Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
Цель и задачи исследования 13
ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ МЕХАНИЗАЦИИ И ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ИЗМЕЛЬЧЕНИЮ ЦЕОЛИТОВОЙ ДОБАВКИ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЕЕ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЖИВОТНОВОДСТВЕ И ПТИЦЕВОДСТВЕ 17
1.1 Природные цеолиты и их использование в качестве минеральной
добавки и источника микроэлементов в рационах животных и птицы 17
-
Использование цеолитовой минеральной добавки в рационах птицы 18
-
Использование цеолитовой минеральной добавки в рационах коров 22
-
Использование цеолитовой минеральной добавки в рационах телят 25
-
Использование цеолитовой минеральной добавки в рационах свиней 27
.1.2 Анализ технологических линий по производству цеолитовой добавки 30
1.3 Типы измельчающих устройств и их классификация 37
1.4 Обзор исследований по теории измельчения 47
ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОБОСНОВАНИЮ
ПАРАМЕТРОВ ШТИФТОВОГО ИЗМЕЛЬЧИТЕЛЯ 54
ГЛАВА 3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЙ 71
3.1 Объект и предмет исследований, научная гипотеза 71
-
Программа исследований 73
-
Методика планирования эксперимента 73
-
Методика проведения экспериментальных исследований 79
-
Установка и оборудование для экспериментальных исследований 88
3.5.1 Установка для экспериментальных исследований 88
* 3.5.2 Оборудования для экспериментальных исследований 90
\
ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ
АНАЛИЗ 95
ГЛАВА 5 ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ: И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ
ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 106
-
Условия проведения производственных испытаний 106
-
Расчет экономической эффективности результатов исследований 111
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 118
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК. ИСПОЛЬЗОВАННЫХ
ИСТОЧНИКОВ 120
ПРИЛОЖЕНИЯ 139
Введение к работе
Природные цеолиты благодаря особенностям своего кристаллического строения (наличию микропор, высокой подвижности молекул и обменных катионов), обладают уникальными адсорбционными, ионно-обменными, молекулярно-ситовыми, каталитическими свойствами и находят самое широкое применение в различных отраслях промышленности и сельском хозяйстве, как в нашей стране, так и во всем мире [15,55,131,134,135,145,146,161,185,186,188].
Они широко используются в газовой, химической, бумажной, строительной, пищевой и других отраслях промышленности, медицине [116,184,188,190,191,197,200,201,202].
В промышленности установлена возможность применения цеолитовых туфов для осушки и отчистки от H2S и С02 сераорганических и других соединений природного газа, углеводородов, других газов и жидкостей, для очистки природных вод для питьевого и промышленного снабжения; при производстве строительных цементов и бетонов; наполнения полимерных материалов и бумаги [4,8,43,66,91,116].
К перспективным направлениям промышленности относятся: катализ реакций в органическом синтезе; производство суперфосфата, керамзита, керамики; обогащение руд; производство огнетушительных порошков; осушка угля и сельхозпродуктов; получение моющих средств; пищевая промышленность; медицина и т.д.[113,149,181,185,196,197,199].
Однако более половины добычи природных цеолитов в нашей стране и за рубежом идет на сельское хозяйство [152,146,160,161,166].
В сельском хозяйстве природные цеолиты успешно используются для улучшения гигиенических условий в животноводческих помещениях; в земледелии в качестве мелиорантов для повышения урожайности сельскохозяйственных культур; для осушки влажного зерна; в качестве минерального субстрата в гидропонике, в качестве антислеживателей і удобрений и т. д. [105,115,125,135,137,157,160,161,162,166].
Наиболее важной отраслью является использование природных цеолитов в качестве минеральных добавок и источника микроэлементов в корма животным и птице.
Эффективность и экономическая целесообразность использования природных цеолитов в качестве минеральной добавки в корма птице, крупному рогатому скоту, свиньям и другим видам сельскохозяйственных животных подтверждается работами А.М.Щадрина, И.А.Белицкого, В.П.Болтухина, Р.П.Ирейкиной, Л.Е.Панина, И.Е.Злобиной. Р. И. Махонько, В.И.Коваленко, М.Г.Гамидова и других авторов [21,31,35,42,43,44,59,70,109,126,167,169, 179,181,182,184,191,195,198,201].
Под влиянием цеолитов улучшается физиологическое состояние организма животных, повышается сопротивляемость болезням, увеличивается сохранность. Включение их в рационы животных и птицы позволяет активизировать минеральный обмен в организме животных, исключить дефицит таких жизненно важных элементов, как медь, цинк, кобальт, кальций, фосфор, железо, сераи др.[111,112].
Обладая хорошими адсорбционными свойствами, цеолиты связывают соли тяжелых металлов, продукты метаболизма, бактерии, токсины, остатки пестицидов и многое др.[16,30,103,120,142,160]. Обладая свойствами ионного обмена, природные цеолиты обеспечивают улучшение использования питательных веществ корма, благоприятно влияют на рост и продуктивность животных и птицы. Тем самым создаются условия для снижения затрат корма на единицу продукции [21,3135,42,43,44,59,70,109,126,167,169,188].
Учеными ряда научных и научно-исследовательских учреждений в нашей стране (ВАСХНИИЛ, СибНИПТИЖ СО РАСХН, ВНИПТИХИМ, ВНИИВС, ЗабНИШОМС, НИИВВС, КемНИЙСХ, ДальЗНИВИ и др.) и за рубежом исследовалась эффективность включения некоторых видов цеолитов, преимущественно клиноптилолитов и гейяандитов в комбикорма сельскохозяйственных животных и птиц. Изучались их дозы, оптимальная крупность помола, токсичность, влияние на физиологические показатели.
Результатами многочисленных экспериментов подтверждается положительное влияние при включении цеолитовой добавки в рационы питания животным и птице на усвояемость питательных веществ кормов, повышение липидного и углеводного обменов, активизацию минерального обмена [11,33,37,42,77,104,106,119,120,179,180,191,194,195,198].
В настоящее время подобные исследования проводятся и в Амурской бласти. Учитывая сложившуюся сегодня экономическую ситуацию в народном хозяйстве Амурской области, будет нерациональной доставка в область цеолитов из других регионов страны, поэтому использование местных природных ресурсов является задачей актуальной.
В последние десять лет сотрудниками ДальЗНИВИ и ДальГАУ изучается возможность применения природных цеолитов месторождений Дальнего Востока и Амурской области в животноводстве и птицеводстве, как кормовых добавок, источников микроэлементов, а также и лечебно-профилактического средства [28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,41].
На Дальнем Востоке уже выявлен ряд месторождений цеолитов: Чугуевское (Приморье), Радденское, Середочное (Хабаровский край), Люторгское (Сахалин) и другие. В Амурской области выявлено 14 месторождений цеолитовых туфов (приложение 1) [40,131], среди которых отмечено три крупных месторождения цеолитовых туфов: Вангинское (Зейский район), Куликовское (Бурейский район), Корсаковское (Шимановский район). На сегодняшний день запасы данных месторождений составляют более 150 млн. тонн. Одним из перспективных (в геологическом и экономическом аспектах) является Вангинское месторождение, расположенное в выгодных географо-экономических условиях (вблизи Зейского водохранилища, автомагистрали и ЛЭП) на севере Амурской области [131,139].
Исследованиями природных цеолитов Амурской области занимаются научные сотрудники ДальЗНИВИ и ДальГАУ (Т.Н.Мощевикина, МГ.Гамидов, Т.В.Кручинкина, И.С.Шульга и др.) [27,29,30,34,36,37,40,87,165].
Сотрудниками ДальЗНИВИ доказана безвредность цеолитов Вангинского месторождения на организм лабораторных и сельскохозяйственных животных, разработаны оптимальные дозы их применения крупному рогатому скоту и птице. В результате этих исследований установлена эффективность и обоснована экономическая целесообразность применения природных цеолитов Вангинского месторождения, как кормовой добавки, источника микроэлементов и лечебно-профилактического средства в птицеводстве и выращивании молодняка крупного рогатого скота [29,30,34,36,37,87].
Результаты этих исследований проверены в производственных условиях в ОПХ ВНИИ сои, птицефабриках «Амурская» и «Среднебельская», в учхозе ДальГАУ. По результатам данных исследований МСХ РФ Департамента Ветеринарии утверждены: «Временное наставление по применению пород цеолитсодержащих Балтийских в животноводстве и ветеринарии», [27,165] и технические условия (ТУ) 2163-001-00668427-00 «Цеолиты природные Вангинского месторождения для сельскохозяйственных животных и птицы».
Как показали данные исследований, применение цеолитов Вангинского месторождения способствует повышению резистентности организма животных, среднесуточного прироста (на 22% и 12,2%), молочной продуктивности коров (на 12,8%) и яйценоскости кур (на 8,8%). А также снижению заболеваемости молодняка крупного рогатого скота (на 9%), цыплят (на 17%), падежа (соответственно на 10 % и 4,4%). Применение цеолитов в комплексе с лечебно-профилактическими препаратами, сокращает сроки выздоровления телят (на 2,5-3,5 дня) и расходов средств на лечение (на 23-32%) [29,30,34,36,37,40].
Природные цеолиты Куликовского месторождения изучены на безвредность на лабораторных животных, рекомендованы для изучения на научно-хозяйственных опытах на сельскохозяйственных животных и птице.
Однако, следует отметить, что несмотря на высокие перспективы на цеолитовое сырье и положительные результаты многочисленных исследований [28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,41] по вопросам эффективности использования в животноводстве и птицеводстве, природные цеолиты месторождений Амурской
8 области до настоящего времени широко не используются. Причина в отсутствии разработанных технических средств, обеспечивающих получение цеолитовой добавки, соответствующей качеству товарной продукции [131,145,146].
Вместе с тем, как показал проведенный обзор отечественной и зарубежной литературы и патентной информации до настоящего времени остаются не исследованными ряд технологических вопросов подготовки цеолитов: получения готового продукта необходимого класса, определенной формы и крупности помола, однородности фракционного состава, удовлетворяющих требованиям технологии и техническим условиям (ТУ) на цеолитовую продукцию для животноводства и птицеводства с учетом требований потребителя.
Специалисты Сибирского региона (СО РАСХН, СибНИПТИЖ), которые в вопросе использования цеолитсодержащих пород месторождений Сибири ушли далеко вперед, медленное освоение природных цеолитов объясняют многими причинами [150,170]. Основная причина заключается в нетрадиционности и высокой наукоемкости технологий, основанных на использовании природных цеолитов. Малочисленность разработок, доведенных до уровня эффективных технологий, готовых для производственного внедрения. Большинство из разработок, в том числе очень перспективных, еще ие вышли за пределы научных лабораторий. Недостаточность во многих случаях технико-экономического обоснования их использования, которое возможно лишь при наличии уже разработанной технологии, использующей природные цеолиты. А для разработки технологии необходимо знать достаточно точно свойства используемого материала.
Использование природных цеолитов в животноводстве строго регламентировано ветеринарной и санитарной службами по содержанию ртути, кадмия, свинца, мышьяка и фтора [6,12,146]. Отсюда еще одна причина-неполнота гарантии медико-биологической безопасности применения природных цеолитов.
9 Действительно эффективная работа природных цеолитов определяется многими факторами: типом цеолита, процентом его содержания в исходной породе, составом сопутствующих компонентов, составом катионов в самом цеолите и т.д. Кроме того, в каждом регионе и в конкретном природном месторождении цеолиты имеют разное геологическое происхождение, а следовательно, разный элементарный состав, разную структуру и физико-химические свойства. Следует добавить непостоянство указанных факторов даже в пределах одного месторождения и трудно достижимую корректность переноса результатов сложных анализов (спектральный, количественный, рентгенофазовый, электронно-микроскопический и др.), получаемых на образцах объемом несколько кубических миллиметров на потребляемые объемы цеолитовых пород исчисляемых единицами и десятками кубических метров, отсутствие медико-биологической оценки.
В связи с этим, накопленные сведения об эффективности применения природных цеолитов и их переработки не могут быть механически перенесены на цеолиты других конкретных месторождений. Имеющийся мировой и отечественный опыт уже свидетельствует о том, что для успешного применения природных цеолитов в той или иной области, требуется детальное изучение их свойств, разработка технических условий (ТУ) и рекомендаций по применению и переработке, то есть глубокое изучение конкретной ситуации [145,146,161,184,192,196].
Перспективы использования природных цеолитов в народном хозяйстве в значительной мере зависят от разработки эффективной технологии переработки цеолитовой породы с учетом требований потребителей [68,91,163,184,193,197].
Сегодня нельзя сказать, что проблемы технологии переработки цеолитов решены. Потребители пока не получают цеолиты необходимых фракций требуемого качества [131,145,146]. Еще многое в решении данных проблем остается неясным и требует дальнейшего изучения. Учитывая специфичность свойств природных цеолитов разных месторождений, есть необходимость изучать каждую конкретную ситуацию.
В отечественной промышленности технология производства цеолитов различных классов базируется на первичном и вторичном дроблении материала, сушке его в сушильном барабане и измельчении на дробилках, с одновременной сортировкой по классам на грохотах. Однако используемый в данной технологической линии многостадийный процесс не обеспечивает высоких технико-экономических и качественных показателей [64]. Затруднена возможность варьирования гранулометрического состава готовой продукции и получения готового продукта требуемого качества из-за неоднородности фракционного состава.
Зоотехнические условия, предъявляемые к измельченным кормам и кормовым добавкам, рекомендуют иметь однородную массу кормов, то есть, чтобы помольная характеристика была как можно уже, и размеры частиц не варьировали в широких пределах [1]. Это условие создает хорошие предпосылки для однородного смешивания и одинакового усвоения животными всех частей кормового продукта.
Техническими условиями на цеолитовую продукцию для животноводства и птицеводства предусмотрен оптимальный размер частиц цеолита для птицеводства 1-3 мм в виде цеолитовой крошки, для животноводства доі мм в виде цеолитовой муки [99,100].
При использовании цеолита в комбикормах необходима определенная крупность помола частиц и требуемая степень однородности, с целью равномерного его перемешивания с другими компонентами, входящими в состав комбикормов. Размер и форма зерен цеолитов - важнейшие технологические показатели. Поэтому определение и получение необходимой крупности помола является одной из главных задач при подготовке цеолитов к использованию в качестве минеральных кормовых добавок и источников микроэлементов.
Особое значение приобретает технология переработки сырья: как увеличить выход материала нужного класса; уменьшить выход лещадных (продолговатых) зерен; придать зернам цеолитов кубовидную или сферическую форму; уменьшить неравномерность распределения зерен различного класса помола. Следует учесть и тот факт, что цеолиты разных месторождений отличаются как по химическому составу, так и по физико-механическим свойствам. Имея неодинаковые прочностные характеристики, цеолитовые туфы разных месторождений дают существенную нестабильность по гранулометрическому составу после дробления. При небольшой величине предела прочности и высокой истираемости «эластичные» туфы в процессе дробления при одних и тех же режимах в большей части превращаются в мелкие фракции, чего не отмечено у более прочных [68].
Физико-механические свойства существенно влияют на выбор режимов технологических процессов, определяют тип и параметры рабочих органов машин и оборудования. Одинаковое оборудование, применяемое для измельчения цеолитов двух месторождений, для одного может быть эффективно, для другого не обеспечивает требуемое качество готового продукта, необходимую степень измельчения.
Известно, что характер механических воздействий при обработке и получении различных материалов оказывает существенное влияние на физико-химические свойства вновь обработанной поверхности частиц, а также на их реакционные способности [75,97]. Большое значение при этом имеет тип измельчающего устройства. Способ измельчения, определяемый физико-механическими свойствами материала, его начальным размером и зоотехническими требованиями к готовому продукту оказывает существенное влияние на энергоемкость и качество измельчения. Выбор рациональных способов дробления и, на основании их, рациональных рабочих органов измельчителей имеет большое значение [123].
Проведенный анализ измельчающих устройств: молотковых, щековых, валковых, конусных и других, а также данных имеющихся материалов по дроблению показал, что они не могут в достаточной мере обеспечить получение цеолитовой добавки, удовлетворяющей указанным требованиям [68,91]. Кроме того, большинство из них имеют необоснованную высокую
12 производительность и энергоемкость, что делает их малоэффективными, особенно для мелких фермерских хозяйств и комбикормовых предприятий с небольшим объемом выпуска комбикормов [ЗД08].
Необходимость наших исследований обусловлена также тем, что впервые учеными зоотехниками предпринято всестороннее исследование природных цеолитов Амурской области на животных и птице, по разработке научно-обоснованной системы их практического использования в животноводстве [39].
Все выше изложенное дает нам основания, считать, что проблема совершенствования приготовления цеолитовои добавки животным и птице, путём совершенствования технологических процессов и технических средств, на сегодняшний день является актуальной.
Научная гипотеза. По данным проведенного анализа литературных источников и поисковых исследований можно заключить, что эффективность процесса измельчения цеолитовои добавки зависит от многих факторов и определяется величиной энергозатрат на ее приготовление с учетом качественных показателей данного процесса. Знание закономерностей процесса измельчения и установление взаимосвязи между исследуемыми явлениями позволяет наметить пути совершенствования данного процесса, обосновать оптимальные параметры и режимы работы технического средства для получения цеолитовои добавки и определить условия его эффективного использования. Процесс измельчения природных цеолитов до частиц товарной продукции носит многостадийный характер, это снижает качество цеолитовои добавки из-за неоднородности фракционного состава. На основании проведенного анализа и поисковых исследований нами выдвинута гипотеза что, однородность фракционного состава готового продукта является функцией модуля помола исходного цеолитового сырья.
Объект исследования - процесс измельчения цеолитовои добавки, осуществляемый штифтовым измельчителем.
Предмет исследования - закономерности процесса измельчения цеолитовои добавки.
Методы исследований. В работе использованы методы эмпирического и теоретического исследований, математического моделирования при планировании эксперимента, современные электронные устройства управления исследуемым процессом, электронные средства измерения, методы теории вероятности, а также статистические методы обработки результатов исследований на ПЭВМ с использованием программ «Excel», «KPS» В ряде случаев использованы стандартные методики. Все перечисленное явилось методологическим подходом, позволившим: объективно и обоснованно представить механизм происходящих процессов; раскрыть закономерности и взаимосвязи исследуемых явлений; подтвердить высказанную гипотезу и обосновать конструктивно-режимные параметры, обеспечивающие получение высококачественной продукции, и сделать достоверные выводы.
Основная задача исследований при планировании эксперимента -оптимизация, заключающаяся в нахождении совокупности варьируемых факторов, при которых параметр оптимизации принимает экстремальное значение, решалась оптимальным образом. При этом осуществлялось минимальное число опытов, позволяющее произвести на каждом этапе надёжную статистическую оценку.
Цель исследования - повышение эффективности и качества приготовления цеолитовой добавки, путем обоснования параметров и режимов работы штифтового измельчителя. Для достижения указанной цели, исходя из научной гипотезы, поставлены следующие задачи исследовании:
На основе анализа измельчающих устройств разработать их классификацию и обосновать тип измельчителя.
Теоретическим путем установить зависимости энергетических и качественных показателей процесса измельчения от конструктивно-режимных параметров штифтового измельчителя.
3.Экспериментально проверить теоретические положения и путем построения математических моделей обосновать оптимальные параметры штифтового измельчителя.
4.Подт8ердить гипотезу о влиянии модуля помола исходного цеолитового сырья на неоднородность фракционного состава готового продукта.
5.Провести производственную проверку и дать технико-экономическую оценку эффективности результатов исследований.
Общая схема исследования представлена на рисунке 1,1.
Научная новизна заключается в следующем: получены аналитические выражения для определения производительности штифтового измельчителя и мощности, затрачиваемой на процесс измельчения, в зависимости от конструктивно- режимных параметров измельчителя; установлена зависимость степени измельчения от конструктивно-режимных параметров измельчителя и физико-механических свойств цеолитов; разработаны математические модели процесса измельчения, с помощью которых обоснованы оптимальные параметры штифтового измельчителя; - получена зависимость неоднородности фракционного состава готового продукта от модуля помола исходного цеолитового сырья. і Практическая значимость. Полученные аналитические выражения позволяют на стадии проектирования измельчителей данного типа определить качественные и энергетические показатели процесса измельчения с учетом физико-механических свойств природных цеолитов. Результаты исследований могут быть использованы конструкторскими бюро и проектными организациями, а также при разработке технологических схем переработки природных цеолитов применительно к другим месторождениям.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных конференциях ДальГАУ и ВНИИ сои (2000-2004 гг.), на расширенном заседании кафедры технологии переработки продукции растениеводства ДальГАУ в 2006 г,, а также отражены в публикациях автора.
Реализация результатов исследования. Результаты исследований внедрены в ОНО ОПХ ВНИИ сои Амурской области, путем монтажа и эксплуатации установки по производству цеолитовой добавки, а также путем реализации готового продукта хозяйствам области.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 165 страницах, включает введение, 5 глав, выводы, библиографию и приложения. Работа содержит 10 таблиц, 33 рисунка и 29 приложений. Библиографический список использованной литературы включает 202 наименования.
Основные положения, выносимые на защиту:
1.Результаты теоретических исследований, включающие: -аналитические выражения для определения производительности штифтового измельчителя и мощности, затрачиваемой на измельчение; -аналитическую зависимость степени измельчения от конструктивно-режимных параметров измельчителя и физико-механических свойств цеолитов.
2.Результаты исследования физико-механических свойств природных цеолитов Вангинского месторождения Амурской области.
3.Математические модели процесса измельчения природных цеолитов штифтовым измельчителем и оптимальные значения его параметров.
4. Экспериментальные зависимости по оценке качественных и энергетических показателей процесса измельчения.
5,Зависимость неоднородности фракционного состава готового продукта, от модуля помола исходного цеолитового сырья.
6.Оценка экономической эффективности результатов исследований.
Автор выражает искреннюю благодарность д.т.н. Иванову Сергею Анатольевичу за ценные консультации и помощь в организации проведения исследований, а также д.в.н. Гамидову Микаилу Гамид оглы за ценные консультации в области ветеринарных и медшсо-биологических исследований природных цеолитов Вангинского месторождения Амурской области.
Совершенствование процесса приготовления цеолитовой добавки животным и птице, путем обоснования параметров штифтового измельчителя
Теоретические исследования по обоснованию параметров штифтового измельчителя
Исследование свойств и состава исходного сырья и готового цеолитового продукта
Плотность
Модуль помола
Физико-механические свойства
Однородность фракционного состава
Прочность естественного откоса
Исследование факторов, влияющих на эффективность процесса измельчения природных цеолитов штифтовым измельчителем
Производительность
Мощность
Угловая скорость вращения диска
Скорость разрушения
Длина штифта
Конструктивные параметры
Обоснование оптимальных параметров штифтового измельчителя и режима работы
Расстояние между штифтами
Исследование закономерностей процесса измельчения
Влияние модуля помола на неоднородность фракционного состава
Влияние скорости разрушения на производительность и мощность
Влияние угловой скорости вращения диска на степень измельчения
Рис. 1.1. Общая схема исследований
