Разработка конструкторской документации и изготовление прототипа пиролизной установки. Наладка прототипа пиролизной установки. Определение оптимальных режимов работы прототипа пиролизной установки. Получение опытных образцов биосорбентов нового поколения. Исследование опытных образцов биосорбентов при использовании прототипа пиролизной установки. Определение сорбционных характеристик опытных образцов биосорбентов.

Настоящий отчет обобщает и систематизирует данные, полученные в результате исследований по теме: «Разработка и тестирование прототипа пиролизной установки для комплексной технологии утилизации отходов АПК. Получение и испытания опытных образцов биосорбентов и биоудобрений нового поколения.» в ходе выполнения работ 1 этапа календарного плана «Разработка конструкторской документации и изготовление прототипа пиролизной установки. Наладка прототипа пиролизной установки. Определение оптимальных режимов работы прототипа пиролизной установки. Получение опытных образцов биосорбентов нового поколения. Исследование опытных образцов биосорбентов при использовании прототипа пиролизной установки. Определение сорбционных характеристик опытных образцов биосорбентов.». Основанием для выполнения работы является договор № 4794ГС2/63249 от 23.11.2022 г. Объект исследования включает в себя прототип пиролизной установки для комплексной технологии утилизации отходов АПК и полученные при его использовании опытные образцы биосорбентов нового поколения. Целью работы (согласно отчетному периоду) является разработка конструкторской документации и изготовление прототипа пиролизной установки. Наладка прототипа пиролизной установки. Определение оптимальных режимов работы прототипа пиролизной установки. Получение опытных образцов биосорбентов нового поколения. Исследование опытных образцов биосорбентов при использовании прототипа пиролизной установки. Определение сорбционных характеристик опытных образцов биосорбентов. Метод или методология проведения работы: теоретические изыскания, опытно-конструкторские и технологические работы, лабораторные и аналитические исследования. Результаты работы: 1. Разработана конструкторская документация и изготовлен прототип пиролизной установки. Конструкторская документация включает в себя описание и чертежи прототипа пиролизной установки, состоящего из 7 модулей: модуля загрузки, гранулятора сырья, смесителя-сепаратора для получения смеси осадков сточных вод (ОСВ) с отходами сельского хозяйства, сушильного барабана, дробильной машины, комплекта пиролизной печи емкостью 0,5 м3 и приемного бункера для охлаждения и расфасовки готового продукта. 2. Выполнена наладка прототипа пиролизной установки. Показано, что процесс обработки исходного сырья проходит в 3 стадии: сушка, пиролиз, охлаждение. Температура сушки варьирует от 130-150°С, время сушки - от 25 до 40 мин, температура пиролиза и ее градиент - от 250 °С до 900 °С и от 5 °С/мин до 30 °С/мин, соответственно. Благодаря модульной конструкции прототипа пиролизной установки в процессе его работы возможна подача инертного газа, например, CO2, в объеме от 5 до 15 л/час в непрерывном, либо дискретном режиме. 3. Определены оптимальные режимы работы прототипа пиролизной установки. Для получения биосорбентов с высокими показателями пористости в прототипе пиролизной установки необходимы температура - 700 °С, время– 45 мин, градиент температуры – 10 °С/минуту, расход газа – 10 л/час и температура сушки сырья 150 °С в течение 30 мин. 4. Получены опытные образцы биосорбентов нового поколения. Показано, что в прототипе пиролизной установки при оптимальном режиме ее работы получены опытные образцы биосорбентов из ОСВ и соломы пшеницы, смешанных при различных соотношениях по массе (1,0:0,5; 1,0:1,0; 1,0:1,5; 1,0:2,0). 5. Исследованы опытные образцы биосорбентов опытных при использовании прототипа пиролизной установки. Показано, что оптимальным соотношением по массе ОСВ/солома пшеницы является 1,0:1,0, а его увеличение до 1,0:2,0 приводит к деструктивным изменениям в структуре углеродистого материала, способствующим уменьшению пористости и снижению площади поверхности образцов. 6. Определены сорбционные характеристики опытных образцов биосорбентов. На основе изотерм и параметров сорбции выявлена высокая поглотительная способность опытных образцов биосорбентов по отношению к распространенным поллютантам в почвах – тяжелым металлам (на примере Zn и Cu) и полициклическим ароматическим углеводородам (на примере нафталина и бенз(а)пирена). Основные конструктивные характеристики прототипа пиролизной установки: 1. Элементы прототипа пиролизной установки, подвергающиеся ударным нагрузкам (молотки дробильной машины) спроектированы и выполнены из ударопрочной легированной стали марки 30 ХГСА (ГОСТ 4543-71) с последующей закалкой твердостью HRC 45-50. 2. Элементы прототипа пиролизной установки, подвергающиеся фрикционным нагрузкам (валы шнековых транспортеров, вал смесителя-сепаратора, матрица и роллеры гранулятора, сито дробильной машины) спроектированы и выполнены из легированной износостойкой стали марки 40Х13 (ГОСТ 5632-2014) с последующей закалкой твердостью HRC 50-.55. 3. Элементы прототипа пиролизной установки, подвергающиеся термическим нагрузкам: - внутренняя поверхность сушильного барабана (термическая нагрузка до 150 °С) спроектирована и выполнена из конструкционной углеродистой стали марки 20 (ГОСТ 1050-2013); - реторта пиролизной печи и ее крышка (термическая нагрузка до 850 °С) спроектирована и выполнена из жаростойкой и жаропрочной, нержавеющей стали марки 20Х23Н18 (ГОСТ 5632-2014); - герметизация крышки реторты осуществляется с помощью высокотемпературного асбестового шнура ШАОН (ГОСТ 1779-83). 4. Детали каркасов, корпусов и несущих конструкций всего комплекса оборудования спроектированы и выполнены из листового, трубного и сортового стального проката Ст3 - Ст20 общего применения, в частности: - прокат листовой Ст3 - Ст20 (ГОСТ 19903-2005); - труба круглая ВГП (ГОСТ 3262-75); - труба профильная (ГОСТ 8639-82). 5. Электродвигатели, тельфер, редукторы, мотор-редукторы для всего комплекса оборудования выполнены с учетом безопасности эксплуатации и ремонтопригодности. 6. Для антикоррозионной защиты в установке выполнено 2-х слойное покрытие ЛКМ с предварительной грунтовкой: грунт ГФ-021 (ГОСТ 25129-82) и эмаль АС-182 (ГОСТ 19024-79). 7. Теплоизоляция наружной поверхности сушильного барабана спроектирована и выполнена из минераловатной плиты типа ТехноТерм TS 037 (ГОСТ 9573-2012). 8. Теплоизоляция пиролизной печи спроектирована и выполнена из керамической ваты МКРР-130 термостойкостью до 1600 °С (ГОСТ 23619-79). 9. Все узлы установки оборудованы органами управления с обязательной установкой кнопки «Общий стоп» для быстрого и безопасного отключения в случае возникновения аварийной ситуации. 10. Для защиты персонала от травм на всех видах оборудования, входящего в состав установки, предусмотрены защитные ограждения и концевые выключатели, защищающие от производственных травм при работе движущихся и вращающихся частей оборудования. 11. При проектировании всего оборудования были учтены требования эргономичности: удобства контроля, обслуживания, загрузки и выгрузки сырья, а также требования безопасности труда. 12. При проектировании заложены принципы модульности всего комплекса оборудования, т.е. возможности его целесообразной перестановки внутри технологической цепочки, а также возможность перевозки автотранспортом. 13. При выборе комплектующих изделий и агрегатов особое внимание обращено на качество и способность долговременной непрерывной работы. Предпочтение в выборе комплектующих изделий отдано отечественным производителям (удобство сервисного обслуживания, доступность запасных частей). 14. Общая производительность прототипа пиролизной установки – обусловлена производительностью пиролизной печи и требуемой длительностью процесса пиролиза. Для рассматриваемого вида отходов (ОСВ, отходы сельского хозяйства) производительность составляет 350-400 кг в сутки по готовому продукту при односменной работе. Технологические и технико-эксплуатационные характеристики: Изготовленный прототип пиролизной установки обладает следующими характеристиками: 1. Объем камеры пиролизной печи 0,5 м3; 2. Объем перерабатываемых отходов по входящему сырью влажностью до 50 % при работе в 1 смену до 3,0 м3/сутки; 3. Технологический режим работы: дискретный; 4. Продолжительность цикла подготовки сырья (в зависимости от исходной влажности отходов) 1,5-2,5 часа; 5. Время первоначального разогрева пиролизной печи до рабочей температуры (250-300 °С) начала пиролиза составляет 1 час; 6. Время процесса пиролиза от температуры (250-300 °С) 3-4 часа; 7. Первичным источником энергии является природный сжатый или сетевой газ; 8. Потребление электроэнергии (в зависимости от исходной влажности отходов) 8-12 кВт\час; 9. Вес пиролизной печи с системой конденсации и охлаждения пиролизного газа 2200 кг; 10. Общая площадь для размещения прототипа пиролизной установки (без учета разгрузочной площадки) 150 м2; 11. Рабочий персонал оператор: 1 человек/смена; 12. Рабочий персонал грузчик-подсобник: 1 человек/смена; 13. Необходимый обслуживающий персонал: - электрик с допуском до 1000 В: 1 человек; - слесарь-механик 4 разряда: 1 человек; Рекомендации по внедрению или итоги внедрения результатов НИОКР: На основе изученных свойств биосорбентов установлено, что исследуемые опытные образцы имеют высокую эффективность при адсорбции органических и неорганических поллютантов и могут быть рекомендованы для ремедиации загрязненных почв. Области применения разрабатываемой продукции: сельское хозяйство, животноводство, растениеводство. Категории потенциальных потребителей: производители сельскохозяйственной продукции, государственные и научно-образовательные организации почвенного, экологического и сельскохозяйственного профилей, экологические службы, службы Министерства сельского хозяйства и продовольствия, Министерства природных ресурсов и экологии, почвенно-агрохимические лаборатории, крупные химические предприятия по производству удобрений. Экономическая эффективность или значимость работы: Решение проблемы оптимизации экологической ситуации за счет внедрения новых методов утилизации ОСВ и возможность организации производства ценных высокопористых биосорбентов с улучшенными функциональными свойствами, что позволит решить проблему повышения экономической эффективности сельскохозяйственного производства Прогнозные предположения о развитии объекта исследования: разработанные биосорбенты нового поколения могут быть использованы с целью устранения техногенного загрязнения различного происхождения на почвах, улучшения экологической обстановки на полях сельхозугодий и безопасности выращиваемой сельскохозяйственной продукции. Оценка исполнителем успешности выполнения работы по этапу: Все поставленные задачи в рамках первого этапа проекта выполнены в полном объеме, а полученные научно-технические результаты соответствуют тенденциям мировой науки и имеют важное значение для дальнейшего развития АПК.