СПОСОБ ГРАНУЛИРОВАНИЯ АКТИВИРОВАННЫХ ТОРФОГУМАТОВ, УСТАНОВКА ГРАНУЛИРОВАНИЯ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА И ПОЛУЧАЕМЫЙ АКТИВИРОВАННЫЙ ТОРФОГУМАТ Российский патент 2016 года по МПК C05F11/02 

Изобретения могут быть использованы в технологии органо-минеральных удобрений, в частности солей гуминовых кислот на основе торфа, относятся к проведению механохимических реакций различных масс и смесей, изготовлению, например, гранул торфогуматов.

В настоящее время во всем мире резко возрос интерес к удобрениям гуматного типа. Гуминовые соединения, являясь физиологически активными веществами, регулируют и интенсифицируют обменные процессы в растениях и почве. Установлено, что гуминовые вещества не только увеличивают урожайность, массу плода и ускоряют сроки созревания, но и улучшают качество продукции, повышая содержание в ней сахаров, витаминов, при этом уменьшая количество нитратов.

В 1981 году было принято решение о создании Международного общества по изучению гуминовых веществ (IHSS). Первым президентом общества был избран Р.Л. Маколм (R.L. Malcolm) США. Первая Международная конференция состоялась в 1983 году в штате Колорадо (США). На конференциях IHSS было констатировано, что первенство в исследованиях по технологиям получения гуминовых удобрений принадлежит ученым Советского союза и прежде всего Л.А. Христовой (Днепропетровск). Затем эти работы продолжили другие советские и российские ученые. Однако бум развития промышленных технологий производства гуматов начался все же в Европе и других странах мира в 80-90 годах 20 века. В России активный выпуск промышленных гуминовых препаратов начался лишь в конце 90 годов. Накопленный научный опыт позволил обеспечить выпуск препаратов по качеству, не уступающему зарубежным разработкам.

Гуматы - натриевые соли гуминовых кислот. Гуматы и гуминовые кислоты - химическая основа гумуса почв, его концентрат. А гумус - основа активности и стабильности большинства биохимических почвенных процессов. Обнаружено, что гуматы воздействуют на систему "почва-вода-растение" шестнадцатью способами. Самые важные - поставка питательных элементов, стимуляция роста и защита от тяжелых металлов и ядовитых веществ. Гумус создает оптимальную физику почв. Он окрашивает почву в черный цвет, усиливая ее прогрев. Удерживает огромное количество воды, повышая влагоемкость. Песчаным почвам он придает связность, глинистым - рыхлость и создает комковатую структуру почв. Одновременно гумус обслуживает и химию почвы, делая ее доступной для растений. Гуминовые кислоты вместе с углекислотой растворяют минералы и освобождают элементы питания. Гумус - обменный и буферный центр химии почв. Он удерживает на себе и отдает по надобности массу ионов (остатки разных щелочей и кислот, в том числе содержащие азот, а также все макро- и микроэлементы). Так, гумус гасит избыток или дефицит разных солей, кислотности или щелочности и связывает вредные ионы и вещества. Кроме того, гумус переводит элементы питания в формы ХЕЛАТОВ - органических солей. Именно в этом виде они непосредственно доступны растениям. Так, гумус косвенно стимулирует растения. Хелаты многих элементов (калия, магния, молибдена, цинка, меди, железа и пр.) прямо стимулируют развитие растений и повышают их иммунитет. Торф - экологически чистый источник гуминовых кислот; так как возраст торфа составляет около 1000 лет, то и гуминовые кислоты, находящиеся в нем, более активны и полезны для растений и животных, чем, например, находящиеся в буром угле (возраст 1000000 лет), окаменелостях, шлаках, смолах, битумах, с повышенной к тому же радиоактивностью.

Одна из проблем получения гуматов из торфа - незначительный выход - 3-12% от содержащихся в торфе гуминовых кислот. Новые подходы к проблеме извлечения из торфа гуматов позволяют добиться выхода до 40%.

Балластом в торфогуматах является сам измельченный торф - это позволяет ему в капиллярах удерживать соли гумата натрия, тем самым не позволяя им провалиться в глубину грунта. Только корни растений и почвенные бактерии легко берут из капилляров растворы солей по мере надобности. Бактерии перерабатывают гуматы в околокорневом слое, подкармливая растения и одновременно усваивая сам торф. Вследствие последствий более активного реагента щелочи NaOH (высокой pН) предлагаются новые методы и более совершенные технологии, решающие основные задачи - более полное извлечение гуматов из торфа и отсутствие избыточной pН.

Предлагаемые решения также отличаются высокими экономическими показателями, экологичностью, технологичностью и эффективностью применения в сельском хозяйстве.

Известно «УСТРОЙСТВО ДЛЯ МЕХАНОАКТИВАЦИИ ТОРФА» (патент РФ №118961, заявлен 21.02.2012).

Устройство для механоактивации торфа, включающее рубашку, вращающийся от привода вал, приемную емкость исходного материала, шнековый пресс, мундштук, характеризуется тем, что шнековый пресс выполнен от приемной емкости к мундштуку с переменным межвитковым шагом вдоль оси и уменьшением межвиткокого пространства, с зазором между наружной поверхностью шнекового пресса и внутренней поверхностью его рубашки, винтовая поверхность шнека изготовлена с качеством обработки выше на несколько классов, чем рубашка, а внутренняя поверхность рубашки шнекового пресса изготовлена с ребрами по всей длине.

Известны также «СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ МЕХАНОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ И РЕАКТОР ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЭТОГО СПОСОБА» (патент РФ №2426722, заявлен 26.11.2009).

Способ проведения механохимических реакций при сжатии, температуре, давлении и обработке ультразвуком исходного материала в реакторе включает обработку массы с помощью шнека. Обрабатываемая масса в объеме 10-90% реверсивно поступает по каналам реактора в зону многократного сжатия. Механохимический реактор включает корпус, вращающийся от привода вал, приемную емкость исходного материала, шнек, мундштук и ультразвуковой генератор. Корпус реактора выполнен в виде многогранника с каналами вдоль оси корпуса, при этом в каналах расположены гребенки. Реактор позволяет получать соли гуминовых кислот из смеси торфа и щелочи, составляющей 10-20% от массы торфа по весу в сухом эквиваленте. Способ и устройство позволяют получать гомогенизированную продукцию в реакторе, в котором эффективно протекают механохимические реакции, с получением природного экологически чистого удобрения.

Это известное техническое решение выбрано в качестве прототипа, так как оно имеет наибольшее число общих с заявляемыми техническими решениями существенных признаков.

Однако аналог и прототип недостаточно производительны, имеются ограничения по гомогенности и степени диспергации, созданию экологически чистого удобрения.

Задачей разработки способа, установки гранулятора и получаемого торфогумата является получение активированных торфогуматных гранул с геометрией и твердостью, сопоставимыми с материалом посева, например пшеницей, имеющих весь необходимый запас питательных веществ, микроэлементов и полезных для почвы бактерий для формирования растения в начальной стадии роста. Для обеспечения дальнейшего роста гранулы должны иметь необходимое начальное количество полезных для почвы бактерий. То есть внесение необходимого количества гуматов, микроэлементов и полезных почвенных бактерий не только позволяет обеспечить растение питательными веществами на весь период вегетации растений, но и повысить плодородие почв, так как начальное локальное за счет гранулы внесение полезных бактерий в почву позволяет за период вегетации растения насытить почву полезной бактериальной массой.

Способ, установка и получаемый торфогумат с указанным техническим результатом - получение активированных торфогуматных гранул с геометрией и твердостью, сопоставимыми с материалом посева, имеющих весь необходимый запас питательных веществ, микроэлементов и полезных для почвы бактерий для формирования растения в начальной стадии роста - описываются ниже и иллюстрируются чертежом - фиг. 1, на котором схематично изображена установка грануляции с разрезами по Α-A, Б-Б, цифрами обозначено:

1 - электромотор, 2 - редуктор, 3 - бункер, 4 - пресс-шнек с уменьшающимся шагом в сторону выхода, 5 - цилиндрическая подающая часть пресс-шнека, 6 - шестигранная часть корпуса пресс-шнека с обратными каналами, 7 - прямоугольный раструб, расширенный по ширине транспортерной ленты с цилиндрической решеткой для формирования гранул, 8 - эластичный ротор с вращающимися ножами, 9 - вращающиеся ножи для отрезки гранул, 10 - транспортерная лента, 11 - сушильная печь.

Гранулятор активированных торфогуматов работает следующим образом: в приемный бункер 3 из смесителя (не показан) подается смесь активированных торфогуматов (торфогуматы, содержащие полезные почвенные бактерии, активированную воду), торфа с влажностью 30-40% и растительного вяжущего, например крахмала или муки. Формовочная масса уплотняется с помощью пресс-шнека, дополнительно перемешивается в преимущественно шестигранной части корпуса с обратными каналами 6 и подается на прямоугольную формирующую решетку, после которой с помощью круглых ячеек по периметру решетки масса превращается в цилиндрические жгутики. Подрезные ножи 9, расположенные на эластичном роторе 8, мягко режут жгутики, образуя гранулы заданной длины. Частотой вращения эластичного ротора 8 регулируется длина гранул. Уплотненная пресс-шнеком формовочная масса, связанная растительным связующим, позволяет гранулам сохранять форму. Формующая решетка имеет ячейки, расположенные в шахматном порядке, что способствует заготовкам гранул на транспортерной ленте 10 не смешиваться друг с другом.

Далее заготовки гранул попадают в сушильную печь 11, где сушка производится сухим, с влажностью 4-6%, воздухом, при температуре не более 30-60°C. При сушке гранул в первую очередь высыхает наружная часть гранул, на которой образуется пленка, препятствующая дальнейшему испарению влаги из внутренней части гранул, что способствует сохранению общей влажности гранул 18-22%. В этом случае полезные почвенные бактерии и микроэлементы сохраняются. Для хранения и транспортировки гранулы упаковываются в водонепроницаемые контейнеры, например, BIG BAG с полиэтиленовым вкладышем.

Таким образом, алгоритм работы гранулятора торфогуматов выглядит так. В смеситель подаются просеянный торф с влажностью 30-40% и первичный продукт производства торфогуматов - паста с содержанием гуматов 10%, влажностью 75-80% и бактериальных материалов, микроэлементов, растительного связующего. Это все тщательно перемешивается. Пропорции 1:10-1:20, где паста составляет одну часть. Затем подготовленный к гранулированию материал подается в бункер гранулятора. Задача гранулятора сформовать гранулы таким образом, чтобы они не распадались и не теряли форму, при этом температурные режимы не должны превышать 30°C, так как при превышении этой температуры происходит частичная дезактивация гуматов и гибель бактериального материала. Формование гранул по диаметру происходит на формирующей решетке за счет продавливания массы через ее круглые отверстия, формование же гранул по длине достигается за счет использования вращающихся ножей, срезающих с решетки гранулы с заданной частотой, далее гранулы попадают на конвейер, откуда - в проходную сушилку.

Способ характеризуется следующими примерами.

Пример 1

Способ гранулирования формовочной массы активированных торфогуматов путем проведения механохимических реакций при сжатии, температуре, давлении и обработке исходного материала с помощью шнека характеризуется тем, что предварительно смешивают 35% сухого торфа с гуминовой пастой 77% влажности при соотношении 1:15, уплотняют и экструдируют массу в пресс-шнеке с давлением 2,5 атмосферы и температурой 40°C, получают гранулы с помощью полуцилиндрической решетки с ячейками с использованием растительного вяжущего, при этом формование гранул по длине осуществляют вращающимися ножами, сушат гранулы сухим, с влажностью 5%, воздухом, при температуре 45°C с возможностью образования пленки, препятствующей дальнейшему испарению влаги из внутренней части гранул, и сохранением общей влажности гранул 20%.

Пример 2

Способ, как в примере 1, с параметрами 38% сухого торфа с гуминовой пастой 79% влажности при соотношении 1:19, в пресс-шнеке давление 3 атмосферы, температура 50°C, влажность воздуха 4%, температура 50°C, сохранение влажности гранул 21%.

Пример 3

Способ, как в примере 1, с параметрами 39% сухого торфа с гуминовой пастой 80% влажности при соотношении 1:20, в пресс-шнеке давление 4 атмосферы, температура 60°C, влажность воздуха 6%, температура 55°C, сохранение влажности гранул 22%.

При проектировании пресс-гранулятора промышленного типа учитывалось количество производимых им в час гранул - 1,2 тонны в час. Это количество не может срезаться и подаваться на термостойкую транспортерную ленту в проходную сушилку без потери качества формования гранул. Для решения этой задачи спроектирована форма решетки в виде прямоугольного раструба, причем решетка полуцилиндрическая с ячейками, расположенными в шахматном порядке, в горизонтальной плоскости по ширине соответствующая ширине транспортерной ленты. Срезание гранул с заданной длиной обеспечивается широким барабаном с эластичными лопастями из резины на концах, на которых закреплены подрезные ножи. Срезанные гранулы с заданной длиной равномерно раскладываются по ширине транспортерной ленты, и при этом они минимально деформируются.

Основные технико-эксплуатационные показатели достаточно высоки. Так, несмотря на неоднократное сжатие и высокий процент (до 90%) возврата обрабатываемой массы, технологический процесс является непрерывным и производительным (до 10 тонн гуминовой пасты в смену (8 часов)). Возвратные каналы, в которых обрабатываемая масса под давлением подается в зону первичной подачи материала, гладкие, в которых обрабатываемая масса активно перемешивается, что способствует активному перемешиванию компонентов, их равномерному распределению в смеси. Гомогенность массы и высокая степень диспергации достигаются в ходе перемешивания, тем самым получается эффект значительного уменьшения pН (до 7,5-9). Практически вся щелочь в обрабатываемой массе прореагировала.

Гранулятор активированных торфогуматов - основной узел, задающий все свойства гранул. Для формирования гранул на формующей решетке при помощи шнека задается давление в пределах 1,5 атмосферы, при этом температура не превышает 30 градусов Цельсия - эти параметры регулируются частотой вращения шнека при помощи частотного преобразователя, к которому подключен приводной двигатель. Полуцилиндрическая формующая решетка гранулятора выполнена в виде прямоугольного раструба и имеет длину 90% от длины термостойкой транспортерной ленты проходной печи - этим достигается равномерное распределение гранул при сушке и исключение брака за счет искажения геометричесой формы гранул. Подрезные ножи выполнены в виде горизонтально расположенного шестилопастного барабана, в котором лопасти эластичные из резины, а радиус вращающихся ножей равен радиусу полуцилиндрической решетки. На концах лопастей прикреплены металлические ножи. Вращение барабана также регулируется частотным преобразователем с помощью подключенного к нему приводного двигатель барабана - этим достигается регулирование длины гранул.

Основные технические параметры, определяющие количественные, качественные и стоимостные характеристики продукции:

Емкость загрузочного бункера 0,5-0,6 м³ Диаметр шнека 300 мм Количество витков в загрузочном бункере 2-3 Длина рабочей части шнека 700 мм Рабочая температура 25-30°C Количество витков шнека в рабочей части 5-6 Шаг переменный, уменьшающийся к раструбу   Формующая решетка с прямоугольным раструбом   Ширина 500 мм Высота 100 мм Частота вращения шнека 30-50 об/мин Частота вращения барабана с подрезными ножами 5-50 об/мин

Конструктивные требования:

Диапазон рабочих температур, °С 20-30 Минимальное время наработки на отказ при 60°C, час 3000

Заявляемый гранулятор разработан для получения активированных торфогуматных гранул с геометрией и твердостью, сопоставимыми с материалом посева. Экологически чистое удобрение содержит необходимое количество гуматов, микроэлементов, активированной воды и полезных почвенных бактерий на весь период вегетации растений и вносится в почву за одну технологическую операцию при посеве.

Изобретения относятся к сельскому хозяйству. Способ гранулирования формовочной массы активированных торфогуматов путем проведения механохимических реакций при сжатии, температуре, давлении и обработке исходного материала с помощью шнека, при этом предварительно смешивают сухой торф с влажностью 30-40% с гуминовой пастой 75-80% влажности при соотношении 1:10-1:20, уплотняют и экструдируют массу в пресс-шнеке с давлением 1,5-5 атмосферы и температурой 30-90°C, получают гранулы с помощью полуцилиндрической решетки с ячейками с использованием растительного вяжущего, при этом формование гранул по длине осуществляют вращающимися ножами, сушат гранулы сухим, с влажностью 4-6%, воздухом, при температуре 30-60°C с возможностью образования пленки, препятствующей дальнейшему испарению влаги из внутренней части гранул, и сохранением общей влажности гранул 18-22%. Установка гранулирования для реализации способа. Активированный торфогумат. Изобретения позволяют получить активированные торфогуматные гранулы с геометрией и твердостью, сопоставимыми с материалом посева, имеющие весь необходимый запас питательных веществ, микроэлементов и полезных для почвы бактерий для формирования растения в начальной стадии роста. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 пр.

1. Способ гранулирования формовочной массы активированных торфогуматов путем проведения механохимических реакций при сжатии, температуре, давлении и обработке исходного материала с помощью шнека, отличающийся тем, что предварительно смешивают сухой торф с влажностью 30-40% с гуминовой пастой 75-80% влажности при соотношении 1:10-1:20, уплотняют и экструдируют массу в пресс-шнеке с давлением 1,5-5 атмосферы и температурой 30-90°C, получают гранулы с помощью полуцилиндрической решетки с ячейками с использованием растительного вяжущего, при этом формование гранул по длине осуществляют вращающимися ножами, сушат гранулы сухим, с влажностью 4-6%, воздухом, при температуре 30-60°C с возможностью образования пленки, препятствующей дальнейшему испарению влаги из внутренней части гранул, и сохранением общей влажности гранул 18-22%.

2. Установка гранулирования для реализации способа по п. 1, включающая корпус, бункер, пресс-шнек с уменьшающимся шагом в сторону выхода, электромотор, редуктор, транспортерную ленту и сушильную печь, отличающаяся тем, что эластичный ротор с вращающимися ножами имеет радиус, равный радиусу полуцилиндрической решетки пресс-шнека, пресс-шнек имеет цилиндрическую подающую часть и гладкие обратные каналы, имеется прямоугольный раструб, расширенный по ширине транспортерной ленты с полуцилиндрической решеткой для формования гранул, и вращающиеся ножи для отрезки гранул.

3. Установка по п. 2, отличающаяся тем, что решетка для формования гранул выполнена прямоугольной полуцилиндрической с ячейками, расположенными в шахматном порядке.

4. Активированный торфогумат, характеризующийся тем, что содержит активированную воду, торф с влажностью 30-40%, полезные почвенные бактерии, микроэлементы и растительное вяжущее, например крахмал, pН до 7,5-9, влажность гранул 18-22% с образованием пленки на поверхности гранул при сушке, препятствующей дальнейшему испарению влаги из внутренней части гранул.