CC BY
8УДК 622.331.002.5:674.88
Горячёв В.И.
Горячёв Валентин Иванович, д. т. н., профессор кафедры технологии и автоматизации машиностроения Тверского государственного технического университета, 170023, Тверь, Маршала Конева, 12
Яблонев А.Л.
Яблонев Александр Львович, д. т. н., зав. кафедрой гидравлики, теплотехники и гидропривода Тверского государственного технического университета, 170023, Тверь, Академическая, 12, alvovich@mail.ru
Щербакова Д.М.
Щербакова Дарья Михайловна, старший преподаватель кафедры гидравлики, теплотехники и гидропривода ТвГТУ dscherbakowa@yandex.ru
КОНСТРУКТОРСКО-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ
ОБОСНОВАНИЕ
ПРОИЗВОДСТВА
ТЕПЛИЧНОГО ГРУНТА
И ГУМУСОВОГО
КОНЦЕНТРАТА
МЕХАНИЧЕСКИМ
ОБЕЗВОЖИВАНИЕМ
ТОРФЯНОГО СЫРЬЯ
Аннотация. Основным исходным сырьем в современном производстве торфяной продукции является фрезерный торф. Однако его добыча и хранение имеют ряд серьезных недостатков, основные из которых - сезонность и зависимость естественной сушки фрезерной крошки в полевых условиях от атмосферных осадков, саморазогревание добытого фрезерного торфа в складских единицах в процессе хранения. Все это негативно влияет на физико-технические свойства исходного сырья и качество готовой продукции. Устранить проблемные недостатки предлагается применением механического обезвоживания торфяного сырья в заводских условиях. В основе такой переработки лежат процессы: экскавация, сепарация и дробление твердых конгломератов торфа, перемешивание торфомассы в смесителе и механическое отжатие торфомассы
Goryachev V.I.
Goryachev Valentin I., Dr. sc., Prof. of the Chair of Technology and Automation of Mechanical Engineering, Tver State Technical University, 170023, Tver, Marshal Konev, 12
Yablonev A.L.
Yablonev Aleksandr L., Dr. sc., Prof., Head of the Chair of Hydraulics, Heat Engineering and Hydraulic Drive, Tver State Technical University. alvovich@mail.ru
Scherbakova D.M.
Scherbakova Darya M., Senior Lecturer of the Chair of Hydraulics, Heat Engineering and Hydraulic Drive, Tver State Technical University. dscherbakowa@yandex.ru
DESIGN
AND TECHNOLOGICAL SUBSTANTIATION OF THE PRODUCTION OF GREENHOUSE SOIL AND HUMUS CONCENTRATE BY MECHANICAL DEHYDRATION OF PEAT RAW
Abstract. The main raw material in the modern production of peat products is milled peat. However, its extraction and storage have a number of serious drawbacks, the main of which are the seasonality and dependence of the natural drying of milling chips in the field on atmospheric precipitation, self-heating of the extracted milled peat in storage units during storage. All this negatively affects the physical and technical properties of the feedstock and the quality of the finished product. It is proposed to eliminate problematic shortcomings by using mechanical dehydration of peat raw materials in the factory. Such processing is based on the following processes: excavation, separation and crushing of solid peat conglomerates, mixing of peat mass in a mixer and mechanical squeezing of peat mass in a filter press with the release of a coarse fibrous fraction with a decomposition degree of not more than 12% and a hu-
в фильтр-прессе с выделением грубодисперсной волокнистой фракции степенью разложения не более 12% и гумусового концентрата с содержанием в сухом веществе 80-85% гумуса.
mus concentrate with a dry matter content of 80-85% humus.
Ключевые слова: смеситель, фильтр-пресс, отстойник, торф, тепличный грунт, гумусовый концентрат, перемешивание, обезвоживание.
Keywords: mixer, filter-press, sump, peat, greenhouse soil, humus concentrate, mixing, dehydration.
Устранить сильную зависимость добычи торфа от погодных условий и повысить качество выпускаемой торфяной продукции возможно применением методов искусственного обезвоживания в заводских условиях [1]. Среди известных методов наиболее перспективными являются способы, в основе которых лежат процессы фракционирования торфяного сырья гидроразмывом [2-5].
Технология фракционирования торфяного сырья гидроразмывом включает этапы (операции): экскавацию торфа-сырца, его транспортировку на склад завода, сепарацию торфа от древесных и других нетехнологических включений, дробление крупных торфяных кусков (расчесывание) и складирование торфа-сырца.
Со склада торфяное сырье подается в гид-роразбиватель для получения гидромассы, которая затем подается в фильтрующие центрифуги для обезвоживания и фракционирования на два класса крупности с частицами смеси средневзвешенным диаметром до 1,0 мм и с частицами более 1,0 мм (крупноволокнистая часть торфа). Крупная фракция подается на механическое отжатие в фильтр-пресс, где обезвоживается до влажности 70-75%. Мелкая фракция, вышедшая из фильтрующей центрифуги, и фильтрат, полученный из фильтр-пресса, после сгущения в осадительной центрифуге (гидроциклоне) до гумусового концентрата с содержанием гумуса в сухом веществе 80-85% направляется в переработку на удобрение [6].
Технология предусматривает в дальнейшем искусственную сушку волокнистой массы торфа до влажности 50% и производство из нее киповованной торфяной продукции на экспорт.
При всех достоинствах к недостаткам технологии заводского фракционирования торфяного сырья гидроразмывом относятся дополнительное увлажнение сухой части торфа
в гидроразбивателе до влажности 95-97% (20-30 кг воды на 1 кг сухого вещества) и, как следствие, большие энергозатраты на циркуляцию суспензии в центрифугах.
Влажность тепличного грунта из мало-разложившегося торфа при выращивании овощной продукции в теплице (огурцы, перцы, томаты) поддерживается в оптимальном диапазоне 75-85%. Такой грунт можно производить отжатием торфа-сырца в фильтр-прессе. При этом для подготовки торфомассы к обезвоживанию целесообразно заимствовать оборудование и процессы из технологий производства субстратных торфоблоков или теплоизоляционных плит [7, 8].
В данной работе рассматривается вариант заводской переработки торфа-сырца верхового (переходного) типа степенью разложения до 30% с получением тепличного грунта и гумусового концентрата. В основе технологии приняты процессы: перемешивания торфо-массы, ее отжатие в фильтр-прессе с выходом волокнистой массы и суспензии (фильтрата) с последующим сгущением твердых частиц осаждением в отстойнике.
Предполагаемая технология круглогодичного производства тепличного грунта и гумусового концентрата состоит из следующих операций (рис. 1).
После экскавации, транспортировки и подготовки на заводском складе [3-5] торф-сырец, аналогично производству субстратных торфоблоков или теплоизоляционных плит [7, 8], подается в лопастной двухвальный смеситель, где в результате перемешивания с водой влажность торфомассы достигает 92-94%. Из смесителя торфомасса дозатором ровным слоем непрерывно подается в фильтр-пресс типа ПЛР [9-12]. Из пресса в результате отжима выходит волокнистая масса ^ > 1,0 мм) степенью разложения не более 12%, влажнос-
Рис. 1. Технологический процесс производства из торфа тепличного грунта и гумусового концентрата: R - степень разложения; w - влажность; d - средневзвешенный диаметр частиц торфяной смеси
Fig. 1. Technological process of production of greenhouse soil and humus concentrate from peat: R - degree of decomposition; w - humidity; d - weighted average particle diameter of the peat mixture
тью 75-80% и суспензия со средневзвешенным диаметром смеси частиц торфа и гумуса до 1,0 мм. Суспензию направляют из пресса в отстойник на сгущение, в результате чего получают гумусовый концентрат влажностью 80-90% и содержанием гумуса в сухом веществе 80-85%. Воду в виде мути из отстойника частично возвращают в смеситель, а избыток сливают в канализацию.
Добычу и подачу торфа-сырца к перемешиванию осуществляют аналогично технологии фракционирования торфяного сырья гидроразмывом [3, 4], гумусовый концентрат и волокнистую массу торфа после расчесывания в волк-машине и известкования используют в качестве основных компонентов тепличного грунта и экологически чистого удобрения при выращивании овощей.
Изменение содержания воды и сухого вещества в 1 тонне торфа-сырца в процессе подготовки торфомассы к перемешиванию и ее отжатия в фильтр-прессе показано на рис. 2. В смеситель для получения торфомассы влажностью 93% из 1 тонны торфа-сырца влажнос-
тью 90% добавляют 430 кг воды в виде мути из отстойника (возврат).
Подготовленная в смесителе торфомасса в количестве 1430 кг отжимается в фильтр-прессе. После отжатия получается осадок в виде плиток из крупных волокнистых частиц средневзвешенным диаметром d > 1,0 мм в количестве 300 кг (75 кг сухого вещества и 225 кг воды) и суспензия с содержанием смеси твердых торфяных частиц диаметром d < 1,0 мм в количестве 1130 кг (25 кг сухого вещества и 1105 кг воды). Волокнистая масса торфа после расчесывания и известкования используется для производства тепличного грунта и другой торфяной продукции (кипованный торф на экспорт, питательные субстраты, подстилка, фильтры и др.).
Суспензия (фильтрат) с содержанием сухого вещества 3% (преимущественно в виде гумусовых частиц) подвергается сгущению осаждением твердых частиц под действием сил гравитации в отстойнике до средней влажности 87%. Эта масса представляет собой гумусовый концентрат, который используется для про-
Исходные компоненты
Торф-сырец R = 25%; w = 90% Вода (возврат из отстойника)
с.в. - 100 кг W = 900 кг W = 430 кг
Приготовление торфомассы влажностью 93% перемешиванием
с.в. - 100 кг W = 1330 кг
Обезвоживание торфомассы отжатием в фильтр-прессе
Волокнистая масса - w = 75% Суспензия (фильтрат) - w = 97%
с.в. - 75 кг W = 225 кг с.в. - 25 кг W = 1105 кг
Волокнистая масса торфа w - 75% и Я < 6% на приготовление тепличного грунта и другой торфяной продукции (торф на экспорт, питательные субстратные смеси, фильтраты, подстилки и др.) Сгущение суспензии в отстойнике
Гумусовый концентрат w = 87%; с.в. - 75 кг W = 167 кг Вода в виде мути в канализацию W = 508 кг Вода на приготовление торфомассы W = 430 кг
Рис. 2. Изменение баланса содержания воды (Щ) и сухого вещества (с.в.) 1 тонны торфа-сырца (Я = 25%, w - 90%) отжатием в фильтр-прессе: Я - степень разложения; w - влажность
Fig. 2. Change in the balance of water content (W) and dry matter (d.m.) of 1 ton raw peat (R = 25%, w = 90%) by squeezing in a filter-press: R - degree of decomposition; w - humidity
изводства торфогумусового бактериального удобрения «Супергумус» [12].
Если принять содержание гумусовых частиц ^ < 0,25 мм) в торфомассе в смесителе равным q - 25 кг и предположить, что частицы распределены равномерно в жидкой фазе, то можно рассчитать концентрацию гумуса в отстойнике после сгущения и в волокнистой массе отжатого торфа:
- концентрация гумуса (С) в жидкой фазе тор-фомассы в смесителе перед отжатием:
С = qw = 251 330 = 0,019 кг гумуса/кг воды;
- количество гумуса в волокнистой массе торфа ^в):
qв = С • Щв = 0,019 • 225 = 4,23 кг, или в процентах:
qв = 75) • 100 = (4,2375) • 100 = 5,6%;
- содержание гумуса qк в концентрате сухого вещества после сгущения в отстойнике:
qк = q - qв = 25 - 4,23 = 20,77 кг,
или в процентах:
q к = q) • 100 = (20,7725) • 100 = 83%.
Таким образом, в результате отжатия в фильтр-прессе торфомассы влажностью 93%, приготовленной перемешиванием торфа-сырца степенью разложения 25%, можно получить два качественных продукта: гумусовый кон-
центрат с содержанием гумуса в сухом веществе 83% и волокнистую массу малоразложив-шегося торфа с содержанием гумуса около 6%.
Анализ баланса компонентов торфа-сырца (сухого вещества, гумуса, воды) в процессах получения из него торфомассы в смесителе, ее отжатия в фильтр-прессе и сгущения суспензии в отстойнике показывает, что из 1 тонны торфа-сырца получается примерно: 300 кг малоразложившегося торфа (содержание гумуса около 6%), 190 кг гумусового концентрата влажностью 87%, 500 кг воды в виде мути (сбрасывается в канализацию) и 430 кг воды в виде возврата (отправляется в смеситель для приготовления торфомассы влажностью 93%). Из волокнистой массы торфа и гумусового концентрата готовят различные, востребованные садоводами и огородниками, экологически чистые торфяные грунты и питательные смеси [12], реализация которых осуществляется с высокой добавленной стоимостью.
Выводы
1. В настоящее время к освоению месторождений торфа предъявляются высокие требования по соблюдению норм экологии и пожарной безопасности. Поэтому альтернативой существующему послойно-поверхностному фрезерному способу добычи торфа может быть карьерный способ, основой которого является экскавация залежи на всю глубину промышленного слоя.
2. Торф - сложная многокомпонентная система, каждая составляющая которого обладает уникальными физико-механическими и химическими свойствами. Отжатием торфо-массы в фильтр-прессе ее можно разделить как минимум на два качественно разных продукта и использовать каждую выделенную часть с высокой эффективностью.
3. Технологии добычи экскавацией и переработки торфяного сырья в продукцию сельскохозяйственного назначения не зависят от внешних факторов, производство осуществляется круглый год в заводских условиях с получением ценной торфяной продукции с высокой рентабельностью.
4. Расчетом показано, что механическим отжатием в фильтр-прессе 1 тонны верхового (переходного) торфа-сырца влажностью 90% и степенью разложения 25% можно получить примерно 300 кг (около 1 м3) тепличного грунта в виде волокнистой торфо-массы влажностью 75% и 200 кг гумусового концентрата влажностью 87% с содержанием гумуса в сухом веществе 83%.
5. Объекты по производству торфяной продукции для выращивания овощных культур рационально совмещать с тепличными комплексами.
Библиографический список
1. Горячев В.И. Искусственное обезвоживание торфа: монография. - Тверь: ТвГТУ 2012. -184 с.
2. Горячев В.И., Михеев И.И., Яблонев А.Л., Фомин К.В. Машины и процессы фракционирования торфяного сырья гидроразмывом // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-техн. журнал). - 2018. - № 7 S38. - С. 3-10.
3. Патент РФ № 2705124. МПК С^ 7/04. Технологический комплекс гидромеханического фракционирования торфяного сырья: № 2019110841 заявл. 11.04.2019: опубл. 05.11.2019 / Михеев И.И., Горячев В.И., Щер-
бакова Д.М.; заявитель Тверской государственный технический университет. - 6 с.
4. Михеев И.И., Горячев В.И., Щербакова Д.М. Технологический круглогодичный комплекс гидромеханического фракционирования торфяного сырья // Труды ИнсТорфа. -2019. - № 20 (73). - С. 25-28.
5. Лазарев А.В., Корчунов С.С. и др. Справочник по торфу. - М.: Недра, 1982. - 760 с.
6. ГОСТ Р 52067-2003 «Торф для производства питательных грунтов». URL: http:// docs.cntd.ru/document/1200032117 (дата обращения 24.10.2020).
7. Горфин О.С. Машины и оборудование по переработке торфа. - Москва: Недра, 1990. -318 с.
8. Горячев В.И., Михеев И.И., Щербакова Д.М. Интенсификация обезвоживания мало-разложившегося торфа в ленточно-роли-ковом прессе типа ПЛР // Труды ИнсТорфа. - 2020. - № 21 (74). - С. 30-33.
9. Михеев И.И., Горячев В.И., Щербакова Д.М. Ленточный фильтр-пресс непрерывного действия с равномерной подачей отжимаемого материала в прессовое пространство // Вестник ТвГТУ Серия: Технические науки. - 2019. - № 1 (1). - С. 46-51.
10. Патент РФ № 2102363, МПК C05F 11/02, C05G 1/02 Способ получения комплексного удобрения на основе торфа: № 96103799/25 заявл. 27.02.1996: опубл. 20.01.1998 / Горячев В.И., Стрелец Е.В., Ба-зыкин А.В.; заявитель НПП «Диапазон». -6 с.
11. Усанова З.И., Горячев В.И., Башилов А.М., Стрелец Е.В. Технология производства тор-фогумусового бактериального удобрения и эффективность его применения // Торфяная отрасль России на рубеже XXI века: Сб. научн. тр. научно-практ. конф. - Тверь: ТГТУ 2000. - С. 122-125.
12. Гамаюнов С.Н. Тенденции производства и переработки торфа для нужд сельского хозяйства: монография. - Тверь: Триада, 2016. - 256 с.
