Экспериментальная проверка получения мелкокускового торфа пониженной влажности при формовании Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

---------------------------------------- © В.Д. Копенкин, Л.В. Копенкина,

Ю.В. Федоров, 2010

УДК 622.331:662.271.4 091

В.Д. Копенкин, Л.В. Копенкина, Ю.В. Федоров

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ПОЛУЧЕНИЯ МЕЛКОКУСКОВОГО ТОРФА ПОНИЖЕННОЙ ВЛАЖНОСТИ ПРИ ФОРМОВАНИИ

Проверена концепция получения мелкокускового торфа пониженной влажности на основе композиции из связующего и основы - этого же фрезерного торфа, освобожденного от посторонних включений. Установлена зависимость прочности мелкокускового торфа на сжатие от факторов «процент связующего» (в расчете на сухое вещество всей пробы) и «влагосодержание при формовании».

Ключевые слова: торф, коэффициент регрессии, торфодобывание, торфяное дело, формование.

Семинар № 17

А нализ современного состояния торфяной отрасли показывает, что возрождение крупномасштабного торфяного производства с предприятиями средней (400-600 тыс. т) и большой (более 600 тыс. т) мощности маловероятно на перспективу 10-20 лет [1]. С другой стороны,

накоплен основательный научный потенциал в различных разделах науки о торфе [2], что позволяет заниматься поиском технологий для небольших по мощности (5-10 тыс. т) предпри-ятий, которые могли бы эффективно работать в современных условиях. Одно из таких направлений - пони-жение влажности формованного торфа.

Понижение эксплуатационной влажности при добыче экскаваторно-го торфа как проблема впервые основательно разрабатывалась в конце 1940-х - начале 1950-х годов в док-торской диссертации

С.Г. Солопова [3]. Однако созданная на основе кон-цепции понижения влажности торфа в залежи техника послойно-

поверх-ностного способа добычи кускового торфа оказалась неэффективной: целостность (прочность) кускового торфа не обеспечивалась, и это направление постепенно сошло на нет.

В 1990-х годах получили развитие новые подходы к использованию самого дешевого в торфяной отрасли сырья -фрезерного торфа - для получения разнообразной торфяной продукции, в частности, кускового (мелкокускового) топливного торфа. Получение из тонкодисперсной (разрушенной самой природой) части фрезерного торфа связующего для формования кускового торфа пониженной влажности на основе сравнительно дешевого сырья (фрезерного торфа) позволит производить приемлемое по цене каминное топливо, топливо для газификации и т.п. материалы.

Этот принцип - получение на основе торфа связующего для формования теплоизоляционных блоков из соломы, опилок, стружки, льнокостры был проверен специалистами АО «Бежецкий опытно-экспериментальный завод» по

Таблица 1

Матрица планирования полного факторного эксперимента для исследования связующего на основе пушицево-сфагнового торфа ^ = 35 %, Ас = 8,6 %)

Факторы Уровни Шаг варьирования

-і 0 +і

хі (Др, %) 50 65 80 Хі = 15 %

х2 ^, кг/кг) 2,5 2,8 3,і = 0,3 кг/кг

№ опыта Планирование Расчет Отклик (осж, МПа) Ум

Хо Х1 Х2 Хі Х2 Уі У2 Уз У4 У5

і + - - + 1,75 2,і5 2,01 1,52 1,58 1,80

2 + + - - 3,54 5,22 3,95 3,49 3,30 3,90

3 + - + - 3,08 2,94 2,50 2,50 2,50 2,70

4 + + + + 3,17 3,10 3.97 3,25 2,97 3,29

5 Все факторы на среднем уровне 3,06 2,57 3,08 3,21 2,65 2,91

предложению специалистов «Тверьгра-жданпроекта» для производства нового строительного теплоизоляционного материала «Геокар».

Для получения связующего просеянный на вибросите торф поступает через смеситель в роторно-инерци-онную мельницу, где интенсивно перетирается до пастообразного состояния. Торфяная паста является «не имеющим аналогов вяжущим веществом».

При экспериментальных поисках композиций, обеспечивающих получение формованной торфяной продукции высокого качества, представляется уместным использование методов математического планирования экспериментов, обеспечивающих получение результатов при небольших затратах сил и средств:

Одним из эффективных современных методов планирования экспериментов является полный факторный эксперимент (ПФЭ). Постановка ПФЭ сводится к выбору факторов, влияющих на конечный результат, модели уравнения регрессии, составлению плана ПФЭ (матрицы планирования), постановку опытов по запланированной схеме, расчету коэффициентов регрессии, оценке

значимости этих коэффициентов, анализу уравнения регрессии.

В настоящей работе была выполнена проверка получения мелкокускового торфа на основе фрезерного с использованием связующего - тонкодисперсной массы из выделенной из этого же торфа фракции размером менее 5 мм, переработанной в увлажненном состоянии в шнековом лабораторном механизме. Сушка кусков (I ~ 1,5 $), сформованных копровым методом в матрице диаметром 40 мм, производилась в конвективном режиме (температура 18-20° С) до равновесной влажности (12-15 %). Испытания на сжатие производились на тен-зопрессе. Результаты, полученные для пушицево-сфагнового торфа (Я = = 35 %, Ас = 8,6 %) представлены в табл. 1.

Модель уравнения регрессии без членов высших порядков при двух факторах имеет вид

У = Ь° + Ь Х1 + Ь2 Х2 + Ь12 Х1 Х2.

Расчет коэффициентов регрессии выполняется по методу наименьших квадратов. Расчетные формулы для оп-

ределения коэффициентов регрессии S2(y) = 0,25 / 5 = 0,05

имеют вид

N N

b0 =Е У N Х0 / N , b =Z yNXi / N

b = Z yNx Xj/ N ’

где N - число вариантов опыта с факторами на верхнем и нижнем уровне. Так как все значения xi и xi Xj равны единице (в матрице кодированные значения факторов условно не показывают, а отмечают лишь знаки), при расчете для исследования связующего на основе пу-шицево-сфагнового торфа меняются

лишь знаки у слагаемых yN . bo = (1,80+3,90+2,70+3,29)/4=

= 2,92; bi = 0,67; b2 = 0,07; b 12 = -0,38.

Таким образом, уравнение регрессии в кодированном виде может быть записано так

y = 2,92 + 0,67 x1 + 0,07 x2 -

— 0,38 Xi X2.

Для оценки значимости коэффициентов регрессии выполняются следующие расчеты:

1) определяются построчные дисперсии (несмещенные оценки)

s2(y,) = £ (yN - У, )2/П -1),

1

S2(y,) = {0,074; 0,601; 0,0805; 0,244}

2) рассчитывается дисперсия воспроизводимости

N

S2(y ) = £ S2(y,)/ N ;

1

S2(y ) = 0,9995/ 4 = 0,25 ;

3) вычисляется дисперсия среднего значения

S2(y) = S2 (y)/ n ;

Дисперсия коэффициентов регрессии в N раз меньше дисперсии среднего значения

Б2(Ь,) = Б2(У)/ N ;

Б2(Ь) = 0,0125 .

Стандартная ошибка коэффициента регрессии

Б (Ь,) = 4¥(Ь);

Б (Ь,)« 0,112.

Значимость коэффициента регрессии определяется неравенством: bi значим (в статистическом смысле), если

Ь > S (Ь) ■ t (а, Г), а = 0,05;/ = N(п -1);

/ = 16; t (0,05, 16) и 2,12.

Таким образом, коэффициент регрессии значим, если он превышает величину 0,112 2,12 и 0,237.

Итак, уравнение регрессии может быть представлено в виде

у = 2,92 + 0,67 XI - 0,38 XI х2.

Использование уравнения регрессии без членов высших порядков возможно, если

|у0 - Ь0| <>/ Б^(N + z)/ № • t (а, П,

где 7 - число повторностей в опыте с факторами на среднем уровне;

Б2 = N - 1)Б2(Ь,) + (z -1 )Б2 (У0) .

N + z - 2 ;

Б2 (У 0) = £ (У0 - У^/^ - 1)).

1

Б2(у0) = 0,3246/(5 • 4) = 0,0162;

=2

S = 0,0146

= 0,121.

2,91 - 2,92 = 0,01 ;

Таблица 2

Матрица планирования полного факторного эксперимента для исследования связующего на основе шейхцериево-сфагнового торфа ^ = 35 %, Ас = 5,8 %)

- Уровни Шаг варьирования

-1 0 + 1

х1 (Др, %) 50 65 80 к = 15 %

х2 ^, кг/кг) 2,5 2,8 3,1 І2 = 0,3 кг/кг

№ опы- та Планирование Расчет Отклик (асж, МПа) Ум

Хо Х1 Х2 Хі Х2 Уі У2 Уз У4 У5

1 + - - + 3,08 2,50 3,66 3,04 3,36 3,13

2 + + - - 3,75 4,56 3,62 5,34 4,65 4,38

3 + - + - 4,63 3,74 3,83 4,40 4,21 4,16

4 + + + + 4,82 6,18 5,02 4,02 4,12 4,83

5 Все факторы на среднем уровне 4,47 4,61 3,33 4,06 4,79 4,25

Ш • t(а, /) = = 0,121 • 0,67 • 2,12 = 0,172.

0,01<0,172, из чего следует возможность использование уравнения регрессии без членов высших порядков.

Возможность исключения парных взаимодействий определяется по критерию Фишера. Если FpaCч = S2aд / S2 (у) < F //

то можно использовать модель без парных взаимодействий (т.е. без членов с коэффициентом Ъ12 ).

Дисперсия адекватности модели вычисляется по формуле

N

Б2 аа =Х (УN - Ув )2/^ + I - к - 1),

1

где ув - значения выхода, вычисленные по уравнению регрессии без члена с коэффициентом Ъ\2; I - число исключенных ранее линейных членов уравнения регрессии; k - число факторов; / = N + I

- k - 1,/2 = п - 1.

N

Ё (УN - Ув)2 = 0,0211;

1

Б2 аа = 0,01055,

Fрасч = 0,01055/0,25 = 0,0422;

F С/1 = 2/ = 4) = 6,94.

Таким образом, уравнение регрессии можно использовать без парных взаимодействий у = 2,92 + 0,67 х1.

Заменив кодированное значение факторов хі на натуральное, х1 = (Др - Др )/ Ха = (Др - 65)/ 15, получим выражение для прогнозирования прочности мелкокускового торфа на сжатие при рассматриваемых граничных условиях по величине добавки связующего (тонкодисперсной массы) и влагосодержанию: 50 < Др < 80%; 2,5 < № < 3,1 кг / кг. асж = 0,045 Др + 0,01 МПа.

Постановка аналогичных опытов на торфяном сырье с другим ботаническим составом имеет важное методологическое значение. Матрица планирования для исследования связующего на основе шейхцериево-сфагнового торфа показана в табл. 2.

Приведем основные числовые характеристики результатов анализа.

Коэффициенты регрессии оказались следующими:

Ъ = 4,12; Ъ = 0,48; Ъ2 = 0,37;

Ъ12 = -0,14.

Уравнение регрессии имеет вид у = 4,12 + 0,48 х1 + 0,37 х2 -

— 0,14 Х1 Х2.

Значимыми оказались оба коэффициента регрессии.

Установлено, что уравнение можно использовать без членов высших порядков:

|У0 - Ьй| = 0,13 <

№ • t(а, /) = 0,309.

Парными взаимодействиями здесь можно пренебречь, поскольку Fpacч = 0,213 < F (/1,/2) = 7,71.

Таким образом, уравнение в кодированном виде окончательно может быть представлено так

1. Копенкин В.Д., Копенкина Л.В., Самсонов Л.Н. Развитие техники добычи кускового торфа // Горный информационноаналитический бюллетень. - 2005. - № 1. - С. 297-301.

2. Копенкин В.Д., Копенкина Л.В. Торфяные машины как класс горных машин //

у = 4,12 + 0,48 х1 + 0,37 х2.

Переходя к натуральным характеристикам (из условий кодирования), получим

асж = 0,032 Др + 1,23 W - 1,41, МПа.

Граничные условия использования полученного уравнения - те же:

50 < Др < 80%;2,5 < № < 3,1кг / кг.

Итак, проверена концепция получения мелкокускового торфа пониженной влажности на основе композиции из связующего (интенсивно переработанной тонкодисперсной части фрезерного торфа) и основы - этого же фрезерного торфа, освобожденного от посторонних включений. В ПФЭ установлена зависимость прочности мелкокускового торфа на сжатие от факторов «процент связующего» (в расчете на сухое вещество всей пробы) и «влагосодержание при формовании».

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2002. - №5. - С. 219-222.

3. Солопов С.Г. Основания комплексной механизации добычи торфа на топливо экскаваторным способом с понижением эксплуатационной влажности: Автореферат дисс. д-ра техн. наук. - М.:ИГД АН СССР, 1955. - 40 с.

— Коротко об авторах ---------------------------------------------------------------

Копенкин В.Д. - профессор кафедры Технологии и комплексной механизации разработки торфяных месторождений,

Копенкина Л.В. - кандидат технических наук, доцент кафедры Торфяных машин и оборудования,

Федоров Ю.В. - магистр техники и технологии,

Тверской государственный технический университет, common@tstu.tver.ru