ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ПТИЦЕВОДСТВА Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

омышленная экология

УДК 631.861:579.222.2:608.3 DOI: 10.24412/CL-35807-2023-1-20-27

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ Потапов М. А., инженер-технолог ОГТ ШОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ПТИЦЕВОДСТВА

ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ 3 категории АО «Радиозавод», г. Пенза

ENERGY-SAVING RECYCLING Potapov M. A., Category 3 CDPprocess engineer, TECHNOLOGY POULTRY WASTE JSC "Radiozavod", Penza

Аннотация. Отходы птицеводства, так же как и отходы животноводства в целом, в силу своего значительного ресурсного потенциала и возможного вредного воздействия на окружающую среду, вызывают особый интерес в части высокоэффективной переработки в полезный продукт или утилизации. Основным фактором, сдерживающим широкое применение экструзии при переработке отходов животноводства, является недостаточно высокая энергоэффективность данной технологии. В работе приводится обоснование энергосберегающей технологии переработки отходов птицеводства за счет применения модернизированного экструдера, принцип работы которого основан на термовакуумном воздействии на выходящий из фильеры машины продукт.

Annotation. Poultry Waste, as well as animal husbandry waste in General, due to its significant resource potential and possible harmful effects on the environment, are of particular interest in terms of highly efficient processing into a useful product or disposal. The main factor that hinders the widespread use of extrusion in the processing of animal waste is the lack of high energy efficiency of this technology. The paper provides a justification for energy-saving technology for processing poultry waste through the use of an upgraded extruder, the principle of operation of which is based on the thermal vacuum effect on the product coming out of the die of the machine.

Ключевые слова: отходы, экструдер, термовакуумный эффект, энергоэффективность, вакуумная камера.

Keywords: waste, extruder, thermal vacuum effect, energy efficiency, vacuum chamber.

Анализ соотношения различных видов отходов от содержания птицы за год на профильных предприятиях Пензенской области показывает, что наиболее высокий удельный вес — 98,45 % принадлежит помету. Другие отходы разделяются следующим образом: отходы инкубации 0,64 %, павшая птица 0,1 %, отходы убоя птицы 0,71 %, отходы перьев и пуха 0,1 %. Процентное соотношение отходов находится в прямой зависимости от поголовья и при увеличении производства меняется незначительно.

Помет можно разделить на два типа — свежий и перепревший. Свежий занимает лидирующую позицию — примерно 73 % от общего количества.

Федеральным классификационным каталогом отходов России (ФККО) свежий птичий помет (куриный, утиный, гусиный и пр.) отнесен к III классу опасности [11]. За размещение и хранение 1 тонны таких отходов на основании Постановления Правительства РФ с 1 января 2017 года сельскохозяйственные производители должны платить 1327 рублей. В то же время перепревший помет относится к IV классу опасности и его хранение не требует дополнительных платежей.

Основываясь на вышесказанном, делаем вывод, что наиболее остро стоит проблема переработки свежего птичьего помета, так как остальные отходы производства относятся к IV (перепревший помет, отходы перьев и пуха) и V (отходы инкубации и убоя птицы) классам опасности, которые не обременены платежами за размещение. Их хранение и утилизация не требуют таких объемов складских помещений и сложностей с переработкой как у свежего помета.

В качестве технического средства для реализации разрабатываемой энергосберегающей технологии переработки отходов птицеводства использовался экструдер ЭК-40, доработанный на основе полезной модели к патенту «Экструдер с вакуумной камерой» [9].

Конструктивно-технологическая схема термовакуумного экструдера для переработки отходов птицеводства представлен на рисунке 1.

Рис. 1. Конструктивно-технологическая схема экструдера: 1 — шлюзовой затвор; 2 — вакуумная камера; 3 — вакуум-метр; 4 —загрузочный бункер; 5 — вакуумный насос; 6 — межстенная камера; 7 — кран для слива конденсата; 8 — корпус; 9 — шнек; 10 — вакуум-регулятор; 11 — фильера матрицы

Используемый в разрабатываемой технологии экструдер состоит из двухстенного приемного бункера, рабочего органа, выполненного в виде шнека, вакуумной камеры, шлюзового затвора и привода.

Межстенная камера приемного бункера позволяет осуществлять предварительный подогрев обрабатываемого сырья за счет поступающего из вакуумной камеры экструдера горячего пара. Ее объем составляет 0,03 м3. В нижней части камеры находится кран для спуска конденсата, и ее дополнительной функцией является стабилизация рабочего давления в вакуумной камере экструде-ра. Приемный бункер и вакуумная камера экструдера с внешней стороны покрыты теплоизоляционным материалом. Они соединены между собой трубопроводом. Шлюзовой затвор служит для выгрузки готового продукта без разгерметизации вакуумной камеры экструдера.

Рабочий процесс экструдера осуществляется следующим образом. Обрабатываемое сырье поступает в загрузочный бункер 4 экструдера и, соприкасаясь с его внутренними горячими стенками, предварительно подогревается примерно на 20—25 °С.

Захваченное шнеком сырье последовательно перемещается в зоны прессования и дозирования, а затем выводится через фильеру матрицы экструдера 11 в его вакуумную камеру 2. Попадая из области высокого давления (внутренний тракт

машины) в зону пониженного давления (вакуумная камера), сырье подвергается декомпрессион-ному взрыву, представляющему собой процесс мгновенного перехода воды, находящейся в сырье, в пар.

Образующийся горячий пар температурой 120—130 °С с помощью вакуумного насоса 5 откачивается в межстенную камеру 6 загрузочного бункера 4, где часть его конденсируется и в виде жидкости стекает в нижнюю часть камеры. Оставшаяся часть пара выбрасывается вакуумным насосом в атмосферу (при использовании ротационного насоса) или поглощается рабочей жидкостью в случае комплектования экструдера во-докольцевым вакуумным насосом. Готовый продукт с помощью шлюзового затвора 1 выводится за пределы экструдера и фасуется.

Итак, из описания разработанной конструктивно-технологической схемы видно, что поставленная задача переработки отходов птицеводства решается за счет синергетического эффекта от совместного действия экструзионной и вакуумной технологии. Энергосбережение осуществляется за счет регенерации тепла отсасываемых из вакуумной камеры горячих паров и использования его для предварительного подсушивания обрабатываемого помета.

Экструдер для переработки отходов птицеводства в виде влажной массы птичьего помета характеризуется тем, что в его состав входят:

1. Загрузочная камера, выполненная в виде двустенной конструкции, верхняя часть которой соединена посредством трубопровода с вакуумным насосом, а нижняя — с вакуумной камерой экструдера. При этом наружная сторона загрузочной и вакуумной камер экструдера, а также соединяющий их трубопровод покрыты теплоизоляционным материалом. В нижней части двустенной конструкции загрузочной камеры расположена пробка для слива конденсата [8].

2. Межстенная воздушная камера, образующаяся за счет двустенной конструкции загрузочной камеры.

3. Корпус.

4. Фильера матрицы.

5. Шнек.

6. Шлюзовой затвор устанавливается при необходимости поточности технологического процесса и в зависимости от мощности экструдера и объемов перерабатываемого отхода.

7. Вакуумная камера, которая расположена соосно шнеку и фильере матрицы. Боковые стенки камеры выполнены под углом, меньшим углу трения экструдата о материал стенки камеры.

8. Вакуум-регулятор, с помощью которого обеспечивается изменение давления воздуха в вакуумной камере, позволяет регулировать влажность готового продукта.

Рис. 2. Пресс-экструдер ЭК-40

9. Вакуумметр.

10. Вакуумный насос [8].

Для реализации разрабатываемой энергосберегающей технологии переработки отходов птицеводства использовались следующие оборудование и материалы:

1. Основой изобретения является экструдер ЭК-40, представленный на рисунке 2.

Экструдер обладает следующими характеристиками, представленными в таблице 1.

Данный производитель экструдеров выпускает модели производительностью 40, 100, 150, 300 и 500 кг, что позволит изготовить машину под нужды заказчика.

2. В качестве вакуумного насоса был выбран насос модели «Мегеон-98031», представленный на рисунке 3.

«Мегеон-98031» — это вакуумный одноступенчатый масляный насос, сочетающий в себе небольший размеры, вес и высокую производительность.

Основные характеристики насоса «Мегеон-98031» представлены в таблице 2.

Разнообразие вакуумных насосов «Мегеон» позволяет подобрать модель под необходимую производительность экструдера и объем вакуумной камеры.

3. Вакуумная камера была изготовлена за счет преоснащения вакуумного ресивера СКБ-077, представленного на рисунке 4.

Таблица 1 Характеристики экструдера ЭК-40

Характеристика Значение Величина измерения

Габаритные размеры 600 х 600 х 1200 мм

Производительность 40 кг/ч

Мощность 4 кВт

Напряжение 380 В

Вес 90 кг

Температура процесса 110—150 °С

Таблица 2 Характеристики насоса «Мегеон-98031»

Характеристика Значение Величина измерения

Габариты 260 х 240 х 110 мм

Штуцер 7/16 —

Свободное перемеще- 70 л/мин

ние воздуха

Вес нетто 4,7 кг

Напряжение питания 220 В

Объем масла 0,22 л

Предельный вакуум 5 Па

Мощность 185 Вт

Основные характеристики, ресивера СКБ-077 представлены в таблице 3.

Для использования в качестве вакуумной камеры экспериментального термовакуумного экс-трудера ресивер был доработан следующим образом:

— удалены все детали (ручка, подставки, вакуумметр) с корпуса ресивера;

— стандартное место крепления вакуумметра было переделано в состыковочный шлюз с фильерой матрицы пресс экструдера;

— противоположная сторона модернизирована в откидное выгрузное окно. Полукруглая часть ресивера была отделена. Кромку разреза проклеили уплотнительной резиной для сохранения целостности вакуума;

— в верхней части корпуса просверлено два отверстия. Первое для установки вакуум-регуля-

Рис. 3. Насос МЕГЕОН 98031

Рис. 4. Ресивер СКБ-077

Таблица 3 Характеристики ресивер СКБ-077

Характеристика Значение Величина измерения

Объем 24 л

Габаритные размеры 580 х 280 х 350 мм

Масса 6 кг

Остаточное давление До 0,1 Па

Избыточное давление До 1000 Па

тора, объединенного с вакуумметром. Второе под присоединение трубопровода, соединяющего вакуумную камеру с загрузочной камерой.

При данной модернизации отсутствует место крепления шлюзового затвора к вакуумной камере. Шлюзовые затворы стандартной комплектации обладают производительностью, которая превышает необходимую для данной научно-исследовательской работы по разработке энергосберегающей технологии переработки отходов птицеводства.

Изготовление вакуумной камеры из уже имеющегося оборудования — это трудоемкий процесс, который оправдывает себя лишь в единичном случае. Для массового производства лучше сварить емкость из листовой нержавеющей стали. Это позволит задать вакуумной камере необходимую форму, объем, размер и месторасположение технологических отверстий.

4. Бункер экструдера с помощью оснастки второй стенкой с наружной стороны из нержавеющей стали превращен в загрузочную камеру.

5. Для сохранения тепла откачиваемого пара и защиты оператора экструдера от ожогов использовалась отражающая теплоизоляция.

Теплоизоляцией покрываются вакуумная камера, соединительная муфта фильеры матрицы и камеры, трубопровод между камерой и загрузочной камерой, загрузочная камера.

После сборки всех описанных комплектующих в единое целое получается экструдер, который можно наблюдать на рисунке 5.

Основным сырьем для производства удобрения является куриный помет нескольких видов (ПП, ПМ, ПВ). В качестве влагопоглощающих наполнителей для перерабатываемой смеси взяты: солома, опилки, зерноотходы, опавшая листва.

Смесь помета с зерноотходами не сохраняет форму гранул при попадании из зоны прессования в область пониженного давления. Декомп-рессионный взрыв, происходящий с сырьем на выходе из отверстия фильеры, разрушает структуру удобрения и сильно затруднит фасовку готового продукта.

Рис. 5. Термовакуумный экструдер для переработки отходов птицеводства

С большой долей вероятности это происходит из-за повышенного содержания крахмала в перерабатываемой смеси, которая содержится в отходах зерновых культур, используемых в качестве растительного наполнителя.

Образцы, полученные из ПП, смеси ПМ и ПВ с листвой, опилками и соломой, представлены на рисунках 6—12.

Образцы, увеличенные под микроскопом, представлены на рисунках 13—19.

Каждый из наработанных образцов был исследован под микроскопом «Микромед 3 ЛЮМ» (рис. 20).

Все семь образцов, произведенных с помощью разрабатываемой технологии, не имеют резкого запаха и держат физическую форму при фасовке и по органолептическим свойствам не уступают удобрениям, которые представлены на рынке.

Анализ результатов экспериментов по наработке опытных образцов нужно начать с показателя, который отвечает за одну из главных характеристик органического удобрения — сохранность.

Хорошая сохранность готового удобрения обеспечивается при его влажности не более 15 %, без поддержки специальных условий в части температурного и воздушных режимов [5].

Для определения массовой доли влаги в исследуемых образцах мы воспользовались инфракрасным термогравиметрическим влагомером МА-45 С фирмы «БаЛопиБ».

С каждым из полученных образцов было проведено три анализа при температуре 60, 75 и 90 °С.

Рис. 12. Образец из ПМ с листвой

Пробам изготовленного удобрения были присвоены следующие номера:

1 — ПП; 2 — ПМ с соломой; 3 — ПВ с соломой; 4 — ПМ с опилками; 5 — ПВ с опилками; 6 — ПМ с листвой; 7 — ПВ с листвой.

Результаты проведенных анализов представлены в таблице 4.

Рис. 13. Образец удобрения из ПМ с листвой под микроскопом

Рис. 15. Образец удобрения из ПМ с опилками под микроскопом

Таблица 4

Результаты определения массовой доли влаги различных видов, произведенных образцов удобрения, на влагомере

№ образца Влажность при температуре, % Среднее значение влажности, %

60 С 75 °С 90 С

1 9,5 9,3 9,1 9,3

2 11,8 11,7 11,9 11,7

3 9,7 10,0 10,3 10,0

4 7,8 7,9 8,0 7,9

5 7,1 7,4 7,7 7,4

6 11,1 11,3 11,5 11,3

7 7,7 7,9 8,1 7,9

По результатам измерения влажности получившихся образцов видно, что у каждого из них массовая доля влага не превышает 15 %, что обеспечит надежное хранение готового продукта.

Для определения агрохимических показателей экспериментальных образцов пробы органичес-

Рис. 14. Образец удобрения из ПВ с листвой под микроскопом

Рис. 16. Образец удобрения из ПВ с опилками под микроскопом

Рис. 17. Образец удобрения из ПМ с соломой под микроскопом

Рис. 18. Образец удобрения из ПВ с соломой под микроскопом

Рис. 19. Образец удобрения из ПП под микроскопом

кого удобрения были отданы на анализ в аккредитованную лабораторию.

Испытательная лаборатория по агрохимическому обслуживанию сельскохозяйственного производства ФГБУ ГЦАС «Пензенский» выдала протокол испытания по результатам анализа.

Сравнение результатов анализов и показателей ГОСТ 26713—85 представлены в таблице 5.

Полученное с помощью разрабатываемой технологии удобрение соответствует предъявляемым требованиям по питательным веществам и может использоваться в сельском хозяйстве.

Ключевым параметром технологии также является санитарно-биологическая чистота изготовленного удобрения. Она зависит от эпидемиологической ситуации на птицефабрике, с которой взят помет на переработку. Обеззараживание помета до необходимых норм должно осуществлять птицеводческое предприятие [3].

Температура рабочего процесса экструдера, равная 110—130 °С, стерилизует сырье и обеззараживает от патогенной микрофлоры.

Итак, ключевыми параметрами эффективности разрабатываемой технологии являются физические и санитарно-гигиенические показатели перерабатываемого сырья, в частности помета.

Агрохимические и санитарно-гигиенические свойства оказывают прямое влияние на соответствие готового продукта установленным законодательством нормам.

Массовая доля влаги исходной смеси оказывает влияние на весь технологический процесс. Высокая или низкая влажность первоначального сырья не обеспечивает изменение его характеристик и свойств, например, гомогенизации смеси и образования пористой структуры на выходе из фильеры экструдера. С таким экструдатом не происходит адиабатическое охлаждение в камере

Рис. 20. Микроскоп «Микромед 3 ЛЮМ»

Таблица 5

Результаты определения агрохимических показателей экспериментальных образцов,

пробы органического удобрения [3]

Показатель № образца ГОСТ

1 2 3 4 5 6 7 26713-85

Массовая доля общего азота, % 4,42 4,27 4,37 4,14 3,70 4,48 3,98 Не менее 1,5

Массовая д оля общего фосфора, % Массовая доля общего калия, % 3,05 3,05 3,20 2,60 3,30 3,20 2,60 Не менее 0,7

4,20 3,80 3,85 4,00 3,90 3,95 3,70 Не менее 0,6

Массовая доля влаги, % Менее 10 11,6 10,0 Менее 10 Менее 10 11,1 Менее 10 Не более 75

pH 6,3 6,4 6,5 6,2 6,6 6,4 6,3 6,0—8,5

Массовая доля золы, % 14,2 13,9 14,1 14,6 17,6 14,3 15,3

с низким давлением из-за недостаточно развитой воздуха и, как следствие, невозможность его по-пористости структуры. Ограниченная площадь дачи с помощью вакуум-насоса в приемный бун-поверхности испарения продукта обуславливает кер экструдера. Это не позволяет осуществлять

низкую скорость парообразования в емкости, предварительную подсушку сырья, что нивели-

где под действием специальной пневмосистемы рует эффект энергосбережения разрабатываемой

производится быстрый отсос пара и горячего технологии.

Список литературы

1. ГОСТ 33830—2016. Удобрения органические на основе отходов животноводства. Технические условия Технические условия. — М.: Стандартинформ, 2016. — 7 с.

2. ГОСТ 31461—2012. Помет птицы. Сырье для производства органических удобрений. Технические условия. — М.: Стандартинформ, 2020. — 8 с.

3. ГОСТ 26713—85. Удобрения органические. Метод определения влаги и сухого остатка. — М.: Стандартинформ, 2020. — 3 с.

4. Код ФККО: 1 12 710 00 00 0 [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://classinform.ru/fkko-2017/ 11271000000.html. (дата обращения 18.12.2022).

5. Кормовой экструдер ЭК-40 [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://ekstruder1.ru/kormovoi-extruder-ek40.html (дата обращения 18.12.2022).

6. Нормы технологического проектирования птицеводческих предприятий. НТП-АПК 1.10.05.001-01 (утв. Минсель-хозом РФ 28.08.2001).

7. Патент 2561934 Российская Федерация МПК7 В29С 47/38 Экструдер с вакуумной камерой / заявители Шабурова Галина Васильевна, Воронина Полина Константиновна, Шабнов Руслан Вячеславович, Курочкин Анатолий Алексеевич, Авроров Валерий Александрович; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВО Пензенский ГТУ. № 2014125348, заявл. 23.06.2014; опубл. 10.09.2015. Бюл. № 25, 10.09.2015.

8. Патент 2215427 Российская Федерация МПК А23 К1/10. Способ переработки отходов животного и растительного происхождения / О. Ю. Красильников, В. Л. Литман, № 2000119049; заявл. 17.07.2000; опубл. 10.11.2003.

9. Патент 192684 Российская Федерация МПК7 В29С 48/00. Экструдер с вакуумной камерой / заявители: А. А. Курочки, П. К. Гарькина, Д. И. Фролов, А. А. Блинохватов, М. А. Потапов; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВО Пензенский ГТУ. № 2019118768, заявл. 17.06.2019; опубл. 26.09.2019. Бюл. № 27. — 7 с.

10. Промышленные отходы [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1108138 (дата обращения 18.12.2022).

11. Статья 4.1. Классы опасности отходов [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.consultant.ru/document/ cons_doc_LAW_19109/7243eae6242e49089f4e8192566463c014f87bd8/ (дата обращения 18.12.2022).