CC BY
23Использование древесного угля при утилизации органических отходов клеточного содержания
Сидыганов Юрий Николаевич
д.т.н., профессор, Поволжский государственный технологический университет,
Онучин Евгений Михайлович
к.т.н., доцент, Поволжский государственный технологический университет»
Рыбаков Павел Андреевич
магистрант, Поволжский государственный технологический университет
В данной статье рассмотрен способ утилизации птичьего помёта клеточного содержания с использованием древесного угля, обеспечивающий быструю и своевременную утилизацию отходов средних и крупных птицефабрик. Свойства древесного угля позволяют использовать его в различных технологических процессах в разных отраслях промышленности. Рассмотрены традиционные варианты получения древесного угля на основе древесной биомассы и выявлен наиболее перспективный на основе растительной биомассы (соломы - имеет низкую исходную влажность, в отличие от древесины). В Российской Федерации 90% соломы считается отходом, так как на её переработку требуются большие финансовые средства и только 10% от общего объёма используют в животноводческой отрасли, следовательно, остальная часть соломы может быть использовано в качестве топлива.
Ключевые слова: птичий помёт, древесный уголь, утилизация и переработка, птицеводство, солома.
В настоящее время вопросы переработки и утилизации птичьего помёта клеточного содержания являются острой проблемой любого птицеводческого хозяйства, так как, например, куриный помёт относят к опасным отходам III класса опасности, согласно Федеральному классификационному каталогу отходов [1]. В связи с тем, что на любой средней и крупной птицефабрике Российской Федерации в сутки образуется до 200 тонн куриного помёта, наблюдаемое на практике скопление большого его количества является негативным фактором воздействия на организм человека и окружающую среду. Как известно куриный помет клеточного содержания птицы является источником неприятного запаха, который распространяется на большие расстояния, а также источником загрязнения почв, поверхностных и грунтовых вод, патогенной микрофлоры, развития яиц и личинок гельминтов, мух и различного рода возбудителей инфекций [15].
На сегодняшний день сложившаяся ситуация ещё более осложняется неудовлетворительным качеством сбора, транспортировки, накопления, хранения и утилизации птичьего помета на многих птицеводческих хозяйствах по всей территории Российской Федерации. Как показывает судебная практика большинство природоохранных нарушений, связанно с несоблюдением методов и технологий утилизации и переработки куриного помета [14]. К самым распространённым нарушениям относят: вывоз куриного помета клеточного содержания птицы в непредназначенные и несанкционированные места хранения (поля, луга, земельные участки), отсутствие какой-либо защиты от размывания его атмосферными осадками, отсутствие санитарно-защитной зоны, отсутствие проектов по образованию и лимитам размещения, сброс птичьего помета в водоемы (пруды, реки, озера) [3].
С учётом организации и специфики производственного процесса средних и крупных птицефабрик, а также их финансового состояния, наиболее перспективным направлением утилизации помёта клеточного содержания птицы яв-
0 55 I» £
55 П П
7
о ы
а
а
«
а б
ляется его сжигание, которое позволяет обеспечить решение ряда проблем в сельском хозяйстве, в силу своей высокой производительности, экологичности и относительной малозатратно-сти [13].
Как известно куриный помёт клеточного содержания - это трудносжигаемое вещество, характеризующееся низкой калорийностью и высокой влажностью, что не позволяет обеспечить стабильный процесс даже низкотемпературного горения. При этом низкотемпературное горение не позволяет достичь необходимых показателей по экологичности процесса утилизации, так как при этом не создаются условия для полной термической деструкции органических соединений [2].
Целью данной работы является оценка потенциала древесного угля как высококалорийной добавки к птичьему помёту, обеспечивающей стабильность его сжигания и высокотемпературный режим в топке.
Древесный уголь - это микропористый продукт, получаемый из биомассы, характеризующийся высоким показателем углерода до 90% (в зависимости от качества угля) и образующийся при пиролизе древесины без доступа кислорода. Под биомассой обычно понимают использование древесной биомассы (древесины) как вид топлива, так как это самый распространённый источник энергии, использующийся на протяжении многих столетий [4]. Однако в исходном состоянии древесина характеризуется высокой влажностью в зависимости от вида и части дерева, и соответственно невысокой удельной теплотой сгорания. В связи с этим прямая переработка древесной биомассы в древесный уголь будет дорогостоящим мероприятием, так как до 70% затрат приходится на испарение избытка влаги. Более перспективно получение древесного угля из отходов лесопильно-
деревообрабатывающих производит и агропромышленного комплекса [5].
Свойства древесного угля позволяют его использовать в различных технологических процессах в совершенно разных отраслях промышленности.
Производство антикоррозионных порошков и смазок.
Древесный уголь широко применяют в приборостроении и в полиграфии. В данном случае его используют с целью шлифования и полирования форм различных деталей в силу своей абразивности. Для этого процесса наиболее лучше подходит уголь из мягкой породы древесины (сосна, пихта, тополь, липа). Его получают в последовательном процессе в соответствии со специально предназначенным методическим и технологическим режимом. В области машиностроения в основном применяется твердая
смазка (графитовая) из-за того, что древесный уголь имеет относительно малый процент зольности и в результате использования не оставляет загрязнений на поверхности деталей. Для этого уголь изготавливают следующим образом, с начало соединяют с осадочной смолой, затем его прокаливают при температуре 1400-1500 °С и после этого отправляют на обработку марганцевым калием, серной кислотой или танином [6]. Производство дымных порохов. Для производства дымных порохов используют только древесный уголь, получаемый из древесной породы ольха или крушина с высоким содержанием углерода (С) 72-80%. Так как получаемый порох, изготовленный на основе углей из другой породы древесины трудновоспламеняемый. Вследствие чего использование других видов углей не целесообразно и на территории Российской Федерации не практикуется. Также важную роль на скорость процесса воспламенения и горения пороха играет само количество угля и содержание в нём углерода. За счет избытка древесного угля скорость воспламенения и горения пороха снижается, а при высоком содержании углерода в древесном угле - скорость возрастает [8]. Производство электроугольных изделий. Электроугольные изделия получают в результате использования чистых и высоко углеродных материалов, например, нефтяной и пековый кокс, графитовая сажа, уголь из древесной биомассы, путём последующего смешивания с каменноугольной смолой или пеком. Данные изделия широко применяются в различных отраслях народного хозяйства. В основном они применяются в электрооборудование различных двигателей, машин, для термоустойчивых целей, в электровакуумной технике. К ним также относят все виды сопротивлений на угольной основе, контакты, полупроводники, щетки, изделия связанные с техникой связи. Древесный уголь - наполнитель пластмасс. Также уголь на основе древесной биомассы может быть использован в качестве наполнителя пластмасс. К пластикам такого типа в основном относят, некоторые модели, прессовочных материалов для специального назначения. В данном случае в качестве наполнителя используется порошкообразный высокоуглеродистый материал. В этих пластмассах древесный уголь заменяет дорогостоящий и дефицитный материал такой, как графит [9]. Древесный уголь сырье для производства активированного угля. Активированный уголь -пористое и высокоуглеродное вещество, активная поверхность которого на 1г равна 200—1000 м2, а истинный удельный вес (вещества угля) d = 1,45—1,88, в некоторых случаях достигает 2,10—2,38, зависит от качества исходного древесного угля. Активированный уголь является одним из наиболее эффективных адсорбентов,
используемых для удаления из воздушных выбросов органических веществ, в том числе легколетучих органических соединений (ЛОС), дур-нопахнущих и душистых соединений [10].
Перспективы использования древесного угля в промышленном птицеводстве.
Поэтому с целью термической утилизации и переработки куриного помёта целесообразно его смешивание с высококалорийными добавками, что в результате даёт смесь с достаточной удельной теплотой сгорания для стабильного горения. С учётом стоимости и доступности такой добавкой во многих регионах Российской Федерации может стать древесный уголь, получаемый из отходов лесного и агропромышленного комплексов [7].
При этом отходы агропромышленного комплекса более перспективны, в частности отходы растениеводства — солома, которая имеет низкую исходную влажность, в отличие от древесины. По данным Министерства сельского хозяйства Российской Федерации на 2017г. собрано 118 млн. т соломы зерновых культур, а в Республике Марий Эл 12,7 млн. т соответственно. В тех районах, где наиболее развито сельское хозяйство лишь 10% от общего объёма соломы в основном используют в животноводческой отрасли. Поэтому в Российской Федерации солома считается отходами сельского хозяйства и невостребованным ресурсом. Соответственно 90% соломы (РФ - 106,2 млн. т; РМЭ - 11,43 млн. т) может быть использовано в качестве сырья для производства древесного угля для дальнейшего использования при утилизации птичьего помёта [11].
Состав соломы и удельная теплота её сгорания (до 14 МДж/кг) не очень сильно отличается от средних показателей видов сухой древесины (15-21 МДж/кг) в соответствии с таблицей 1,2,3. Хотя теплота сгорания соломы ниже показателей сухой древесины, но с учётом влажности соломы до 20% затраты на изготовление древесного угля, а именно на испарение избытка влаги биомассы, будут на 70 % меньше, что говорит о дешевизне готового продукта. Вследствие чего получается, что древесный уголь из растительной биомассы будет иметь удельную теплоту сгорания почти такую же, что и древесный уголь из древесной биомассы 30 МДж/кг, а затраты на изготовление в 1,5 раза меньше. Также солома - это воспроизводимый ресурс, и использование её в качестве топлива позволяет сохранить экологический баланс двуокиси азота (N02) в атмосфере, то есть, сколько С02 будет выделяться при сжигании, ровно столько же будет потреблено при следующем росте зерновых [12].
Также низшая температура деформации золы у соломы - 735 °С, а у древесины - 1150 °С.
Зола соломы в свою очередь начинает размягчаться при 1035 °С, а процесс плавления происходит при 1330 °С, а зола древесины размягчается при температуре 1180 °С, а плавится при 1225 °С соответственно. В связи с этим можно сделать вывод, что температура деформации и плавления древесной золы в результате пиролиза несильно отличается от соломенной, вследствие чего можно говорить о замене основного компонента древесного угля из древесной биомассы на растительную.
Таблица 1
Содержание, % Сухая солома Древесина
Углерод 45-47 48-50
Водород 5,8-6,0 6,0-6,5
Азот 0,4-0,6 0,5-2,3
Кислород 39-41 38-42
Сера 0,01-0,13 0,05
Хлор 0,14-0,97 <0,01
Таблица 2 Зольность и теплота сгорания соломы наиболее распространённых зерновых культур [11]
Зерновая культура Зольность, % Низшая теплота сгорания при влажности 20%
Рожь 4,5 13,6
Пшеница 6,5 13,8
Ячмень 4,5-5,9 13,4
Овёс 4,9 12,9
Таблица 3 Зольность и теплота сгорания наиболее используемой древесины [11]
Древесина Зольность, % Низшая теплота сгорания
Дубовая 3,1 21
Еловая 3,5 20
Берёзовая 4,5 19
Сосновая 2,7 15
Выводы
Предложен метод и технология утилизации куриного помёта клеточного содержания птицы с добавлением древесного угля, обеспечивающее быструю и своевременную утилизацию отходов средних и крупных птицефабрик, при интенсивном загрязнении окружающей среды.
Рассмотрен традиционный вариант получения древесного угля на основе древесной био-
О 55 I» £
55 П П
9
7
о ы
а
s
«
а б
массы и выявлен наиболее перспективный на основе растительной биомассы (соломы). Где состав соломы и удельная теплота её сгорания (до 14 МДж/кг) относительно не отличается от средних показателей видов сухой древесины (15-21 МДж/кг). Учитывая исходную влажность соломы до 20% затраты на испарение избытка влаги растительной биомассы, будут на 70 % (в 1,5 раза) меньше по сравнению с древесной, что говорит о дешевизне готового продукта и возможности замене древесной биомассы на растительную.
90% соломы (РФ - 106,2 млн. т; РМЭ - 11,43 млн. т) может быть использовано в качестве топлива, так как только 10% от общего объёма соломы в Российской Федерации в основном используют в животноводческой отрасли, а всё остальное считается отходом на утилизацию и переработку которого также понадобятся большие финансовые средства.
Литература
1. Приказ МПР России от 02.12.2002 № 786 "Об утверждении федерального классификационного каталога отходов"
2. Аверьянов Ю.И., Энергосберегающая технология переработки помета / Аверьянов Ю.И., Глемба В.К., Глемба К.В. // Вестник ЧГАУ. 2009. Т. 55. С. 10-15.
3. Бессарабов Б.Ф. Птицеводство и технология производства яиц и мяса птиц / Бессарабов Б.Ф., Бондарев Э.И., Столяр Т.А. // СПб.: Издательство «Лань», 2005. 352 с.
4. Гиндулин. И.К. Получение древесного окисленного угля / И.К. Гиндулин, Ю.Л. Юрьев // Наука, технологии, инновации: м-лы всеросс. науч. конф. молодых ученых / НГТУ. Новосибирск, 2006. Ч. 2. С. 268-270.
5. Еранкин. С.В. Исследование процесса окисления активного древесного угля кислородом воздуха / И.К. Гиндулин, С.В. Еранкин, Ю.Л. Юрьев // Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века: труды II межд. Евразийского симп. / Екатеринбург, 2007. С.52-56.
6. Земский Г. Т. Огнеопасные свойства неорганических и органических материалов: справочник // М.: ВНИИПО, 2016. 970 с.
7. Каменских А.Д. Результаты вычислительного эксперимента на имитационной математической модели функционирования технико-технологических систем для теплоснабжения животноводческого комплекса / Каменских А.Д., Медяков А.А., Онучин Е.М. // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2013. № 89. С. 568-580.
8. Климов. Л.А. Получение композиционного материала на основе модифицированного дре-
весного угля. Физико-химические и каталитические свойства / С.В. Еранкин, И.К. Гиндулин, Ю.Л. Юрьев, Л.А. Петров // Научное творчество молодежи - лесному комплексу России. Материалы IV всероссийской начн.-техн. конф. / Урал. гос. лесотехн. ун-т. г. Екатеринбург, 2008. Ч.2. С.269-272.
9. Кожевников, Ю. А. Разработка и исследование установки приготовления композитного котельного биотоплива из отходов животноводческих ферм и нефтехозяйств: Дисс. канд. техн. наук: 05.20.01/ Кожевников Ю. А. -Москва, 2013 - 140 стр.
10. Лысенко В.П. Птичий помет-отход или побочная продукция // Птицеводство. 2015. № 6. С. 55-56.
11. Назаренко О. Г. Использование соломы в качестве удобрения: докт. биол. наук / О. Г. Назаренко, Т.Г. Пашковская // Министерство сельского хозяйства РФ, ФГУ Государственный центр агрохимической службы «Ростовский». -2011 г.
12. Петров. Л.А. Свойства древесного окисленного угля / Л.А. Петров, Ю.Л. Юрьев, И.К. Гиндулин, С.В. Еранкин // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. Москва, 2008. №3. С. 149-153.
13. Фисинин В.И. Российское птицеводство на фоне мировых тенденций // Животноводство России. 2002. № 4. С.3-5.
14. Щеткин Б.Н. Методология экологически безопасной переработки птичьего помета в ор-ганоминеральные удобрения и создания устройств оценки качества их внесения в почву при возделывании сельскохозяйственных культур: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Санкт-Петербург, 2004. 35 с.
15. Эрнст Л.К. Переработка отходов животноводства и птицеводства / Эрнст Л.К., Злочев-ский Ф.И., Ерастов Г.И. // Животноводство России. 2004. № 9. С. 23.
The use of charcoal in the utilization of organic waste of
cellular contents Sidyganov Yu.N., Onuchin E.M., Rybakov P.A.
Volga State University of Technology
In this article the way of utilization of bird litter of the cellular content with the use of charcoal is considered, which ensures the prompt and timely disposal of waste from medium and large poultry farms. Properties of charcoal allow using it in various technological processes in different industries. Traditional options for obtaining charcoal based on wood biomass are considered and the most promising on the basis of plant biomass (straw - has a low initial moisture, unlike wood) is revealed. In the Russian Federation, 90% of straw is considered a waste, since large amounts of money are required for its processing, and only 10% of the total volume is used in the livestock sector, hence the rest of the straw can be used as fuel. Key words: bird litter, charcoal, utilization and processing, poultry farming, straw.
References
1. The order of the Ministry of Natural Resources of Russia of
02.12.2002 No. 786 "On approval of the federal classification catalog of waste"
2. Averyanov Yu.I., Energy-saving technology of litter processing
/ Averyanov Yu.I., Glemba V.K., Glemba K.V. // Herald of the ChGAU. 2009. P. 55. P. 10-15.
3. Bessarabov B.F. Poultry farming and technology of production
of eggs and poultry meat / Bessarabov BF, Bondarev EI, Stolyar TA // SPb .: Publishing House "Lan", 2005. 352 p.
4. Hindulin. I.K. Preparation of wood oxidized coal / I.K. Gindulin,
Yu.L. Yuriev // Science, technology, innovations: m-lley vseross. sci. Conf. young scientists / NSTU. Novosibirsk, 2006. Part 2. P. 268-270.
5. Erankin. S.V. Study of the process of oxidation of active charcoal with air oxygen / I.K. Gindulin, S.V. Yerankin, Yu.L. Yuryev // Woodworking: technologies, equipment, management of the XXI century: the works of II int. The Eurasian Simp. / Ekaterinburg, 2007. P.52-56.
6. Zemsky G. T. Flammable properties of inorganic and organic
materials: reference book // M .: VNIIPO, 2016. 970 p.
7. Kamenskikh A.D. Results of the computational experiment on the
simulation mathematical model of the functioning of technical and technological systems for the heat supply of the cattle-breeding complex / Kamenskikh AD, Medyakov AA, Onuchin EM // The political network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University. 2013. No. 89. P. 568-580.
8. Klimov. L.A. Preparation of a composite material based on modified charcoal. Physicochemical and catalytic properties / S.V. Erankin, I.K. Gindulin, Yu.L. Yuryev, L.A. Petrov // Scientific creativity of youth - the forest complex of Russia. Materials of IV All-Russian beginnings-techn. Conf. The Urals. state. forestry. un-t. Yekaterinburg, 2008. P.2. P.269-272.
9. Kozhevnikov, Yu. A. Development and research of the plant
for the preparation of composite boiler biofuel from wastes of cattle-breeding farms and oil-producing farms: Diss. Cand. tech. Sciences: 05.20.01 / Kozhevnikov Yu.A. - Moscow, 2013 - 140 p.
10. Lysenko V.P. Bird droppings or by-products // Poultry farming. 2015. № 6. P. 55-56.
11. Nazarenko OG Use of straw as a fertilizer: Doct. Biol. Sciences / OG Nazarenko, T.G. Pashkovskaya // Ministry of Agriculture of the Russian Federation, FGU State Center of Agrochemical Service "Rostovsky". - 2011
12. Petrov. L.A. Properties of wood-oxidized coal / L.A. Petrov, Yu.L. Yuryev, I.K. Gindulin, S.V. Erankin // Bulletin of the Moscow State Forest University - Lesnoy Vestnik. Moscow, 2008. №3. Pp. 149-153.
13. Fisinin V.I. Russian poultry farming against the backdrop of world trends // Livestock breeding in Russia. 2002. № 4. 03-5.
14. Shchetkin BN Methodology of ecologically safe processing of poultry manure in organomineral fertilizers and creation of devices for assessing the quality of their introduction into the soil when cultivating agricultural crops: the author's abstract. dis. ... Dr. techn. sciences. St. Petersburg, 2004. 35 p.
15. Ernst LK Processing of livestock and poultry waste / Ernst LK, Zlochevsky FI, Erastov GI // Animal husbandry of Russia. 2004. № 9. P. 23.
О R U
£
R
n
9
7
