Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 7
1.1. Влияние органических удобрений на плодородие почв 9
1.2. Агрохимические и агроэкологические свойства биокомпоста 12
1.3. Физико - химические и микробиологические характеристики биокомпоста
1.4 Анализ методов производства гранулированных удобрений 16
1.5 Анализ конструктивно -технических решений прессующих устройств 19
1.6 Разработка научной гипотезы 31
2. Анализ технологического процесса работы узла гранулирования 33
2.1. Описание линии по переработке органических отходов в биопродукты 33
2.2. Модель функционирования узла гранулирования 35
3. Программа и методика экспериментальных исследований технологического процесса работы узла гранулирования 53
3.1. Задачи и программа экспериментальных исследований 53
3.2. Методика проведения экспериментального исследования на лабораторной установке
3.2.1 Лабораторно-производственный узел гранулирования 55
3.2.2 Приборы и аппаратура, используемые при лабораторных и производственных исследованиях 56
3.2.3 Методика определения угла внутреннего трения 60
3.2.4 Методика определения бокового давления 61
3.2.5Методика определения влажности 62
3.2.6 Методика определения плотности 62
3.2.7 Методика лабораторного исследования влияния частоты оборотов и шага шнека в зоне сжатия на получаемую влажность 63
3.2.8 Методика лабораторного исследования влияния частоты оборотов и зазора между вальцами на плотность получаемых гранул 66
3.3 Методика проведения производственного экспериментального исследования
3.3.1 Производственная экспериментальная установка 68
3.3.2 Методика проведения производственного опыта 70
4. Результаты экспериментальных исследований технологического процесса работы узла гранулирования 72
4.1 Результаты исследования лабораторной экспериментальной 72
установки
4.1.1. Результаты лабораторных исследований по определению угла внутреннего трения биокомпоста 72
4.1.2. Результаты определения зависимости бокового давления от давления прессования 74
4.1.3. Результаты лабораторного исследования влияния частоты оборотов и шага шнека в зоне сжатия на получаемую влажность 75
4.1.4. Результаты лабораторного исследования влияния частоты оборотов и зазора между вальцами на плотность получаемых гранул
4.2 Результаты исследования производственной экспериментальной установки
4.3Физико - химические исследования биопродуктов 88
5. Экономические показатели результатов исследования 90
5.1. Оценка технико - экономической эффективности работы узла смешивания в технологической линии для производства биопродуктов
Основные выводы 97
Список литературы 99
- Физико - химические и микробиологические характеристики биокомпоста
- Модель функционирования узла гранулирования
- Методика лабораторного исследования влияния частоты оборотов и шага шнека в зоне сжатия на получаемую влажность
- Результаты лабораторных исследований по определению угла внутреннего трения биокомпоста
Физико - химические и микробиологические характеристики биокомпоста
Компост, полученный в результате ускоренного ферментирования в аэробных условиях смеси птичьего помета с торфом имеет высокое содержание основных питательных веществ, прежде всего - азота и фосфора, равное соответственно 3,9 и 3,5%. Содержит также их подвижные формы, способствующие оптимизации минерального питания растений. Характеризуется высоким содержанием органического вещества - 75,8%, щелочной реакцией среды (рН 8,4), наличием необходимых для растений микроэлементов [45].
Компост отличается благоприятными физическими свойствами. В целом по агрохимическим, агрофизическим и санитарно-гигиеническим показателям компост можно отнести к ценным органическим удобрениям.
Следует учитывать, что биоудобрения, получаемые методом ускоренного ферментирования, имеют преимущества в экологическом отношении перед исходным органическим сырьем, в частности перед птичьим пометом. Высокое качество компостов достигается также за счет увеличения выхода гуминовых кислот при повышении температуры компостируемой массы и увеличения содержания подвижных форм питательных веществ для растений. Наряду с макроэлементами, в компостах содержатся необходимые для растений микроэлементы - медь, цинк, молибден, бор и др. Содержание тяжелых металлов в компостах низкое. В сухой массе этих удобрений в среднем содержится кадмия 0,1 - 0,8 мг/кг, никеля 5-12 мг/кг, свинца 27 - 34 мг/кг, ртути 0,11 мг/кг, что значительно ниже принятых предельно (ориентировочно) допустимых концентраций для почв, утвержденных Госсанэпиднадзором России (ГН 2.1.7.020-94) [1,3].
Как известно, птичий помет относят к органическим удобрениям с высоким содержанием питательных веществ для растений. Вместе с тем он обладает рядом неблагоприятных свойств. Так, сырой птичий помет имеет сильный неприятный запах, содержит большое количество семян сорных растений и микроорганизмов, среди которых встречаются возбудители опасных инфекционных болезней птицы, сельскохозяйственных животных и человека. Установлено, что в 1 мл помета содержится до 103 микробных клеток, возбудителей инфекций, других патогенных бактерий, вирусов и грибов [1,3,45].
К негативным свойствам наливного, сырого помета на птицефабриках относится также его вязкая, липкая консистенция, что осложняет работы по внесению такого удобрения в почву или грунт.
Устранение неблагоприятных свойств помета достигается с помощью его переработки методом аэробного ферментирования при температуре 55-70С с применением активного вентилирования воздухом, когда происходит обеззараживание массы от фитопатогенов и жизнеспособных семян сорных растений. Аэробное ферментирование помета позволяет получать высококачественные удобрения с агрохимической точки зрения с высоким выходом гуминовых кислот и наличием подвижных форм основных элементов питания.
Как известно, одним из способов получения экологически безопасного удобрения из сырого птичьего помета является его высокотемпературная сушка при 600-800С. Однако при этом в готовом продукте - сухом птичьем помете полностью уничтожается микрофлора (в т.ч. полезная), и внесение его в почву или грунт может отрицательно сказаться на их биологической активности, а в конечном итоге и на продуктивности выращиваемых культур [32,41,42,54].
Физико - химические и микробиологические характеристики биокомпоста Физико - химические показатели биокомпоста, полученного способом аэробного ферментирования при проведении исследований в условиях производства, представлены в таблице 1.1. [84].
Микробиологическая активность и насыщенность минеральными веществами биокомпоста, обеспечивают ему неоспоримое преимущество по отношению к другим органическим удобрениям. В таблице 1.2 представлены микробиологические показатели биокомпоста. Таблица 1.2 -Микробиологические показатели биокомпоста
Вариант Аммонификаторы, млн. кл./г. Азотфиксаторы, млн. кл./г. Микромицеты, млн. диаспор/г.
Рассматривая данные, приведённые в таблице, следует отметить, что средний слой биокомпоста, относительно других слоев характеризуется самой высокой численностью аммонифицирующих микроорганизмов - 372 млн.кл./г. При этом в данном слое уровень азотфиксаторов имеет достаточно низкие показатели и составляет 0,67 млн.кл./г.
В готовом биокомпосте высокая активность аммонификаторов и свободноживущей группы фиксаторов азота, их численность составила 640 млн. кл./г и 39,5 млн. кл./г, соответственно. Следует отметить снижение численности грибной микрофлоры до 0,15 тыс. диаспор/г. Однако обращает на себя внимание группа актиномицетов. Её активность значительно возросла до 56 млн. кл./г. это говорит о том, что идёт процесс трансформации органического вещества. По этому показателю можно планировать срок ферментирования, поскольку содержание углерода в компостной массе не должно падать ниже допустимого соотношения C:N как 20 - 25:1. 1.4 Анализ методов производства гранулированных удобрений
В настоящее время имеются общие принципы подхода к выбору наиболее целесообразных методов гранулирования в зависимости от агрегатного состояния и физических свойств исходных веществ[30].
Модель функционирования узла гранулирования
Процесс гранулирования протекает в условиях постоянного изменяющихся воздействий, которые влияют на качество получаемых гранул. В реальных условиях функционирования процесс гранулирования описывается совокупностью переменных, представляющих собой векторную функцию Y, определяющих качественное выполнение процесса в некоторый момент времени. На устройство, в котором протекает процесс, действуют и внешние возмущения, образующие вектор-функцию возмущений F, которые стремятся нарушить желаемое протекание процесса. Внешними возмущениями являются:
В качестве выходной переменной Y может рассматриваться любой из параметров, характеризующих качественный показатель протекания процесса гранулирования в устройстве или их совокупность. Одним из таких параметров гранулированной массы является влажность WBHX. (t), а другой плотность получаемых гранул рвых (t)
В качестве управляющих параметров выступают: частота вращения нагнетательного шнека Пшн., шаг шнека в зоне сжатия t, частота вращения обжимных валцов пв., зазор между вальцами h. [48,53]
Информационная модель процесса работы узла гранулирования Внешние возмущения, такие как влажность и начальная плотность биокомпоста задается ферментирующим устройством и является постоянной величиной, отклонения которых входят в интервалы допусков.
Параметры, как частота вращения нагнетательного шнека и обжимных вальцов задается оборотами привода устройства в зависимости от производительности устройства, шаг шнека в зоне сжатия, зазор между вальцами, подтверждается теоретическими расчетами и устанавливается конструктивно.
Реализация представленной информационной модели процесса работы гранулирующего устройства позволит найти соотношение между возмущениями, качественными показателями и управляющими параметрами процесса гранулирования.
Таким образом, технологический процесс, выполняемый гранулирующим устройством биокомпостов, можно представить в виде модели. Информацию о причинно следственных связях отражает в полной мере модель функционирования технологического процесса показанная в виде блок - схемы по принципу «вход- выход», представленная на рисунке 2.4
Модель функционирования технологического процесса узла гранулирования Поскольку модель процесса функционирования гранулирующего устройства биокомпостов представляет собой многомерную систему, то для индетификации ее разбиваем на двухмерные частные модели. Частные модели представлены в виде схемы, на которую на входе действует два возмущающих воздействия, а на выходе два случайных процесса.
На рисунке 2.5 изображена модель, показывающая преобразование входящих возмущений в выходящий параметр, влажности \Увых.(1:). На данную элементарную модель действует возмущающее воздействие, это частота вращения нагнетательного шнека Пшн., шаг шнека в зоне сжатия t.
Частная модель процесса формирования, влажности в гранулируемой массе Оператор Ав описывает формирование параметра влажности \Увых.(1:) в зависимости от частоты вращения нагнетательного шнека Пшн. и шаг шнека в зоне сжатия t. Оператор частной модели процесса формирования, влажности WBbix.(t) в гранулируемой массе и представляет собой систему из двух операторов элементарных моделей, которые представлены на рисунке 2.6
Аналитические зависимости процесса прессования, определим рассмотрев процесс прессования в шнековой камере и усеченном конусе.
Схема рабочей камеры шнекового пресса Технологический процесс экструдирования складывается из последовательного перемещения материала по всей длине рабочей камеры, образованной пространством между витками, валом шнека и внутренней поверхностью корпуса. Рабочую камеру шнекового пресса условно разделяют на три зоны: загрузки, сжатия, продавливания спрессованного материала через канал усеченного конуса [80,81]. Для представления наиболее полной картины процесса гранулирования рассмотрим поведение материала последовательно на каждом его зоне (рис. 2.7). К основным геометрическим параметрам нагнетательного шнека относятся: его внешний диаметр D, длинна L, шаг t, глубина нарезки h, угол наклона винтовой нарезки ф, ширина гребня витка е. В первой зоне материал загружается в загрузочное отверстие, а нагнетательный шнек ведет себя, как обычный винтовой конвейер. Длину зоны загрузки шнека определяем по формуле:
Условия продвижения материала вперед по цилиндру, будет зависеть от трения материала о поверхность цилиндра и поверхность шнека. Если сила трения материала о поверхность цилиндра будет больше, чем о поверхность шнека то исходный материал будет вращаться вместе со шнеком на одном и том же месте. Сила, заставляющая продвигаться материал вперед, вдоль спирального канала шнека, зависит от коэффициентов трения материала о цилиндр и шнек, от угла подъема винтовой линии и глубины нарезки шнека. В зоне загрузки угол подъема винтовой линии рассчитаем по формуле:
Заканчивается вторая зона последним витком шнека, которым спрессованная смесь нагнетается в усеченный конус. В ней подпресованный материал заполняет весь ее объем, при дальнейшем нагнетании происходит процесс выдавливания материала через выходное отверстие конуса. При сходе материала с последнего витка шнека и заполнении объема усеченного конуса, вращательная составляющая скорости замедляется, и прекращается, а за счет того, что слой потока материала прилегающий к стенкам усеченного конуса под действием сил трения двигается медленнее, чем слои в центре потока, прессуемая масса при сходе со шнека попадает, главным образом, в центральную часть потока и далее к выходному отверстию [60].
В канале усеченного материал под действием давления прессования Рп. подвергается действию сил сжатия направленных вдоль оси. При сжатии сыпучих тел, когда невозможно боковое расширение, всякое приращение давления на сыпучее тело в одном направлении вызывает пропорциональное увеличение давления непосредственно на жесткую стенку в перпендикулярном направлении. Это явление характеризует процесс гранулирования, протекающий в третьей зоне, и объясняет появление бокового давления. По мере продвижения
материала вдоль канала матрицы происходит релаксация внутренних напряжений. При выходе гранулы из канала усеченного конуса остаточные внутренние напряжения являются основной причиной ослабления межмолекулярных связей между частицами смеси.
Рассмотрим подробнее процесс прессования в усеченном конусе. Основной показатель, характеризующий данный процесс - это давление прессования. Для определения давления прессования составим общее уравнение равновесие для сил действующих на элементарный слой сжатого материала толщиной dx находящегося на расстоянии х от начала усеченного конуса (рис.2.8).
Методика лабораторного исследования влияния частоты оборотов и шага шнека в зоне сжатия на получаемую влажность
При оптимальных управляющих параметрах значение влажности биокомпоста составляет 38% [68]. Анализ уравнения регрессии (4.4) показывает, что превалирующим фактором при расчете мощности привода шнека является частота вращения шнека. Поверхность отклика мощности привода шнека и её проекции, в зависимости от частоты оборотов шнека и шаг шнека в зоне сжатия представлены на рисунках 4.5-4.6. При оптимальных технологических параметрах значение мощности привода шнека составляет 1,2 кВт. [68] Производительность шнекового пресса в основном зависит от изменения шага в зоне сжатия, поверхность отклика производительности шнекового пресса на выжим одного килограмма влаги в зависимости от управляющих факторов представлена на рисунке 4.7 и 4.8.
Поверхность отклика, удельной энергии на выжим одного килограмма влаги в зависимости от управляемых факторов представлена на рисунке 4.9 и 4.10. Анализ двухмерного сечения позволяет судить, что при увеличении шага шнека и частоты вращения удельная энергия увеличивается. При оптимальных значениях управляющих параметров значение удельной энергии составило 378 кДж. 1,2
Поверхность отклика, показывающая влияние частоты вращения и шага шнека в зоне сжатия на производительность по выжатой
Проекция поверхности отклика на плоскость пш.: t 4.1.4 Результаты лабораторного исследования влияния частоты вращения и зазора между вальцами на плотность получаемых гранул.
В соответствии с разработанной методикой, изложенной в разделе 3.2.8, проведен лабораторный эксперимент по определению зависимости влияния частоты вращения вальцов іь. и зазора вальцов h на плотность гранул р вых. После каждого проведённого опыта отбирались три пробы, у которых определялась плотность по методике описанной в разделе 3.2.6 и мощность привода вальцов.
Уровень иинтервалыварьирования факторами Частотавращениявальцов,об/мин. Зазормеждувальцами,мм. Плотность,КГ/ м3 Мощность, кВт
Верхний + 30 20 Основной 0 20 15 Нижний - 10 10 Интервал варьирования 1,3 25 Номер опыта Порядок проведения 1 1 30 20 800 0,55
В результате обработки экспериментальных данных по программе множественного регрессионного анализа (Statgraf 2.1) (приложение 8) получено регрессионное уравнение величины плотности полученных гранул р вых. в зависимости от факторов іь. и h. Полученное уравнение регрессии имеет вид: рвых = -605,926 +64,211%-пв +149,537 -h -1,54-2 -5,27 -h2 (4.12) Анализ уравнения регрессии (4.12) показывает, что наиболее значимым фактором на получение наибольшей плотности получаемых гранул, является зазор между вальцами (коэффициент регрессии 149,537). Дисперсионный анализ уравнения регрессии показывает, что модель информационно способна, так как коэффициент детерминации параметра р вых достаточно велик R - квадрат равен 99,51%. Поверхность отклика плотности получаемых гранул и её проекции, в зависимости от частоты оборотов и зазора вальцов представлены на рисунках 4.11 -4.12. Значения параметров ш. и h на графиках представлены в раскодированном виде Анализируя данные графика полученный в результате проведения эксперимента можно сделать вывод об оптимальных управляющих параметров, для получения наибольшего значения плотности гранул. При оптимальных управляющих параметрах значение плотности полученных гранул составляет 1024 кг/м3 [68] Регрессионное уравнение мощности привода вальцов NB.. В зависимости от факторов гь. и h имеет следующий вид: Ne_ = 0,0530325 + 0,00652732 h + 0,000408393 пв2 (4.18) Анализ уравнения регрессии (4.18) показывает, что на величину мощности привода вальцов, наибольшее влияние оказывает частота вращения пш. (приложение 9 ). Дисперсионный анализ уравнения регрессии показывает, что модель информационно способна, так как коэффициент детерминации параметра NB. достаточно велик R - квадрат равен 99,24%.
Поверхность отклика мощности привода вальцов и её проекции, в зависимости от управляющих параметров представлены на рисунках 4.13 -4.14. Значения параметров Пв. и h на графиках представлены в раскодированном виде.
При проведении исследований на экспериментальной установке в условиях производства согласно методике изложенной в разделе 3.3.2 получены следующие основные технологические параметры: частота вращения нагнетательного шнека 72 об/мин; шаг шнека в зоне сжатия 57 мм.; частота вращения вальцов 21 об/мин; зазор между вальцами 14 мм.; производительность по выжатой влаге 11,5 кг/ч; производительность 57 кг/ч.; удельные затраты энергии на выжим 1 кг. влаги 378 кДж..; энергопотребление на единицу массы полученного продукта - 0,023кВт ч/кг.
Испытания проводились в трехкратной повторности. За время проведения испытаний был отмечен один отказ, причинами которого послужила недостаточная прочность сварного шва нагнетательного шнека. Время устранения отказа составило 30 мин. 4.3 Физико - химические исследования биопродуктов
В результате проведения экспериментов получены статические зависимости влажности биокомпоста, плотности получаемых брикетов, мощности на привод нагнетательного шнека и вальцов, производительности, удельных затрат энергии. Оценка технике - экономической эффективности работы узла гранулирования в технологической линии производства биопродуктов
Повышение производительности линии по производству биопродуктов, получение более качественных органических удобрений и снижение издержек на их производство главным образом зависит от качественного выполнения операции гранулирования. Применение узла гранулирования в технологической линии позволит снизить затраты на внесение, хранение, транспортировку и сушку удобрений. Экономическое обоснование производится по следующим показателям: капитальные вложения, эксплуатационные издержки, приведенные затраты, годовая экономия хранения и транспортировки, срок окупаемости [62, 63].
Результаты лабораторных исследований по определению угла внутреннего трения биокомпоста
При проведении исследований на экспериментальной установке в условиях производства согласно методике изложенной в разделе 3.3.2 получены следующие основные технологические параметры: частота вращения нагнетательного шнека 72 об/мин; шаг шнека в зоне сжатия 57 мм.; частота вращения вальцов 21 об/мин; зазор между вальцами 14 мм.; производительность по выжатой влаге 11,5 кг/ч; производительность 57 кг/ч.; удельные затраты энергии на выжим 1 кг. влаги 378 кДж..; энергопотребление на единицу массы полученного продукта - 0,023кВт ч/кг.
Испытания проводились в трехкратной повторности. За время проведения испытаний был отмечен один отказ, причинами которого послужила недостаточная прочность сварного шва нагнетательного шнека. Время устранения отказа составило 30 мин.
На рисунках 4.15 и 4.16 изображены полученные два вида удобрений. Показатели физико - химических исследований биопродуктов были исследованы в лаборатории ФГУ ГСАС « Костромская» (приложение 10), результаты представлены в таблице 4.5
В результате проведения экспериментов получены статические зависимости влажности биокомпоста, плотности получаемых брикетов, мощности на привод нагнетательного шнека и вальцов, производительности, удельных затрат энергииОценка технике - экономической эффективности работы узла гранулирования в технологической линии производства биопродуктов
Повышение производительности линии по производству биопродуктов, получение более качественных органических удобрений и снижение издержек на их производство главным образом зависит от качественного выполнения операции гранулирования. Применение узла гранулирования в технологической линии позволит снизить затраты на внесение, хранение, транспортировку и сушку удобрений. Экономическое обоснование производится по следующим показателям: капитальные вложения, эксплуатационные издержки, приведенные затраты, годовая экономия хранения и транспортировки, срок окупаемости [62, 63].
Рассчитываем стоимость капитальных вложений по формуле: К=ОЦ + М + ТР + HP, (5.1) где К - капитальные вложения, руб.; ОЦ - оптовая цена материалов и деталей узла гранулирования, руб.; М - затраты связанные с монтажом узла гранулирования, руб.; ТР - транспортные расходы, руб.; ПН - накладные расходы, руб. Для определения оптовой цены составим смету основных материалов и узлов, которая представлена в таблице 5.1.
Продолжительность работы узла гранулирования в год определяется исходя из продолжительности работы всей линии. Даная линия монтируется в закрытом помещении, продолжительность работы составляет 340 рабочих дней (за вычетом времени затраченного на техническое обслуживание и регулировку).
Продолжительность работы узла гранулирования в год составляет 4171 час, а трудозатраты на проведение обслуживания и ремонта узла гранулирования составляет 108,45 чел.ч. Они складываются из времени на обслуживание мотор-редукторов. Зэл. = 92-108,5-1,27= 12677 руб. Для обслуживания узла гранулирования в технологической линии потребуется один оператор. Оплата труда производится по V разряду шестиразрядной тарифной сетки. Часовая тарифная ставка оператора V разряда по шестиразрядной тарифной сетке составляет 90 руб. [47,51,62,69].
Для контроля за работой основных элементов узла гранулирования, оператору требуется 4 ч. в день. Заработная плата оператора рассчитывается аналогично по формуле (5.3) Зтар = 90-1440-1,27 = 164592 руб. Общий фонд заработной платы составит: 3 = 12677 + 164592= 177269 руб. Стоимость электроэнергии израсходованной мотор- редуктором привода шнека определяем по формуле: Сэ.вен "шнека чпнека -Ц \р- V где Руст.вен - установленная мощность электродвигателя мотор-редуктора, кВт, Рует = 1,5 кВт Ішнека - время работы электродвигателя вентилятора, tp = 1960ч/год; Ц - стоимость электроэнергии, руб/кВт-ч, Ц = 5,05 руб/кВт-ч. Сшнека = 1,5-1960-5,05 = 14847 руб. Стоимость электроэнергии израсходованной электродвигателем привода обжимных вальцов определяем по формуле:
Иэ = 3 + А + ЗТРИТО + Сээ+ П Иэ = 177,269+15338+7807+20291+44141 = 264846 руб. Рассчитаем затраты на производство единицы продукции при применении узла гранулирования в технологической линии производства биопродуктов. Годовой объём продукции при применении одного узла гранулирования составляет 154,7т. При расчете затрат на единицу продукции стоимость исходных компонентов, входящих в компостируемую массу, не учитывается [51,69].
Общие затраты в пересчёте на 1т готового продукта составляют: Сп = Иэ/Мг где Мг - годовой объём производства продукции, т. Сп= 264846/154,7=1712 руб/т. Таким образом применение проектируемого узла гранулирования приводит к дополнительным затратам в размере 1712 рублей за тонну. При этом в результате уменьшения объема приготовленного биопродукта снижаются затраты на транспортировку и хранение. Производственные расчеты основаны на сопоставлении основных технико-экономических показателей двух вариантов при заданном расстоянии транспортировки равным пять километров. Исходные данные и технико-экономические показатели представлены в таблице 5.2