Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1 Сапропель природный ресурс органического сырья и влияние его на эффективность производства продукции растениеводства 7
1.2 Технологии сушки сапропеля и характеристика конструктивно-технологических схем и рабочих процессов сушилок 19
1.3 Характеристика конструктивных особенностей барабанной сушилки 33
1.4 Пути совершенствования процесса сушки сапропеле минеральных гранулированных удобрений (СМГУ) и задачи исследования 40
Глава 2 Расчетно-теоретические предложения и обоснование конструктивных и технологических параметров сушилки
2.1 Теоретическое обоснование технологического процесса сушки СМГУ и технологических параметров сушилки 45
2.2 Теоретическое обоснование конструктивных и технологических параметров сушилки 70
Глава 3 Методика экспериментальных исследований
3.1 Описание конструкций и работы лабораторных установок 82
3.2 Описание методик проведения эксперимента 89
3.3 Изучение физико-механических свойств и конструктивных показателей сушки СМГУ 98
3.4 Оценка агрохимической активности сапропеле-минеральных гранулированных удобрений при возделывании ячменя 103
Глава 4 Технологические основы производства СМГУ и результаты экспериментальных исследований
4.1 Технологические основы производства СМГУ 106
4.2 Математическое моделирование физико-механических свойств и технологических показателей сушки СМГУ 109
4.3 Экспериментальное исследование работы сушилки и качества гранул 122
4.4 Оценка условий хранения гранул на качество СМГУ 137
4.5 Влияние СМГУ на рост и развитие ячменя, и на агрохимические показатели почвы 140
Глава 5 Технико-экономическое обоснование сушки и использования СМГУ 143
Основные выводы 146
Список литературы 148
Приложения 162
- Сапропель природный ресурс органического сырья и влияние его на эффективность производства продукции растениеводства
- Теоретическое обоснование технологического процесса сушки СМГУ и технологических параметров сушилки
- Описание конструкций и работы лабораторных установок
- Технологические основы производства СМГУ
Введение к работе
Одной из важнейших задач, стоящих сегодня перед учеными-аграрниками, является поиск путей повышения плодородия почв и увеличения урожайности сельскохозяйственных культур в зональных научно-обоснованных системах земледелия за счет рационального использования удобрений.
Установлено, что богатейшим природным источником пополнения почв органическими и гуминовыми веществами являются озерные сапропели, которые содержат все необходимые растениям питательные вещества, а также обладают высокой поглотительной, ионообменной и связующей способностями. Это обусловливает перспективность использования сапропелей в качестве основы при производстве медленнодействующих органоминеральных гранулированных удобрений, применение которых позволяет снизить потери минеральных питательных веществ, вызванные вымыванием дождевыми и грунтовыми водами, а также уменьшить загрязнение водоемов легкорастворимыми фракциями минеральных удобрений.
Однако, создание сапропеле-минеральных удобрений в гранулированном виде связано с задачей превращения высококонцентрированных сыпучих сапропелеминеральных смесей (CMC) в гранулы с заданными механическими свойствами и структурой. Успешное решение данной задачи не может быть осуществлено без глубоких исследований физико-механических и деформационных свойств CMC, а также основных закономерностей образования, деформирования и разрушения структур смесей в процессе их гранулирования.
Вопросам, связанным с изучением физико-механических характеристик, определяющих процессы сушки сапропеле-минеральных гранулированных удобрений и их влиянием на режимно-технологические параметры сушилки, посвящено недостаточно исследований.
5 В связи с этим, целью настоящей работы является обоснование
рациональных технологических параметров процесса сушки СМГУ,
конструктивных параметров сушильного барабана и изыскание путей и
методов их интенсификации при одновременном повышении качества
удобрений.
В настоящей работе предусматривалось проведение теоретических и экспериментальных исследований по определению основных технологических параметров процесса сушки в барабанной сушилке.
Основу теоретических исследований составили основы термодинамики, математическое моделирование технологических процессов с учетом специфических свойств сапропеле-минеральных гранул. При проведений экспериментальных исследований по изучению физико-механических, технологических и химических свойств СМГУ использовались методы группового учета аргументов и их статистический анализ.
Для изучения основных технических характеристик барабанной сушилки поставлен ряд многофакторных экспериментов с учетом их математического планирования. Поиск, полученных в результате исследований закономерностей, проводился с использованием компьютерной техники, в результате чего были получены математические зависимости изучаемых показателей.
Диссертация является самостоятельной работой.
За содействие в проведении экспериментальных исследований и сбора экспериментальной установки благодарю бывшего начальника конструкторско-технологического бюро ВЗЩА П.Г.Васильева.
Пользуясь, случаем выражаю свою самую глубокую признательность за постоянное внимание, ценные советы и создание благоприятных условий при написании диссертационной работы научному руководителю ректору, заведующему кафедры "Автомобили, тракторы и сельскохозяйственные машины" доктору технических наук, профессору В.В. Морозову.
По результатам исследований на защиту выносятся следующие положения:
1. Математическая модель сушки сапропеле-минерального
гранулированного удобрения в барабанной сушильной установке.
2. Теоретическое обоснование основных технологических параметров
процесса сушки.
3. Результаты экспериментально-теоретических исследований
конвективной сушки СМГУ в барабанной сушилке.
4. Теоретическое и экспериментальное обоснование конструктивных
параметров лопастной насадки сушильного барабана и ее
реологическая модель, описывающая кинетику с учетом
перемешивания гранулированного материала.
5. Математические модели зависимости влагосъема, конечной
температуры гранул и температуры сушильного агента от
технологических параметров.
6. Эмпирические зависимости физико-механических свойств сапропеле-
минерального гранулированного удобрения.
Сапропель природный ресурс органического сырья и влияние его на эффективность производства продукции растениеводства
Сапропели - это илистые донные отложения пресноводных водоемов, образовавшиеся в результате действия физико-механических, биохимических и микробиологических процессов из остатков населяющих озера растительных и животных организмов, а также из неорганических компонентов биогенного происхождения и минеральных примесей приносного характера.
Сапропель это сырье, которое, содержит нужнейшие элементы питания растений. Химические анализы показывают, что в состав сапропеля входят по существу все элементы питания растений, чего нет ни в одном отдельно взятом удобрении. В сапропеле содержится значительное количество гуминовых кислот и их солей, устойчивых к биологическому расщеплению, которые значительно пополняют гумусный фонд почвы— материальный носитель ее плодородия.
Исследованиями, проведенными в мире, доказано, что сапропель: снижает кислотность почвы; повышает влагоемкость пахотного слоя; является радиопротектором, т. е. способствует закреплению в почве в малоподвижной и недоступной растениям форме радиоактивного стронция и других тяжелых металлов. Качество сапропеля зависит от содержания в нем питательных элементов. На основании технических условий сапропелевое удобрение делится на три группы (Таблица 1.1) (5,7,11,49,72,78,104,140,). Сапропель марки А — органического типа. Сапропель марки Б — органо-известкового типа, содержит большую долю кальция и имеет слабощелочную реакцию раствора солевой вытяжки. Сапропель марки В — органо-кремнеземистого типа. В состав органической части сапропеля входит комплекс органических и минеральных веществ, соединения азота, фосфора, калия, серы, меди, бора, молибдена, в составе органической части имеются биологически активные вещества—гуминовые кислоты, фульвокислоты, аминокислоты, негидролизуе-мый остаток, гемицеллюлоза, магний, кальций, а также водорастворимые вещества и других микроэлементов. Важнейшая характеристика их — это общий уровень зольности неодержання кремния, железа, карбонатов, кальция и уровень кислотности и т.д.
Минеральная часть сапропеля, представляющая собой основную составляющую сапропелевого удобрения содержит большое количество микроэлементов, таких как: Со, Мп, Си, В, Zn, Br, Mo, V, Сг, Be,Ni, Ag, Sn, Pb, As, Ba, Sr, Ті. По сравнению с торфонавозными компостами, органическая масса сапропелевого удобрения отличается более высоким содержанием гидролизируе-мых веществ, таких, как — аминокислоты, углеводы широкого спектра, гемицеллюлоза и азотосодержащие соединения. Сапропелевое удобрение богато витаминами группы В(В1, В12, ВЗ, В6), Е, С, D, Р, каратиноидами, многими ферментами, например, каталазами, пероксидазами, редуктазами, протеазами.
В составе сапропеля имеются все питательные вещества, необходимые для роста и развития растений, поэтому его можно отнести к группе сложных, многофакторных удобрений. Оптимальное биологическое соотношение питательных веществ исключает «перекорм» или «недокорм» растений, поэтому передозировки сапропеля не страшны.
Сапропель является удобрением длительного действия, обладает мелиорирующим эффектом и положительно влияет на экологические факторы окружающей среды. Не содержит семян сорных растений и имеет в своем составе антибиотики, противодействующие развитию болезнетворных микроорганизмов, а также является сорбентом радиоактивных элементов.
По данным СПГ «Торфогеология» на территории России выявлено 5898 озерных месторождений сапропелей с общим запасом 230 млрд. м . Наиболее изучены и перспективны для использования в сельском хозяйстве сапропелевые отложения озер центральных и северо-западных областей Нечерноземной зоны России, сведения, о запасах которых представлены в таблице 1.2 (8,10,47,55,59,106,125,137).
Мощность слоя, то есть глубина залегания сапропелевых отложений наиболее часто находится в пределах от 3 до 12м, а иногда достигает 40м.
Разнообразие растительного и животного мира озер, богатое минеральное питание определяют особенности свойств и химический состав сапропелей, которые, в соответствии с действующей классификацией, подразделяются на три типа, шесть классов и девятнадцать видов (таблица 1.3).
Теоретическое обоснование технологического процесса сушки СМГУ и технологических параметров сушилки
В процессе получения СМГУ важной проблемой становится вопрос процесса сушки гранул, так как высушенные гранулы обеспечивают необходимые условия для активного химического взаимодействия минеральных и органических веществ в смеси. В результате образуется водопрочный органический каркас, в ячейках которого питательные вещества находятся в доступном для растений состоянии. Сушка гранул до 8-12% закрепляет эти положительные свойства.
Термическая сушка требует сообщения высушиваемому материалу достаточного количества тепла для испарения жидкости и обеспечения условий необходимых для ее диффузии изнутри материала во внешнюю среду. Следовательно, по своей физической сущности термическая сушка является сложным процессом тепло- и массообмена.
Для сушки гранул и других влажных материалов наибольшее распространение получила тепловая сушка с использованием конвективного способа подвода тепла. При этом способе сушки нагретый воздух или газо-воздушная смесь, пронизывая слой гранул, передает им тепло необходимое для нагрева гранул и испарения влаги, поглощает и уносит с собой водяные пары. Таким образом, газовоздушная смесь является не только теплоносителем, но и влаго-носителем, поэтому ее называют агентом сушки (97).
Процесс сушки протекает со скоростью, зависящей от формы связей влаги с материалом и механизма перемещения в нем влаги. Кинетика сушки характеризуется изменением во времени средней влажности материала, отнесенной к количеству абсолютно сухого материала юс. Зависимость между влажностью шс материала и временем т изображается кривой сушки
В настоящее время наиболее распространенным агентом сушки является смесь воздуха с топочными газами, которая характеризуется энтальпией, температурой, влагосодержанием, удельным весом, общим и парциальным давлением пара и сухого газа, химическим составом. В случае правильно выбранных режимов горения топлива, концентрация топочных газов в агенте сушки не превышает 3-5% от общего веса (46,157).
Определим основные закономерности формирования структуры гранул удобрений. СМГУ на основе сапропеля состоят главным образом из четырех компонентов — органического связующего сапропеля, азотных, фосфорных и калийных удобрений. После интенсивного перемешивания, грануляции и сушки удобрение представляет собой твердообразный гетерогенный комплекс, кото рый с точки зрения физико-химической механики дисперсных материалов следует рассматривать как органоминеральную композиционную систему (61). В данной системе роль непрерывной - фазы, матрицы, играет сапропель, а дисперсной фазы — минеральные удобрения, представляющие собой дискретные частицы или матричные дисперсии (76). Учитывая, что минеральные туки (в нашем случае карбамид, двойной суперфосфат и хлористый калий) являются химически активными компонентами, а не только пассивным наполнителем, в простейшем случае рассматриваемая композиция будет включать еще и третий элемент — межфазный (адгезионный) слой (рис. 2.2). Это продукт взаимодействия минеральных удобрений с органическим связующим и друг с другом.
Модель композиционной системы сапропель-минеральные удобрения(1- наполнитель(удобрение), 2-связующее (сапропель), 3-межфазный (адгезионный слой)). При рассмотрении представленной модели наполненной системы следует сделать следующие допущения: свойства связующего постоянны во всем объеме композиции; дисперсная фаза, состоящая обычно из двух, трех и более различных минеральных удобрений, для упрощения также может считаться однородной по своему составу и физико-механическим свойствам; дисперсная фаза равномерно распределена в объеме связующего.
Основные технологические операции по производству сапропеле минеральных гранулированных удобрений включают в себя в первую очередь процессы массопереноса дисперсных фаз. Они реализуются при смешении (гомогенизации) компонентов, их диспергировании, уплотнении и грануляции с последующей сушкой гранул до относительной влажности 10...12%. В результате химических и фазовых взаимодействий и превращений образуется эластичная ячеистая структура из органического вещества, в полостях которой равномерно распределены основные элементы питания растений (82).
Интенсивность процесса сушки гранулированных удобрений зависит от следующих основных параметров: количества тепла, подаваемого в сушильный барабан Qa, расхода La и влажности (ра сушильного агента, скорости движения сушильного агента через гранулированную массу Va , скорости движения гранул по продольной оси барабана Vr, подачи гранул в сушилку G. Эти параметры влияют не только на интенсивность сушки, но и на качество просушиваемого материала. Состояние гранул в процессе сушки характеризуется следующими параметрами: влажностью W, температурой гранул /г в зоне максимального нагрева, временем нахождения Т гранул в сушильной установке (экспозиция сушки).
Описание конструкций и работы лабораторных установок
Основной задачей лабораторного и производственного исследований являлось изыскание рациональных технологических параметров предлагаемой технологии сушки сапропеле-минерального гранулированного удобрения на базе барабанной сушилки.
В соответствии с поставленными задачами, экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях, приближенных к производственному и технологическому процессам.
В качестве управляемых величин были приняты температура нагрева зерна, влагосъем, а также температура сушильного агента на выходе сушильной камеры. Таким образом, исследуемая сушильная камера имеет три выходных координаты. Между входными и выходными координатами существуют внутренние динамические связи, вид которых определяется соответствующими динамическими характеристиками.
Экспериментальная установка состоит из: теплогенераторной установки 1, секции загрузки гранул 2, сушильного барабана 3, зоны выгрузки 4, жесткой рамы 5, блока электродвигатель-редуктор 7 и щита управления 6 (рисунок 3.1). 1.Сушильный барабан (рисунок 3.2, 3.4) состоит из собственно барабана, приемного устройства, разгрузочной коробки и прикрепленным к его торцевым частям уплотнений. Барабан представляет собой сварную цилиндрическую конструкцию диаметром 0,5м и длиной 1,5м. Внутренняя часть барабана разделена на три части: - в приемной части прикреплены плоские лопасти, образующие винтовую насадку, задача которых заключается в перемещении материала внутрь барабана; - в средней части расположены 6 корытообразных подъемных лопастей, с помощью которых происходит основной нагрев материала в потоке горячих газов и перемещение по длине барабана; - со стороны разгрузочной коробки установлены ковшовые подъемных лопастей, для выгрузки высушенных гранул. К корпусу барабана приварены обечайки, которые совместно с обечайками приемного устройства и разгрузочной коробки образуют уплотнения. Приемное устройство служит для подачи материала в сушильный барабан.
Материал подается в барабан питателем, перемешиваясь лопастями приемно-винтовой насадки, а затем поступает на внутреннюю насадку, расположенную вдоль почти всей длины барабана. Насадка обеспечивает равномерное распределение и хорошее перемешивание материала по сечению барабана, а также его тесное соприкосновение при пересыпании с сушильным агентом. Газы и материалы движутся прямотоком, что помогает избежать перегрева материала, так как в этом случае наиболее горячие газы соприкасаются с материалом, имеющим наибольшую влажность. На концах барабана установлены уплотнительные устройства, затрудняющие утечку сушильного агента.
Степень заполнения не превышает 20%. Время пребывания регулируется скоростью вращения барабана и реже - изменением угла его наклона. Высушенный материал удаляется из камеры через разгрузочное устройство.
2. Теплогенераторная установка представляет собой жестяной корпус, внутри которого помещен блок электронагревательных устройств — 12 электроспиралей, каждая мощностью 1,2 кВт. Таким образом общая мощность теплогенератора равна 24 кВт. Установка включается через щит управления, ;; установлен дополнительно оеостат для оегулирования степени нагрева спиралей.
На одном конце устройства установлен вентилятор, подающий сушильный агент в корпус теплогенератора для нагрева и дальнейшей подачи в сушильный барабан. Вентилятор включается через реостат, благодаря чему можно регулировать скорость подачи воздуха. Выходное устройство теплогенератора имеет квадратную форму, что придает направленность воздушному потоку при входе в барабан. Со стороны нагнетания воздушного потока, экспериментальная установка монтируется посредством переходного патрубка
3. Рама представляет собой жесткую сварную конструкцию, плотно установленную на плоскости. Рама содержит необходимые технологический крепления и отверстия для установки на нее корпуса сушильного барабана, опорных роликов, воздуховода, подшипника трения, зубчатой шестерни(для придания вращательного движения барабана).
4. Блок электродвигатель - редуктор состоит из электродвигателя постоянного тока 12 УХЛ 4, который приводится в действие через щит управления, и посредством червячного редуктора РЧН - 80А22, применяемого для понижения числа оборотов двигателя, этот блок позволяет регулировать частоту вращения барабана от 1 об/мин до п об/мин.
Технологические основы производства СМГУ
Проведенные исследования позволили разработать уточненную технологическую схему и технологический регламент производства СМГУ. Принципиальной основой приготовления новых удобрений является физико-химическая активизация гуминового комплекса сапропеля при термомехано-химической его обработке в процессе смешивания с минеральными удобрениями, грануляции и сушки. Удобрения содержат, как правило, 30-40 % сапропеля и 60-70 % минеральных туков, в их состав могут включаться микроэлементы, ростовые вещества, отходы производства и др.
Технологическая схема производства СМГУ состоит из следующих операций: подготовка компонентов по гранулометрическому составу, дозирование компонентов в нужном соотношении, их смешивание, грануляция, сушка, складирование или расфасовка.
Минеральные азотные, фосфорные и калийные удобрения поступают на склад минеральных удобрений подготовительного отделения. Далее поступают в расходные бункеры и на грохоты с ячейками сита 4 мм. Для удаления металлических включений применяются магнитные сепараторы. Фракции слежавшихся удобрений более 4 мм дробятся и затем вместе с мелкими частицами подаются в бункеры соответствующих дозаторов. Фракции сапропеля не должны превышать 8-Ю мм для обеспечения однородности смешения и наиболее полного взаимодействия с минеральными компонентами.
Одной из важнейших операций, определяющих качество СМГУ, является дозирование. В данной технологической схеме используется объемный метод дозирования, обладающий одним из неоспоримых преимуществ. При широком варьировании содержания влаги в одном из компонентов, например, в сапропеле, необходимо его экспрессное определение и быстрая коррекция дозирующего устройства на новый расход, в соответствии с текущей влагой материала. Для объемных дозаторов точность дозирования зависит главным образом от сыпучести компонентов, содержание же сухой массы дозируемого материала при некоторых, даже значительных колебаниях влаги, практически невелико. Учитывая малую сыпучесть компонентов, главным образом сапропеля и хлористого калия, тарельчатыми питателями осуществляют дозирование с точностью ± 2 % за счет активной стабилизации насыпной плотности дозируемого материала. - Смешивание компонентов предлагается выполнять в смесителях лопа стного типа непрерывного действия. Степень однородности смешения, соглас но положениям математической статистики, можно характеризовать величиной среднего квадратичного отклонения в ее относительной форма, называемой ко эффициентом неоднородности: = ioo кс,-с0)\ с c0v n-l где Cj - концентрация одного из компонентов в пробах, %; Со - концентрация этого же компонента при идеальном распределении, %; ПІ - число проб с концентрацией СІ ; п - общее число проб. Удовлетворительная однородность смешивания компонентов в лопастном смесителе достигается спустя 2-3 минуты после начала процесса. Расход энергии составляет 2,5-3 кВт ч/т. - По своим вязко-пластичным свойствам сапропеле-минеральные смеси при 28-34 %-ном содержании влаги и 30 %-ном органического связующего весьма близки к глинистым системам. Поэтому рабочий орган для гранулиро вания органоминеральных смесей серийно выпускаемый ленточный пресс типа ПМК-21 (СМК-435). Формование сапропеле-минеральной смеси методом экструзии через фильеры связано с трением скольжения материала по внутренней поверхности формующей матрицы, поверхностям фильер, ножей и; в конечном итоге, с аб 108 разивным износом рабочих органов гранулятора. При выборе режима гранулирования органоминеральнои смеси следует учитывать консистенцию смеси, а также нелинейный рост энергоемкости формования при увеличении соотношения толщины матрицы к диаметру фильеры более 1,8-2,0. На практике в качестве критерия гранулируемости смеси предлагается использовать величину предельного напряжения сдвига, характеризующего минимальное касательное напряжение, вызывающее сдвиг в исследуемой система. - Завершающей стадией производства удобрений на основе сапропеля является сушка, в значительной мере определяющая как качество готовой продукции, так и технико-экономические показатели всего производства. Кривые кинетики сушки СМГУ на основании сапропеля — типичны для коллоидного капиллярно-пористого тела. Периоды постоянной скорости сушки и убывающей интенсивности испарения наиболее опасны с точки зрения перегрева материала до температуры разложения одного из наиболее термолабильных компонентов. Исходя из термочувствительности карбамида, температура разложения которого составляет 132,7 С, конечная температура теплоносителя не должна превышать 100 С, так как в присутствии сапропеля, суперфосфата и хлористого калия термолабильность карбамида повышается.
Детальное исследование работы барабанной сушилки СЗСБ-8 в период наработки партий СМГУ для проверки их эффективности показало, что потери азота в СМГУ определяются в основном при постоянной загрузке сушилки (например 1,4 т/ч) расходом топлива, начальным и конечным содержанием влаги в гранулах СМГУ. Менее чувствителен к разложению при увеличении подачи топлива азот карбамида СМГУ с более высоким содержанием влаги.
Потери азота СМГУ минимальны при подаче топлива около 53 кг/ч, если часовая загрузка барабанной сушилки будет не менее 1,3-1,4 т. При меньшей загрузке гранулы перегреваются, что приводит к разложению карбамида, а также к повышенному расходу топлива. Кроме того, это отражается и на качестве продукции. В частности, по мере увеличения подачи топлива с 53 до 68 кг/ч при постоянной загрузке сушилки на выходе, возрастает количество пылеватых фракций (менее 2 мм). Причем наиболее чувствительны гранулы СМГУ с низким содержанием исходной влаги. Следует отметить, что прочность гранул СМГУ на сжатие растет по мере увеличения подачи топлива и снижения конечной влаги СМГУ, но это увеличение качества экономически не оправдано из-за повышенного расхода топлива. Прочность гранул зависит также в значительной мере от исходной влажности СМГУ.
На основании анализа экспериментов и обработки данных рекомендовано для получения СМГУ, отвечающим требованиям технических условий, поддерживать температуру на выходе не более 80-90 С. При этом гранулы СМГУ будут прогреваться до 65-75С, что практически предотвратит излишнее термическое разложение карбамида. Активизация органического вещества сапропеля осуществляется преимущественно за счет химического взаимодействия карбамида и двойного суперфосфата с высвобождением аммиака в процессе смешения компонентов и их грануляции.
