Гранулированное удобрение из древесной золы и способ его получения Российский патент 2018 года по МПК C05F11/00 B01J2/14 

Группа изобретений относится способу получения минерального удобрения и самому минеральному удобрению, полученному из продуктов промышленной утилизации, а именно из древесной золы, которая является промышленным отходом тепловых станций, использующих в качестве топлива древесину (дрова, кородревесные и древесные отходы деревоперерабатывающих производств). Полученное из древесной золы удобрение может быть использовано на приусадебных участках, в сельском и лесном хозяйствах.

Древесная зола используется с древних времен в качестве удобрения, улучшающего качественный состав почвы, насыщает ее минеральными элементами, а также раскисляет почву, что благоприятно сказывается на плодоношении многих растений. За исключением азота в ней содержатся все питательные вещества, доступные и необходимые для подкормки растений.

Зола как удобрение выпускается многими предприятиями [с информацией можно ознакомиться в сети Интернет по адресу https://spb.tiu.ru/Drevesnaya-zola.html]. По физическому состоянию это мелкодисперсная сухая сыпучая смесь с размером частиц от нескольких микрон до 0,01 мм. Золу вносят в почву на приусадебных участках путем полива приготовленного водного раствора или путем разбрасывания вручную. Сильное пыление, а соответственно, неравномерность распределения по площади, не позволяет вносить золу в почву механизированным способом с помощью сельскохозяйственной техники.

Одним из методов снижения пылеобразования сыпучих веществ и удобрений, в частности, является гранулирование.

Для получения округлых гранул используют различные конструкции грануляторов. В роторных (лопастных) грануляторах [см., например, авторские свидетельства СССР №1005879, №1318279] применяют различные жидкие связующие агенты - вещества с выраженными вяжущими свойствами. В подобных грануляторах перемешиваемый лопастями вала поток порошка и жидкости перемещается по винтовой линии вдоль внутренней поверхности корпуса в сторону выходного отверстия. При этом частицы материала, соударяясь друг с другом, слипаются, образуя агломераты, которые превращаются в гранулы.

Известны технологии получения округлых гранул в тарельчатых грануляторах. Известно гранулированное удобрение из порошкообразного материала, в частности клийно-известковое, полученное окатыванием в тарельчатом грануляторе с применением качестве жидкой фазы водной вытяжки растворимых компонентов из этого же удобрения [патент RU 2084276]. Недостатком удобрения является необходимость использования вытяжки в технологии его изготовления, что неприменимо для гранулированного удобрения из древесной золы.

Проблема гранулирования древесной золы обусловлена, в первую очередь, свойствами исходного сырья. Древесная зола - непластичное сырье, не обладает вяжущими свойствами и мелкодисперсное. Известно, что чем меньше размеры частиц пыли, тем меньше их способность смачиваться. Смачиванию препятствует газовая оболочка, образующаяся вокруг мелких частиц золы. Это обстоятельство обуславливает сложности организации процесса гранулообразования на начальной стадии зарождения гранул с применением воды в качестве связующего агента. Применение вместо воды других связующих агентов негативно сказывается на химическом составе удобрения.

Технической проблемой, лежащей в основе данного изобретения, является создание гранулированного удобрения и способа его получения исключительно из порошка древесной золы и воды в качестве увлажняющего компонента.

Попытка решить эту техническую проблему была предпринята с применением технологии гранулообразования на тарельчатом грануляторе.

В качестве прототипа первого объекта - гранулированного удобрения, принято удобрение, описанное в патенте RU 2631073 (патентообладатель ООО "Техносервис"), полученное из древесной золы окатыванием в тарельчатом грануляторе. Гранулы удобрения имеют ядро (затравка гранулообразования) и покрывающий слой, полученный окатыванием на тарельчатом грануляторе древесной золы с применением воды в качестве увлажняющего компонента. Размер частиц используемой древесной золы составляет от нескольких микрон до 0,01 мм. Ядром гранулы служит отсев древесной золы в виде частиц до 1,5 мм в диаметре, полученных при рассеве, то есть частицы шлака, так называемый непрогар.

В качестве прототипа второго объекта - способа получения удобрения, принят способ, описанный в упомянутом выше патенте RU 2631073, в котором подробно описаны режимы работы тарельчатого гранулятора в процессе изготовления гранулированного удобрения путем формирования на ядре (частицы шлака до 1,5 мм) покрывающего слоя из древесной золы с применением воды в качестве увлажняющего компонента.

В процессе грануляции, описанном в прототипе, увлажненная древесная зола при участии физических явлений, возникающих на разделе жидкой и твердой фаз, агрегируется в рыхлые комочки. Последние, благодаря взаимному воздействию, а также центробежным силам уплотняются и теряют избыточную воду, образующую пленку на поверхности гранулы, которая, в свою очередь, адсорбирует порцию золы и таким образом наращивает свой объем. При окомковании на тарели укрупнение гранул сопровождается их перемещением в поверхностные горизонты. Однако для инициирования процесса необходимо применение затравки, которая впоследствии становится ядром полученных гранул. В качестве затравки используются частицы отсева золы. Такие частицы имеют неправильную форму с рваными краями и окатывание таких частиц в смоченной водой золе на тарельчатом грануляторе весьма проблематично. К сожалению, в патенте RU 2631073 представлены результаты осуществления способа на лабораторном тарельчатом грануляторе с подачей золы на гранулятор в объеме 0,5 кг/мин. Как показали испытания способа по патенту RU 2631073, производимые на промышленном тарельчатом грануляторе, полученное удобрение товарного качества (гладкие округлые гранулы) имеет большой разброс по гранулометрическому составу и гранулы с диаметр 5-7 мм преобладают. Это связано с тем, что для того чтобы гранулы с ядрами из частиц шлака приобрели округлую форму, при которой осуществляется их самопроизвольное скатывание через борт тарели гранулятора, необходимо нарастить значительный покрывающий слой, выравнивающий округлость формы. Гранулы меньшего диаметра 2-4 мм скатываются с гранулятора вместе с мелкодисперсными частицами, то есть не являются товарной продукцией, что приводит к значительному отсеву.

Следует отметить, что гранулированное удобрение из золы является удобрением пролонгированного действия, оно медленно переходит в растворенное состояние, при котором минеральные вещества могут усваиваться растениями. Поэтому в личных подсобных хозяйствах, когда желательно быстро повысить урожайность культур, применение золы с гранулами 5-7 мм является неоправданно затратным, а потому неприемлемым. Кроме того, ядра гранул, полученные из отсева, плохо смачиваются и, соответственно, плохо обволакиваются частицами влажной золы, что приводит к тому, что силы сцепление ядра и покрывающего слоя невысоки, а соответственно, гранулы по прототипу в реальности имеют относительно невысокую прочность (2,0 МПа) и значительный разброс значения этого показателя. Недостаточно высокая прочность приводит к тому, что при транспортировании и хранении объемных мешков (40-50 кг) навалом, сбрасывании мешков при погрузо-разгрузочных работах гранулы измельчаются вследствие давления или трения, что сопровождается образованием мелкодисперсных частиц, то есть значительная часть гранул переходит в ее первичное порошкообразное состояние. Наличие мелкодисперсных частиц ухудшает условия работы механизаторов, увеличивает потери и приводит к неравномерности разбрасывания удобрения по площади.

Еще одним недостатком прототипа, обусловленным наличием ядра из шлака, является то, что это ядро практически нерастворимо во влажной почве, а потому является бесполезным балластом в составе гранулированного удобрения.

Таким образом, существует техническое противоречие. С одной стороны, чем больше радиус гранулы, тем она прочнее, поскольку покрывающий слой нивелирует негативное влияние ярда (инородного тела) на прочность гранулы. С другой стороны, чем больше радиус гранулы, тем дольше она растворяется, тем дольше высвобождаются ее питательные вещества. Следует учитывать то обстоятельство, что сама древесная зола (исходное сырье) является удобрением пролонгированного действия. Гранулирование еще больше увеличивает пролонгацию, т.к. сами гранулы должны перейти в почве в размягченное состояние и в итоге разрушиться, возвратив золу в исходное мелкодисперсное состояние. Одна гранула диаметром 6 мм по количеству находящейся в ней золы равняется 3-5 гранулам диаметром 2-3 мм, которые растворяются значительно быстрее. Таким образом, гранулы 6 мм имеют неоправданно пролонгируемое действие (до 6 лет), что делает нецелесообразным их применение в подсобных хозяйствах и на дачных участках. Однако удобрение с гранулами до 6-7 мм может найти применение в промышленном сельском хозяйстве и лесоводстве для возобновления и выращивания леса.

Задача, решаемая группой изобретений, заключается в расширении арсенала технических средств в области минеральных удобрений, а именно заключается в создании нового гранулированного удобрения с высокими потребительскими свойствами из древесной золы и способа его получения, лишенных недостатков прототипа. Заявляемый способ позволяет получить качественно новое минеральное удобрение, округлые гранулы которого целиком (без применения затравочных частиц шлака) сформированы из древесной золы и обладают заданными свойствами - повышенной прочностью и одновременно заданным коэффициентом размягчаемости (отношение прочности гранул в сухом состоянии к прочности гранул в водонасыщенном состоянии), что приводит к их более быстрой деструкции во влаге, содержащейся в почве (срок до 2-3 лет).

Задача в первом объекте изобретения (гранулированном удобрении) решается тем, что гранулированное удобрение состоит из гранул округлой формы, которые сформированы из агломерированных смоченных водой частиц древесной золы, имеют безъядерную структуру, то есть не имеют ядра из шлака и сформированы без использования затравочных частиц. При этом имеют уплотненный поверхностный слой. Среднестатистическая прочность гранул составляет не ниже 3 МПа и коэффициент размягчаемости 2,2-2,6.

Удобрение содержит питательные для растений вещества в следующем соотношении: P₂O₅ - 2,3-4,5 мас.%, K₂O - 2,7-4,5 мас.%, СаО - 24-44,3 мас.%, MgO - 3,1-10 мас.%, SO₃ - 0,5-2,5 мас.%, SiO₂ - 11,5-21,5 мас.%, микроэлементы, включая Zn, Cu, Mn, В, Mo, Со, Fe, Al - не менее 3 мас.%. Состав гранулированного удобрения полностью соответствует составу древесной золы и варьируется в зависимости от ее исходного состава.

Применительно к использованию в подсобных хозяйствах удобрение имеет фракции гранул диаметром 2-4 мм больше 80% от общего состава.

Задача во втором объекте изобретения (способе получения гранулированного удобрения) решается тем, что заявляемый способ включает осуществляемое в смесителе-грануляторе формирование сырцовых гранул из древесной золы с добавлением воды и последующее окатывание сырцовых гранул на тарельчатом грануляторе с применением воды в качестве увлажняющего компонента. При этом обеспечивается самопроизвольное скатывание гранул через борт тарели тарельчатого гранулятора.

На первом этапе может быть применен любой приемлемый для этих целей смеситель-гранулятор. Предпочтительным является применение на первом этапе роторного смеситель-гранулятора с лопастным ротором.

Для того чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан предпочтительный вариант реализации в котором для формирования ядра и покрывающего слоя использовалась подовая зола мини-ТЭЦ, полученная при сжигании кородревесных отходов, опилок в основном хвойных пород (ель, сосна) с примесью лиственных пород (береза).

Физическое состояние исходного гранулообразующего материала - древесной золы: порошкообразная, сухая мелкодисперсная (пылящая) смесь. Размер частиц - от нескольких микрон до 0,01 мм. Состав питательных веществ приведен выше. При необходимости (наличие шлаков, непрогар) зола просеивается.

Зола загружается в роторный смеситель-гранулятор непрерывного действия, например аппарат с горизонтальным лопастным ротором. В смесителе-грануляторе зола смачивается подаваемой через форсунки водой и образует гомогенную массу. Процесс грануляции осуществляется под действием центробежных сил при интенсивном воздействии на гранулируемую смесь лопаток вращающегося рабочего органа. Турбулентное движение твердых частиц, задаваемое конструкцией ротора, обеспечивает равномерное распределение жидкой фазы между частицами золы во всем объеме движущегося материала и высокие динамические нагрузки, в результате чего формируются сырцовые гранулы заданного размера. Однако полученные сырцовые гранулы не имеют вида товарной продукции, т.к. имеют шероховатую поверхность с наростами мелких агломерированных частиц золы, которые в дальнейшем (транспортирование, складирование) осыпаются, и часть гранулы снова переходит в пылевидное состояние.

Для доведения полученного продукта до кондиции сырцовые гранулы подают на тарель тарельчатого гранулятора, на которую также подается вода через форсунки. При окатывании сырцовых гранул на тарельчатом грануляторе осуществляется сглаживание шероховатости поверхности и повышается их плотность и коэффициент сферичности гранул. Кроме того, поскольку древесная зола содержит значительное содержание СаО (щелочеобразующий окисел), происходит адсорбция молекул воды в поверхностном слое гранул, сопровождающаяся экзотермической реакцией и цементацией. Это приводит к формированию на гранулах частично цементированного поверхностного слоя и дополнительному упрочнению гранул. В процессе последующей сушки гранулы набирают прочность. Ввиду мелкой дисперсности исходного материала высушенные гранулы способны сохранять достаточно высокую прочность, причиной которой являются так называемые "контактно-конденсационные" силы межмолекулярного притяжения, уровень которых пропорционален дисперсности золы.

Таким образом, в результате реализации описанного выше способа на выходе было получено гранулированное удобрение, гранулы которого имеют востребованную массовым потребителем фракцию диаметром 2-4 мм больше 80% от общего объема, то есть повышенной однородности дисперсного состава гранул.

При необходимости увеличить диаметр гранул (получение удобрения повышенной пролонгации с преобладанием фракции с диаметром 5-7 мм) возможно изменение режимов работы гранулятора и добавление золы в его тарель. Исследования полученного продукта показали, что состав удобрения по питательным для растения веществам соответствует составу исходной древесной золы (см. выше). Гранулы имеют округлую форму. Коэффициент сферичности - не менее 0,7-0,8. В отличие от прототипа порученные гранулы имеют безъядерную структуру, то есть не имеют ядра из шлака, сформированы без "затравочных частиц", что приводит к снижению напряжений в зоне контакта при сушке. Среднестатистическая прочность гранул составляет не ниже 3 МПа, а в отдельных случаях достигает 4 МПа.

Исследования позволили установить следующие характеристики полученного гранулированного удобрения - насыпная плотность 1000 кг/м³ (±1%), среднестатистическая плотность гранул 1640 кг/м³. Кроме того, активная пористость гранул (водопоглощение) составляет 30-40%, среднестатистическая прочность гранул в водонасыщенном состоянии - 1,6 МПа. При этом среднестатистичекий коэффициент размягчаемости, характеризующий снижение прочности в водонасыщенном состоянии, то есть способность к более быстрому разложению во влажной среде, составляет - 2,4. Эта характеристика говорит о том, что гранулы, попав во влажную почву, размягчаются и переходят в исходное мелкодисперсное состояние (состояние исходной золы) и входящие в ее состав водорастворимые соединения начинают растворяться. При этом в отличие от прототипа разлагается вся гранула целиком, т.к. не имеет инородного ядра. Труднорастворимые соединения при разрушении структуры гранулы перерабатываются микроорганизмами, что приводит их в пригодное для употребления растениями состояние. Повышение скорости высвобождения питательных веществ и перехода в усвояемую растениями форму приводит к более быстрому повышению урожайности на первых сроках внесения удобрения, что важно для его применения в приусадебных хозяйствах.

Полученное в результате применения заявляемого способа существенное по отношению к прототипу увеличение прочности и стабильность этого показателя позволяет после завершения технологического процесса сбрасывать гранулы в мешки повышенной вместимости (объемом до 1-3 м³) и хранить их на складе на большегрузных стеллажах. В этих же мешках может осуществляться доставка удобрения автотранспортом и ж/д вагонами, а также морскими контейнерами на место расфасовки и реализации потребителю. Как показала практика, доставленное в жестких условиях потребителю гранулированное удобрение из древесной золы не измельчается вследствие давления и трения, что позволяет исключить пыление и потери.

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Гранулированное удобрение характеризуется тем, что гранулы имеют округлую форму, сформированы из агломерированных, смоченных водой частиц древесной золы, имеют безъядерную структуру с уплотненным поверхностным слоем, при этом среднестатистическая прочность гранул составляет не ниже 3 МПа и коэффициент размягчаемости 2,2-2,6. Способ получения гранулированного удобрения характеризуется тем, что включает осуществляемое в смесителе-грануляторе формирование сырцовых гранул, состоящих из древесной золы с добавлением воды, и последующее окатывание сырцовых гранул на тарельчатом грануляторе с применением воды в качестве увлажняющего компонента, обеспечивая самопроизвольное скатывание гранул через борт тарели тарельчатого гранулятора. Изобретение позволяет расширить арсенал технических средств в области минеральных удобрений, создать гранулированное удобрение с высокими потребительскими свойствами, округлые гранулы которого целиком (без применения затравочных частиц шлака) сформированы из древесной золы и обладают заданными свойствами - повышенной прочностью и одновременно заданным коэффициентом размягчаемости, что приводит к их более быстрой деструкции во влаге, содержащейся в почве (срок до 2-3 лет). 2 н. и 3 з.п. ф-лы.

1. Гранулированное удобрение, характеризующееся тем, что гранулы имеют округлую форму, сформированы из агломерированных смоченных водой частиц древесной золы, имеют безъядерную структуру с уплотненным поверхностным слоем, при этом среднестатистическая прочность гранул составляет не ниже 3 МПа и коэффициент размягчаемости - 2,2-2,6.

2. Гранулированное удобрение по п. 1, отличающееся тем, что содержит питательные для растений вещества в следующем соотношении: Р₂О₅ - 2,3-4,5 мас.%, K₂О - 2,7 - 4,5 мас.%, СаО - 24-44,3 мас.%, MgO - 3,1-10 мас.%, SO₃ - 0,5-2,5 мас.%, SiO₂ - 11,5-21,5 мас.%, микроэлементы, включая Zn, Cu, Mn, В, Мо, Со, Fe, Al - не менее 3 мас.%.

3. Гранулированное удобрение по п. 1 или 2, отличающееся тем, что фракция гранул диаметром 2-4 мм составляет больше 80%.

4. Способ получения гранулированного удобрения, характеризующийся тем, что включает осуществляемое в смесителе-грануляторе формирование сырцовых гранул, состоящих из древесной золы с добавлением воды, и последующее окатывание сырцовых гранул на тарельчатом грануляторе с применением воды в качестве увлажняющего компонента, обеспечивая самопроизвольное скатывание гранул через борт тарели тарельчатого гранулятора.

5. Способ получения гранулированного удобрения по п. 4, отличающийся тем, что на первом этапе применяют роторный смеситель-гранулятор.