Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 11
1.1. Состояние кормопроизводства в условиях Нижнего Поволжья 11
1.2. Тростник южный {Phragmites australis), его значение и использование 17
1.3. Анализ технологических линий производства кормов для крупного рогатого скота 27
1.4. Цель и задачи исследования 42
2. Теоретические предпосылки оценки эффективности технологии производства пеллет из тростника южного 43
2.1. Классификация факторов, влияющих на показатели эффективности технологии производства пеллет 43
2.2. Выбор частных показателей эффективности технологии производства пеллет 45
2.3. Выбор комплексного критерия оценки эффективности технологии производства пеллет 51
2.4. Выводы по главе 2 55
3. Программа и методика экспериментальных исследований 57
3.1. Программа экспериментальных исследований 57
3.2. Методика выбора необходимого количества опытов 58
3.3. Методика проведения опытов по определению технологических свойств растений тростника южного 61
3.4. Методика определения химического состава наземных частей растений тростника южного 3.5. Методика оценки влияния использования пеллет из тростника южного в качестве корма для крупного рогатого скота на привес животных 63
3.6. Методика оценки крошимости пеллет 65
3.7. Экспериментальная лабораторная установка устройства очеса метелок 67
3.8. Методика планирования многофакторного эксперимента 70
3.9. Выводы по главе 3 76
4. Результаты экспериментальных исследований 77
4.1. Размерно-массовые характеристики тростника южного 77
4.2. Результаты исследований химического состава тростника южного 83
4.3. Анализ технологий производства пеллет из тростника южного 89
4.4. Результаты исследований прироста живой массы крупного рогатого скота при откорме пеллетами из тростника южного 98
4.5. Результаты оценки крошимости пеллет 101
4.6. Совершенствование конструкции измельчителя тростника южного 104
4.7. Результаты оптимизации кинематических и геометрических параметров устройства очеса метелок 108
4.8. Оценка эффективности технологий производства пеллет из тростника южного на корм крупному рогатому скоту по комплексному критерию 4.8.1. Определение значений частных показателей эффективности 115
4.8.2. Определение весомости частных показателей эффективности технологий производства пеллет из тростника южного 118
4.8.3. Оценка комплексного критерия эффективности технологий производства пеллет из тростника южного 121
4.9. Выводы по главе 4 1
5. Экономическая эффективность предложенных рекомендаций 124
5.1. Анализ финансовой реализуемости и инвестиционной эффективности ООО НЛП «БиоТоп» 124
5.2. Финансовые результаты от реализации пеллет из тростника южного 128
Библиографический список
- Анализ технологических линий производства кормов для крупного рогатого скота
- Выбор комплексного критерия оценки эффективности технологии производства пеллет
- Методика проведения опытов по определению технологических свойств растений тростника южного
- Результаты исследований прироста живой массы крупного рогатого скота при откорме пеллетами из тростника южного
Анализ технологических линий производства кормов для крупного рогатого скота
Крупный рогатый скот нуждается в 80 питательных и биологически активных веществах: белках, незаменимых аминокислотах, клетчатке, крахмале, саха-рах, жире, минеральных веществах, микроэлементах, витаминах и т. д.
Однако в связи со сложностью контроля поступления в организм животных с кормом всех питательных веществ при кормлении ограничиваются учетом только некоторых важнейших показателей питания, а именно - обязательно учитываются потребности крупного рогатого скота в следующих веществах: сухом веществе; переваримом протеине; кальции; фосфоре; каротине.
Для оценки питательности кормов и определения общей потребности животных принято использовать такой показатель, как кормовая единица (корм. ед.). Одна корм. ед. равна по общей питательной ценности 1 кг овса, или 1 корм. ед. = 6 048 кДж (144 ккал).
Основными кормами для крупного рогатого скота являются зеленые растения, сено, силос, корне- и клубнеплоды, концентраты. Однако часто фермерами используются экструдированные, гранулированные и комбикорма.
При производстве экструдантов, гранул и комбикормов важную роль играет экономия кормовых ресурсов и рациональное использование отходов различных отраслей, т. к. в состав таких кормов возможно включить сырье, которое не может быть использовано отдельно из-за плохого вида и других причин [52].
При использовании сбалансированных по всем питательным веществам комбикормов продуктивность животных повышается на 10-12%, а при обогащении их витаминами, микроэлементами и другими стимулирующими веществами -на 25-30% по сравнению с тем, когда животным скармливают отдельные виды зернофуража [96].
Основой комбикорма является зерновое сырье, которое составляет примерно 60-65%. Из зерновых культур это: пшеница, ячмень, кукуруза, овес, просо, в которых содержится до 70% углеводов, однако содержание белка всего 10-15% [29]. В комбикорма в виде отходов (жмых, шрот) вносятся такие масличные культуры, как подсолнечник, хлопчатник, рапс, сурепка, рыжик. Также могут входить: отходы, получаемые при переработке зерна в крупу и муку, отходы пищевой промышленности, корма животного происхождения, грубые корма и др. По своему качеству комбикорма должны отвечать требованиям ГОСТ 9268-90 [22]. Однако несбалансированность кормов по белку, аминокислотам, лизину и недостаточное содержание в них обменной энергии - главная причина низкой продуктивности животноводства, больших затрат на создание единицы продукции.
Использование тростника южного в качестве кормовой основы должно решить две задачи, одна из которых - замена части дорогостоящих зерновых ингредиентов, другая - формирование малокомпонентных рецептур, включающих небольшой набор сырья, но обладающих высокой питательностью. Подвергая корм на основе тростника южного соответствующей подготовке, можно увеличить в нем содержание питательных веществ в доступной форме и, следовательно, повысить эффективность кормления. Кроме того, путем механического, термического воздействия на корма, а также внесения в них вкусовых добавок можно увеличить их поедаемость животными. Основные способы и технологии приготовления этих кормов к скармливанию следующие: 1) физические (измельчение, сдабривание, запаривание, заваривание); 2) биологические (самонагревание, совместное силосование с кукурузой); 3) химические (кальцинирование, обработка щелочами и другими химическими средствами) [43].
Физические способы. Измельчение тростника южного и сдабривание его вкусовыми добавками - наиболее простой способ подготовки его к скармливанию. Основная цель измельчения тростника - повышение его поедаемости, снижение потерь при скармливании, подготовка его к дальнейшей обработке.
Для крупного рогатого скота длина резки должна быть 4-5 см. Тростниковую сечку более мелкой фракции животные недостаточно смачивают слюной, частично проглатывают непережеванной, что приводит к атонии рубца у жвачных. Наиболее удобна для скармливания резка, расщепленная вдоль волокон, т. к. она быстро и хорошо пропитывается соками желудка.
Тростниковая сечка быстро теряет влажность, однако за счет деформации тканей, происходящей в результате измельчения, водопоглощение сечки в течение суток достигает 200-220% ее массы по сравнению с водопоглощением стебля тростника, которое составляет 150-160%. Основное количество воды поглощается сечкой сразу же после ее погружения в воду, в течение 5-15 мин нахождения сечки в воде поглощается 70-90% воды от всего объема суточного водопоглощения.
Таким образом, свежескошенный тростник измельчают непосредственно перед скармливанием и смешивают с силосом на силосорезках из расчета: 15-25% по весу соломы и 75-80% силоса.
Известен способ приготовления кормов из тростника южного, при котором тростниковую сечку увлажняют 1,5-2%-ным раствором поваренной соли из расчета 80-100 л воды на 1 ц тростника.
Смоченный тростник южный запаривают и сдабривают жмыхом или используют отруби, муку фуражных культур из расчета 4-5 кг на 100 кг сечки.
Измельченный, смоченный солевым или 1%-ным раствором кальцинированной соды, сдобренный концентратами тростник южный животные хорошо поедают, при этом происходит некоторое повышение продуктивности.
При запаривании, под действием температуры тростник южный размягчается, обезвреживается от микроорганизмов, становится более удобным для сдабривания и охотно поедается крупнорогатым скотом. Кроме того, запаривание тростниковой сечки повышает переваримость клетчатки и общую питательность корма.
Источником пара при запаривании тростника являются котлы-парообразователи типа КВ-200 и кормозапарники ЗК-0,5, ЗКП-1,0. Поскольку чаны кормпозапарников по емкости не приспособлены для запаривания грубых кормов, запаривание тростника проводят в облицовочных ямах или специальных ящиках ем-костью от 5-10 до 50-60 м в зависимости от количества скота на ферме.
Выбор комплексного критерия оценки эффективности технологии производства пеллет
Измельчитель состоит из сварной рамы, на которой крепят питатель, включающий нижний горизонтальный и верхний наклонный уплотняющий транспортеры, приемную камеру, измельчающий аппарат, состоящий из ротора с лопастями, вращающегося и неподвижного дисков со штифтами, дефлектор с механизмом поворота и регулирующим козырьком, электрооборудования с пусковой аппаратурой.
Анализ конструктивных особенностей и технических характеристик измельчителей, представленных выше, а также других, применяемых в сельскохозяйственном производстве для измельчения растений, позволил сделать вывод о том, что наиболее подходящим для измельчения тростника южного с целью получения пеллет для корма крупного рогатого скота, является измельчитель грубых кормов ИГК-ЗОБ. Однако данный измельчитель и все рассмотренные выше не могут быть применены для измельчения тростника с целью использования полученной массы при приготовлении пеллет без изменения конструкции, т. к. они не оборудованы устройством для очесывания метелок тростника.
Прессование. Сырье, поступающее на прессование, должно иметь влажность менее 12%. Современные прессы, как правило, имеют целый арсенал устройств, позволяющих их оптимально эксплуатировать. Это увлажнители (пар, вода), смесители, дозаторы, приборы контроля электрических параметров, схемы защиты от перегрузок и пр. Непосредственно формирование пеллет происходит после попадания сырья между вращающейся матрицей и роликами. При продав-ливании продукта через отверстия в матрице (фильеры) сырье прессуется и приобретает необходимые геометрические размеры и плотность.
Охлаждение. Сформировавшиеся пеллеты приобретают нужную твердость только в процессе остывания и, чем грамотнее организован этот процесс, тем лучше качество готового продукта (рис. 1.11).
Производственный процесс требует наличия площадей для размещения оборудования и складирования готовой продукции. Высота помещения должна быть от 3,5 м, площадь - от 35 м - для размещения основного оборудования и 100-150 м - для склада. При расположении оборудования в линию длина составляет 14 м, ширина от 2,5 м. Компоновка линии может быть изменена под существующее помещение. Помещения могут быть не отапливаемыми.
Анализ существующих линий производства кормов для крупного рогатого скота показывает, что во всех случаях будет присутствовать процесс измельчения. Тем более что при использовании в качестве сырья Phragmites australis процесс измельчения является одним из энергоемких, т. к. тростник - толстостебельная культура, его внешний диаметр достигает 17-20 мм. Большой диаметр стебля требует значительного времени на его перерезание. Кроме того, стебель тростника обладает большой жесткостью. В связи с этим нами предложено измельчать тростник южный в два этапа. Первый этап - измельчение на крупные фракции с расщеплением вдоль волокон, второй - на фракции требуемой длины для качественного прессования. 1.4. Цель и задачи исследования
Цель исследования - повышение эффективности технологии производства пеллет из тростника южного на корм крупному рогатому скоту за счет введения но ч вых технологических операций и устройств подготовки растений к измельчению. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Изучить размерно-массовые свойства тростника южного и его химический состав. 2. Выбрать частные показатели и разработать комплексный критерий оценки эффективности технологии производства пеллет из тростника южного на корм КРС. 3. Предложить усовершенствованную технологию производства пеллет из тростника южного на корм КРС. 4. Исследовать прирост живой массы молодняка КРС при откорме их пелле-тами и крошимость пеллет, изготовленными по усовершенствованной технологии. 5. Разработать устройства очеса метелок тростника южного к измельчителю грубых кормов и оптимизировать его геометрические и кинематические параметры. 6. Обосновать эффективность применения рекомендуемой технологии производства пеллет из тростника южного на корм КРС по комплексному критерию эффективности. 7. Разработать рекомендации производству по совершенствованию технологической линии изготовления пеллет из тростника южного на корм КРС.
На эффективность технологии производства пеллет из тростника южного на корм крупному рогатому скоту влияют конструкционные, технологические, организационно-эксплуатационные и другие факторы, а также характеристики перерабатываемого материала, в нашем случае тростника южного.
Конструкционные факторы определяются конструктивными особенностями машин, входящих в состав технологической линии производства пеллет, их качеством, брендом фирмы-производителя и т. п.
Технологические факторы определяются качеством работы машин, входящих в технологическую линию, числом операций в технологии, качеством работы машин, уровнем механизации загрузки-разгрузки материала (ручная, автоматизированная, автоматическая).
Организационно-эксплуатационные факторы определяются формой организации работы, квалификацией обслуживающего персонала, скоростными режимами работы машин, нагрузкой на технологическую линию. Важно для повышения эффективности работы технологической линии обеспечение поточности производства.
Весьма важными факторами, влияющими на эффективность технологии производства пеллет из тростника южного на корм крупному рогатому скоту, являются свойства перерабатываемых растений, такие как высота или длина растений, длина и масса метелки, а также химический состав растений.
Методика проведения опытов по определению технологических свойств растений тростника южного
Летучесть и плавучесть зерновок тростника обусловлена облекающими их чешуйками и сидящими на цветковой оси длинными волосками (причем длина зерновки укладывается по длине волоска 10-20 раз).
Благодаря обилию длинных распушенных волосков заключенные в чешуйки зерновки (1,1-1,2 мм) переносятся ветром и водой на большие расстояния.
Проведенный анализ метелки тростника южного показал, что основную массу данной наземной части растения составляют веточки, волоски и щитки самих зерновок, содержание питательных веществ в которых незначительно по сравнению с содержанием протеина и жира в стеблях и листьях тростника южного.
Таким образом, наличие метелок тростника южного в сырье засоряет кормовую смесь для крупного рогатого скота. Кроме того при кормлении КРС в основном используются не метелки (зерновки), а другие части растения (стебли, листья).
Анализ технологий производства пеллет из тростника южного Рекомендации, полученные в результате наших исследований внедрены в малое инновационное предприятие ООО НГШ «БиоТоп» (см. Приложения). Направление деятельности данного предприятия - изготовление пеллет из тростника южного для различных хозяйственных нужд. ООО Н1111 «БиоТоп» обладает серьезным потенциалом для развития за счет: - доступности компонентов, используемых в качестве сырья для производства пеллет; - организации деятельности предприятия по производству пеллет, которое является уникальным проектом в Астраханской области и позволит в значительной мере обеспечить спрос на пеллеты для различных целей на внутреннем рынке, в том числе и на корм для крупного рогатого скота. В штатное расписание ООО НЛП «БиоТоп» включены: генеральный директор, инженер, бухгалтер, водитель, рабочие в количестве 2-х человек. Состав и структура персонала ООО НЛП «БиоТоп» приведены в таблице 4.8.
Сырьевая база пеллетного производства ООО НЛП «БиоТоп» в Астраханской области основана на достаточно обширных площадях, с которых тростник южный скашивается с целью устранения опасности пожаров или освобождения земель под сельскохозяйственные угодья. При этом тростник южный утилизируют - сжигают, что пагубно сказывается на окружающей среде, т. к. выделяется огромное количество углекислого газа [5]. Кроме того, продукция предприятия направлена на удовлетворение потребностей внутреннего рынка не только кормов для крупного рогатого скота, но и развивающегося рынка твердого биотоплива (т. к. изначально предприятие создано для реализации деятельности по производству и продаже твердого биотоплива - пел лет).
В конце 2011 г. предприятие закупило оборудование для линии производства пеллет производительностью 120 кг/ч фирмы MasCorp на общую сумму 2 041,93 тыс. руб. (табл. 4.9) [72] и работало по схеме А (рис. 4.4). Таблица 4.9 - Оборудование в линии производства пеллет по схеме А
Схема существующей технологической линии производства пеллет (схема А) предполагает применение тростника южного различных фаз созревания, в том числе до выброса метелок. Такой тростник имеет влажность, изменяющуюся в широком диапазоне. Средняя влажность такого тростника достигает 55% и выше. В связи с этим технология предусматривает обязательную операцию - сушку активным вентилированием. При использовании данной технологии существенны затраты на электроэнергию. Кроме того, тростник в данной фазе развития не достиг максимально возможных размеров. Поэтому, применяя данную технологию, производители заведомо теряют массу продукции на выходе.
Данная технология использовалась для производства пеллет исключительно в качестве биотоплива.
После проведения наших исследований была внедрена в производство новая схема (рис. 4.5). Цель применения данной технологии - улучшение качества готовой продукции. При производстве пеллет по схеме Б используется то же оборудование, что и в схеме А, но перед измельчителем растительного сырья предусматривается операция по удалению метелок. Данная операция выполняется вручную. (схема Б) Схема технологической линии производства пеллет (схема Б) предполагает использование как молодого тростника южного, до выброса метелок, так и созревшего, с метелками. Такой тростник имеет существенный разброс по влажности. В связи с этим (так же, как и в случае схемы А) технология предусматривает обязательную операцию - сушку активным вентилированием. При использовании данной технологии существенны затраты на электроэнергию. Кроме того, данная технология предусматривает удаление метелок перед измельчением. При удалении метелок и использовании молодого тростника снижается масса продукции на выходе.
Первоначально по схеме Б (рис. 4.5) полученные пеллеты реализовывались как биотопливо.
Однако анализ внутреннего рынка и проведенные дополнительные исследования процесса производства пеллет из тростника южного выявили необходимость расширения ассортимента продукции. Пеллеты из тростника южного потребители использовали не только как биотопливо, но и как корм крупному рогатому скоту. Однако пеллеты, изготовленные только из сечки тростника южного, не удовлетворяли требования по питательности. Поэтому нами были даны рекомендации ООО «БиоТоп» о переходе работы предприятия на схему В (рис. 4.6).
По схеме В измельчение растений осуществляется в два этапа: предварительное измельчение измельчителем грубых кормов ИГК-ЗОБ, который производит резку растений на куски длиной 400-800 мм и осуществляет их расщепление вдоль волокон, и окончательное - получение сечки измельчителем растительного сырья серии TYMX до размеров 4 мм.
При производстве пеллет по схеме В предприятием, по нашим рекомендациям, в конце 2012 г. было закуплено дополнительное оборудование: измельчитель грубых кормов ИГК-30Б с устройством по очесу метелок мощностью 3 кВт и бункер-ворошитель БМ-1.
Результаты исследований прироста живой массы крупного рогатого скота при откорме пеллетами из тростника южного
В п.4.5 настоящей работы рассмотрены 3 схемы производства пеллет из тростника южного. Однако по схеме А производятся пеллеты только для применения как биотопливо. Схемы Б и В предусматривают производство пеллет из тростника южного также и на корм крупному рогатому скоту. В связи с этим проведем расчеты значений комплексного критерия эффективности для схем: существующей Б и внедряемой В. Как показано в главе 2, чтобы выполнить расчет комплексного критерия эффективности, определим значения частных показателей как фактических, так и требуемых (желаемых). Требуемые (желаемые) значения рассматриваемых частных показателей примем равными лучшим из достигнутых или желаемым для производителя пеллет.
Из 5 выбранных показателей 2 показателя - производительность технологической линии и питательность 1 кг пеллет следует увеличивать в процессе совершенствования технологии производства корма из тростника южного, остальные 3 следует снижать.
Определение фактических значений частных показателей эффективности выполнялось по результатам экспериментальных исследований в ООО НПГТ «БиоТоп».
1. Себестоимость одной тонны пеллет зависит от эксплуатационных затрат: стоимости сырья, включая затраты на его транспортировку и хранение, расхода электроэнергии, требуемой для работы оборудования, заработной платы рабочим, амортизационных отчислений и некоторых других затрат [88]. Как пока зали расчеты (представлены ниже в главе 5), себестоимость пеллет, изготовлен ных по технологической схеме Б, составила 2 673 руб./т, а по схеме В 4 137 руб./т. Увеличение себестоимости 1 т пеллет при изготовлении их по схеме В по сравнению со схемой Б связано с тем, что по схеме Б пеллеты прессуются только из тростниковой сечки, а по схеме В в них добавляют (по нашим предло жениям) определенную долю ингредиентов, улучшающих питательность и усвоя емость корма, а также за счет увеличения оплаты за электроэнергию из-за уста новки дополнительного оборудования. Себестоимость пеллет при изготовлении по схеме А составляет 2 373 руб./т. Это минимальное значение себестоимости производства пеллет из тростника южного примем за требуемое.
2. Питательность 1 кг пеллет, изготовленных из тростниковой сечки, высушенной до 12%, как показано выше, не превышает 0,30 корм. ед. Питательность пеллет, в состав которых входит примерно 55% тростниковой сечки, 30%) концентратов и 15%) травяной муки составляет примерно 0,54 корм. ед. Если кормить крупный рогатый скот из овса среднего качества, то животные получат из 1 кг 150 г жира, или 1 корм. ед. Значение питательности корма в 1 корм. ед. принимаем за желаемое.
3. Крошимость пеллет - свойство готового продукта разрушаться под действием внешних воздействий. Данный показатель играет значительную роль при транспортировке готовой продукции до потребителя. Пеллеты должны сохранять исходные размеры и форму, чтобы устранить потери в массе. Крошимость пеллет, как показали экспериментальные исследования, изготовленные по техно 117 логической схеме Б, составили 13%, а по схеме В - 12%. По требованиям к качеству пеллет их крошимость должна быть не выше 10%). Данное значение мы принимаем за желаемое.
4. Производительность технологической линии - это основная мера функциональной полезности и эффективности линии, способность ее перерабатывать или выпускать то или иное количество продукции за определенный промежуток времени. При определении производительности технологической линии принимаются в расчет количество готовой продукции, длительность непосредственной работы оборудования, а также дополнительные затраты сырья и рабочего времени, необходимые для успешного функционирования оборудования. Дополнительные затраты зависят от конструктивных особенностей оборудования, предусмотренных в технической документации. Кроме того, учитываются дополнительные затраты времени на выполнение вспомогательных операций и обслуживание оборудования. Расчеты показали, что производительность технологической линии, работающей по схеме Б, равна 0,108 т/ч, а по схеме В - 0,216 т/ч. Планируется за счет внедрения механизации и автоматизации технологического процесса сократить затраты времени на производство 1 т пеллет на 15%. В этом случае производительность составит 0,24 т/ч. Данное значение мы примем за желаемую производительность технологической линии.
5. Потери сырья - как показатель эффективности технологической линии учитывает такие данные, как потери сырья, россыпь стружки и готового продукта при транспортировке и подаче на технологические операции. По технологической схеме Б потери сырья достигают 10%о, по схеме В - 8,4%. Экспериментальные данные показали, что минимальные потери сырья, связанные с осыпанием листовой части при транспортировке составляют 4,6% . В связи с этим данный уровень потерь принимаем за желаемый.
