Органоминеральная композиция на основе золошлаковых отходов для целей утилизации отходов птицеводства Российский патент 2023 года по МПК C05F11/02 C05F11/08 

Изобретение относится к области утилизации золы уноса, образующейся при сжигании бурых углей на теплоэлектростанциях (ТЭЦ), в целях применения в сельском хозяйстве. Изобретение может быть использовано для ускорения переработки отходов птицеводства в смешанные органоминеральные удобрения.

В процессах сжигания углей на теплоэлектростанциях (ТЭС) образуются газообразные продукты и твердые золошлаковые отходы (ЗШО) – золы уноса, топливные шлаки. Основная масса ЗШО в России не идет на переработку и складируется в золоотвалах и на полигонах [Калачёв А. И. Комплексная система утилизации ЗШМ // Консорциум Феникс. - 2017. – С. 32, http://www.ksfenix.org]. Ввиду того, что разрастание золоотвалов помимо нарушения городских земельных угодий приводит к ухудшению экологической ситуации на прилегающих территориях, утилизация ЗШО с получением полезных продуктов является актуальной задачей.

Помимо использования в строительной отрасли, известно применение ЗШО для нужд сельского хозяйства с целью улучшения структуры и состава почвы [патент РФ №2547431 от 21.10.2013, патент РФ № 2757060 от 05.03.2021. Шишелова Т. И., Самусева М. Н. Применение золы - уноса ТЭЦ ОАО «Иркутскэнерго» для химической мелиорации кислых почв // Успехи современного естествознания. - 2004. - № 12 - С. 85-86], а также для получения техногенных почвогрунтов, пригодных для рекультивации нарушенных земель [патент РФ №2688536 от 20.09.2018, патент РФ №2738715 от 13.05.2019].

Химический состав ЗШО от сжигания углей зависит от многих факторов: месторождения, режима сжигания угля, длительности нахождения золы на золоотвале и т.п. Вне зависимости от этих факторов основными минеральными компонентами являются силикаты, алюмосиликаты, оксиды кремния и алюминия. Также ЗШО содержат оксиды железа и соединения микроэлементов, многие из которых жизненно необходимы для растений. Ввиду того, что ЗШО, полученные при сжигании углей относятся к малоопасным по содержанию тяжелых, в том числе радиактивных металлов [патент РФ № 2757060 от 05.03.2021, патент РФ №2494137 от 19.08.2011, патент РФ №2688536 от 20.09.2018], данный тип отходов целесообразно использовать в качестве удобрений.

Буроугольная зола, как правило, характеризуется высоким содержанием окиси кальция. В частности, зола уноса бурого угля Бородинского разреза, сжигаемого на ТЭЦ-5 г. Новосибирска, содержит около 30% окиси кальция, поэтому внесение данной добавки в почву обеспечивает не только ее обогащение микроэлементами, но и снижение уровня кислотности грунта на 1-2 единицы рН [патент РФ № 2757060 от 05.03.2021].

Эффективность воздействия различных добавок на почву зависит не только от их химического состава, но также от размеров частиц вносимого компонента. Поскольку зола уноса является наиболее мелкодисперсной фракцией ЗШО, этот тип отходов по своему фракционному и химическому составу является ценным ресурсом для сельского хозяйства.

Смешение золы уноса с органическими отходами (осадки сточных вод, отходы животноводства и птицеводства, иные органические отходы) позволяет решить задачу по одновременной утилизации двух видов отходов и создании на их основе органоминеральных удобрений, которые находят все большее применение в сельском хозяйстве. Преимуществом этой группы удобрений является экономичность, поскольку для достижения аналогичного эффекта их требуется меньше, чем минеральных и органических по отдельности [патент РФ №2693888 от 17.12.2018].

Известен способ переработки осадков сточных вод (ОСВ) [патент РФ №2545574 от 16.11.2012] с получением органоминеральной смеси, включающей помимо ОСВ гашеную известь, древесные отходы, водорастворимое связующее и ЗШО (золу уноса или измельченный шлак в количестве 15-25%), которую брикетируют и используют при рекультивации нарушенных земель.

Известен способ одновременного обезвреживания осадков сточных вод и высококальциевой золы (бурых углей, торфа, древесины или их сочетание) с получением полезного вещества для строительства, сельского хозяйства и промышленности [патент РФ №2738715 от 13.05.2019]. Для реализации способа ОСВ и непылевидную золу смешивают аппаратами гравитационного или принудительного типа с добавлением воды и добиваются нужных физико-механических свойств продукта, изменяя процентное содержание воды и золы в смеси. Полученную смесь можно распределять по формам, или передавать по трубопроводу.

Известно органоминеральное удобрение, содержащее минеральную составляющую в виде фосфоритной муки (не более 3,9%), влагопоглощающий материал (смесь шелухи гречихи и риса), биоактивный препарат на основе микроорганизмов (до 0,095%), гуматы бурого угля (до 0,04%), куриный помет (остальное) [патент РФ №2693888 от 17.12.2018]. Данную смесь тщательно перемешивают, выдерживают в буртах для созревания и гранулируют. Недостатком получаемого удобрения является бедный компонентный состав минеральной составляющей.

В патенте РФ №2688536 от 20.09.2018 описана органоминеральная композиция на основе ЗШО, которую получают при следующем соотношении компонентов в мас.%: органо-гуматный комплекс (ОГК) - 10-30 мас%, наполнитель (песок либо обезвреженные нефтесодержащие отходы) - не более 20 мас %, золошлаковые отходы (золу носа, шлак, золошлаковые смеси) - остальное. ОГК готовят высокоскоростным перемешиванием торфа и ОСВ с подачей жидкого реагента для обеззараживания. Затем ОГК смешивают с минеральными компонентами и повторно обеззараживают смесь с получением техногенного почвогрунта, который не представляет большой ценности в качестве удобрения из-за наличия в его составе значительного количества инертного наполнителя.

Наиболее близким по составу и назначению к предлагаемому изобретению является способ изготовления удобрения, описанный в патенте РФ №2588646 от 02.04.2015. Данная композиция содержит ОСВ, негашеную известь и ЗШО (количество ЗШО в составе удобрения не указано). Особенностью данного способа является созревание смеси в присутствии биоактивного компонента, в качестве которого используют ранее изготовленное созревшее удобрение. В процессе созревания мезофильные бактерии удобрения перерабатывают органику ОСВ. Процесс созревания может осуществляться в буртах в условиях доступа воздуха и без доступа воздуха в закрытых контейнерах.

Таким образом, из уровня техники известны органоминеральные композиции для использования в качестве удобрений, включающие ЗШО и органические отходы (преимущественно ОСВ), в процессе приготовления которых используют биоактивные компоненты, как изготавливаемые в промышленности, так и созревшее удобрение, ранее изготовленное этим же способом. Новизной предлагаемого изобретения является органоминеральная композиция, включающая в качестве основы и минеральной составляющей ЗШО, а именно высококальциевую золу уноса бурых углей, а в качестве органической составляющей - измельченный бурый уголь, в том числе его окисленные фракции.

Известно, что бурый уголь (особенно окисленный бурый уголь, непригодный для сжигания на электростанции из-за низкой теплоты сгорания) содержит много сложной органики, включая гуминовые вещества [Дашицыренова А. Д. Гумусовые кислоты окисленных углей Республики Бурятии: состав, строение, свойства. // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук. - Москва, 2006], которые играют значительную роль при ликвидации загрязнений и возобновления плодородия почвы, увеличивают всхожесть семян и урожайность растений.

Дополнительно композиция может содержать бактериальный инокулят, представляющий собой материал, взятый с буртов помета, где активно идет процесс гумификации (биохимический процесс превращения органических остатков в гуминовые вещества).

Предложенная в изобретении композиция может быть использована в качестве добавки, ускоряющей утилизацию помета с получением удобрения после стадии созревания буртов. Композиция представляет собой смесь золы уноса и бурого угля в количестве не более 15 мас. %, смесь золы уноса и бактериального инокулята в количестве не менее 0,02 мас. % или трехкомпонентную смесь, включающую бурый уголь и бактериальный инокулят в количестве до 15 мас. %, зола уноса - остальное.

Нижний предел содержания органических веществ в композиции определяется концентрацией недогара (несгоревших органических частиц топлива), который всегда присутствует в ЗОШ. В частности, 1-2 мас. % недогара в золе уноса получается при смешивании пяти отделений осаждения электрического фильтра на ТЭЦ-5 г. Новосибирска.

При смешивании измельченного бурового угля и свежевыгруженной золы уноса происходит увеличение удельной поверхности и объема микропор примерно в 1.5 раза, что способствует ускорению процессов компостирования.

Верхняя граница содержания бурого угля в композиции определяется его влиянием на температуру и сыпучесть золы уноса. В ходе модельных экспериментов было установлено, что при концентрациях молотого бурого угля выше 15 мас. % наблюдается заметное снижение упомянутых выше показателей. При снижении сыпучести смеси угольные частицы перестают эффективно перемешиваться в ходе движения золовоза и скапливаются на дне, что приводит к неравномерности состава композиции после ее выгрузки в бурты.

Микробиологические препараты можно вносить в бурты в сухом виде либо в виде раствора. Одним из способов внесения раствора является разбрызгивание по объему бурта в процессе ворошения. Недостатком данного способа является неоднородность нанесения, возникающая вследствие изменения скорости движения ворошителя при изменении состояния бурта.

Метод приготовления композиции с использованием сухих компонентов, перемешанных в процессе загрузки в золовоз, а также в процессе движения золовоза, предполагает помимо получения однородной смеси помещение бактерий в среду с температурой 40-60 °С, что приводит к их быстрой активации. Эксперименты, проведенные в модельных условиях на специальных стендах, позволили сравнить длительность периода до начала активного размножения бактерий в зависимости от состава композиции. Начало фазы активного роста популяции регистрировали по выделению диоксида углерода, возникающего в результате дыхания бактерий. В случае смешивания бактериального инокулята с золой уноса, содержащей около 2 мас. % недогара, активация начинается через 10 часов, в то время как для трехкомпонентной смеси (бурый уголь, бактериальный инокулят, зола уноса) этот срок сокращался до 3 часов.

Без предварительного нагрева процесс активации бактерий в буртах может растягиваться на несколько дней даже в теплый период года. Внесение микробиологических препаратов в бурты в холодный период является целесообразным только вместе с золой уноса, так как ее температура в момент выгрузки из золовоза даже зимой составляет не менее 20-30 °С. Дополнительный нагрев буртов (до 10 °С) происходит при взаимодействии окиси кальция в золе уноса с влагой буртов.

Опытным путем при переработке буртов помета в Томске и Новосибирске было установлено содержание бактериального инокулята для заметного сокращения сроков созревания буртов, которое составило не менее 0,02 мас. %. Наиболее оптимальным содержанием зольной органоминеральной смеси в помете является 5-10 мас. %. Из расчета содержания бактериального инокулята 0,02 мас. % на 20 тонн золы в золовоз необходимо внести около 4 кг бактериального инокулята. В пересчете на содержание золы в помете это составляет 20 грамм бактериального инокулята на тонну помета.

Техническим результатом заявленного изобретения является улучшение экологической ситуации за счет утилизации ЗШО, окисленных бурых углей, являющихся забалансовым ресурсом, и птичьего помета с получением полезного продукта, пригодного для использования в сельском хозяйстве в качестве удобрения. При этом в технологический процесс его получения не требуется включения дополнительной стадии обезвреживания вредных примесей, как это происходит, например, при использовании ОСВ, так как бурый уголь является экологически безопасным, а зола уноса содержит высокую концентрацию окиси кальция, которая после взаимодействия с водой дает щелочную среду и обеспечивает обеззараживание птичьего помета [патент РФ №2191764 от 18.09.2000].

Способ получения предлагаемой композиции включает две основные стадии: измельчения бурого угля и его смешения с золой уноса при их совместной загрузке в золовоз. При необходимости к этой смеси (или непосредственно к золе уноса) добавляют бактериальный инокулят. Процессы, протекающие при перевозке полученной смеси в золовозе, способствуют активации и размножению бактерий за счет тепла свежевыгруженной золы уноса и наличию органических веществ, перемешиванию компонентов посредством естественного пересыпания в процессе движения золовоза, физико-химическому взаимодействию минеральных и органических компонентов смеси между собой.

Бурый уголь измельчают с помощью молотковых дробилок прямо на ТЭЦ до размеров частиц, не превышающих 200-300 мкм для дальнейшего эффективного превращения компонентов бурого угля в окисленные формы, доступные для усвоения растениями. Бактериальный инокулят берут с буртов помета, где активно идет процесс гумификации. Смешивание компонентов осуществляют на стадии отгрузки золы уноса в золовозы, при этом бурый уголь, бактериальный инокулят или их смесь распыляют одновременно с загрузкой золы с помощью форсунок. Зола уноса в момент отгрузки имеет температуру 40 - 60 °С (в зависимости от режима работы котла). Повышенная температура свежевыгруженной золы уноса и наличие влаги в составе бурых углей запускают процессы размножения бактерий из бактериального инокулята.

Стандартный золовоз вмещает порядка 20-30 тонн золы уноса. С помощью ИК тепловизора было установлено, что при перевозке таких объемов золы в золовозе ее температура за 10-15 часов снижается не более чем на 10-15 °С даже зимой, и при выгрузке в месте назначения составляет порядка 40 °С. Остывание золы, высыпанной в хранилища, особенно приготовленные по разработанной ранее методике [патент РФ №2777092 от 15.12.2021], может продолжаться до 2-3 недель. Таким образом, тепло свежей золы уноса может быть эффективно использовано для активации бактериального компонента.

Свободная окись кальция, содержащаяся в составе золы уноса под действием диоксида углерода, выделяющегося в процессе переработки органического сырья, частично превращается в мелкодисперсный карбонат кальция. Это повышает ценность получаемого в результате переработки буртов продукта, поскольку карбонат кальция является ценным минеральным удобрением.

Химический состав, отжиг в котлах при температуре до 1600 °С и высокая дисперсность являются причиной высокой сыпучести золы уноса. В качестве характеристики сыпучести часто используют угол естественного откоса [И.В. Бачериков, Б.М. Локштанов. Определение угла естественного откоса сыпучих материалов // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. - 2016. Вып. 214. - С. 167-177]. Данный показатель, определенный методом полого цилиндра с использованием угломера, для золы уноса, выгруженной с ТЭЦ-5 г. Новосибирска, составляет не более 1-3 градусов. Для хорошо сыпучих материалов значение угла естественного откоса составляет от 25 до 35°. Таким образом, значение, полученное для золы уноса, позволяет отнести этот материал к сверхсыпучим, что в свою очередь означает возможность перемешивания даже при небольших встряхиваниях (какие возникают, например, при движении золовоза). Увеличению эффективности перемешивания способствует также устройство золовоза, в частности расположение цистерны с уклоном 6 - 8 градусов в сторону выгрузки [Чертежи автоцементовоза на базе тягача МАЗ-6303 (chertegrf.ru)].

Результатом использования для ускорения утилизации буртов птичьего помета заявляемой органоминеральной композиции, включающей золу уноса ТЭЦ-5 г. Новосибирска, бактериальный инокулят с буртов помета, где активно идет процесс гумификации, и бурый уголь Бородинского разреза после созревания буртов помета является продукт с содержанием органического вещества не менее 50 мас. %, массовой долей общего фосфора не менее 0,5% и содержанием калия более 0,3 мас. %, удовлетворяющий гигиеническим требованиям к безопасности агрохимикатов.

Полученный продукт был использован в качестве органоминерального удобрения на сельскохозяйственных угодьях Новосибирской области из расчета 50-100 тонн приготовленного удобрения на 1 га и по эффективности превосходил пометные удобрения.

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Органоминеральная композиция на основе высококальциевой золы уноса бурого угля для ускорения компостирования помета в буртах характеризуется тем, что включает измельченный бурый уголь в количестве 15 мас. %, бактериальный инокулят в количестве 0,02 мас. %, золу уноса бурого угля с температурой 40-60°С - остальное. Изобретение позволяет улучшить экологическую ситуацию за счет утилизации золошлаковых отходов, окисленных бурых углей и птичьего помета с получением полезного продукта, пригодного для использования в сельском хозяйстве в качестве удобрения. 2 з.п. ф-лы.

1. Органоминеральная композиция на основе высококальциевой золы уноса бурого угля для ускорения компостирования помета в буртах, характеризующаяся тем, что включает измельченный бурый уголь в количестве 15 мас. %, бактериальный инокулят в количестве 0,02 мас. %, золу уноса бурого угля с температурой 40-60°C- остальное.

2. Органоминеральная композиция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве бурого угля используют окисленный бурый уголь.

3. Органоминеральная композиция по п.1, отличающаяся тем, что берут бактериальный инокулят с буртов помета с активным процессом гумификации.