Переработка зеленой массы топинамбура
Актуальность темы исследований.
Одной из высокоурожайных кормовых культур, выращиваемых в России, является топинамбур. Эта культура в условиях умеренного климата может достигать урожая зеленой массы до 60.0 т/га, а клубней до 40.0 т/га, в результате чего способна обеспечивать выход 7.5-10.0 т/га кормовых единиц и 6.0-6.8 ц/га перевариваемого протеина. Топинамбур отличается высокими питательными качествами. Клубни топинамбура содержат 18-22 % сахаров, до 2.5 % протеина, а также витамины группы В и С. В зольных элементах топинамбура содержится до 6 % фосфора, свыше 5 % железа. Зеленая масса содержит до 20-25 % сухого вещества. В него входит углеводный комплекс, значительную долю которого занимает инулин, который преобразуется в легкоусвояемую фруктозу, что делает эту культуру ценным кормом для животных. Кроме этого зеленая масса топинамбура содержит протеин, представленный всеми незаменимыми аминокислотами, витамины и клетчатка [1,2]. Зеленую массу топинамбура используют для приготовления высококачественного силоса или сенажа. Из-за высокого содержания сухих веществ ее можно использовать для производства тепловой, электрической энергии и комплексного органо-минерального удобрения [3].
Анализ экономической деятельности сельскохозяйственных предприятий показывает, что в себестоимости сельскохозяйственной продукции очень большую долю составляют энергозатраты, что связано в основном с высокой стоимостью энергоресурсов. По данным Росстата, стоимость энергоресурсов, в частности электроэнергии неуклонно возрастает с каждым годом рисунок 1
Рисунок 1 - Динамика конечных цен на электроэнергию в России
Такое положение отрицательно отражается на себестоимости продукции, что должно подтолкнуть сельхозпредприятия на собственную генерацию электроэнергии. В настоящее время это возможно как технически, так и целесообразно экономически. Сельское хозяйство является одним из основных производителей органических отходов, которые перерабатываются, как правило, не эффективно, либо вообще не перерабатываются. При этом 1 тонна данных отходов содержит до 15000 МДж энергии, значительная часть которой может быть генерирована и эффективно использована. Для производства электрической энергии с целью электроснабжения производственных и не производственных подразделение может использоваться ботва топинамбура, которая при уборке сенажируется в требуемом количестве и используется в течение всего года.
Цель исследования. Повышение эффективности использования зеленой массы топинамбура.
Материалы и методы проведения исследования
Для производства электрической и тепловой энергии из сенажа зеленой массы топинамбура может быть применен локальный энергетический комплекс ЛЭК -4500 фирмы БиоРекс. Конструкция ЛЭК предусматривает трехкратную гарантию бесперебойности работы комплекса: суточным запасом топлива, дублированием основных агрегатов с возможностью попеременного отключения для профилактики и оборудованием газгольдера или расходным ресивером для хранения резервного топлива опционально [4].
- Полностью автономные модули требуют только своевременного подвоза сырья, работают на собственном энергобалансе и не требуют внешних подключений;
- Модульная конструкция позволяет наращивать мощность комплексов сообразно растущим потребностям и легко перевозить оборудование к новому месту производства;
- ЛЭК являются идеальным решением для организации системы распределённого энергообеспечения производственных потребителей жилых микрорайонов;
- Выбор оборудования для утилизации тепла при сжигании газа не ограничивается паровым или водяным котлом, также возможно применение газовых турбин и дизель-генераторных установок;
- Предлагаемая схема переработки легче вписывается в имеющуюся промышленную инфраструктуру, например, газ может подаваться в имеющуюся топку для полной или частичной замены ныне используемого топлива;
- Высокий энергетический КПД конверсии. Один килограмм сырья дает 1 кВт электрической и 2 кВт тепловой энергии;
- Отсутствие вредных выбросов в атмосферу;
- Упрощенные требования к составу и подготовке сырья. ЛЭК может перерабатывать отходы в смеси.
Самосвальным транспортным средством сенаж транспортируют от места сенажирования к цеху и перегружают в приемный бункер, где производят автоматическое взвешивание. Далее сенаж подают на сушку. После сушки до определенной влажности, сенаж подают на брикетирование, а затем в реактор термохимической конверсии для выработки горючего газа, который в процентном соотношении содержит в себе: CO -15-22, H2,- 16-22, CH4,- 1,0-2,5, CO2,- 11-15, N2 - 45-48. При выходе из реактора, газ очищают и подают на теплообменный аппарат, где его охлаждают до температуры 40 0С. Охлажденный и очищенный газ подают в дизель-генераторы для производства электроэнергии. Выхлопные газы дизель-генератора с температурой 600 0С собирают, одну их часть направляют в реакторы, а другую в теплообменный аппарат.
Золу, образовавшуюся в процессе термохимической конверсии топинамбура, автоматически извлекают из реактора при температуре 100-120 0С и подают в бункер хранения зольного остатка. Зольный остаток составляет по массе около 10% от исходного сухого материала и содержит в концентрированном виде зольные элементы, необходимые для питания растений. Поэтому золу используют для приготовления органо-минерального удобрения. Для этого ее в процентном соотношении смешивают с высушенным топинамбуром и готовят гранулированное органо-минеральное удобрение.
По общему мнению, Минсельхоза, ученых и хозяйственников, в России существует дефицит качественных экологически чистых органических удобрений в объеме не менее 300 тыс. тонн в год. Платежеспособный спрос на этот вид удобрений в РФ вызван: присутствием на сельскохозяйственном рынке крупных агропромышленных холдингов с мощным финансированием. Они ориентированы на долгосрочную перспективу, на развитие фермерских хозяйств, на скорейшие результаты и получение прибыли от использования земли, увеличением роли биоземледелия в России, как в стране с огромным экологическим потенциалом. Имеется большое количество площадей, не загубленных минеральными удобрениями и способных давать экологически чистую продукцию на экологически чистом удобрении.
Специалисты Минсельхоза прогнозируют ежегодный рост сельхозпроизводства в России в объеме 5-7%. Таким образом, платежеспособный спрос на качественные органические удобрения будет только расти, если ситуация с производством органических и органо-минеральных удобрений не изменится, а проект «Развитие АПК» этого не предусматривает, разрыв между спросом и предложением на рынке удобрений будет увеличиваться. Таким образом, наряду с постоянно растущим спросом на экологически чистые удобрения на мировом рынке и в России в настоящее время наметилась устойчивая тенденция к росту потребления органо-минеральных удобрений при наличии платежеспособных покупателей
Результаты исследований.
| Приемно-накопительная станция |
| Модуль сушки сенажа |
| Брикетирование сенажа |
| Бункер готового сырья |
| Реактор термохимической конверсии |
| Газоочистка |
| Дизель-генератор |
| Теплообменник |
| Тепловая энергия |
| Выхлопные газы газыгазы |
| Сажа, масла |
| воздух |
| Накопитель золы |
| Электрическая энергия |
| Дозатор |
| Смеситель |
| Гранулятор |
| Модуль сушки гранул |
| Органо-минеральное удобрение |
| Высушенный топинамбур |
| Зеленая масса |
Рисунок 2 - Технологическая схема комплекса по переработке зеленой массы топинамбура
С целью реализации данного проекта разработана технологическая схема комплекса по переработке сенажа рисунок 2 [5]. Технологическая линия предусматривает использование как серийно-выпускаемого оборудования, так и разработку не стандартного оборудования.
Технология приготовления органо-минеральных удобрений на основе золы получаемой при пиролизе зеленой массы топинамбура и высушенной зеленой массы топингамбура, предусматривает четыре взаимоувязанных технологических процесса – дозированную подачу смешиваемых компонентов, приготовление органо-минеральной смеси, приготовления гранул и фасовку гранул.
Данная технология позволяет в полном объеме решить проблему переработки топинамбура при выработке электрической и тепловой энергии, и поставить селу качественные и дешевые органо-минеральные удобрения, содержание основных элементов питания растений (NPK) которых находится в пределах 30-34%, что соответствует количеству питательных веществ таких минеральных туков, как нитрофоска.
Достоинство гранулированного органо-минерального удобрения заключается еще и в том, что питательные вещества минеральных компонентов находятся в связанном состоянии органическим веществом шлама, поэтому меньше подвержены потерям, по сравнению с чистыми минеральными удобрениями.
Но в то же время эти элементы питания доступны для растений и используются ими в начальные периоды роста и развития. В более поздние фазы роста, минеральные удобрения утрачивают свою способность обеспечивать растения питательными веществами, в силу их вымывания в недоступные для растений слои почвы, улетучивания, разрушения и т.п., а органоминеральные удобрения продолжают обеспечивать растения питательными элементами, но уже в результате минерализации органического вещества.
Себестоимость органоминеральных удобрений на основе отходов сельского хозяйства, в значительной мере зависит от стоимости применяемых компонентов: золы, высушенной зеленой массы топинамбура и при необходимости сульфата аммония.
Для оценки эффективности применения органо-минеральных удобрений в Институте агроэкологии Челябинской государственной агроинженерной академии проводились сравнительные полевые опыты при возделывании зерновых культур - пшеница, овес, ячмень. В среднем выход зерна яровой пшеницы на контрольном варианте составил 1,89 т/га. Применение органо-минеральных удобрений позволило повысить выход зерна от 0,34 до 0,47 т/га, что соответствует 18-25% относительно контроля. Это подтверждает то, что созданные органо-минеральные удобрения не уступают своим минеральным аналогам по прямому действию на урожайность культуры. В дальнейшем предполагается проверить последействие применения данных удобрений.
Техническая характеристика цеха приготовления органо-минерального удобрения представлена в таблице 7.
Таблица 7 Основные технические характеристики цеха приготовления органо-минерального удобрения
| Наименование |
|
| Производительность ,т/ч | До 5,0 |
| Площадь помещения, м2 | 350 |
| Компоненты в смеси %: -зола - обезвоженная зеленая масса топинамбура - сульфат аммония | 45 45 10 |
| Установленная мощность, кВт/час | До 60,0 |
| Размер гранул, мм | 5-6 |
| Влажность гранул | До 15% |
| Тара | мешки |
| Насыпная масса, кг | До 300,0 |
М.В. Запевалов, д.т.н., ФГБОУ ВО «Южно-Уральский ГАУ»,
Р.М. Латыпов д.т.н., ФГБОУ ВО «Южно-Уральский ГАУ»,
А.М. Аржикеев соискатель кафедры ЭМТП и ТМЖ, ФГБОУ ВО «Южно-Уральский ГАУ»,
