эффективность производства, улучшить качество удобре -ний и охрану природной среды.

Задачи исследований. На основе анализа имеющихся иссле -дований по проблеме механизированной разработки сапропеля на удобрение и исходя из поставленной цели намечены следующие задачи:

1. Изучить свойства сапропеля как источника органического сырья для производства удобрений и на основании комплексного подхода с вьщелением физико-механических, химических, микро -биологических свойств залежи в качестве главных показателей обосновать послойную разработку сапропеля естественной воажно-сти.

2. Изучить процесс взаимодействия сапропеля с различными конструкционными материалами, напорной гвдравлической систе -мой подачи, насосами различных типов и обосновать рабочие органы, позволяющие повысить эффективность технологических процессов, улучшить качество сапропеля и охрану окружающей среды.

3. Разработать теоретические основы, методы расчета и выбора конструктивных параметров шнекового нагнетателя и напор -ной гвдравлической системы подачи для разработки сапропеля естественной влажности.

4. Выработать методологический подход снижения влажно -сти и сушки сапропеля, улучшения его качества и обосновать параметры технологии.

5. Разработать технологию и комплекс машин для послой -ной разработки сапропеля естественной влажности на удобрения, провести апробацию в производственных условиях Северо-Западной зоны и дать агрономическую и технико-экономическую оценку.

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 I миллиарда тонн. Основные исследования проведены на озере Савинское площадью 108 га, расположенного в кжной части области. Общие запасы, состав и свойства сапропеля определены в соответствии с методическими указаниями по разведке озерных месторождений и аг -рохимическому анализу сапропелей.

Аналитическую и исследовательскую работу выполняли в лабораториях кафедр общего земледелия и агрохимии, тракторов л сельхозмашин, эксплуатации и ремонта машинно-тракторного парка, проблемной лаборатории лугового кормопроизводства Великолукского СХИ и в Великолукской проектно-изыскательской стан -ции. При проведении экспериментальных исследований использо -вали методику планирования многофакторных экспериментов с применением стандартных приемов вариационной статистики, а также методов стохастических автоматов и штрафных функций.

В основу теоретических исследований положено математи -ческое моделирование технологических процессов и условий работы рабочих органов, методы теоретической механики, основы гидравлики и гидро-газодинамики, дифференциального и интег -рального исчисления. Обработка результатов исследований проводилась с использованием стандартных и специально разрабо -танных программ на базе компьютерной техники.

Научная новизна. Доказана послойная разработка сапропеля на удобрение и установлены закономерности взаимодействия сапропеля с винтовыми поверхностями шнекового нагнетателя и на -порной гидравлической системой подачи при технологическом процессе разработки залежи естественной влажности.

Впервые, использован комплексный подход оценки эффективного использования сапропелевой залежи на удобрения и выбора,рабочих органов с использованием результатов исследований физико-механических, агрохимических и микробиологических свойств залежи.

На основании современных требований к органическому сырью разработан методологический подход определения слоя залегания сапропеля на удобрение и научно обоснован новый способ послойной разработки сапропеля естественной влажности,., в соответсг -вии с которой разработана технология и комплекс машин.для производства, удобрений. Выявлены условия протекания коррозионно-механического износа конструкционных материалов в среде сапропеля и получены уравнения регрессии, описывающие процесс.

Получены математические модели определения рабочих характеристик объемных и лопастных насосов, различных по форме.проходных отверстий и установлено, что для подачи сапропеля ее -тественной влажности целесообразно использовать шнековый на -гнетатель и круглые проходные сечения в народной гидравлической системе.

Установлены физико-математические зависимости основных характеристик шнекового нагнетателя и разработан алгоритм для определения его конструктивных параметров.

Разработаны методы расчета и получены математические зависимости и уравнения регрессии для определения напряжения сдвига и пластической вязности сапропеля, снижения сопротивления движению сапропеля естественной влажности в напорной гид -равлической системе подачи, определения параметров технологии и закономерностей процесса снижения влажности и сушки.

Выявлены рациональные органические добавки и определены технологические параметры повышения качества удобрения..

На защиту выносятся следующие научные положения:

- математические модели, свойств залежи сапропеля, послужившие основой для разработки послойной технологии, конструирования рабочих органов шнекового нагнетателя, напорной гид -

равлической системы подачи и определения параметров технологических процессов;

- теоретические основы разработки шнекового нагкетате -ля для подачи сапропеля естественной влажности, математические модели определения его конструктивных параметров и повышения эффективности народной гидравлической системы подачи;

- методы комбинироеанного способа и выбор параметров снижения влажности и сушки сапропеля на площадке с глубоким объемных рыхлением;

- методологический подход к улучшении качества сапропелевых удобрений и совокупности математических моделей опре -деления параметров технологии;

- технология и комплекс машин для послойной разработки сапропеля на удобрения, позволяющие увеличить выход продук -ции, улучшить качество удобрения и охрану окружающей среды.

Практическая ценность и реализация результатов исследований. Практическая ценность заключается в том, что в результате проведенных исследований получена возможность внедрения механизированной технологии послойной разработки сапропеля естественной влажности в производство, которая наиболее полно учитывает агрохимические, микробиологические и физико-механические свойства залежи сапропеля, что способствует существенному улучшению качества удобрений и охране окружающей среды.

Разработан и внедрен в производство шнековый нагнетатель для разработки сапропеля естественной влажности. Выявлены на-' иболее рациональные органические добавки и определены параметры технологии приготовления удобрения с утилизацией жидкого навоза. Подготовлены и утверждены областным НТС Управления сельского хозяйства рекомендации: "Разработка сапропеля естественной влажности на удобрения".

Разработанные 'методы расчета и определения конструктивных пар'аметров рабочих органов, технологических режимов, физико-механических свойств, агрохимических и микробиологических характеристик сапропеля, снижения сопротивления движению могут использоваться .-в конструкторских организациях и научных учреждениях при создании и совершенствовании техники для разработки сапропеля, а также в высших и средних учебных заведе-

ниях при обучении студентов сельскохозяйственных специальностей. . , ч

Апробация работы. Материалы диссертации апробированы на расширенных заседаниях' кафедры тракторов и сельхозмашин.Ве -ликолукского СХИ (1983, 1990, 1992, 1993 гг.) и кафедры почвоведения и механизации лесохозянсгвенкых работ Московского ГЛТУ (1993 г.), а также докладывались и был;', одобрены на ежегодных научно-производственных Конференциях Великолукского СХИ (1992, 1994 гг.), Псковского филиала. Санкт-Петербургского ГТУ (1993 г.), Ярославского СХИ (1994 г.), Пензенского СХИ (1992, 1993 гг.), Московского ГЛТУ (1994 г.); на расдм -ренном заседании Ассоциации вузов Северо-Запада России в Новгородском ГШ! (1991 г.); на совещании полномочных представителей Ассоциации вузов Северо-Запада России з Вологодском ЛГИ (1992 г.); на заседании центра научного обеспечения Псковской области (.1991, 1992 гг.); на КТС Псковского управления сель -ского хозяйства (1993 г.); на совещании по сапропелю ведущих специалистов и ученых из большинства регионов России в Глав -мелводхозе МСХ РФ (1992 г.); на первой Всероссийской научно-практической конференции по "Программе комплексных исследований сапропелей, производства и использования сапропелевой продукции в различных отраслях народного хозяйства", Москва (1993 г.); на мекдународном семинаре ЮНЕСКО "Отходы сельскохозяйственного производства" (Москва, 1993 г.).

На открытом конкурсе НПО "Кечерноземагрсмаа" и Ленин -градского облгстного правления РНТО СХ на соискание премил имени В.Г.Антипина получен диплом победителя конкурса за научно-техническую разработку "Послойная разработка сапропеля естественной влажности на удобрение" (С.-Петербург, 1994 г.).

Отчеты по теме исследований ежегодно заслушивались на заседании кафедры тракторов и сельхозмашин, НТС Великолук -ского СХИ.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 34 печатные работы.

Объем диссертации. Диссертация состоит из обшей харак -теристики работы, 5 глав, выводив, заключения, списка литура-туры и приложения.

Общий объем диссертации составляет 347 страниц, в том числе 256 страниц основного машинописного текста, 24 таблиц,

56 рисунков, 3 схемы. Список литературы содержит 376 найме -нованиЯ, в том числе 24 иностранных. Приложение состоит из 26 таблиц на 49 страницах.

СОДЕРЯАДЕ РАБОТЫ

В общей характеристике работы обоснована актуальность темы, определена цель исследований, научная новизна, практическая ценность и реализация результатов исследований, представлены основные положения,выносимые на защиту.

В первой главе приводится обзор и анализ работ о сапропеле как природном ресурсе органического сырья для производства удобрений, о влиянии его на эффективность производства продукции растениеводства и свойств почвы. Также изложены технологии его разработки и существующие средства механиза -ции.

Из обзора следует, что в озерах Нечерноземной зоны разведанные запасы сапропеле"; составляют 50 млрд.м3, которые содержат все питательные вещества, необходимые для растений: азот, фосфор, калий, кальций, серу и т.д.. Органическая часть сапропеля состоит из аморфного детрита и остатков водорослей, животных и высших растений. В органическом веществе битумы составляют 5___17%, углеводы - 25...4.0%, сапропелевые кислоты-- 15...40/2, негидролизуемый остаток - 4...20$.

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

Основными компонентами золы сапропеля являются окиси кремния, марганца, магния, железа, алюминия, фосфора, натрия, углекислый натрий, а также различные микроэлементы.

Состав минеральной части и свойства сапропеля не одинаковы - они меняются в зависимости от веда водоема и глубины залегания. В минеральном составе первое место, как правило, принадлежит кремнию, содержание которого достигает 70...80$ в пересчете на$10г . Однако, не редки случаи, когда основу минеральной части составляют карбонаты кальция, содержащие до 50$ и болееСаС^в подвижной форме. Фосфор встречается в веде фосфорно-кислой закиси железа, рассеянного в массе сал-

ропеля, и в форме различных соединений с органическими веществами. Содержание фосфора изменяется от 0,05 до 7,0% (на сухое вещество в пересчете на Р2О5) • Содержание железа в сапропеле составляет 2...7%, но в отдельных случаях может до -стигать 16...18%.

Кроме перечисленных химических компонектоа сапропель содержит также биологически активные вещества - витамины, сти -муляторы роста, гормоны, антибиотики. Элементарный состав органической массы сапропеля состоит из углерода ~ 53...60%, кислорода - 30...36%, водорода - 6...8% и серы - 1,5...2,5%. 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 и часто широкое отношение углерода свидетельствуют, что даже при высоких дозах внесения сапропелей, они не могут в полной мере воспол -нить потребность растений в азотном питании. Поэтому обога -шение сапропелей азотом, в равной мере фосфором, калием и •другими необходимыми элементами питания, является важнейшим условием их высокой эффективности.

Правильно и хорошо подготовленные удобрения оказывают хороший эффект на урожайность, поглощение почвенной кислот -ности, изменение агрегатного состава, водно-физических, химических и микробиологических свойств почвы.

Сапропелевые удобрения улучшают качество продукции растениеводства, увеличивая количество белков и каротина. Содержание крахмала в картофеле возрастает на 15%, а сахара в свекле на 40%. Урожайность зерновых культур, овощей повышается на 20...100% в зависимости от типа почвы и дозы внесения удобрения. Внесение сапропеля в количествах 30...60 т/га увеличивает количество агрегатов соответственно от 10 до 25,7%, что является одной из самых существенных причин повышения почвенного плодородия. Под воздействием вносимых сапропелей в почве увеличивается' -содержание гумуса на 63%, азота - на 60%, кальция - на 384,7%, фосфора - на 62% и калия - на 30%, магния -на 18%. Сапропель следует рассматривать не только как удоб -рение, но.и как органический и органоминеральный материач, улучшающий водно-физические свойства почвы. Под влиянием

сапропеля в почве значительно возрастает скважность, увеличивается объемный вес, капиллярная и полная влагоемкость. При внесении 40 т/га сапропеля количество водопрочных агрегатов повышается почти на

Сапропели также являются наиболее эффективным мелиорантом в условиях радиоактивного загрязнения. Внесение в норме 100 т/га уменьшает поступление цезия-137 в клубни картофеля в 2,7...4,3 раза, в зерна пшеницы и овса - в 3,7...12,? раза, в зеленую массу люпина - в 2,3...5,7 раза, в капусту -в 2,3...28,9 раза.

Наилучшие результаты.использования сапропеля получены при смешивании его с навозом, органическими добавками и минеральными удобрениями.Поэтому, в естественном состоянии сапропель желательно рассматривать как сырье для производства удобрений и технология разработки должна включать операции улучшения качественных характеристик. Специфические ус- . ловия формирования сапропеля приводят к- образованию залежи с различными свойствами по глубине и не каждый слой удовлетворяет требованиям органического сырья. Для производства качественных удобрений необходимо вести послойную разработку залежи установленного качества.

Успешное решение проблемы механизированной разработки и повышения эффективности использования сапропеля возможно при комплексном подходе с учетом агрофизических свойств и охраны природной среды. Исследованиями М.З.Лопатко, А.А.Цюниса, А.И.Фомина, Г.А.Евдокимовой, В.И.Сметанина, Б.Н.Хохлова, А.В.Смирнова, В.А.Нефедовой, А.Г.Дубовец, И.И.Лиштвана, A.C. Торантова, Л.А.Каткевичюса и др. были выявлены агрохимические и физические свойства сапропеля, взаимодействие его с рабочими органами добывающих установок и влияние его на урожайность, качество продукции и плодородие почвы.

Изучение различных технических средств и технологий для разработки сапропеля показало, что многолетняя исследовательская работа и конструирование различных вспомогательных устройств были заранее направлены на их привязку к выпускаемым промышленностью земснарядам и экскаваторам, которые не создают требуемых условий для разработки 'залежи сапропеля, повышения качества удобрений, природоохранных мероприятий и имеют низкие технико-экономические показатели.

Исследованиями Н.В.Лукина, В.Й.Хохлова, Э.Г.Кшкоццзера, Н.Н.Арефьева, С.А.Мосияша, Н.Ф.Должникова, Е.А.Кирдуна, П.Л. Кузьмицкова, Е.И.Кузнецова и др. было установлено, что при существующих технологиях сапропель в залежи перемешивают и обводняют для обеспечения взасывавдей способности насоса, затем пульпу перекачивают на берег к 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. Кроме того, в процессе обез -воживания сапропелевой пульпы образуется большое количество иод обратного сброса. При производстве I тонны удобрений влажностью 50$ из пульпы с консистенцией 20...30 г/л накап -ливается от 12 до 18 м3 воды. Эти воды по химическому составу отличаются от озерных и содержат 1300 мг/л ОВ; 12,0 мл/л А/ общ.; 1,2 мг/л Р2°5» 2,9 мг/л К20; 41,8 мг/л СаО, сброс которых в озеро весьма нежелателен. Поэтому наиболее благоприятные условия для производства удобрений можно получить при разработке сапропеля естественной влажности.

Однако, ими в основном рассматривалось взаимодействие сапропеля естественной влажности с рабочими органами насосов и гидравлической системой подачи. Изучалась биологическая сторона использования сапропеля к не рассматривались вопросом обоснования слоя разработки в залежи, технологические па-, раметры снижения влажности и улучшения качества удобрений.

Состав и свойства сапропеля изучали Е.А.Виноградова, Н.В.Кордз, Е.Л.Семенский, Е.М.Титов, Б.Я.Вимба, Н.А.Бракш, А.В.Смирнов, В.М.Игнатьев, Ф.А.Пунтус, Я.К.Крицлерс и др. Однако в их исследованиях были недостаточно учтены особенности формирования залежи сапропеля как источника органического сырья. Не доведены до адекватного описания свойства залежи, моделирование которых необходимо для определения параметров слоя разработки удовлетворяющего требованиям удобрений. Достаточно полно изучены вопросы взаимодействия сапропеля повышенной влажности с рабочими органами используемых насосов и гидравлической системы подачи, что нашло отражение в трудах Ю.Ф.Короткова, А.П.Пивоварова, Н.И.Бобина, А.П.Ляцко, И.В.Ко-саревича, В.П.Марченкова, В.П.Шохина, Е.К.Чабуткина, А.И.Фо ~ мина, В.И.Сметанина.

Ю

Однако, в их исследованиях были недостаточно учтены особенности послойной разработки сапропеля естественной влажно -сти и работы были направлены на интенсификацию технологичес -ких процессов существующих рабочих органов, что недостаточно для разработки новых. Кроме того, не полностью изучены закономерности истечения коллоидной массы через проходные сечения, взаимодействие с винтовыми поверхностями шнекового нагнетателя и напорной гидравлической системой подачи.

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 специаль -ных исследований использоБание для разработки больших объе -мов сапропеля не представляется возможным.

На осново анализа научного обеспечения, современного состояния и накопления производственного опыта установлено, что п,ля разработки технологии и комплекса машин для послойной разработки сапропеля естественной влажности на' удобрение необходимо дополнительно провести научные изыскания, для чего были сформулированы задачи исследований. Для решения поставленной лроблемы разработана методологическая схема исследований, которая на основе обобщения опыта и изучения технологически;? процессов включает в себя необходимые и достаточные условия ;ля достижения цели работы.

Во второй главе представлены основные показатели физи- . (с-механических, агрохимических, микробиологических свойств заложи. Оценка пригодности сапропеля на удобрение, определение слоя разработки и технологических параметров улучшения сачестпа сапропеля. Получены ведомости подсчета средних глу-)ин, запасов сапропеля и воды в исследуемых озерах. Состав -юн ориентированный по магнитному азимуту в условной систе-ie координат план с профилями зондирования сапропелевой тол-W и установлено, что образование сапропелевых отложений и фостирание кровли залежи внутри ландшафта зависит от типа юдоема и топографических условий водосбора. Мощность пласта :апропеля d озерах выдержана в пределах от 4 до 9 метров с >дноименным видом строения контура мощностью более I метра [ образует технологический участок, эксплуатация которого

экономически целесообразна. Фракции сапропеля от 3 до I мм содержат неразложившиеся растительные остатки, .от I до 0,01 мм - неразложившиеся органические отложения и физический песок, фракции меньше 0,01 мм содержат неразложившиеся органические отложения и физическую глину.

В целях установления параметров дисперсности для сниже -ния износа рабочих органов нагнетателя и напорно-гидравличес-кой системы подачи определяли модели зависимости дисперсности-сапропеля - X, от глубины залегания - $ . По результатам замеров - N на глубине , / = /_,/!/ , параметра X} > строили регрессионную модель

х=хМ] '

так как любая непрерывная функция /(X) может быть близко

приближена полиномом, то в качестве параметрической модели

(I) выбирали полиномиальную модель веда:

" оС

(2).

где 0, - последовательное увеличение моделей; М - длина разложения.

Используя алгоритм селекции моделей, основанный на ме -тоде группового учета аргументов, коэффициенты разложения (2) писали по исходным данным при помогай метода наименьших квад -ратов, а селекцию этих моделей проводили при помощи критерия селекция вида:

(3)

. се/1 \ // I //

где X/ - реальные наблюдения на глубине^- ;

Щ) ~ вычисленные значения на основании (2).

Если гт-о , тогда модель (2) записывали в виде:

Х=аГ

(о! I ™

где

Значение критерия _ Эсел[0)-Ус£л(™) находили следующим образом:

выбирали ИЯ, тогда регрессивная модель имела ВВД Л (ы). •

х=1 а.1 6 (4)

¿-о

Методом наименьших квадратов по наблюдениям^-., ,

, находили значение коэффициентов 0.1, разложе-

ния (4). ...

Вычисляли значение критерия селекции Зсел (>*?) по фор -муле (3).

Если Усел I то переходили кт-щц , ина-

че (т.е. еспи.Усел(п-/)(УСгл(1*') ) селекцию моделей (наращиванием) прекращали и в качестве модели (2) выбирали

Ш^Ч'Ь (5)

>я0

С помощью ЭШ в соответствии с составленным алгоритмом и программой были получены уравнения регрессии по озерам, описывающие адекватно зависимости изменения дисперсности от глубины залегания сапропеля. Установлено, что дисперсность варьирует в широких пределах и большинство сапропелей содержит мало фракций размером больше 250 мкм, это означает, что сапропель в основном тонкодисперсен. С целью снижения изно -са рабочих органов содержание частиц размером от I до 2 мм не должно превышать более 10%, а меньше I мм - не менее 90%.

В основу механизированной разработки сапропеля и использования его в качестве удобрения положен уровень содержания органического вещества и физико-механические, агрохимические, микробиологические свойства.

Оценка экспериментальных данных показала, что важнейшие показатели сапропеля: влажность, зольность, уровень кислотности, содержание азота, серы, окиси кальция, железа, фосфора, количество микроорганизмов, характеризующие качество сапропелевого сырья для удобрений могут изменяться в залежи в широ -ких пределах, ограничивая его применение.

Естественная влажность сапропеля варьирует в пределах 73,5...97,8%, что обусловлено различием характеристик органического вещества и химического состава минеральной части. В целях повышения эффективности технологии разработки и повышения качества удобрения, сапропель целесообразно извлекать из залежи влажностью 75...85%. Наличие зольной части колеблется в широких пределах: в "органических сапропелях от 6 до 30%, в кремнеземистых, карбонатных, смешанных от 30 до 85%. Для производства удобрений желательно зольность ограничивать уровнем

50$. Сапропели всех типов обеднены серой, количественное содержание которой не превышает, как правило 1,2...2,0%, она на 80% имеет органическую природу и может окисляться, что приводит к снижению рН при приготовлении и хранении удобрений. Поэтому, лучше использовать сапропель с содержанием серы не более 3%. Уровень кислотности сапропелем изменяется от 4,2 до 8,2 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, сапропели с содержанием азота менее 1,555 нецелесообразно использовать как органическое сырье на удобрение.

Методом селекции моделей получены уравнения регрессии, адекватно описывающие зависимости физико-механических, агрохимических, микробиологических характеристик от глубины за ~ лежи, и определены технологические параметры свойств сапропеля для разработки сырья высоко качества из залежи.

Для повышения эффективности использования залежи, снижения затрат на производство удобрения и повышения его качества оптимальные глубины залегания слоя разработки определяли из условия, что сапропель должен иметь установленные свойства, которые связаны с наблюдаемыми параметрами X к следующим об -разом.

Сапропель может быть использован на удобрение, если его параметры Хк (физические, агрохимические, микробиологические свойства) изменяются в заданных,пределах, т.е.

(б)

где ~ интервал возможной вариации параметра Хк;

£ '-.-число наблюдаемых параметров.

Если для конкретного озера заданы (6) и определены для каждого параметра Хк регрессионные зависимости изменения этого параметра от глубины залегания $ :

1Щ

х* = Е

¿-о

и . * = а. ... <7>

то задача определения глубин разработки залежи может быть решена следующим образом.

Для каждого /(= решали уравнения:

V ¿.¿Г ■ „

1-0

1-0

и находили и I - , * • I ~ I и

> / - '' > А." ) / - !> 'Ы

1а основании и строили интервалы

т.е. для кавдого конкретного параметра Хк определяли слоев [ Ад, я] сапропеля в озере, свойства которого

по параметру Хк соответствовали требованиям. Если бы наблюдали только изменения по глубине параметра Хк, то оптимальными глубинами разработки были бы: 1 { _ Г~7

[/О., « ; \ ,

Так как имеется 5и параметров, то для нахождения.глубин разработки сапропеля, свойства которого удовлетворяют (б), требуется найти пересечение всех интервалов

(¡1 «а

к* Р

г и, н > '¡¿. I

для всех к=1, £ :

(9)

Присутствие индекса ^ означает, что пересечение (7) может даиать £ непересекающихся интервалоп [ , ¡1 , это на практике означает, что оптимальных слоев разработки сапропеля со свойствами (6) может быть не один, а £ .

С помощью ЭВМ в соответствии с эмпирическими значениями характеристик сапропеля и требованиями технологических параметров, определены оптимальные глубины значения слоев для промышленной .разработки.

Нами доказана целесообразность послойной разработки сапропеля и разработана методика для определения глубин движения рабочего органа, в которых обеспечивается высокое качество сапропеля (рис.1).

Полученные результаты исследований коренным образом меняют казавшиеся очевидными представления о разработке залежи и открывают принципиально новые возможности для рационального

РисЛ Зависимость показателей сапропеля » от глубины залежи и параметры ее разработки

-СаО;---/> 0,;-4-РсД;-е-;

-М;-т-рН;-а- 3; ——*-Л/.

использования сапропеля в соответствии с требованиями в растениеводстве на удобрение, в животноводстве на кормовые до -бавки, в медицине на лечебные грязи, в промышленности на строительный материал. Установлено, что бессистемный и научно необоснованный подход к разработке залежи приводит к потере ценных для органических удобрений соединений, особенно при длительном обезвоживании и хранении сапропеля, что обусловило его разработку естественной влажности и приготовление удобрения в короткие сроки.

Кроме того, органические удобрения должны не только улучшать питание растений, но и изменять условия существования почвенных микроорганизмов. Количественный микробиологический

анализ показал, что число микробов в I г сырого сапропеля на разных глубинах залегания различное. Так, на глубине 0,5 м оно составляло 253...135 тыс/г, а на глубине 1...9 м - от 95 до 36 тыс/г. Установлено, что верхние слои залежи подвержены действию более высоких температур и в пелогенном слое происходит процесс разложения растительных остатков с хорошим содержанием кислорода. С увеличением глубины влияние температурного и влажнос-тного фактора снижается, уменьшается количество кислорода и воздействие солнечной радиации, поэтому большинство микробов находится в состоянии покоя. Активизация микробиологической деятельности влияет на содержание подвижных и легкогидролизуемых соединений и определяет качество удобрений. Для улучшения свойств сапропеля нами определены наиболее эффективные органические добавки. Это - жидкий навоз крупного рогатого скога и свиней.

Установлено, что через 20 дней хранения в компосте преобладают шаровидные бактерии, микрококки, диплококки, стрептококки, бактерии, осуществляющие гнилостный процесс, аммони-фикаторы.

Через 40...60 дней преимущественно выделяются палочко -видные бактерии, актиномициты, грибы, осуществляющие процессы аммонификации, нитрификации, маслянокислое брожение, разложение клетчатки. Активность микроорганизмов значительно возрастает при увеличении доли сапропеля в компосте.

Получены уравнения регрессии показателей, характеризующих эффективность микробиологического и химического состава удобрений, и установлено, что для улучшения свойств сапропеля не требуется больших доз жидкого навоза и наиболее благоприятные условия проявляются при соотношении компонентов 10:1, влажности 80%, положительных температурах хранения 5... 15°С в течение 1,5 месяца, что позволяет за короткий срок значительно улучшить качество удобрений.

В третьей главе приведены методы моделирования технологических процессов разработки сапропеля на удобрение и результаты экспериментальных и теоретических исследований обоснования рабочих органов и.-.режимов работы.. Выявлено, что для подачи сред густой консистенции с механическими и волокнистыми включениями растительных остатков целесообразно использовать

объемные и динамические насосы. Е результате многофакторных экспериментов получены уравнения регрессии зависимости напора, подачи, мощности при перекачивании сапропеля различной влажности и установлено, что напор центробежного насоса за -висит от частоты вращения вапа и относительной влажности сапропелевой пульпы. С увеличением этих показателей напор возрастает почти прямолинейно и зависит от температуры сапропеля. Максимальную подачу и наибольший напор насос развивает при частоте эращения, равной верхнему уровню - 50 С-^, влажности сапропеля - 93%, температуре - 1б°С. Показатели шестеренчатого насоса - напор, подача и потребляемая мощность зазисят в основном ог частоты вращения вала и влажности сапропеля, при этом значимость этих факторов почти одинакова. Проверкой на экстремум установлено, что наибольший напор насос обеспечивает при влажности сапропеля 95% и температуре -16°С. Кроме того, на работу насоса значительно влияет гранулометрический

состав сапропеля, который вызывает повышенный шум в работе и его нагров при низкой влажности сапропеля.

Для подачи сапропеля естественной влажности эффективно использовать шнековык нагнетатель, рабочие параметры которого, в основном, зависят от частоты вращения шнека, влажности сапропеля и температуры (рис.2).

Шнековый нагнетатель обеспечивает подачу сапропеля густой консистенции влажностью 75...85%, прост по конструкции и пуску,не требует запорной аппаратуры и большие проходные сечения обеспечивают подачу смесей с механическими включениями. Для повышения эффективности технологических процессов получены математические модели истечения сапропеля естественной влажности через отверстия различной формы, которые позволяют обосновать выбор круглого сечения проходных каналов в напорной гидравлической системе подачи и повысить надежность ра -ботк.

С учетом физико-математической модели взаимодействия сапропеля с винтовыми поверхностями и напорной гидравличес -кой системой разработан алгоритм определения конструктивных параметров шнекового нагнетателя. Задав рабочие условия: высоту подъема сапропеля со дна озера Н, угол подъема $ , диаметр трубопровода 5> , расстояние транспортировки ь , длину шнека 2 по предварительной оценке технологического процесса

Рис.2. Зависимость напора от влажности сапропеля и частоты вращения шнека

определели, что для расхода 0. = 120 м°/час необходим перепад давлений равный ¿Р =0,2 МПа. Для определения конструктивных параметров устанавливали пределы частоты вращения шнека П = (8,3...50) С-1 и длину шнека £= (0,4...I,5) м. Физико-механичэские свойства сапропеля и физические константы задавали в следующих пределах: вязкость - 1 = (10-20)ТО-3 Па'С; предельное напряжение сдвига - Х0 = С Г—20) Па; плотность сапропеля - ^ = (I,01-1,07)•Ю3 кг/м3; плотность .воды - = Ю3 кг/мэ; ускорение свободного падения - ^ =9,81 м/с*".

С шагом &4Г , , й конструктивные параметры

насоса изменяются:

шаг шнека Т-Тц+/л^г ,

где у - изменяется от 0 до/^т- , а /Кг таково, что

Т= Тн +}-аЬт>у ти

внутренний диаметр втулки

3>2-(¿^ , где ¿ - изменяется от О до , где удовлетворяет условию , Ып'ЛъЪЗ)?

внешний диаметр ступицы

где Д - изменяется от 0 до , где л4>, удовлетворяет уело-ШЮ

Последовательно для всех )€[0,/Уг], £ £ /[£ [о, вычисляли перепад давления л/?:

4Р - ~\[Щ\з>1-з>;г7-

+ и (10)

где

&(тсг£}-т2Н2и + г,; "гт^рт2

Если для конкретных значений ^ , £ и получали, что др>2Ч05Пъ,

то конструктивные разморы нагнетателя считаются выбранными.

Результаты расчетов на ПЭВМ по алгоритму позволили получить частоту вращения, длину и шаг шнека, внутренний диаметр корпуса, диаг/етр ступицы шнека и другие исходные данные на проектирование конструкции нагнетателя. Проверка расчетных данных показала, что прочность вала ротора по материалу сталь-45 обеспечена коэффициентом запаса 4,2 при допустимом значении 2,5. Винтовая поверхность шнека, с местной заделкой при сварке двойным швом на изгиб имеет напряжение 42,6 МПа, что ниже допустимого значения 100 МПа.

Давление на упорную часть подшипника в горизонтальном режиме работы равно 3;8 МПа, а в наклонном 4,2 МПа, что меньше 5 МПа - предельно допустимого удельного давления и удовлетворяет несушей способности подшипников.

Установлено, что гранулометрический состав сапропеля

при необоснованных режимах работы может оказывать влияние на коррозионно-механический износ рабочих органов. Математическая модель износа показала, что наибольшее воздействие вызывает путь пробега, а скорость и влажность влияют избирательно. При длительном пребывании конструкционных материалов в среде сапропеля коррозионное разрушение визуально не наблюдается. Математическими моделями установлено, что незначительное уменьшение массы зависит от марки материала и влажности сапропеля, что обеспечивает подход к выбору коррозионно-меха-нической стойкости конструкций и повышению надежности рабочих органов.

Элехтро-фиэическое воздействие на сапропель в напорно-гидравлической системе подачи приводит к переходу рыхлосвяэ-ной влаги с ь'алым энергетическим уровнем в свободную форму и на внутренней поверхности трубы образуется пленка воды, которая при утолщении не имеет начального сопротивления сдвигу, и служит экраном для молекулярного взаимодействия фаз, имеет малое адгезионное'взаимодействие и обладает смазочным свойством.

Нз основе проведения многофакторных экспериментов и взаимодействия сапропеля с рабочими поверхностями гидравлической системы подачи установлено, что магнитная обработка сапропеля при напряженности поля 7'10°...12'10^ А/м обеспечивает обра -зозание промежуточного водяного слоя на границе раздела фаз и ослабление адгезионной связи, что приводит к увеличению подачи насоса на 20...22% и уменьшению потребляемой мощности на 5...7%. Воздействие электроосмоса увеличивает подачу на 9... 12/£ при оптимальных значениях напряжения тока 28,8 В и влаж -ности сапропеля 78%.

Водоотдача сапропелей во многом зависит от соотношения органической и минеральной составляющей твердой фазы. С увеличением степени минерализации уменьшается число коллоидных частиц в суспензии и водоотдача сапропелей увеличивается. В' твердой фазе суспензий органических сапропелей преобладают коллоидные частицы. Как коллоидная система органические сап-ропели обладают высокой структурообразующей особенностью удерживать влагу, которая имеет три группы связи: химическую, физико-химическую и физико-механическую. Для эффективного отделения влаги от сапропеля необходим комплексный подход с при-

менением нескольких способов обезвоживания. Снижение влажности фильтрованием в толстых слоях показало, что сапропель интенсивно отдает свободную влагу до определенного предела, а затем процесс практически прекращается. Установлено, что за -висимость коэффициента фильтрации ст высоты слоя близка к линейной.

Получены математические модели снижения влажности испа -рением и установлено, что влажность изменяется с увеличением слоя и процесс протекает тем интенсивнее, чем ниже исходная влажность.

Получена математическая модель механического обезвоживания. Установлено, что при незначительном воздействии на сапропель происходит прессование фракций и нарушается фильтрование слоя. Дальнейшее увеличение нагрузок приводит к проходу через сита механических фракций и их залипанию. Наилучший эффект достигается при давлении 0,009 МПа, размер ячеек сит 1,3 мм^, влажности сапропеля 94,5%. Стремление уплотнить органический сапро -пель приводит к возрастанию удельного сопротивления, увеличе -нию содержания трудноудаляемой воды, вследствие уменьшения количества свободной воды и отделения мелкодисперсных и коллоидных частиц возможно лишь в случае преодоления электрокинетического потенциала или снижения его до значения, близкого к нулю.

В результате многофакторных экспериментов получены урав -нения регрессии и установлено, что магнитная обработка сапро -пеля ускоряет естественный процесс снижения влажности более чем в два раза, и эффект сохраняется в течение суток.

Импульсное внешнее магнитное поле, действуя на сапропель, раскачивает и ослабляет клеточное построение макромолекул воды. Вода из связной превращается в свободную и отделяется от органики сапропелевой массы. При увеличении энергии магнитного воздействия свыше критической молекулярной начинают проявляться обратные явления, происходит упордцочение молекул воды в новые плотные ассоциации, которые обволакивают частицы сапропеля и прочно удерживают. При этом количество свободной воды снова уменьшается, а прочносвязной увеличивается и процесс обезвожйвания замедляется.

Воздействие электромагнитного поля носит избирательный характер и имеет максимум при энергии 12,5 Дж, напряженности поля 12*Ю^ А/м и продолжительности омагничивания 30 с, что

позволяет производить магнитную обработку при движении сап -ропелевой массь: по трубам, не ограничивая технологический процесс.

Электрическое поле высокого напряжения также оказывает положительное влияние на снижение влажности. Получены мате -матические модели определения удельной производительности и расхода электроэнергии. Установлено, что наилучший эффект достигается при напряжении поля 995,1 кВ/м и длительности обработки 10 с.

. При электроосмотическом обезвоживании под действием постоянного тока хаотическое движение молекул переходит в на -правленное и жидкость фильтруется через поры сапропеля. Полученные уравнения регрессии определения производительности, энергоемкости, степени уплотнения сапропеля показали, что в течение первого часа электроосмос ускоряет отделение влаги в десять раз, но при более длительном процессе происходит снижение плотности тока и производительности.

Установлено, что в результате приращения температуры в течение часа на 50...54°С осаждающиеся на аноде коллоидные частицы затвердевают, увеличивая переходное сопротивление и пассивацию электродов.

Удельная энергоемкость растет почти пропорционально плотности тока и длительности электроо'бработки. На отделение I м3 воды затрачивается 95,4 кВг.ч электроэнергии, а степень уплотнения массы сапропеля возрастает при увеличении плотности тока и времени воздействия.

При производстве сапропелевых удобрений в непрерывной технологической линии целесообразно использовать комплексный подход снижения влажности с использованием магнитной обработки, инфильтрации, влаги в грунт с интенсификацией естественной сушки в тонких слоях.

В четвертой главе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, которые позволили разработать методы расчета и обосновать параметры шнекового нагнетателя и напорной гидравлической системы подачи сапропеля естественной влажности, изучить динамику протекания.процессов и дать математическое описание условий их работы.

Для определения необходимых параметров рассмотрели дви -

жение частицы сапропеля, опирающуюся на винтовую поверхность при наклонной расположении оси шнека (рис.3).

СЕедя задачу к рассмотрению относительной и осевой скорости в результате математических преобразований и решения дифференциальных уравнений определили осевой напор, развиваемый нагнетателем:

+ру. ТсозI(тс2Т2),

где р - плотность сапропеля, кг/м3;

^ - ускорение свободного падения, м/с^; п - пластическая вязкость, Па'с;

- предельное напряжение сдвига, Па; 0 - азимутальная координата, рад.

Установлено, что осевой напор существенно зависит от поперечных размеров нагнетателя, шага шнека, азимулаьной координаты и меньше от угловой скорости вращения.

В результате математических преобразований для инженерных расчетов получена формула определения производительности:

где К

а,- коэффициент, характеризующий взаимосвязь параметров заполненного сапропелем нагнетателя.

Выход сапропеля из нагнетателя осуществляется через бо -ковое отверстие в корпусе, поэтому рабочее давление можно рассматривать как давление на корпус в месте расположения отверстия. Проинтегрировав уравнение осевой скорости по интервалу (й, , ¿¡2 ) И преобразовав математически полученное выражение,

определили общее давление на корпус:

2(м >

где1 - давление на ступицу шнека, Па;

- коэффициенты, характеризующие взаимосвязь конструктивных параметров нагнетателя и физико-механических свойств сапропеля;

Рис.3. Силы и скорости, приложенные к материальной точке:

- сила тяжести элемента сапропеля, Н; \Zntf, - переносная скорость, м/с;

ТГ - относительная скорость, м/с; V* - абсолютная скорость, м/с;

- центробежная сила инерции, Н; ~р~ - кориолисова сила инерции, Н;

Т - шаг шнека, м; р - угол наклона оси шнека, рад.

- величины, характеризующие показатели осевого градиента давления Па/м; 2 - осевая координама, м.

Из формулы (14) видно, что наибольшее значение на давление оказывает центробежное давление, представленное вторым членом, и угол наклона. Поэтому подачу сапропеля целесообразно осуществлять при горизонтальном положении насоса, поскольку в этом случае к большому центробежному давлению добавляется осевое, постоянная составляющая которого представлена третьим членом.

Рассмотрев составляющие давлений применительно к условиям работы, получили давление, развиваемое насосом при подаче сапропеля по напорной гидравлической системе:

•р2 = ^ ¿у оф/б-0тр)г + а5)

где р^ - плотность воды, кг/м3;

Н - глубина разработки залежи, м.

Установлено, что при движении сапропеля естественной влажности в центральной части трубы образуется и движется пластическая пробка. Между стенкой трубы и границей пробки обра -зуется пограничный слой:

Уп-2Ъ/р . (16)

где Ор - градиент продольного давления, Па/м, (^г^Д// ); ¿р - перепад давления, Па; £ - длина пробки, м.

С уменьшением скорости движения пробки и величины пограничного слоя вязкая оболочка пробки работает подобно слою жидкой смазки, увеличивая скорость движения. Производительность гидротранспорта равна:

Ф^Мх + з**)' (17>

где* в у - - (18)

Л " Р " <РаР ' (Лп - диаметр пластической пробки, м; р - диаметр трубы, м.

Установлено, что производительность гидротранспорта повышается с ростом градиента давления, уменьшением паузейлевой вязности и с использованием труб, не смачиваемых сапропелем.

При внешнем воздействии магнитным полем на сапропёль вытесняемая влага на границе раздела фаз образует тонкий слой смазки и скорость пробки равна:

~5}2)> <19>

где ~ пластическая вязкость воды, Па"с;

£ - толщина смачивающего слоя воды, м; - радиус пластической пробки, м.

Установлено, что область поперечного магнитного поля является фактором постоянного смачивания внутренней поверхнос -ти трубопровода, что приводит к повышению эффективности напорной гидравлической системы подачи.

В результате математических преобразований формулы (17)

получено уравнение четвертой степени:

+ (20)

графическое решение которого в совокупности с экспериментальными данными позволяет в нелабораторных условиях экспресс-анализом определить напряжение сдвига и пластическую вязкость сапропеля.

В пятой главе разработаны технологическая схема послой -ной разработки сапропеля естественной влажности на удобрения и основные пути наиболее рационального-выбора механизированных комплексов, обеспечивающих выполнение всех операций технологического цикла с учетом требований производства и охраны при -родной среды. Выделены три независимых комплекса: подготови -тельный - связанный с подготовительными работами для разработки сапропеля на удобрения; основной - обеспечивающий выполне -ние работ по разработке залежи и приготовлению удобрений; за -ключительный - связанный с погрузкой удобрений и вывозкой на поля.

В первый технологический комплекс включены три цикла работ:

- подготовка установки для извлечения сапропеля из залежи;

- монтаж напорно-гидравлической системы подачи сапронеля

г1"

на берег;

- подготовка площадки для производства удобрений.

Этот комплекс в каждом конкретном случае уточняется' на

месте работ в зависимости от места расположения озера, со -стояния береговой части и рельефа местности.

Второй и основной комплекс включает в себя три цикла работ и одну дополнительную операцию. Циклы работ следующие:

- извлечение сапропеля из залежи и подача на берег в транспортные средства;

- транспортировка и расстил на площадку;

- сушка и приготовление удобрений.

Дополнительная операция: доставка жидкого навоза и его дозировка.

В заключительный входят два цикла:

- погрузка удобрения и транспортировка.

- - По всем циклам дано описание работ с указанием технических средств, технологических параметров й рабочих органов, созданных на основании проведенных исследований.

Разработка сапропеля из озера выполняется в соответствии с материалами поисково-разведочных работ и изучением объекта в натуре. При наличии на берегу удобного места для подъезда транспортных средств установку по воде буксируют к берегу носом. В соответствии с материалами разверки и оптимизацией параметров залежи для послойной разработки сапропеля по маршруту установки ставят оешки с параметрами заглубления рабочего органа. Напорно-гидравлическая система подачи сапропеля на берег монтируется горизонтально на опорах. В начале магистрали устанавливается обратный клапан и вставка для магнитной обработки сапропеля. В конце магистрали трубопровод приподнят на 3 м и имеет насадку для загрузки транспортных средств.

Участок для размещения площадки сушки,н приготовления удобрений выбирается на расстоянии до I км от озера с уклоном поверхности 0,001 . Почвы по механическому составу должны быть песчаными или супесчаными. Грунтовые воды покрыты толстым слоем глины и находятся не выше 5 м от поверхности почвы.

Размер карты выбирается исходя из 10-дневной производи -тельносги установки и укладки сапропеля слоем 30...35 см. Площадку разбивают на карты с выделением площади под дороги с последующей обваловкой.

Сплошное глубокое объемное рыхление карг производится с помощью рыхлителя РГ-0,5. Орудие заглубляется на ходу в откос открытого коллектора перпендикулярно его оси.

Перед проведением работ составляют календарный пран мероприятий с учетом температурных условий воздуха, уровня озера от паводковых вод, условий влажности почв (15...30%). Наиболее благоприятный период разработки сапропеля май-сентябрь.

Комплекс машин для выполнения процесса разработки сапропеля выбирается при соблюдении условий:

- полной здгрузке машин при соответствующем объеме работ;

- непрерывности технологического процесса путем рацио -нального выбора машин, имеющихся в сельскохозяйственном производстве .

Разработка залежи производится проходкой вдоль вех с возвращением к начальному положению установки и с движением ее в сторону на ширину траншеи до полной выработки установленного слоя. Скорость движения установки устанавливается в пределах 6...8 м/мин. в зависимости от влажности сапропеля. После разработки траншеи производится перазакрепление канатов на обоих берегах, их концы перемещают на 4...5 м и закрепляют параллельно позиции установки. При наличии на берегу неудобных мест для подъезда транспортных средств, разработку Еедут веерным способом.

При технологическом процессе сапропель из залежи скрепе-рующе-заборным устройством перемещается к шнековому нагнетателю, который подает его в бункер-наполнитель. После заполнения бункера установка подтягивается к берегу и сапропель нагнета -телем по трубопроводу с магнитной обработкой подается на берег в прицеп для смешивания с жидким навозом в соотношении 10:1. Трактор Т-150К массу перевозит на площадку приготовления удобрений, где ее расстилают слоем 0,30...О,35 м. По мере подсыхания для улучшения инфильтрации влаги в грунт и образования щелей для испарения массу обрабатывают чизельным культиватором. При дальнейшей сушке с целью ликвидации корки, образования глыб и улучшения качества удобрения массу рыхлят тяжелой при -цепной бороной БДТ-3, а затем перемешивают и измельчают болотной фрезрой ФБН-1,5.

По завершению технологического процесса приготовления

2Э

удобрений, погрузчик ПНД-250А, двигаясь по площадке, дпполни-тельно измельчает массу заборным рабочим органом и загружает в машину для внесения органических удобрений ПРТ-10, которую трактор Т-150К транспортирует на поля.

В комплекс машин для разработки и подачи сапропеля естественной влажности введены новые рабочие органы: шнековый нагнетатель, со скреперующе-заборным устройством и вставка для магнитной обработки сапропеля. Созданные средства механизации и технологические комплексы позволяют разрабатывать залеж естественной влажности и повысить качество сырья, снизить сопротивление движению при подаче и улучшить сушку с уменьшением площадей и ликвидацией вод обратного сброса.

Добавление яидкого навоза в сапропель позволяет улучшить агрохимические, микробиологические и физико-механические свойства удобрения. Все предлагаемые технологические процессы направлены на улучшение качества и свойств удобрения, повышение плодородия почвы, снижение затрат и охрану окружающей среды.

Разработана организация поточного производства механизированных работ с учетом производительности ведущей машины комплекса, установки для разработки сапропеля, которая задает ритм работы и влияет на обоснование состава технических средств и обслуживающего персонала. Установлено, что за смену на площадку укладывается 184,8 тонн сапропеля, а за сезон - 24024 т.

Исходя из объема производства удобрений и сроков приго -товления, составлена технологическая карта производственных работ, обеспечивающая работу конвейера производства удобрений. Обоснован состав технических средств и обслуживающего персонала, обеспечивающих точность выполнения технологических процессов.

Установлено, что поточное выполнение раббт основного производства обеспечивается механизированным отрядом в составе 4 агрегатов и 4 человек. Путем совмещения операций на заправке и подвозке жадного навоза, культивации, рыхлении, фрезеровании с использованием одного трактора сокращается количество машин в отреде и численность обслуживающего персонала. Разработку сапропеля выполняет комплексный отряд, состоящий из звена проведения подготовительных работ (3 человека), основного производства (4 человека) и заключительного этапа погрузки удобрения и вывозки на поля (6 человек).

Разработаны требования оперативного контроля качества проводимых работ и отдельные рациональные варианты организации внедрения наиболее перспективных технологических процессов послойной разработки залежи, подачи сапропеля естественной влажности, улучшения качества и сушки.

В производственных условиях установлено, что интенсив -ность отказов установки для разработки сапропеля в среднем равна 0,004. Наибольшее количество откаэоЕ наблюдается у погрузочного устройства и грунтопровода. Наиболее надежным является шнаковый нагнетатель с заборным устройством с коэффи-центом отказа 13,и наработкой на отказ 3043,6 т. Менее надежны в работе погрузочное устройство и грунтопровод. Вероятность безотказной работы шнекового нагнетателя с заборным устройством равна 0,5, средняя частота отказов 0,003, что свидетельствует о высокой надежности разработанных рабочих орга -нов. Значительное число отказов системы связано с недостатка -ми в организации работ по техническому обслуживанию, с нарушениями условий эксплуатации и режимов работы. В связи с этим разработана организация производства механизированных работ и ежемесячное техническое обслуживание.

В предлагаемой технологии разработки сапропеля на удобрение по охране окружающей среды внедрен комплекс научных, технико-производственных, экономических и административно-правовых мер, направленных на сохранение озер в процессе выработки за -лежи, а также на предотвращение отрицательных последствий, связанных с компостирозанием сапропеля и сбросом сточных вод"в водоемы. Наибольший экологический эффект при послойной разработке залежи обеспечивает грунтозаборное устройство скреперующего типа, не создающее мутности и отрицательного воздействия рыбам, что достигается обоснованными режимами движения и правильной организацией технологии разработки залежи.- На месте разработки контрольные варианты воды не превышают допустимые пределы БПК-6 мг/л и ХПК - 30 мг/л. Содержание нитратов и нитритов ниже предела возможного токсичного действия, нефтепродукты отсутствуют. Сухой остаток составил 150 мг/л, а взвешенные вещества - 13 мг/л. Кроме того, в результате разработки сапропеля естественной влажности не происходит понижение уровня воды в озере, переосушение прибрежных земель и отсутствует сброс осЕетвлен -ной воды в водоем.

Предлагаемая технология позволяет организовать непрерывный конвейер производства удобрений повышенного качества. Результаты исследований показали, что сапропель с органическими добавками оказывает положительное влияние на рост и развитие ячменя в сравнении с базовым вариантом (табл.1).

Таблица I

Влияние сапропелевых удобрений на рост и развитие ячменя

Варианты ¡Вь,°°та \

Вес ! Вес ¡Сохранивши Погибших стеблей,! листьев,¡растений,! растений, г ! г ! % ! %

Контроль

Сапропель

Сапропель + жидкий навоз

Сапропель + жидкий навоз свиней

56,7 64,4

61,0 60,4

27.4 16,9

22.5

22.6

22.7

27.1

28.2

27.8

84 72

98

96

16 28

2 4

Внесение удобрений под картофель повысило его урожай -ность, улучшило качество продукции, а также оказало положи -тельное влияние на почвенную микрофлору и обогатило почву полезными микробами, повысило их деятельность (табл.2).

Таблица 2

Влияние сапропелевых удобрений на микробиологическое состояние почвы

!_Количество микробов в I г почвы, тыс._

Варианты | Всего | Бактерии jАктиномнцеты, Грибы _¡июнь !сент.!июнь 1сент.!июнь !сентяб!июнь!сент.

Контроль 750 600 450 300 200" 100 100 200

Сапропель 1600 600 800 300 300 200 500 100

Сапропель + жр^кий навоз 2100 2200 1600 1500 300 300 200 400

Сапропель + жздкий навоз свиней 2000 1700 1400 1300 400 300 200 100

Расчеты технико-экономической эффективности показали,что !

при внедрении в производство технологии производительность ра- : бот увеличивалась в 1,65 раза. Балансовая стоимость комплекса ;

машин снизилась в 1,42 раза, металлоемкость в 1,35 раза, производственные затраты на I т удобрений в 2,12 раза. В результате послойной разработки сапропеля естественной влажности уменьши - : лась занятость площадей на 4,<!7 га и улучшились показатели охраны окружающей среды. |

ВЫВОДЫ :

1. На Северо-Западе РУ5 для повышения плодородия почвы и увеличения выпуска продукции растениеводства целесообразно ис -пользовать ресурсы сапропеля, которые при послойной разработке | естественной влажности совместно с органическими добавками ока- j зывают положительное влияние на рост и развитие сельскохозяйст- 1 венных культур и микробиологическое состояние почвы. ;

2. Физико-механические свойства, агрохимические и микро -биологические показатели, характеризующие качество сапропелево- ; го сырья для удобрения, с увеличением глубины залежи изменяют -

ся в широких пределах: влажность от 93,4...78,7%; органическое вещество от 68,2...32,9«; дисперсность от 0,86...0,07; зольность от 31,8...67,1%; окись кальция от 1,17 до 20,95%; фосфора от 0,25 до 0,18%; железа от 3,28 до 2,0]$; азота от 2,72 до 1,85%; серы от 1,17 до 0,93%; кислотность от 6,88 до 5,94; количество ; микроорганизмов от 25,3 до 36 тыс./г. Фракции гранулометричес -кого состава содержат от 3 до I мм, неразложившиеся раститель - | ные .остатки от I до 0,01 мм, органические отложения и физичес - ; кий песок меньше 0,01 мм, неразложившиеся органические отложе - ] ния и физическую глину. |

В связи с этим для повышения коэффициента использования !

залежи, удобрения и снижения затрат на производство разработ - ]

ку сапропеля необходимо проводить послойно, установленного ка- 3

чества, естественной влажности. |

3. При производстве сапропелевого удобрения для улучшения | химических и микробиологических показателей целесообразно ис - | пользовать органические добавки. При этом наилучшие свойства | проявляются при использовании жидкого навоза крупного рогатого ]

скота и свиней при соотношении сащропеля к навозу 10:1, влажности - 80%, температуре - 5...13°С, сроке хранения -1,5 месяца.

4. Для подачи сапропелл густой консистенции влажностью 88-79$ с механическими и волокнистыми включениями растительных остатков необходимо использовать шнековый нагнетатель, наилучшие рабочие параметры которого обеспечиваются при частоте вращения шнека - 17,5 шаге - 0,18 м; длине шнека -1,4 м; внутреннем диаметре корпуса - 0,25 м; внешнем диаметре ступицы - 0,16 м.

5. При необоснованных режимах взаимодействия сапропеля с конструкционными материалами гранулометрический состав, влажность, скорость и путь пробега могут вызывать коррозион-но-механический износ стали СТ.З до 22,01 мг/см^'ч, наиболее благоприятные режимы работы при скорости 4,10...4,70 м/с и влажности 76...86$.

При длительном пребывании металла в среде сапропеля визуально следов коррозиончого разрушения не наблюдается, лишь инструментальным путем установлено незначительное уменьшение массы: сталь 40Х - 0,048 г/ск^, сгаль 45 - 0,055 г/см^, сталь СГ.З - 0,074 г/см".

6. Электрофизические воздействия на сапропель в гидрав -лической системе подачи на границе раздела фаз обеспечивают образование промежуточного водяного слоя и повышают ее эффективность. При напряженности магнитного поля 7*10^...12'10 А/м подача насоса увеличивается на 20...22$, с уменьшением потребляемой мощности на 5...7&, при напряжении электроосмотического воздействия 28,8 Б подача возрастает на 9...12$ с увеличением коэффициента электроосмоса на 16...Ш5.

7. Установлено, что для интенсификации удаления свобод -ной и связной воды из сапропеля целесообразно использовать фильтрование в грунт с коэффициентом фильтрации 7,4'Ю-^ ... 2,1 х 10""^ см/с, механическое воздействие при давлении 0,004 0,01 МПа, размере ячеек сита 1,3 мм" и влажности сапропеля 94,3?. Обработка сапропеля магнитным полем с энергией 12,5 Дж и напряженностью 12'Ю4 А/м •гакже ускоряет процесс обезвоживания более чем в 2 раза, а электроосмотическое воздействие

при плотности тока 10...15 А/м в течение 50 мин. ускоряет процесс почти в Ю раз.

8. При разработке сапропеля на удобрение необходимо применять комбинированный способ, снижения влажности с использо -ванием электрофизического, механического и естественного процессов воздействия с технологическими параметрами: магнитной обработкой в течение 30 с, толщиной слоя расстила сапропеля 0,30...0,35 м, фильтрованием влаги в грунт с объемным глубо -ким рыхлением на 0,5 м и естественной сушкой с щелеванием, рыхлением и фрезерованием массы.

9. При подаче сапропеля естественной влажности для повышения производительности гидротранспорта необходимо использовать трубы, не смачиваемые сапропелем, и уменьшать Паузейле -вуга вязкость. Область поперечного воздействия магнитного по -ля способствует смачиванию внутренней поверхности трубопровода свободной водой до 7,82л ц на границе раздела фаз создает пленку воды толщиной до 7,5 мкм.

10. Разработан новый научный подход для определения зна -чений физико-механических свойств сапропеля - предельного напряжения сдвига и пластической вязкости в совокупности с теоретическими и экспериментальными исследованиями течения сап -ропеля в напорной гидравлической системе.

11. Наиболее экономически целесообразным является способ послойной разработки сапропеля естественной влажности 88-79^. В этом случае металлоемкость технологического комплекса ма -шин снижается в 1,35 раза, энерговооруженность на одного среднегодового рабочего на 46,62 кВт, занятость площадей уменьшается на 4,28 га с улучшением показателей охраны окружающей среды.

12. Использование технологии и комплекса машин для послойной разработки сапропеля на удобрения дает высокий экономический эффект. Выход продукции с единицы площади увеличивается в 1,65 раза с улучшением качества удобрения.

Производственные затраты окупаются за 0,5 года. Себестоимость I тонны удобрения составляет 1,44 рубля, а годовой экономический эффект от внедрения технологии составляет 47496 рублей (в ценах 1991 года).

г

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДОМ РАБОТЫ

1. Морозов В.В., Смирнова JI.I1., Иванов A.B. Агрохимическ; характеристика сапропеля. - Материалы XXX научно-практическо! конференции "Научные разработки и передовой опыт - производс Псковской области". В.Луки, 1902, с.83-84.

2. Макарова Г.В., Морозов В.В. Обезвоживание сапропеля э, трической коагуляцией. - Материалы XXX научно-практической к ференции "Научные разработки и передовой опыт - производству Псковской области". В.Луки, 1992, с.82-83.

3. Волошин Ю.И., Морозов В.В. Динамика движения сапропел, шнековом нагнетателе. - Материалы XXX научно-практической ко .ренции "Научные разработки и передовой опыт - производству П ской области". В.Луки, 1992, с.101-102.

4. Морозов В.В., Фомин В.Н. Оптимизация шнзкового насоса транспортировке сапропеля. - Псков, ЦНТИ, 1992, № 175. - 2 с

5. Морозов В.В., Фомин В.?!. Использование центробежных н сов для добычи сапропеля. - Мелиорация и водное хозяйство. I № 3, с.19.

6. Морозов В.В., Сазыкова С.П. Трансформирование сапропе органическими удобрениями. - Земледелие, 1993, № 3, с.26.

7. Морозов В.В., Фомин В.Н. Обезвоживание сапропеля магн ной обработкой. - Техника в сельском хозяйстве, 1993, № 5-6,

8. Морозов В.В. Резервы Псковского края. - Проблемы реги ной экономики Пскова. Псков, 1993, с.14.

9. Сазыкова С.П., Морозов В.В. Микробиологическое состоя сапропеля в озерах. - Проблемы региональной экономик!: Пскова Псков, 1993, с.15.

10. Макарева Г.В., Морозов В.В. Обезвоживание сапропеля роосмосом. - Проблемы региональной экономики Пскова. Псков, с.16.

* II. Волошин Ю.И., Морозов В.В. Сопротивление течения сап ля в трубах. - Проблемы региональной экономики Пскова. Пское 1993, с.17.

12. Морозов B.B., Катченков H.С. Сапропель - преобразователь ржавчины. - Псков, ЦНТ'И, 1993, f 5. - 2 с.

13. Морозов В.В. Природоохранная технология очистки озер.

- Экология и здоровье. Пенза, 1993, с.43-45.

14. Морозов В.В., У5омин В.Н. Обезвоживание-сапропеля спо -ссбом магнитной обработки. - Псков, ЦНТИ, 1993, № 10. - 2 с.

15. Морозов В.В., Волошин Ю.И. Критерий перехода ламинар -ного режима течения сапропеля по трубо в турбулентный. - Псков, ЦНТИ, 1993, № 12. - 3 с.

16. Морозов В.В. Влияние добычи сапропеля на эвтрофию озер.

- Проблемы экологии в сельском хозяйстве. -.Часть П, Пенза, 1993, с.14-16. '

17. Морозов В.В., Милохин В.К. Механическое обезвоживание сапропеля. - Псков, ЦНТИ, 1993^ № 2I4V - 2 с.

18. Морозов В.В., Сазыкова С.П. Обогащение сапропеля органическими добавками. - Псков, ЦНТИ, 1993, № 215. - 2 с.

19. Спасов В.П., Морозов В.В. Улучшение качества сапропе -левого удобрения. - Научн.тр./1-й Всероссийской научн.-практ. конференции "Комплексные'исследования сапропелей,' производства и использования сапропелевой' продукции в различных отраслях народного хозяйства". - М.: Интерлист, 1994, с.115-117.

20. Морозов В.В. Снижение сопротивления движению сапропеля. - Науч.тр./1-й Всероссийской научн.-практ.конференции "Комплексные исследования сапропелей,'производства-и использования сапропелевой продукции в различных отраслях народного хозяйства". -М., Интерлист, 1994,-с.121-123..' •'■ .....

21. Катченков С.А., Морозов В.В., Милохин,В.К/ Эрозионный износ материалов в среде, сапропеля.', - Материалы XXXI .научно-практической конференции "Наука и передовой.опыт в .сельскохозяйственное производство и учебный, процесс". .-.В'.Луки, 1994, с.132-

133. ..'..' ',Y ■

22. Морозов В.В.,.Волошин Ю.И., Макарова Г.В.. Повышение эффективности гидротранспорта. - Материалы,XXXI научне-практи -ческой конференции "Наука .и передовой опыт .в сельскохозяйственное производство и учебный процесс",, В.Луки, 1994, с.135-136.

г., . ■ ,

23. Морозов В.В., Фомин В.Н. Влияние электромагнитной обработки сапропеля и эффективность работы насоса. - Материа лы XXXI научно-практической конференции "Наука и передовой опыт в сельскохозяйственное производство и учебный процесс". В.Луки, 1994, с.133-135.

24. Морозов В.В. Разработка сапропеля на удобрение. -Ма териалы XXXI научно-практической конференции "Нлука и передо вой опыт в сельскохозяйственное производство и учебный про цесс", В.Луки, 1994, C.I2&-I29.

25. Сазыкова С.П., Морозов В.В. Трансформирование сапро пеля органическими удобрениями. - Материалы XXXI научнс-прак тической конференции "Наука и передовой опыт в сельскохозяй ственнсе производство и учебный процесс". В.Луки, 1.994, с. 19 20.

26. Морозов В.В. Улучшение технологии разработки сапрол ля, - Псков, ЦНТИ, 1994, №94.-2 с.

27. Волошин Ю.И., Морозов В.В., Милохин В.К. Определена сопротивления движению установки для добычи сапропеля. - Пек ЦНТИ, 1994, № 5. - 3 с.

28. Морозов В.В. Влияние сапропеля на коррозию конструк ционных материалов. - Техника в сельском хозяйстве, 1994, № с. 32.

29. Морозов В.В. Обоснование послойной экскавации сапрс пеля. - Науч.тр./Ярославского СХИ. - Ярославль, 1994, c.2d-<

30. Морозов В.В., Фомин В.Н. Применение электроосмоса j повышения эффективности гидротранспорта сапропеля. - Науч-Tj. Ярославского СХИ. - Ярославль, 1994, - с.43-44.

31. Морозов В.В. Производство сапропелевых удобрений.

- Псков, ЦНТИ, 1994, # 99. - 2 с.

32. Морозов В.В., Фомин В.Н., Милохин В.К. ¿[овыцение э^ фективности работы насосов при транспортировке сапропеля.

- Псков, ЦНТИ, 1994, № 100. - 2 с.

33. Морозов В.В. Природоохранная технология разработки сапропеля. - Науч.тр./Всероссийской научно-технической конф< ренции "Охрана экосистем и рациональное использование лесню ресурсов", том I. -М.( 1994, с.114-115.