Экспериментальное обоснование рациональных режимов производства кускового торфа Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 622.331.002.5

А.Л. Яблонев, А.М. Гусева

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ПРОИЗВОДСТВА КУСКОВОГО ТОРФА

Аннотация. Производство кускового торфа, призванное ликвидировать дефицит твердого топлива в негазифицированных районах России, предполагает использование машин, рабочим органом которых является шнековый пресс. Конструкции данных машин хотя и отличаются детально, однако имеют ряд схожих параметров, в том числе — самую высокую энергоемкость во всем технологическом цикле производства. Проведено изучение режимов формования кускового торфа с целью снижения энергоемкости процесса без потери куском показателей плотности, а, соответственно — прочности. Для этого в лабораторных условиях произведено опытное диспергирование и формование торфа шнековым прессом, имеющим 5 скоростных режимов, 3 сменных мундштука и 2 шнека с различным шагом витков. В ходе исследования определялись влага исходного сырья, полезная мощность, производительность пресса, удельная энергия процесса. После теневой сушки определялась плотность кусков, полученных на различных режимах формования. Результаты исследования показали, что существуют наиболее рациональные режимы работы шнекового пресса, состоящие из сочетания скорости вращения шнека, диаметра мундштука и шага витков шнека. Проверка результатов после сушки, а не после формования, намного увеличивает надежность исследования.

Ключевые слова: кусковой торф, формование, теневая сушка, энергоемкость, шнековый пресс, диспергирование, плотность, прочность.

DOI: 10.25018/0236-1493-2019-02-0-163-171

Введение

Производство торфа фрезформовоч-ным методом призвано ликвидировать дефицит коммунально-бытового топлива в районах, где нет газа на основе использования местных источников [1]. Это легкое (плотность в навале до 500 кг/м3) и безопасное топливо для его перевозки любым видом транспорта, имеющее теплотворную способность 3200 Ккал/кг при влаге 33% [2]. Уже сегодня в отдельных районах и областях России торфяное топливо составляет значительную часть в энергобалансе региона. Схожая ситуация с использованием местных возобновляемых источников энергии из-за постоянного удорожания газа и в других странах мира [3].

Щелевое фрезерование и формование — самые энергоемкие операции (около 50% эксплуатационных расходов и около 25% от общей себестоимости продукта) во всем технологическом цикле производства торфа фрезформовочным методом. Производительность фрезформо-вочных машин составляет до 40 м3/ч [4].

В связи с изложенным, а также учитывая, что в настоящее время в России ведутся работы над проектированием различных модификаций фрезформовоч-ных машин, представляется актуальным данное исследование, целью которого является изыскание путей снижения энергоемкости диспергирования и формования торфа без потери куском прочностных характеристик.

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019. № 2. С. 163-171. © А.Л. Яблонев, А.М. Гусева. 2019.

Теория вопроса

По длине напорной трубы пресса условно можно выделить несколько зон [5, 6], в которых реализуются функции: транспортирование материала, его резание-перетирание-раздавливание, сжатие, гомогенизация и формование. Причем торф, как и любой другой материал, постепенно продвигаясь по напорной трубе к мундштуку, тщательно перемешивается и перерабатывается, приобретая все большую однородность по дисперсности и влаге [7]. В результате таких механических воздействий, переработанный торф принимает свойства — аморфность, пластичность, а после формования и сушки — прочность и высокую плотность. Производительность, необходимая мощность, удельный расход энергии и качество готового торфа зависят при прочих равных условиях от степени переработки торфомассы [8].

Среди критериев формуемости торфа можно выделить: возможность достаточно легкого развития пластических деформаций; сохранение куском приданной в мундштуке формы; достижение куском плотности, позволяющей проведение последующих операций; недопустимость наличия у торфяного куска трещин после формования и сушки [9].

Из природных факторов на прочность кускового торфа влияют степень разложения, содержание гумуса и пр.; из тех-

нологических —степень переработки, достигнутая плотность, размер куска и др. Катионный и групповой состав различных видов торфа является следствием торфообразовательных процессов, которые, наряду со степенью разложения и дисперсностью, определяют структуроо-бразование куска [10]. Верховой торф средней и высокой степени разложения более пластичен, чем низинный. В низинном торфе происходит структурооб-разование на основе взаимодействия через поливалентные катионы, в центральных зонах куска развивается повышенное давление, что способствует образованию микротрещин [10]. Таким образом, наилучшим, с точки зрения формуемости, является верховой торф, а многочисленные исследования показали, что он должен иметь начальное содержание влаги w = 82—84% и степень разложения Я = 25—35%.

Но недостаточно изученными остаются вопросы о режимах формования — скорости вращения шнека, шаге витков шнека, соотношении площадей живого сечения напорной трубы и мундштука.

Материалы, методы, методика

проведения экспериментов

С целью разрешения вышепостав-ленных вопросов был проведен лабораторный эксперимент по формованию комплексного верхового торфа степенью

Рис. 1. Лабораторный шнековый пресс Fig. 1. Laboratory screw press

Рис. 2. Схема лабораторного шнекового пресса: 1 — электродвигатель; 2 — муфта соединительная; 3 — коробка передач; 4 — редуктор цилиндрический; 5 — опорные подшипники шнека; 6 — напорная труба (цилиндрический корпус); 7 — шнек; 8 — цилиндрический мундштук Fig. 2. Scheme of the laboratory screw press: 1 — electric motor; 2 — coupling; 3 — gearbox; 4 — cylindrical reduction gear; 5 — screw bearings; 6 — pressure pipe (barrel); 7 — the screw; 8 — cylinder nozzle

разложения [ = 25—30% при среднем содержании влаги ч = 83,44%. Содержание влаги определялось по стандартной методике путем высушивания навески торфа с помощью анализатора влажности ЭЛВИЗ 2С. Поскольку в фрезфор-мовочной машине (и других подобных [11]), во время экскавации из залежи перед попаданием в шнековый пресс торф измельчается, опытные образцы торфяного сырья были предварительно измельчены дополнительным диспергированием с отсевом древесных включений. Формование проводилось на лабораторной установке шнекового пресса (рис. 1), схема которой представлена на рис. 2. Пресс комплектовался тремя мундштуками внутренним диаметром 52, 60 и 92 мм и двумя шнеками с шагом витков в = 50 и 110 мм (рис. 3).

Асинхронный электродвигатель переменного тока мощностью 10 кВт с частотой вращения ротора 1480 об/мин, 5-ти скоростная коробка передач и цилиндрический редуктор с передаточным отношением i = 4,25 позволяли изме-

ред

нять частоту вращения шнека пресса от 55,81 до 429,86 об/мин.

В процессе экспериментов проводилось исследование работы шнекового пресса в холостом и нагруженном состоянии на 5-ти режимах, соответствующих 5-ти различным скоростям в коробке передач. Вычисление мощности, необходимой для привода пресса на холостом ходу и под нагрузкой (Nхх и М кВт, соответственно) производилось по зависимостям:

З^ххСОЭф (1)

Nxx =

1000

Рис. 3. Сменные мундштуки и шнеки для пресса Fig. 3. Interchangeable nozzles and screws for press

Рис. 4. Процесс формования торфа Fig. 4. The process of forming peat

N =

3UI cos ф 1000

(2)

где и — напряжение в одной из фаз электродвигателя, В; I — сила тока в одной из фаз электродвигателя, А; cosф — коэффициент мощности асинхронного двигателя (для установленного на шнековом прессе двигателя cosф = 0,88).

Полезная мощность Мп, кВт, определялась, как разница полной мощности и мощности холостого хода:

N = N — N . (3)

п хх 4 '

Скорость выхода формованного торфа из мундштука V, м/с, оценивалась по прикрепленному к мундштуку шаблону длиной L = 0,15 м и секундомеру (рис. 4).

Производительность пресса 0, м3/с, рассчитывалась по формуле:

4 '

(4)

Q = V

где d — диаметр установленного мундштука, м.

Энергоемкость процесса диспергирования и формования А, Дж/м3, определялась по зависимости:

А = ^ . (5)

О

После формования на различных режимах куски торфа были разложены в специальные кюветы и подвергнуты сушке в теневом режиме на протяжении 25 суток до достижения среднего содержания влаги м/ = 23,12%.

По окончанию сушки объемным методом с использованием цифрового штангенциркуля ШЦЦ 1-150-0,01 с точностью 0,01 мм и весов «Acom JW-1» с точностью 0,01 г была произведена оценка плотности кусков, полученных на различных режимах. Все опыты проведены с 6-ти кратной повторяемостью.

Статистическая обработка

результатов, обсуждение

После проведенных расчетов и их анализа с отсевом промахов были получены графические зависимости энергоемкости от частоты вращения шнека при различных установленных мундштуках диаметром d и шнеках с шагом витком Б (рис. 5, 6).

Среди прочих способов управления энергоемкостью в производственном процессе проще изменять количество и размеры мундштуков. Учитывая факт,

£ *

<3

° 5

ш о

a g g о m S а о

-е-

3,5 3

к 2,5 2 1,5 1

0,5

4

5x2 - 0,0113x -fii^O 6279 h 3,93^6 .

♦

-05x2 - 0,0101 -JS2 = 0.995£ x + 2,916 __

_____

у = 11 -05x2 - 0,006 R2 = 0,846 »x + 2,^36 5

♦ d=52 мм ■ d=60 мм Ad=92 мм

100 200 300 400 500

Частота вращения шнека, об/мин

Рис. 5. Изменение энергоемкости формования в зависимости от частоты вращения шнека с шагом витков S = 110 мм и диаметра мундштука

Fig. 5. Changing the molding intensity depending on the frequency of rotation of the screw step turns S = 110 mm and the diameter of the nozzle

что напор создается шнеком еще в напорной части трубы и продолжается в мундштуке, испытывая противодавление, для описания степени уплотнения торфа в иных условиях и использования метода геометрического подобия, предлагается ввести понятие «коэффициент напора» кн, который представляет собой отношение площадей живых сечений напорной трубы и мундштука:

го 3,5

D2- d2

"вн

d2

(6)

где О — внутренний диаметр напорной трубы; dвн — наружный диаметр трубы, являющейся основой для спирали шнека; d — диаметр мундштука.

В исследовании применялся шнеко-вый пресс с параметрами О = 102 мм, d = 49 мм. В этом случае коэффициен-

и О

2С

о о

L—

О.

ш

X

m

«5

2,5

го

03

о

s

а о

-е-

1,5

0,5

*

/ /

■v y44E-05x2 - 0,0214x + 4 2113+/

N = 0,9908

......^ -05x2 - 0,011 Rl^0,941 ix + 2 J24

у x2 - 0,0044x R2 = 0,8679 ■ 1,4744

♦ d=52 мм ■ d=60 мм Ad=92 мм

100 200 300 400 500

Частота вращения шнека, об/мин

Рис. 6. Изменение энергоемкости формования в зависимости от частоты вращения шнека с шагом витков S = 50 мм и диаметра мундштука

Fig. 6. Changing the molding intensity depending on the frequency of rotation of the screw step turns S = 50 mm and the diameter of the nozzle

о

о <2

зе г

£ ™

!: -е-

о о.

X о

I- I-

о с;

1060 1040 1020 1000 980 960 940 920

у = 28,85ln Г}2 - n [x) + 864,1

▲ ♦

-------- \ ' - 31 977ln( к) + 826 13

R2 = 0, 5925 A

V i ' = 23,753ln( x) + 837,32

4 R2 = 0 952

ly ж

♦ d = 50 мм ■ d = 60 мм A d = 92 мм

0

100

200 300 400 500

Частота вращения шнека, об/мин

Рис. 7. Изменение плотности кускового торфа в зависимости от частоты вращения шнека с шагом витков S = 110 мм и диаметра мундштука

Fig. 7. Sod peat densities depending on the frequency of rotation of the screw step turns S = 110 mm and the diameter of the nozzle

ты напора кн составили для мундштуков диаметром 52, 60 и 92 мм, соответственно 2,96, 2,22 и 0,95.

Оценка плотности кусков при среднем содержании влаги 23,12% показала, что в зависимости от числа оборотов шнека, плотность меняется по логарифмическому закону (рис. 7, 8).

Для всех представленных зависимостей получены уравнения регрессии с коэффициентами детерминации Я2.

Учитывая тот факт, что минимальная энергоемкость формования наблюдается при скорости вращения шнека 220— 320 об/мин, для скорости 270 об/мин построен график зависимости конечной плотности кускового торфа от энергоемкости формования (рис. 9).

Как следует из полученной зависимости, интенсивность роста плотности куска при увеличении энергоемкости заметно падает при изменении к с 2,22 до 2,96.

200 300 400 500

Частота вращения шнека, об/мин

Рис. 8. Изменение плотности кускового торфа в зависимости от частоты вращения шнека с шагом витков S = 50 мм и диаметра мундштука

Fig. 8. Sod peat densities depending on the frequency of rotation of the screw step turns S = 50 mm and the diameter of the nozzle

о 1060 § «« 1050

ас г

У 1040

£ ге- 1030 и -е-

0 а 1020

1 о

о н 1010 е;

С 1000 990 980 970

SK = 2,96

S = 50 млу^

\А,= 2,22 к=: >,96

\ S = 110 мм

= 2>22

А = 0,95/

0,95

0,9

1,4

1,9

2,4

Энергоемкость формования, МДж/мЗ

Рис. 9. Зависимость плотности кускового торфа от энергоемкости формования при скорости вращения шнека n = 270 об/мин

Fig. 9. Sod peat density dependence of energy intensity at a rotation speed of screw n = 270 RPM

Поэтому формование при коэффициенте напора кн = 2,22 можно считать рациональным режимом.

Выводы

1. Для всех исследованных режимов существует некий минимум энергоемкости при формовании, приходящийся на область 220—320 об/мин шнека, который можно объяснить следующим. Энергоемкость — это не затраченная энергия, а отношение полезной мощности к производительности. Интенсивность роста производительности выше, чем интенсивность роста мощности, необходимой для производства куска до определенной частоты вращения шнека. Выше этой частоты начинается неустановившееся движение материала (частицы прекращают двигаться только в осевом направлении и все больше начинают вращаться вместе со шнеком). Это приводит к изменению интенсивностей роста производительности и мощности, в результате чего повышается энергоемкость процесса [12].

2. Во всех проведенных опытах энергоемкость процесса изменялась от 0,88 до 3,42 МДж/м3. Интенсивность изме-

нения удельных энергозатрат выше при установке мундштука меньшего диаметра. По мере увеличения диаметра мундштука, интенсивность изменения удельных энергозатрат падает.

3. Большая производительность, и, соответственно, меньшее время формования, всегда соответствует большему шагу витков шнека. Большая сила тока в приводном двигателе, соответственно и необходимая мощность на формование, соответствует установленному мундштуку меньшего диаметра. Большая энергоемкость в исследованной зоне при прочих равных условиях соответствует использованию шнека с большим шагом, что объясняется большей нагрузкой на виток и большей производительностью механизма. Большая плотность сформованных кусков соответствует большей частоте вращения и меньшему шагу витков шнека. Очевидно, что меньшая энергоемкость и большая плотность кусков, достигаемая при использовании шнека с шагом витков 50 мм способствует работе машины в более рациональном режиме. Следовательно, шаг витков шнека должен быть близок к половине наружного диаметра шнека.

4. Полученная в ходе экспериментов плотность кусков после всех режимов формования и сушки превышает плотность, которую можно достигнуть для данного вида торфа в полевых условиях (до 800 кг/м3 [4]), что можно объяснить мягким режимом сушки и ручным управлением всем процессом. Вместе с тем следует отметить, что наиболее рациональным режимом представляется частота

вращения шнека п = 220—320 об/мин при коэффициенте напора кн = 2,22 и шаге витков шнека Э = 0,50.

5. Проектирование и использование фрезформовочных машин в рациональных режимах позволит снизить потери торфа при производстве [13] и снизить удельные энергозатраты без потери куском плотности, а соответственно — и прочности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Горячев В. И., Михеев И. И., Яблонев А.Л., Фомин К. В. Выбор пресса для обезвоживания торфа в технологии фракционирования торфяного сырья гидроразмывом // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2018. - № S38. - С. 22-30. DOI: 10.25018/02361493-2018-7-38-22-30.

2. Яблонев А.Л., Гусева А. М., Жуков Н. М. Добыча и использование кускового торфяного топлива для арктических условий // Труды Инсторфа. — 2018. — № 17(70). — С. 46—49.

3. Van Loon S., Bond J. D. Yukon Placer Mining Industry 2010 to 2014. — Whitehorse: Yukon Geological Survey, 2014. — 239 p.

4. Яблонев А.Л. Проектирование торфодобывающих предприятий. — Тверь: ТвГТУ, 2016. — 164 с.

5. Тимофеева Д. В., Попов В. П., Антимонов С. В., Зинюхина А. Г. Разработка конструкции шнека типового пресс-экструдера // Вестник ОГУ. — 2014. — № 9. — С. 220—225.

6. Singh R. K., Das A. Analysis of Separation Response of Kelsey Centrifugal Jig in Processing Fine Coal // Fuel Processing Technology. — 2013. — Vol. 115. — pp. 71—78.

7. Gholipour Zanjani N., Zarringhalam Moghaddam A., Dorosti S. Physical and Chemical Properties of Coal Briquettes from Biomass-bituminous Blends // Petroleum & Coal. — 2014. No. 56(2). — pр. 188—195.

8. Горячев В. И., Зюзин Б. Ф., Михеев И. И., Казичев И. Н. Технологический комплекс производства кускового топливного торфа с комбинированной сушкой // Труды Инсторфа. — 2016. — № 13(66). — С. 28—32.

9. Зюзин Б. Ф., Фомин Д. С. О влиянии физико-механических свойств исходного торфа на процесс механического диспергирования // Труды Инсторфа. — 2013. — № 7(60). — С. 49—52.

10. Михайлов А. В., Большунов А. В., Кремчеев Э. А., Епифанцев К. В. Требования к торфяному сырью для производства окускованного топлива // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2012. — № 4. — С. 59—63.

11. Burt Ch. N., Caccetta L. Equipment Selection for Surface Mining // A Review Journal Interfaces. — 2014. — No. 44(2). — pp. 143—162.

12. Соколов М. В., Клинков А. С., Ефремов О. В., Беляев П. С., Однолько В. Г. Автоматизированное проектирование и расчет шнековых машин: монография. — М.: Машиностроение-1, 2004. — 248 с.

13. Kremcheev E.A., Kremcheeva D.A. Technological Approaches to Reducing the Loss of Peat Raw Materials in Fields with Hydrological Regime // Indian Journal of Science and Technology. — 2016. — Vol. 9. — № 12. — p. 89525. ЕИ2

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Яблонев Александр Львович1 — доктор технических наук, доцент,

профессор, e-mail: alvovich@mail.ru,

Гусева Анна Михайловна1 — старший преподаватель,

e-mail: guseva_ann@mail.ru,

1 Тверской государственный технический университет (ТвГТУ).

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2019. No. 2, pp. 163-171.

Experimental substantiation of rational modes of sod peat production

Yablonev A.L.1, Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor, Professor, e-mail: alvovich@mail.ru,

Guseva A.M.1, Senior Lecturer, e-mail: guseva_ann@mail.ru, 1 Tver State Technical University (TvSTU), 170035, Tver, Russia.

Abstract. The purpose of this research is to substantiate the rational operation modes of the milling-forming machine in the field sod peat production by method of crack milling. To achieve this goal, a laboratory experiment of crushing and forming moor peat on different modes is held with the help of screw press. Energy intensity was evaluated in the course of the experiment process. Variables served screw speed, diameter of the forming nozzle and the step turn of the screw. The criterion of rationality was considered the minimum intensity combined with the required density of sod peat, measured after sod shadow drying. The research introduced a new term — pressure coefficient, required for use of the results obtained under production conditions using the method of geometric similarity. The results of the experiment showed that there is minimum zone intensity process on all investigated modes. The best rational is forming mode with the rotational speed of the screw 220—320 rpm and use screw from step turns equal to half its diameter at pressure coefficient 2,22. Regulation of pressure coefficient by method of installing the required number of nozzles of the specified diameter will achieve the rational mode of forming in the production conditions.

Key words: sod peat, forming, shadow drying, specific energy, a screw press, crushing, density, strength.

DOI: 10.25018/0236-1493-2019-02-0-163-171

REFERENCES

1. Goryachev V. I., Mikheev I. I., YAblonev A. L., Fomin K. V. Vybor pressa dlya obezvozhivaniya torfa v tekh-nologii fraktsionirovaniya torfyanogo syr'ya gidrorazmyvom [Select press to dewater the peat in fractionation technologies peat raw materials by hydroscour], Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018, no S38, pp. 22-30. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-7-38-22-30. [In Russ].

2. Yablonev A. L., Guseva A. M., Zhukov N. M. Dobycha i ispol'zovanie kuskovogo torfyanogo topliva dlya arkticheskikh usloviy [Extraction and use of sod peat fuel for arctic conditions], Trudy Instorfa. 2018, no 17(70), pp. 46-49. [In Russ].

3. Van Loon S., Bond J. D. Yukon Placer Mining Industry 2010 to 2014. Whitehorse: Yukon Geological Survey, 2014. 239 p.

4. Yablonev A. L. Proektirovanie torfodobyvayushchikh predpriyatiy [Design of peat extraction enterprises], Tver', TvGTU, 2016, 164 p.

5. Timofeeva D. V., Popov V. P., Antimonov S. V., Zinyukhina A. G. Razrabotka konstruktsii shneka tipovogo press-ekstrudera [Design of screw model press extruder], Vestnik OGU. 2014, no 9, pp. 220—225. [In Russ].

6. Singh R. K., Das A. Analysis of Separation Response of Kelsey Centrifugal Jig in Processing Fine Coal. Fuel Processing Technology. 2013. Vol. 115. pp. 71—78.

7. Gholipour Zanjani N., Zarringhalam Moghaddam A., Dorosti S. Physical and Chemical Properties of Coal Briquettes from Biomass-bituminous Blends. Petroleum & Coal. 2014. No. 56(2). pp. 188—195.

8. Goryachev V. I., Zyuzin B. F., Mikheev I. I., Kazichev I. N. Tekhnologicheskiy kompleks proizvodstva kuskovogo toplivnogo torfa s kombinirovannoy sushkoy [Technological complex of sod peat fuel production with combined drying], Trudy Instorfa. 2016, no 13(66), pp. 28—32. [In Russ].

9. Zyuzin B. F., Fomin D. S. O vliyanii fiziko-mekhanicheskikh svoystv iskhodnogo torfa na protsess me-khanicheskogo dispergirovaniya [On the impact of physical and mechanical properties of the original peat on the process of mechanical dispersion], Trudy Instorfa. 2013, no 7(60), pp. 49—52. [In Russ].

10. Mikhaylov A. V., Bol'shunov A. V., Kremcheev E. A., Epifantsev K. V. Trebovaniya k torfyanomu syr'yu dlya proizvodstva okuskovannogo topliva [Requirements for peat raw materials for the production of pre-sod fuel], Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2012, no 4, pp. 59—63. [In Russ].

11. Burt Ch. N., Caccetta L. Equipment Selection for Surface Mining, A Review Journal Interfaces. 2014. No. 44(2). pp. 143—162.

12. Sokolov M. V., Klinkov A. S., Efremov O. V., Belyaev P. S., Odnol'ko V. G. Avtomatizirovannoe proektirovanie i raschet shnekovykh mashin: monografiya [Computer-aided design and calculation of screw machines: monograph], Moscow, Mashinostroenie-1, 2004, 248 p.

13. Kremcheev E. A., Kremcheeva D. A. Technological Approaches to Reducing the Loss of Peat Raw Materials in Fields with Hydrological Regime, Indian Journal of Science and Technology. 2016. Vol. 9, no 12. p. 89525.