Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса утилизации биологических отходов животноводства 9
1.1 Современные проблемы утилизации животноводческих отходов 9
1.2 Основные технологии компостирования животноводческих отходов 12
1.3 Анализ машин для приготовления компоста активного буртового компостирования 19
1.4 Выводы по главе 1, цель и задачи исследований 28
2 Теоретическое обоснование конструкции траспортно технологической машины и ее рабочих органов для приготовления соломонавозного компоста 31
2.1 Разработка конструкции транспортно-технологической машины 31
2.2 Габаритные размеры транспортно-технологической машины 33
2.3 Обоснование параметров управления 36
2.4 Расчет параметров и режимов работы барабана 38
2.5 Определение мощности на привод барабана дозирующе-перемешивающего устройства 45
2.6 Обоснование параметров быстроходного конвейера 52
2.7 Выводы по главе 2 63
3 Программа и методика проведения экспериментальных исследований транспортно-технологической машины для приготовления соломонавозного компоста 64
3.1 Методика экспериментальных данных 64
3.2 Методика математической обработки результатов полнофакторного эксперимента 75
3.3 Методика исследования затрат мощности на привод барабана дозирующе-перемешивающего устройства 79
3.4 Методика определения производительности транспортно-технологической машины для приготовления соломонавозного компоста 82
4 Результаты экспериментальных исследований 83
4.1 Обработка результатов однофакторных экспериментов 83
4.2 Обработка результатов полнофакторных экспериментальных исследований 87
4.3 Обработка результатов экспериментальных исследований мощности привода барабана дозирующе-перемешивающего устройства 98
4.4 Определение производительности транспортно-технологической машины для приготовления соломонавозного компоста 103
4.5 Результаты производственных испытаний транспортно-технологической машины для приготовления компоста 105
4.6 Выводы по главе 4 107
5 Экономическая эффективность использования траспортно-технологической машины для приготовления компоста 110
5.1 Технико-экономические показатели эффективности использования транспортно-технологической машины для приготовления соломонавозного компоста 110
Заключение 117
Список литературы 119
Приложение 133
- Основные технологии компостирования животноводческих отходов
- Обоснование параметров быстроходного конвейера
- Обработка результатов полнофакторных экспериментальных исследований
- Технико-экономические показатели эффективности использования транспортно-технологической машины для приготовления соломонавозного компоста
Основные технологии компостирования животноводческих отходов
Компостирование навоза
Широко используют для улучшения его агротехнических и гигиенических качеств. При недостатке в хозяйстве органических удобрений готовят компосты с использованием торфа, органических и минеральных веществ. Для улучшения качества навоза в него рекомендуется вводить 1…3 % фосфоритной муки. Как показали наблюдения, фосфоритную муку можно вносить в навоз и в животноводческих помещениях. При этом отмечено понижение потерь аммиачного азота и в значительной степени сокращение содержания аммиака в воздухе животноводческих помещений [52, 80].
Фосфоритную муку можно заменять простым суперфосфатом в количестве 1,5…2% от массы навоза. Такое компостирование позволяет сохранить до 7 кг азота на 1 ц компоста. Суперфосфат ядовит, поэтому его нельзя использовать в животноводческих помещениях.
При компостировании навоза в качестве основного влагопоглотителя во многих зонах страны применяют торф и солому. По содержанию азота и других питательных веществ торф не уступает навозу, но азот торфа плохо усваивается растениями, поэтому его применение в чистом виде для удобрения полей неэффективно.
Таким образом, приготовление торфонавозных компостов важно не только для улучшения качества получаемого на фермах навоза, но и торфа как удобрения для полей. В отдельных случаях торф используют как влагопоглотитель для устранения избыточной влажности навоза в открытых системах удаления навоза.
Для приготовления торфонавозных компостов используют твердый и жидкий навоз, а также навозную жижу. Компост готовят чаще всего послойным или очаговым способами. При послойном методе укладывают штабель, состоящий из слоев торфа толщиной 40 - 50 см и слоев навоза толщиной 25 - 30 см. При очаговом способе навоз укладывают на торфяную подушку отдельными кучами на расстоянии 1 м друг от друга, а промежутки между ними засыпают торфом. Очаговое компостирование навоза с торфом обеспечивает лучшее разогревание и обеззараживание его зимой, поэтому используется как простой и дешевый метод биотермического обеззараживания навоза в любое время года.
Навоз при компостировании с помощью биотермических процессов созревает. В нем образуются более простые вещества, лучше усвояемые растениями, чего не бывает при хранении жидкого навоза. Торф и солома впитывают в себя продукты разложения навоза, что понижает потерю органических веществ и азота. После микробиологического воздействия на навоз азот становится более доступным для растений [32, 90].
При компостировании навоза важно соблюдать сроки выдержки компоста: не менее 1 месяца в теплое время года и двух месяцев – в холодное. Однако подобная технология существенно удорожает процесс приготовления, так как требует большие площади для хранения компостируемой массы, а также требует много времени для получения готового продукта.
Ускоренное компостирование навоза и помета
Ускоренное компостирование навоза и помета – это простой, доступный, экологически безопасный и экономически эффективный процесс переработки навоза или помета в конечный экологически чистый продукт – компост [51, 14].
Исходные компоненты (органические отходы, навоз и помет) перед процессом компостирования, насыпаются в длинные кучи, называемые грядами. Общий вид гряд представлен на рисунке 1.1.
Ширина гряды около 4 м, высота до 2 м. Длина гряды зависит от размеров участка. При наличии нескольких видов исходных материалов, материалы с наименьшей плотностью размещаются в основании, а с наибольшей – вверху гряды. В процессе компостирования гряды периодически перемешиваются ворошителем (рисунок 1.2).
Основная задача в ускоренном компостировании – это перемешивать материал без измельчения при этом необходимо контролировать микробиологический процесс (рисунок 1.3): концентрационный уровень CO2 в компосте; температуру компоста; влажность компоста.
Ускоренное компостирование в реакторах-ферментерах
Для более крупных хозяйств со значительным выходом навоза или помета специалистами компании Биокомплекс (г. Москва) разработана, апробирована и внедрена в промышленном варианте технология и оборудование для переработки навоза или помета в высококачественные органические удобрения на основе ускоренного микробиологического компостирования в реакторах-ферментерах.
Для высокоэффективного компостирования органических отходов, навоза и помета в короткие сроки (7…14 дней) с получением стабильно высококачественного органического удобрения «Био-Ком», компостирование осуществляется в реакторах ферментерах, приведенных рисунке 1.4.
Комплекс реакторов ферментеров состоит из нескольких (количество не ограничено) отсеков для компостирования с автоматизированными системами обеспечения процесса: подачи воздуха, контроля температуры 55…65 С, контроля влажности 50…55%, контроля концентрации CO2, а также с системой увлажнения и внесения добавок. Одна секция размером 60х10х8 м одновременно вмещает 1200 м2 компостной смеси.
Подача воздуха в компост осуществляется выносными вентиляторами (рисунок 1.5) через щелевой пол (рисунок 1.5 б).
Активная биотермическая обработка
Активная биотермическая обработка компостной смеси в герметичных контейнерах в течение четырех суток;
- созревание компоста в буртах на открытых площадках в течение двух-трех недель.
Контейнер представляет собой теплоизолированный герметичный корпус размером 6х2,5х3м, установленный на металлические катки и снабженный устройством сцепки и подъемником автомобиля-тягача. Загружается контейнер передвижным ленточным транспортёром, на который компостная смесь подается из барабанного сепаратора. Контроль температуры и поддержка необходимого газового состава внутри камеры осуществляется автоматически [42, 46, 45].
Технология активного буртового компостирования Более подробно рассмотрим технологию буртового компостирования, так данная технология является одним из актуальных способов приготовления компоста в России. Технология предназначена для переработки твердого навоза/помета либо в смеси с влагопоглощающими материалами, либо без них на гидроизолированных площадках. Активное компостирование навоза/помета с влагопоглощающим материалом в буртах на открытой площадке осуществляется в течение 40 дней с трехкратной аэрацией бурта через каждые 9 дней с момента окончания формирования бурта.
Обоснование параметров быстроходного конвейера
Рассмотрим движение частиц вороха субстрата по поверхности конвейера. После падения частиц субстрата с тихоходного конвейера в зону загрузки быстроходного конвейера некоторые части соломонавозной смеси имеют округлую форму, хорошо описываемую шаром с характерным размером (диаметром) d = 30…50 мм. Эти округлые компоненты могут скатываться по поверхности транспортерной ленты. Компоненты вороха подхватываются лентой быстроходного конвейера. Изучим начало движения разобщенных (рассредоточенных) шаровидных компонентов при самом неблагоприятном варианте, когда транспортер поднят на угол = 17.
Сделаем допущение, что в этом процессе отсутствует проскальзывание, так как резиновая лента и влажный комок (компонент) субстрата имеют хорошее сцепление [94, 72].
Покажем силы, действующие на компонент: силу тяжести тд, нормальную —» - реакцию iV и силу трения FT и момент трения качения МТ. Компонент начинает скатываться вниз (рисунок 2.13).
Система имеет одну степень свободы - собственное вращение компонента, определяемое угловой скоростью В нашем случае с одной степенью свободы принята обобщенная координата - угол собственного вращения компонент f. Кинетическая энергия компонента, совершающего сложное движение вместе с подвижной лентой конвейера, определяется формулой 2.18.
Движение компонента относительно ленты конвейера является плоскопараллельным, причем, при принятых допущениях точка контакта K является мгновенным центром скоростей.
Покажем оси декартовой системы координат (рисунок 2.13).
Скорость центра масс c находим по векторным уравнениям
Однако компоненты могут опираться друг о друга или в части соломонавозной смеси другой формы (пласты), что приводит к остановке относительного движения, и улучшению условий для движения компонентов с конвейером [72]. Наше решение имеет значение как самый неблагоприятный вариант для работы быстроходного конвейера.
Рассмотрим второй важный этап: процесс схода компонентов с транспортера с последующим свободным падением до соприкосновения с буртом.
Следует оценить дальность полета компонентов и скорость их падения. При значительной скорости падения происходит деформация и слипание компонентов.
Рассмотрим компонент, сходящий с быстроходного конвейера. Предусмотрим два случая расположения конвейера, крайнее нижнее и крайнее верхнее положение (рисунок 2.14).
Аналогично принимаем, что качение компонента происходит без скольжения относительно ленты транспортера. Компонент начинает двигаться по криволинейной траектории в месте набегания ленты на барабан. Угловая скорость барабана обозначена о)бар = 77=- = const, где г] – угол поворота барабана, рад.
Шарообразный компонент скатывается по цилиндрической поверхности барабана вниз под действием силы тяжести до тех пор, пока он не оторвется от поверхности ленты. Затем начинается свободное падение компонента при известной начальной скорости. Компонент, взаимодействуя с поверхностью ленты, образует голономную неудерживающую нестандартную связь. Так как происходит качение компонента по цилиндрической поверхности радиуса R = 0,2 м, то удобно использовать естественный способ задания движения [120, 70].
Введем естественную систему координат, связанную с барабаном быстроходного конвейера: касательную ось Ст направим по касательной к траектории центра масс компонента; нормальную ось Сп направим к центру барабана; направление бинормальной оси СЬ показана на схеме (рисунок 2.10).
Движения компонента происходит под действием силы тяжести: тд, силы трения РТ, нормальной реакции N.
Из-за деформации поверхности компонента на него действует момент трения качения Мт. Для определения положения центра масс компонента С, введем обобщенную координату v - угол поворота радиус-вектора ОС. Этого достаточно для системы с одной степенью свободы.
Запишем дифференциальные уравнения движения компонента по вращающемуся барабану в естественной форме
Когда быстроходный конвейер наклонен вниз, то из анализа движения компонентов вместе с лентой конвейера можно сделать вывод, что компонент начинает катиться в сторону схода с конвейера и его начальная скорость в момент схода станет более высокой, чем скорость ленты. В момент времени t=0 угол v0 = 0, а скорость центра масс при a = -10 из формул 2.16 и 2.17
Обработка результатов полнофакторных экспериментальных исследований
Эксперименты проводились на фермерском хозяйстве ИП «Портнов» при помощи изготовленной машины для приготовления соломонавозного компоста (рисунок 4.3).
Однофакторные эксперименты позволили установить рациональные границы изменения двух факторов: частоты вращения барабана дозирующе-перемешивающего устройства п в пределах 70… 150 мин"1 и зазора А между барабаном дозирующе-перемешивающего устройства и рабочим органом конвейера в пределах А = 30…50 мм. Границы изменения скорости вращения тихоходного конвейера в пределах V = 0,15…0,6 м/с установлены в результате теоретических расчетов. Затем был проведен полно факторный эксперимент по не композиционному трехуровневому плану Бокса-Бенкина по методике, изложенной в третьей главе данной работы [3, 43, 97]. Обработка данных велась при помощи программы «STATGRAPHICS Plus», которая позволила получить коэффициенты регрессии и собственно уравнение математической модели.
Эксперимент составлен по трем факторам, тремя уровнями изменения этих факторов. Для обработки экспериментов в программе «STATGRAPHICS Plus» была сделана выборка из полно факторного эксперимента согласно плану Бокса-Бенкина [43].
После проведения эксперимента произведена его обработка, содержащая:
- проверку воспроизводимости опытов;
- расчет коэффициентов регрессии;
- проверку значимости коэффициентов регрессии;
- построение математической модели;
- проверку адекватности модели результатам эксперимента определение рациональных значений управляемых факторов, обеспечивающих высокое значение коэффициента однородности X гранулометрического состава вороха.
Результаты математической обработки данных приведены в приложении Б. Расчет коэффициентов регрессии осуществляется при помощи программы «STATGRAPHICS Plus». В результате расчета коэффициентов получена математическая модель в закодированном виде, связывающая влияние трех факторов на коэффициент однородности X гранулометрического состава вороха после работы машины для получения компоста. Уравнение математической модели имеет следующий вид (формула 4.1):
Л = 28,31 - 0,94X 1 - 0,49X 2 - 4,92X 3 - 2,42X 12 (4.1) -0,58X1X2 +1,01 X 1 X 3 - 2,86X2 2 +1,11X2X3 +1,38X3 2 .
Значимость коэффициентов регрессии проверялась по критерию Стьюдента [38]. Коэффициенты регрессии считаются значимыми, если расчетное значение критерия Стьюдента tр больше tтабл. Табличное значение критерия Стьюдента равно tтабл = 2,13 при уровне значимости = 0,05 [56, 61, 119, 113]. Графическое отображение значимости коэффициентов математической модели процесса калибрования представлено на рисунке 4.4.
Уравнение модели (формула 4.2) показывает, что наибольшее влияние в заданных интервалах варьирования факторов на параметр оптимизации оказывает величина зазора А между барабаном дозирующе-перемешивающего устройства и рабочим органом конвейера (рисунок 4.5).
Отрицательный знак перед коэффициентом указывает на уменьшение параметра оптимизации при возрастании изучаемого фактора, а положительный -на возрастание. Адекватность результатов экспериментов полученной математической модели второго порядка проверяли с помощью критерия Фишера [4, 79]. Его расчетное значение, найденное Fрасч = 4,658, оказалось больше табличного значения Fтабл = 2,5475, соответствующего 5%-ному уровню значимости и степеням свободы fx = 12 и f2 = 15. Следовательно, гипотеза об адекватности уравнения регрессии (4.2) экспериментальным данным отвергается. В этом случае следует взять за основу математическую модель, описываемую уравнением регрессии, (формула 4.1).
С помощью программы «STATGRAPHIC Plus» получены графики функциональной зависимости степени однородности гранулометрического состава вороха А, от факторов (рисунок 4.6) и графические изображения поверхности откликов, изображающие зависимость между критерием оптимизации X и двумя независимыми переменными X = f(V,n), X = f(V,A), А, =/(я, А) [74].
Анализ двумерных сечений показывает, что только по двум переменным факторам – подаче q и частоте вращения барабана n имеется оптимум внутри рассматриваемой области. Эти исследования доказывают, что надо проводить полноценный экстремальный анализ уравнения регрессии, (формула 4.1) на всей заданной области исследования. При этом можно установить рациональное сочетание значений варьируемых факторов, обеспечивающих наибольшее значение критерия оптимизации X в заданной области [16, 84].
Координаты точки выходят за границы исследуемой области функции, поэтому исключаем её значение из дальнейшего анализа. Проведем исследование функции на наибольшее значение внутри заданной области изменения факторов (переменных). Для этого проверяют значения функции (формула 4.1) на границах и в узлах заданной области варьирования факторов. Находят экстремумы. Результаты расчета показаны в таблице 4.1.
Технико-экономические показатели эффективности использования транспортно-технологической машины для приготовления соломонавозного компоста
Расчет экономической эффективности использования транспортно технологической машины для приготовления соломонавозного компоста выполнен по данным лабораторных и производственных исследований экспериментальной установки. Разработанная машина имеет два наклонных транспортера и дозирующе-перемешивающего устройства в виде вращающегося барабана. Тихоходный конвейер с дозирующе-перемешивающим устройством перемешивают компоненты вороха, обеспечивая однородность смеси.
Быстроходный конвейер может поворачиваться в горизонтальной и вертикальной плоскости, что обеспечивает формирование бурта необходимой формы и размеров. Для сравнения выбрали две машины, ТЗК – 30 используемый в качестве компостера и машина Mush Comb производства Нидерланды, (рисунок 1.8).
Используемая машина ТЗК – 30 в качестве смесителя разное предназначение, но схожа своим функционалом. Предлагаемая машина отличается самоходностью, большей функциональностью, так как сама может формировать бурт или обеспечивать перегрузку компоста в другое место или в кузов транспортных средств.
Зарубежный аналог Mush Comb, однако, он в несколько раз дороже и имеет большую производительность, что препятствует его использованию в сравнительно небольших хозяйствах.
Для расчета была использована методика оценки специализированной сельскохозяйственной техники и выявления экономической эффективности применения в сельском хозяйстве результатов научно-исследовательских и проектно-конструкторских трудов [9, 56, 77, 28, 74, 30].
Вычисление годового экономического эффекта строится на сравнении приведенных затрат на обработку единицы продукции базовыми вариантами и предлагаемой техникой, которые включают в себя сумму себестоимости и нормативной прибыли. При этом необходимо учитывать сопоставимость сравниваемых вариантов предлагаемой и базовой техники по объему перерабатываемой продукции, качественным показателям работы и социальным аспектам, а также влияние и на окружающую среду.
Согласно существующей методике затраты труда и текущие издержки рассчитываются на единицу обработанной продукции. Текущие издержки (приведенные затраты) суммируются из затрат на заработную плату с отчислениями, стоимости потребленной электроэнергии, расходов на хранение, на амортизацию и ремонт [77].
Исходные данные для расчета технико-экономической и энергетической эффективности использования предлагаемой машины для приготовления компоста приведены в таблице 5.1. Расчетные данные затрат на приготовление компоста представлены в таблице 5.2.
В таблице 5.3 представлены показатели технико-экономической эффективности использования новой транспортно-технологической машины в сравнении с зарубежным аналогом Mush Comb. Предполагается, что качество и время приготовления компоста одинаковые.
Примечание: k – коэффициент использования рабочего времени смены, k =0,6…0,85 [48].
В таблице 5.4 представлены показатели технико-экономической эффективности использования новой транспортно-технологической машины в сравнении с базовым вариантом ТЗК-30.
Срок приготовления компоста с использованием ТЗК-30 вследствие недостаточной степени перемешивания соломонавозной смеси значительно больше по сравнению с новым вариантом машины.
Примечание: к - коэффициент использования рабочего времени смены, к =0,6…0,85 [48].
При различных параметрах исходной соломонавозной смеси срок компостирования составляет 72… 107 дней, что больше на 12… 17 дней по сравнению с использованием транспортно-технологической машины для приготовления соломонавозного компоста. По данным предприятия ИП Портнов деревня Кибья Удмуртской Республики удельные затраты за каждый день хранения соломонавозной смеси в закрытом бурте по мере перепревания составляют Зх = 63,49 руб./т. При массе готового компоста в одном бурте 20 т и числе буртов п = 6 получаем загрузку каждого бурта
Использование транспортно-технологической машины для приготовления соломонавозного компоста позволит получить существенный экономический эффект за счет её малой материалоемкости и энергоемкости, низкой стоимости и высокой функциональной готовности.