Введение к работе
з
Актуальность работы. Навоз является важнейшим сырьем для производства органических удобрений, необходимых для сохранения и повышения плодородия почвы. Ежегодный выход навоза в России составляет около 250 млн. тонн и ожидается его увеличение к 2020 году за счет реконструкции существующих и строительства новых ферм и комплексов. Вместе с тем, переработка навоза требует значительных энергозатрат, а получаемые органические удобрения должны быть полностью обеззаражены от всхожих семян сорняков, патогенной микрофлоры и личинок гельминтов, а также, в сравнении с исходным сырьем, характеризоваться пониженной влажностью и увеличенной концентрацией питательных элементов растений.
Решение этого вопроса возможно осуществить за счет внедрения высокотехнологичных линий и цехов переработки навоза в качественное органическое удобрение. В тоже время применение таких энерговооруженных технических систем приводит к увеличению затрат на производство удобрений в 3-5 раз, что в свою очередь ведет к убыточности их использования, так как прибавочный продукт сельскохозяйственных культур не окупает произведенные затраты.
Таким образом сложилась проблемная ситуация: с одной стороны качественные органические удобрения необходимы для повышения плодородия почвы, с другой стороны их производство старыми способами и средствами требует увеличения затрат, что не окупается прибавкой урожайности от их использования.
В связи с создавшейся ситуацией возникает актуальная научная проблема разработки ресурсосберегающих технологий производства органических удобрений на базе новых более эффективных средств механизации процесса с оптимальными, научно обоснованными конструктивно-режимными параметрами.
Работа выполнена в соответствии с:
планом НИР ФГОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет» по теме «Разработать рациональные технологии производства и использования сельскохозяйственного сырья» на 2000-2005 гг.;
программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса РФ на 2006-2010 гг.: шифр 09.01.04 - Разработать высокопроизводительную технику нового поколения для производства конкурентоспособной продукции животноводства и птицеводства, производства комбикормов в хозяйствах, уборки, переработки навоза и подготовки высококачественных органических удобрений;
государственными контрактами на выполнение НИОКР с Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере: №2901р/5352 от 31.01.2005 на тему «Разработка и создание аэрационного биореактора для переработки отходов животноводства в органическое удобрение», срок выполнения 31.01.2006; №4267р/5352 от 26.06.2006 на тему «Разработка и создание комплекта машин и оборудования для переработки отходов животноводства в органическое удобрение», срок выполнения 01.07.2007; №5394р/5352 от 01.10.2007 на тему «Разработка и создание поточной технологической линии переработки отходов животноводства в органическое удобрение», срок выполнения 01.10.2008.
Цель исследований. Снижение энергозатрат при производстве высококачественных органических удобрений путем совершенствования технологии и технических средств ускоренного компостирования.
Объект исследований. Технологический процесс производства органических удобрений и средства его обеспечения.
Предмет исследований. Закономерности взаимодействия рабочих органов машин и устройств с сырьем и готовым продуктом. Физико-механические, теп-лофизические и агрохимические свойства соломонавозной смеси и готового удобрения.
Методика исследований. Методологической основой явились системный подход, математическое и физическое моделирование. Исследования базируются на теории сложных систем, теории тепломассопереноса, законах сохранения массы и энергии, теории фильтрации. При экспериментальных исследованиях использованы методика планирования экспериментов, частные методики, стандартные измерительные приборы, оригинальные лабораторные установки.
Научная новизна. На основе рассмотрения взаимодействия объектов «Человек - машина - растение - животное - продукт - окружающая среда» разработана биотехнологическая система производства органических удобрений (БТС ПОУ).
Предложен новый поточно-непрерывный способ производства органических удобрений методом ускоренного компостирования, включающий: подготовку компостной смеси машиной, биотермическое обеззараживание смеси в установке и созревание компоста в буртах.
Разработан комплекс математических моделей, описывающих процессы БТС ПОУ и включающий: модель взаимодействия рабочих органов машины для приготовления компостов с компостируемым материалом; модель термодинамического процесса биохимического разложения органического вещества в вертикальной компостирующей установке; модель фильтрации газов в компостируемом материале; модели сводообразования и сводоразрушения в корпусе установки; модели взаимодействия рабочих органов устройств снижения уплотнения и разгрузки с компостируемым материалом; энергетические модели технологических процессов работы машины и устройств.
Получены количественные характеристики физико-механических, теплофи-зических и агрохимических свойств соломонавозной смеси и готового органического удобрения.
Практическая ценность. Результаты исследований являются основой для совершенствования существующих и создания новых способов и средств производства органических удобрений из навоза.
Разработаны технические условия ТУ 9816-001-71254916-2006 на органическое удобрение «Компост из навоза КРС и соломы» и технологическая инструкция на его производство.
Получены рациональные параметры новых технических средств БТС ПОУ, позволяющие снизить энергоемкость процессов подготовки и обеззараживания компостных смесей, формирования и рыхления буртов, представляющие практический интерес для проектно-конструкторских организаций.
Созданы программные средства для инженерного расчета конструктивных параметров и режимов работы машины для приготовления компостов, вертикальной компостирующей установки, устройств снижения уплотнения и дисково-фрезерного устройства разгрузки установки.
Предложенные технологические и технические решения включены в Стратегию машинно-технологического обеспечения производства продукции животноводства на период до 2020 г.
Реализация результатов исследований. Производственные испытания машины для приготовления компостов и вертикальной компостирующей установки проводились в ОАО «Голицино» Никифоровского района, Тамбовской области с 2002 по 2003гг.; в фермерских хозяйствах: «Орлов», «Алена», «Татьяна», «Сали-ково» Тамбовской области с 2005 по 2008гг.; в ООО «Май» с. Троицкое Липецкой области с 2005 по 2007гг.; ТОГУП «Тепличное» г. Тамбов с 2005 по 2009гг.; в ООО «Племзавод «Вишневое» Староюрьевского района Тамбовской области с 2004 по 2005гг.
Технология подготовки органических удобрений в буртах внедрена в ФГУП учхоз-племзавод «Комсомолец» Тамбовской области в 2006г. Ежегодно производится более 1000 т удобрений, используемых для повышения плодородия почвы при производстве посадочного материала.
Технология производства товарного компоста в установке внедрена в научно-производственной фирме ООО «Мичуринское плодородие» г. Мичуринск, Тамбовской области в 2005г. Ежегодно производится и реализуется более 50т высококачественных фасованных органических удобрений под торговой маркой «ГУМУС для цветов и рассады» и «ГУМУС - Плодовые». Создание технологической линии осуществлялось при финансовой поддержке Фонда содействия развитию МП НТС по проекту №5352 от 31.01.2005, а также по гранту Американского фонда гражданских исследований и развития (CRDF) #RUTl-6124MI-06-04 от 12.01.2006.
Методические материалы по моделированию работы средств производства органических удобрений используются в учебном процессе ФГОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет» и ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет».
Научные положения, выносимые на защиту:
- обоснование биотехнологической системы производства органических
удобрений, состоящей из 5-ти подсистем: сбор и хранения сырья, приготовление
компостной смеси машиной, предварительное компостирование, биотермическое
обеззараживание и созревание органического удобрения;
математические модели технологических процессов и технических средств производства органических удобрений, учитывающие факторы влияния на энергоемкость их работы: физико-механические, теплофизические и агрохимические свойства исходного сырья и их изменение в процессе переработки, конструктивные параметры рабочих органов и режимы работы устройств;
конструктивно-технологические схемы, оптимальные и рациональные конструктивные параметры и режимы работы машины для приготовления компостов и вертикальной компостирующей установки.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались ежегодно с 2000 по 2010 гг. на научных конференциях Мичуринского государственного аграрного университета, с 2003 по 2010 гг. на международных научно-практических конференциях Всероссийского научно-исследовательского и проектно-технологического института механизации животноводства Россельхозакадемии.
Отдельные материалы диссертации доложены и одобрены на научных конференциях и выставках: Белгород, БелГТАСМ, 2002; Кострома, КГСХА, 2003; Брянск, БГСХА, 2003; Воронеж, ВГАУ, 2003; Ставрополь, СГАУ, 2003; Воронеж, ВГАУ, 2003; Москва, ВНИИА, 2004; Москва, ВВЦ, 2004; Рязань, РГСХА, 2004; Москва, ВИМ, 2005; Саратов, СГАУ им. Вавилова, 2006.
Теоретические и экспериментальные исследования с производственной реализацией результатов удостоены областного гранта администрации Тамбовской области за 2009 г.; золотых медалей «За разработку машины для приготовления компостов РБП-1» и «За разработку высокоэффективного экологически безопасного органического удобрения «ГУМУС - Плодовые» Всероссийской выставки «День садовода» 2008 г.; сертификата Соответствия технической способности в компостировании Университета штата Мэн, США, 2006 г.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 67 научных трудах, в т.ч. 17 статьях в рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК, 10 патентах на изобретения и полезные модели.
В работе использованы материалы и результаты исследования автора и результаты, полученные совместно с сотрудниками кафедры «Прикладная механи-ка и конструирование машин» МичГАУ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Объем диссертации составляет 388 страниц основного текста, содержит 164 рисунка, 29 таблиц, библиографический список из 302 наименований, из них 84 на иностранных языках и 16 приложений.
