CC BY
13
УДК 631.164:631.22.018.002.08
НАУЧНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЙ И КОМПЛЕКТОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ МЕХАНИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ УБОРКИ И ПОДГОТОВКИ НАВОЗА К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ
П.И. Гриднев, доктор технических наук, заместитель директора Т. Т. Гриднева, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства Е-шаП: [email protected]
Аннотация. Представлены основные положения методики оценки эффективности систем утилизации навоза. Учитываются все затраты - от систем уборки навоза из животноводческих помещений до прибавки биологического урожая, полученного от его использования, включая дополнительную продукцию в виде биогаза, белковых добавок и изменения стоимости плодородия почв. В качестве целевой функции предлагается минимум комплексных затрат на внесение необходимого количества питательных элементов и органики на единицу площади под планируемую урожайность. Выполненный анализ зарубежного и отечественного опыта решения проблемы утилизации навоза позволил определить направления, обеспечивающие энергоресурсосбережение на каждой технологической операции. На основе расчетов по предложенной методике представлены возможные варианты систем утилизации навоза и технических средств для их реализации. К числу эффективных технических решений отнесены: разработанная в институте конструкция штангового транспортера с приводом от гидравлической станции с технико-экономическими характеристиками, превосходящими наиболее часто применяемые транспортеры скребкового и шнекового типа. Готова к эксплуатации скреперная установка для удаления навоза из животноводческих помещений при беспривязном содержании животных, работающая в автоматическом режиме. Использование предложенных технологических и технических решений обеспечит сокращение потерь питательных элементов на 50-70%, повысит эффективность использования удобрений в 1,3-1,7 раза, позволит дополнительно ежегодно производить 20 млн т зерна.
Ключевые слова: метод оценки, экологически безопасные системы, эффективные технические средства.
Для России, как и для всего мира, важна проблема создания эффективных систем утилизации навоза, и со временем значимость этой проблемы только возрастает. Это связано с рядом причин, вызвавших за последние 20 лет сокращение площади пашни в России на 20 млн га. Выведенные из оборота земли зарастают лесом, плодородие почвы из-за сокращения содержания гумуса снижается, длительное хранение навоза приводит к загрязнению окружающей среды.
Суммарная упущенная экономическая выгода неэффективного использования удобрительных ресурсов навоза достигает 165 млрд рублей, ущерб от потерь гумуса в почвах России в зависимости от их типа оценивается в 81,4-739,2 тыс. руб/га [1,2,3].
Плодородие почв - это не только богатство сегодняшнего дня, но и богатство буду-
щего. Поэтому необходимо создать механизм материальной заинтересованности производителей продукции животноводства в системах утилизации навоза, обеспечивающий рост содержания гумуса в почвах.
В действующих нормативных документах источником возможного дохода от утилизации навоза в виде удобрений является ожидаемая прибавка урожая и реализация дополнительной продукции (биогаз, белковые добавки). Учитывая, что за последние годы цены на продукцию растениеводства изменились значительно меньше, чем на топливо, электроэнергию, технические средства и строительные материалы, хозяйства всех форм собственности не могут заниматься созданием современных систем утилизации навоза, поскольку затраты не окупаются реальными доходами.
С целью создания механизма объективной оценки возможных вариантов систем утилизации навоза нами предложена методика, учитывающая все затраты - от создания систем уборки навоза из животноводческих помещений до прибавки биологического урожая, дополнительной продукции в виде биогаза, белковых добавок и стоимостной оценки изменения плодородия почв [4].
Для конкретных природно-климатических особенностей зон расположения предприятия по производству продукции животноводства учитываются затраты не только на создание технологий утилизации навоза, но и на мероприятия по борьбе с сорняками, приобретение и внесение необходимого количества минеральных удобрений, компенсирующих материалов, ущерб окружающей среде от производства и использования органических удобрений, стоимостная оценка биологического урожая, дополнительной продукции, изменения плодородия почв.
В качестве целевой функции модели используется минимум комплексных затрат на внесение необходимого количества питательных элементов и органики на единицу площади под планируемую урожайность:
/с с ' I /
где Шк - целевая функция модели, руб/га; о"1( а2, а3, а4, о"5, а6 - соответственно затраты на производство и внесение органических удобрений; приобретение и внесение компенсирующих материалов, минеральных и известковых удобрений; реализацию мероприятий по борьбе с сорняками; ущерб окружающей среде от производства и использования органических удобрений, руб.; Бк - расчетная площадь пашни, на которой используются произведенные из навоза органические удобрения, га; о>, а8, а9 - соответственно стоимостная оценка изменения плодородия почв, биологического урожая, дополнительной продукции, руб.
Анализ зарубежного и отечественного опыта решения проблемы утилизации навоза, результатов теоретических и экспериментальных исследований различных процессов уборки и подготовки навоза к использова-
нию показал, что в ближайшие годы в России наиболее целесообразно развивать энергоресурсосберегающие экологически безопасные технологии переработки навоза в высококачественные органические удобрения.
Энергоресурсосбережение возможно обеспечить за счет:
- сокращения количества выполняемых операций по каждой предлагаемой технологии;
- оптимизации места проведения каждой операции и грузопотоков;
- применения принципиально новых способов выполнения операций;
- минимизации количества технологической воды, попадающей в навоз;
- оптимизации конструктивных решений применяемых технических средств.
Экологическую безопасность создаваемых технологий предполагается обеспечить путем:
- минимизации потерь питательных веществ в процессах уборки, хранения и переработки навоза;
- исключения возможности сброса продуктов переработки навоза в водоемы;
- строгого учета природно-климатических особенностей зон размещения предприятий по производству продукции животноводства при выборе систем утилизации навоза;
- применения органических удобрений в строго регламентированные агрономические сроки;
- строгого соблюдения норм внесения органических удобрений.
На основе результатов расчета возможных систем утилизации навоза установлено, что к числу перспективных технологий и технических средств следует отнести:
- механические системы транспортирования навоза в животноводческих помещениях;
- производство комплексных органомине-ральных смесей под различные культуры севооборота с заданными физико-механическими и химическими свойствами;
- переработку навоза в анаэробных условиях;
- механическое разделение на фракции жидкого навоза и стоков.
По первому направлению исследований представляется перспективным создание технических средств, работающих на принципах порционности забора навоза, транспортирования его к точке выгрузки кратчайшим путем, исключения технологически необоснованного многократного перемешивания, возможность применения автоматизированных систем управления при эксплуатации.
Анализ основных технико-экономических показателей механических систем уборки навоза показал, что значительно повысить эффективность процесса можно за счет совершенствования конструкции штангового транспортера и в первую очередь - привода тягового контура. В предложенной конструкции транспортера привод тягового контура осуществляется от гидравлической станции. Длина рабочего хода плавно изменяется автоматическим реверсом тягового контура.
По основным технико-экономическим показателям предложенный транспортер превосходит наиболее часто применяемые технические средства типа ТСН-160 и шне-ковые, соответственно: по металлоемкости -в 1,8 и 3,0 раза; удельной энергоемкости -2,7 и 5,3 раза; суточному объему работ по удалению навоза для 100 коров - в 2,0 и 2,3 раза; стоимости - в 1,8 и 5,1 раза [5].
В ходе экспериментальных исследований предложенной конструкции штангового транспортера установлено влияние степени заполнения канала навозом на максимально возможную производительность и энергоемкость процесса, предложены зависимости для расчета данных характеристик: [М1 = - 0,104х2 + 92,708х - 851,5 ^М2 = - 0,558х2 + 142,82х - 1899,3 (2) Шз = - 0,064х2 + 69,28х - 546 (Э1 = 0,0004х2 - 0,0648х + 3,055 КЭ2 = 0,0004х2 - 0,0755х + 3,71 (3)
Ь3 = 0,0004х2 - 0,071х + 3,145 где М1, М2, М3 - максимально возможная производительность транспортера соответственно при шаге расстановки скребков 0,5; 1,0 и 1,5 м, кг/ч; х - степень заполнения канала навозом, %; Э1, Э2, Э3 - удельная энергоемкость процесса уборки навоза при шаге расстановки скребков 0,5; 1,0; 1,5 м, кВтч/т.
Зависимости 2 и 3 справедливы при длине рабочего хода 2,8 м и степени заполнения канала навозом от 25 до 100%. Максимальная производительность транспортера достигается при шаге расстановки скребков 0,5 м и 100% степени заполнения канала навозом. Минимальная удельная энергоемкость получена при шаге расстановки скребков 1,0 м, что объясняется меньшей деформацией тела волочения при возврате скребков из рабочего положения в холостое и обратно.
При беспривязном содержании животных возникает необходимость уборки навоза из каналов шириной до 3,5 м. Для механизации данного процесса предложена скреперная установка с гидравлическим приводом и пошаговым перемещением скрепера по длине продольного канала. От одной гидравлической станции, как и у штангового транспортера, может быть осуществлен привод до четырех контуров. Установленная мощность привода гидростанции 3 кВт, длина продольного канала - до 150 м, тип тяговой штанги -стальная полоса.
Установка работает в автоматическом режиме, что особенно важно для молочных ферм, где возникает необходимость уборки навоза не реже шести раз в сутки. По основным технико-экономическим показателям установка не уступает лучшим зарубежным аналогам, а по стоимости в 2,0-2,5 раза дешевле, наработка на отказ больше на 1520%, материалоемкость меньше на 10-25%.
Установлено, что потребляемая мощность приводной станции при холостом ходе (гидроцилиндр не работает) составляет 0,506 кВт, при перемещении тягового контура (без п ерем ещения с кр еп еров) - 1,2 кВт. Потребляемая мощность приводной станции при работе скрепера в канале шириной 1,9 м из-м еняется от 1 , 2 5 д о 1,44 кВт, в канале шириной 3,4 м - от 1,28 до 1,52 кВт. Изменение влажности убираемого навоза в пределах 9296% не оказывает достоверного влияния на потребляемую мощность привода. Максимальная производительность скреперной установки при ширине канала 3,4 м и влажности навоза 96% составляет 4,5 т/ч, а при ширине канала 1,9 м - 3,5 т/ч.
При влажности навоза 92% и расстоянии транспортирования в пределах 50 м максимальная длина тела волочения в канале шириной 3,4 м составляет 3,2 м, а в канале шириной 1,9-2,4 м. При дальнейшем движении навоз перед скрепером уплотняется, длина тела волочения уменьшается, начинается процесс переваливания навоза через скрепер, что приводит к уменьшению показателя полноты уборки и увеличению энергоемкости процесса [6].
Из технологий подготовки навоза к использованию наибольший интерес в России, как и во многих странах Европы, представляют компостирование и механическое разделение на фракции жидкого навоза. Компостированию подвергают подстилочный навоз, удаляемый из помещений механическими средствами, а также твердую фракцию, получаемую в процессе разделения жидкого навоза.
С целью устранения недостатков существующих технологий производства компостных смесей нами предложено выполнять данную операцию в процессе уборки навоза из помещений [7]. При применении данной технологии на выходе из животноводческого помещения обеспечивается круглогодичное производство высококачественных компостных смесей с дозированной подачей компонентов и регулируемым качеством смешивания. При этом более чем в два раза сокращается количество выполняемых операций, отпадает необходимость в строительстве дорогостоящих навозохранилищ, обеспечивается круглогодичное ритмичное производство органических удобрений, на 20-25% увеличивается количество и улучшается качество производимых удобрений.
При проектировании технологий производства компостных смесей необходимо исходить из условий интенсивности протекания процесса биохимического разложения беззольного вещества, теплота биохимического окисления должна превышать потери в окружающую среду согласно уравнению теплового баланса для установившегося процесса биохимического окисления беззольного вещества:
= Qб - Qп, (4)
где Qоб, Qб, Qп - соответственно количество теплоты, необходимое для созревания компостной смеси, выделяемое при биохимическом окислении беззольного вещества, теряемое в окружающую среду, кДж.
Исследованиями [8,9] установлено, что гарантированное обеззараживание компостных смесей достигается при их разогреве до 70оС и выдерживании не менее 72 ч. С учетом этого:
Qоб =Шк-Ск(10- 1к) , (5)
где тк - масса компостной смеси, кг; С к -
кДж
теплоемкость комнатной смеси, - ; 1к -
кг -°С
первоначальная температура компостной смеси, Т.
Количество теплоты, выделяемой в процессе биохимического окисления, зависит от массы разложившегося вещества и удельной теплоты окисления:
Qб = твЬц, (6)
где тб - масса беззольного вещества компостной смеси, кг; Ь - требуемая степень распада беззольного вещества, в долях единицы; ц - удельная теплота биохимического разложения беззольного вещества, кДж/кг.
Масса беззольного вещества в компостной смеси состоит из массы беззольного вещества исходного навоза и влагопоглощаю-щего материала:
ш6 = (100 - ИН)(100 - ЛН) ■ 10-4 + (100 - ИВ) (100 - лв) ■ 10-4 , (7)
где - масса исходного навоза и
влагопоглощающего материала, кг; ИН, ИВ -влажность исходного навоза и влагопогло-щающего материала, %; ЛН, ЛВ - зольность исходного навоза и влагопоглощающего материала, %.
Масса требуемого количества влагопо-глощающего материала определяется с учетом массы и влажности исходного навоза, влагопоглощающих материалов и компостной смеси:
у = ^Щн-^), (8)
где - влажность компостной смеси, %. Для предварительных расчетов величина принимается равной 70-75%, окончатель-
но уточняется с учетом уравнения теплового баланса (4).
При гидравлических системах уборки подготовку жидкого навоза и стоков к использованию рекомендуется осуществлять механическим разделением на фракции отечественными фильтрующими центрифугами или установками прессующего типа [10,11].
Следует отметить, что отечественный комплект оборудования для механического разделения навоза на фракции по сравнению с импортным по стоимости в 3,5-4,3 раза дешевле при сопоставимости затрат на строительство сооружений и эффективности процесса разделения по сухому веществу.
В результате выполненных исследований установлены зависимости для расчета допустимой производительности установки, эффективности разделения по сухому веществу, влажности жидкой и твердой фракций.
Допустимая производительность установки (0 и эффективность разделения навоза по сухому веществу (Е) при различных диаметрах отверстий фильтрующей перегородки d (от 0,5 до 2,0 мм) при влажности 97,5%:
для навоза КРС
Q = - 16,66d2+73,47d-3,47 (9)
Е = - 3,49^2+2,39^+52,18 (10)
для свиного навоза
Q = 4^2+42^+24,6 (11)
Е = - 6^2+1^+55,1 (12)
Масса твердой фракции ^тф) при механическом разделении навоза на фракции: 0 = Е^и-^и (100-Жи)
^тф
(13)
где Е - коэффициент эффективности разделения навоза на фракции по сухому веществу, %; ри - плотность исходного навоза,
3 3
кг/м ; - объем исходного навоза, м ; Ши -влажность исходного навоза, %; Стф - содержание сухого вещества в твердой фракции навоза, %.
Массу жидкой фракции навоза (@жф) определяют как разницу между массой исходного навоза и твердой фракции:
<?жф = Ри^и - (14)
итф
Заключение. Предложенные технологические и технические решения по системам уборки и подготовки навоза к использованию, теоретические и экспериментальные зависимости, методика эколого-экономичес-кой оценки систем утилизации навоза позволяют для любого типа предприятия по производству продукции животноводства с учетом конкретных природно-климатических условий зоны расположения объекта выбрать эффективные, экологически безопасные системы уборки и подготовки навоза к использованию, обеспечивающие сокращение потерь питательных элементов на 50-70%, повышение эффективности использования удобрений в 1,3-1,7 раза, дополнительное производство зерна в объеме до 20 млн т в год.
Литература:
1. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Основные направления совершенствования технологий и технических средств для уборки навоза из помещений и подготовки его к использованию // Техника и оборудование для села. 2012. №3. С. 20-25.
2. Оценка убытков и размера возмещения за ухудшение качества сельскохозяйственных земель. URL: http:/knowledge.allbest.ru
3. Ковалев Н.Г., Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Научное обеспечение развития экологически безопасных систем утилизации // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2016. №1(50). С. 62-69.
4. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Экономико-математическая модель экологически безопасных технологических систем утилизации навоза // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2014. №4. С. 8.
5. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т., Кузьманина Ю.Ю. Результаты экспериментальных исследований процесса уборки навоза штанговым транспортером // Проблемы интенсификации животноводства с учетом охраны окружающей среды и производства альтернативных источников энергии, в т.ч. биогаза. Фаленты, 2015.
6. Гриднев П.И., Карпов В.П., Гриднева Т.Т. Автоматизированная скреперная установка для уборки навоза при беспривязном содержании животных // Техника и оборудование для села. 2010. №8. С. 18-19.
7. Повышение эффективности функционирования технических систем подготовки навоза к использованию / Гриднев П.И. и др. М., 2000. 80 с.
8. Производство твердых органических удобрений / Афанасьев В.Н. и др. Л., 1984. 48 с.
9. Туваев В.Н. Технологические процессы и требования к комплексам технических средств для механизированного приготовления компостов на животноводческих фермах и птицефабриках: дис. к. т. н. Л., 1984.
10. Иванов Ю.А., Морозов Н.М. Основные положения стратегии развития механизации и автоматизации животноводства // Вестник ВНИИМЖ. 2015. №2(18). С. 4-12.
11. Гриднев П.И., Гриднева Т.Т. Анализ технического уровня средств уборки и подготовки навоза к использованию // Вестник ВНИИМЖ. 2015. №1. С. 51-57.
Literatura:
1. Gridnev P.I., Gridneva T.T. Osnovnye napravleniya so-vershenstvovaniya tekhnologij i tekhnicheskih sredstv dlya uborki navoza iz pomeshchenij i podgotovki ego k ispol'zovaniyu // Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2012. №3. S. 20-25.
2. Ocenka ubytkov i razmera vozmeshcheniya za uhud-shenie kachestva sel'skohozyajstvennyh zemel'. URL: http:/knowledge.allbest.ru
3. Kovalev N.G., Gridnev P.I., Gridneva T.T. Nauchnoe obespechenie razvitiya ehkologicheski bezopasnyh sistem utilizacii // Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka. 2016. №1(50). S. 62-69.
4. Gridnev P.I., Gridneva T.T. EHkonomiko-matemati-cheskaya model' ehkologicheski bezopasnyh tekhnologi-cheskih sistem utilizacii navoza // Mekhanizaciya i ehlek-trifikaciya sel'skogo hozyajstva. 2014. №4. S. 8.
5. Gridnev P.I., Gridneva T.T., Kuz'manina YU.YU. Re-zul'taty ehksperimental'nyh issledovanij processa uborki navoza shtangovym transporterom // Problemy intensify-kacii zhivotnovodstva s uchetom ohrany okruzhayushchej sredy i proizvodstva al'ternativnyh istochnikov ehnergii, v t.c. biogaza. Falenty, 2015.
6. Gridnev P.I., Karpov V.P., Gridneva T.T. Avtomatizi-rovannaya skrepernaya ustanovka dlya uborki navoza pri besprivyaznom soderzhanii zhivotnyh // Tekhnika i obo-rudovanie dlya sela. 2010. №8. S. 18-19.
7. Povyshenie ehffektivnosti funkcionirovaniya tekhnich-eskih sistem podgotovki navoza k ispol'zovaniyu / Grid-nev P.I. i dr. M., 2000. 80 s.
8. Proizvodstvo tverdyh organicheskih udobrenij / Afana-s'ev V.N. i dr. L., 1984. 48 s.
9. Tuvaev V.N. Tekhnologicheskie processy i trebova-niya k kompleksam tekhnicheskih sredstv dlya mekhani-zirovannogo prigotovleniya kompostov na zhivotnovod-cheskih fermah i pticefabrikah: dis. k. t. n. L., 1984.
10. Ivanov YU.A., Morozov N.M. Osnovnye polozheniya strategii razvitiya mekhanizacii i avtomatizacii zhivotnovodstva // Vestnik VNIIMZH. 2015. №2(18). S. 4-12.
11. Gridnev P.I., Gridneva T.T. Analiz tekhnicheskogo urovnya sredstv uborki i podgotovki navoza k ispol'zova-niyu // Vestnik VNIIMZH. 2015. №1. S. 51-57.
MANURE CLEANING AND PREPARING FOR USING TECHNOLOGIES AND TECHNICAL MEANS' SETS MECHANIZATION DEVELOPMENT'S SCIENTIFIC SUPPORT P.I. Gridnev, doctor of technical sciences, deputy director T.T. Gridneva, candidate of technical sciences, leading research worker All-Russian research institute of animal husbandry mechanization
Abstract. The manure utilization system evaluation methodology main positions are presented. All costs take into account, from livestock buildings manure cleaning systems till biological harvest obtained from its using increasing, including additional products in the form of biogas, protein supplements, and soil fertility value changing. As the objective function is the minimum complex cost for nutrients and organics per area unit under the planned crop yield necessary amount introduction. Performed analysis of foreign and domestic experience of manure utilization problem solving allowed to determine directions providing energy saving for each technological operation. On the base on proposed method's calculations the manure utilization and technical means for its implementation possible variants are presented. The effective technical solutions include: developed in the institute rod conveyor design with drive from hydraulic station having technical and economic characteristics more superior than the most commonly used screw and scraper type conveyors. Ready to use the livestock free-stall housing buildings manure removal scraper installation operating in automatic mode. The proposed technological and technical solutions using provides the nutrients losses in 50-70% reducing and the of fertilizer use efficiency in 1,3-1,7 times improving, annually 20 million tons of grain producing. Keywords: method of evaluation, ecologically safety systems, efficient technical means.
