Разработка способа получения кормовых добавок и удобрений из торфа с применением методов СВЧ-диэлектрического нагрева

В настоящее время активное развитие получает применение в сельском хозяйстве экологически чистых органических и органо-минеральных удобрений. Среди них наиболее эффективным является использование гуминовых удобрений, получаемых из торфа.
Для производства кормовых добавок используют верховой торф с степенью разложения не более 20 %, применение такой кормовой добавки в составе комбикорма для молодняка крупного рогатого скота позволяет замещать часть фуражного зерна и получать достаточно высокой прирост живой массы [1].
Федеральным законом от 16 июля 1998 г. № 101-ФЗ «О Государственном регулировании обеспечения плодородия земель сельскохозяйственного назначения» поставлена задача обеспечения производителей сельскохозяйственной продукции торфом и продуктами его переработки. По запасам торфа Россия занимает лидирующую позицию в мире, имея торфяные месторождения на площади 162,7 млн. га и ресурсы торфа в 128,7 млрд. тонн, что составляет примерно 50% всех мировых запасов.
Основными качественными показателями, по которым определяют пригодность торфа для использования в сельском хозяйстве, являются: ботанический состав, степень разложения, зольность, кислотность, влажность, содержание питательных веществ [1].
Такой показатель как влажность характеризует содержание влаги в торфе в процентах к его общей массе (относительная влажность) или к весу абсолютно сухого вещества (абсолютная влажность). На практике обычно пользуются показателями относительной влажности.
В естественной залежи влажность торфа очень велика и зависит от его типа и степени разложения. Например, при низкой степени разложения в 10 % влажность низинного торфа составляет 93 %, а верхового – 94,6 %; при степени разложения в 20 % – 91 и 93,2 %; при степени разложения в 50 % – 85 и 89 % соответственно. Перед отправкой конечному потребителю торф подсушивают естественным способом, до влажности 50-60 %, торф, имеющий большее значение влажности, не соответствует требованиям ГОСТа.
На современном этапе широкому применению удобрений и кормовых добавок на основе гуминовых кислот препятствует отсутствие промышленного выпуска эффективных установок по производству удобрений в больших объемах, которое обусловлено не решенной проблемой обеспечения стабильности показателей качества готовой продукции. Сам по себе торф является уникальным сырьем, которое имеет различный ботанический состав и степень разложения, что требует разработки гибкой технологической линии, которая вне зависимости от химического состава сырью на выходе получать готовый продукт требуемого качества.
Одной из таких установок является установка по производству жидких гуминовых удобрений «Гумовит» компании ООО «ХимТехнологии». Производительность установки составляет 350 тыс. литров в год. Установка включает в себя три основных блока: блок подготовки сырья, реакторный блок, блок выделения продукта и его розлива. Разработчики установки решили ряд задач, таких как обеспечение снижение продолжительности процесса и количества стадий производства, повышение полезного выхода продукции и минимизацию отходов, разработали механохимический способ переработки торфа, основанный на кавитационной технологии.
Разработанные инновационные технологии получения удобрений из торфа как с применением химических реагентов, так и без них требует подготовки торфяного сырья путем высушивания его до влажности 15-20 % [2].
Исследованиями [3] показано, что весьма эффективным фактором увеличения выхода гуминовых кислот их торфа, является его предварительная термообработка при этом температура нагрева торфа не должна превышать 150 °С.
Анализ имеющихся установок для получения гуминовых удобрений, как используемых так и опытных образцов, показал что сушка торфа до требуемых значений влажности, или его нагрев до необходимой по требованиям технологии температур, производиться с помощью: трубчатых электронагревательных элементов (ТЭН), либо с использованием газовых горелок, либо пропускают через слой торфа горячий пар, получаемый путем испарения воды электро- или газовыми нагревателями. Достижение требуемой температуры нагреваемого элемента происходит за счет конвективного теплообмена, который характеризуется низкой скоростью нагрева и большими тепловыми потерями.
Одним из перспективных направлений электротехнологии является СВЧ-диэлектрический нагрев. Вследствие высокой диэлектрической проницаемости воды, которая содержится в полученном из торфа удобрении, поглощается большая часть микроволновой энергии, вода быстро нагревается и начинает интенсивно испаряться. Происходит эффективная сушка материала при меньших времени и энергетических затратах, что актуально, так как наблюдается постоянный рост стоимости энергии.
CВЧ-нагрев обладает рядом несомненных преимуществ перед другими видами нагрева: экологичности, энергоэффективность, возможность плавного регулирования, генераторное оборудование работает практически безынерционно, благодаря чему уровень мощности СВЧ и момент ее подачи можно мгновенно изменять.
Однако в настоящее время СВЧ-диэлектрический нагрев находит применение только при переработке торфа путем высокотемпературного пиролиза.
На данном этапе разработки способа получения кормовых добавок с помощью СВЧ-нагрева можно составить общую схему установки (рис. 1).
Рис. 1. Блок-схема СВЧ-установки для сушки торфа
Сушильная камера установки СВЧ диэлектрического нагрева может быть оснащена одним источником СВЧ энергии или с несколькими источниками, в зависимости от необходимой мощности. В первом варианте применяются мощные промышленные магнетроны с рабочей частотой 915 МГц и мощностью от 25 до 100 кВт, то во втором варианте могут использоваться магнетроны бытового назначения мощностью 0,6 – 0,8 кВт или промышленного мощностью от 1 до 5 кВт, работающие на частоте 2450 МГц [4].
В таблице 1 представлены технические характеристики некоторых видов магнетронов используемых в качестве генераторов СВЧ-энергии.
Таблица 1. Технические характеристики магнетронов
Наименование производителя, тип f раб, МГц Р вых, кВт КПД, % Тип охлаждения Цена, руб
Richardsson Electronic, USA
2M137(IL) 2450 2,5 80 Воздушное 19870, 00
2M251-05 2450 3 80 Воздушное по запросу
YJ1191A 2450 6 80 Воздушное по запросу
NLM915-30 915 30 75 Водяное по запросу
NLM915-50 915 50 75 Водяное по запросу
NLM915-60 915 60 75 Водяное по запросу
NLM915-75 915 75 75 Водяное по запросу
NLM915-100 915 100 75 Водяное по запросу
Daewoo electronics, Корея 
2M259 2450  1000 75  Воздух 2400, 00
"Samsung", Корея 
OM75P 2450  1000 80  Воздух 4300, 00
ЗАО "НПП "Магратеп", Россия
М-152-15А 2450 1,05 70 Воздух  по запросу
М-117 2450 5,25 50 Воздух по запросу
М-139 915 200 85 Водяное по запросу
М-169 433 100 75 Водяное по запросу
М-170 915 75-100 75 Водяное по запросу
Muegge Flyer Magnetron, Германия
CK-2091T 2450 15 75 Вод./возд. 318940, 00
CWM-30L 915 30 75 Водяное по запросу
CWM-60L 915 60 75 Водяное по запросу
CWM-75L 915 75 75 Водяное по запросу
Рост выходной мощности магнетрона, сопровождается снижение его КПД, соответственно и возрастает цена данного устройства, усложняется конструкция, так как применяется уже водяное охлаждение.
Для решения задачи по применению СВЧ-диэлектрического нагрева при производстве удобрений и кормовых добавок их торфа необходимо проанализировать существующие виды СВЧ-установок, схемные решения, используемую элементную базу, особенности конструкции, так как это важно для разработки схемного решения установки СВЧ-диэлектрического нагрева для сушки торфа.
При термообработке торфа важно достичь равномерного нагрева всего объема, при использовании СВЧ-нагрева проблему равномерности, решают применением прерывистого теплоподвода, когда равномерность нагрева обеспечивается растеканием тепла по всему объему в периоды пауз за счет теплопроводности, или с помощью объемного тепловыделения при диэлектрическом нагреве в этом случае решается и задача интенсификации термообработки.
Однако при термообработке диэлектриков с большими объемами, неоднородными поверхностями и высокой начальной влажностью, возникает ряд вопросов без поиска ответов, на которые невозможно разработать энергоэффективный способ получения удобрений из торфа.
Такие как использование одного мощного источника СВЧ-энергии или нескольких меньших, как расположить их в пространстве СВЧ-камеры, какой формы камеру наиболее эффективно применять, прямоугольную или цилиндрической, разрабатывать установку непрерывного или периодического действия и т.д.
При принятии окончательного решения обязательно нужно провести технико-экономический расчет, причем при проектировании СВЧ-установки для сушки торфа, нельзя оценивать ее эффективность только экономией энергопотребления, поскольку определяющей может оказаться цена электротермического оборудования, срок его службы, кроме того СВЧ-генераторы, блоки электропитания имеют массогабаритные показатели, которые растут не линейно при линейном увеличении мощности.
Литература:
Голубина, О. А. Физикохимия и биология торфа: Использования торфа в сельском хозяйстве: учебно-методическое пособие / О. А. Голубина. – Томск: Томский ЦНТИ, 2011. – 45 с.
Евсикова Е.С. Разработка способа получения кормовых добавок и удобрений из торфа с применением методов электротехнологии // Материалы XI Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум» URL: http://scienceforum.ru/2019/article/2018015330>http://scienceforum.ru/2019/article/2018015330 (дата обращения: 24.02.2020 ).
Чухарева Н.В., Шишмина Л.В., Новиков А.А. Физико-химические характеристики торфяных гуминовых кислот и остатков их кислотного гидролиза// Химия растительного сырья. 2003. №3. С. 11-15
Тютьманова В.В. Система электропитания СВЧ-электротехнологической установки конвейерного типа//Сборник научных статей по материалам XI Международной научно-практической конференции. URL: http://www.sstu.ru/upload/medialibrary/848/sbornik_pu2015_pechat.pdf (дата обращения: 24.02.2020 ).