CC BY
45
8. Saati T. Decision making. Hierarchy analysis method. M: «Radio and Communication», 1999. 278 p.
9. Komljenovic D., Kecojevic V. Multi-Attribute Selection Method for Mining Trucks // Society for mining, metallurgy, and exploration, 2006 TRANSACTIONS, Vol. 320. PP. 94-104.
10. M. Patyk, P. Bodziony Analysis of multiple criteria selection and application of APEKS method in mining haul truck transport process // XVIII Conference of PhD Students and Young Scientists, 2018. PP. 1-6.
11. Galkin V. A. Technological bases of design and planning of cargo flows on ore quarries with automobile transport: Diss. ... Dr. Techn. sciences'. Magnitogorsk, 1987. 206 p.
12. Kumachev K. A., Maimind V. Ya. Design of iron ore quarries. M.: Nedra. 1981.
464 p.
13. Altushkin I. A., Cherepovitsyn A. E., Korol Yu. a. Practical implementation of the mechanism of sustainable development in the creation and establishment of the mining and metallurgical holding of the copper industry of Russia. M.: publishing house "Ore and Metals", 2016. 232 p.
14. Supplier selection using fuzzy AHP and fuzzy multi-objective linear programming for developing low carbon supply chain / K. Shaw, R. Shankar, S. S. Yadav, L. S. Thakur // Expert Systems with Applications. 2012. Vol. 39. No. 9. PP. 8182-8192. Doi: 10.1016/j. eswa. 2012. 01. 149.
УДК 622.271.9
ГИДРОМЕХАНИЗИРОВАННЫЙ СПОСОБ ДОБЫЧИ ТОРФА: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
Н. Г. Валиев, Н. В. Гревцев, М. С. Лебзин
Рассмотрены преимущества нового гидромеханизированного способа добычи торфа с механическим обезвоживанием торфяного сырья. Представлены результаты механического обезвоживания торфяного сырья с использованием техногенных отходов производства, процесс сушки композиционных брикетов. Сделаны выводы и сравнительной анализ гидромеханизированного способа добычи торфа с фрезерным способом.
Ключевые слова: гидромеханизированный способ, фрезерный способ, торф, преимущества, схема добычи.
Первый промышленный способ добычи торфа носил название «Гидроторф». Технологический процесс добычи торфа гидравлическим способом включал:
• размыв торфяной залежи с влажностью 89.. .92 % струёй воды высокого давления (1...2 МПа), при котором торф превращается в гидромассу с влажностью 95.97 %;
• транспортирование гидромассы по трубам на поля разлива и распределение её слоем 20.40 см;
• обезвоживание гидромассы за счёт фильтрации в подстилающий грунт (55 % воды при этом удаляется) и испарения (25 % воды), доведение её до пластичного состояния, при котором осуществляется формирование кирпичей самоходными формирующими гусеницами;
• сушку кирпичей до уборочной влажности 45.. .40 %;
• механизированную уборку воздушно-сухого торфа в штабели.
Основным недостатком этого способа был значительный расход
электроэнергии (до 30 кВт-ч на 1 т продукции). К явным достоинствам можно отнести высокую, даже по современным меркам, производительность применяемого оборудования - до 100 000 т за сезон.
Применение «Гидроторфа» в торфяной промышленности позволило организовать предприятие с большой мощностью, увеличить концентрацию производства и снизить стоимость торфяного топлива. Этим способом было добыто 187 млн т воздушно-сухого торфа.
Гидроторф послужил развитию технологии и оборудования гидромеханизации. На сегодняшний день эти технологии используются в различных отраслях народного хозяйства: добыче ряда полезных ископаемых, строительных материалов, очистке водоемов от сапропеля и при выполнении различных инженерных работ. Средствами гидромеханизации пользуются в России, Японии, США, Великобритании и других странах. Гидромеханические процессы являются эффективными и экономичными [1, 2, 7].
Технологии добычи торфа представлены различными технологическими схемами, которые в том числе могут базироваться на средствах гидромеханизации. К настоящему времени предложены следующие инновационные технологии: скважинная гидродобыча и стадийная технология экскаваторной добычи торфа, технология разработки сильно обводненных месторождений торфа [8, 11, 12].
Перспективным способом добычи торфа на сильнообводненных месторождениях является гидромеханизированный способ с использованием системы «KDS Мюгопех» [10].
В настоящее время наиболее применяемая технология добычи торфа послойным фрезерным способом испытывает существенные трудности из-за низкого качества продукции, ненадежности поставок потребителю, а также высокого уровня пожароопасности, природоохранных и экономических рисков [3, 4].
При освоении сильнообводненных торфяных месторождений в районах с неблагоприятными погодными условиями применение фрезерного способа становится неэффективным. К тому же фрезерный способ добычи торфа ведет к нарушению естественного гидрогеологического режима болот, что приводит к ухудшению экологической ситуации в районе добычи [5-7].
Процесс подготовки и разработки месторождения происходит в основном в то время, когда преобладают положительные температуры воз-
духа. Многие месторождения находятся в таежных зонах и сезон сбора торфа сильно ограничен осадками и отрицательными температурами воздуха. Помимо этого, большое количество осадков приводит к потере готовой продукции до 10 %.
Учитывая несовершенство применяемых технологий, особенно на труднодоступных и сильнообводненных торфяных месторождениях, необходимо модернизировать способы добычи торфа на основе последних достижений технологии гидромеханизации и механического обезвоживания дисперсных материалов. Технологии должны развиваться по двум основным направлениям:
- увеличение продолжительности сезона добычи торфа;
- экскавация торфа из залежи с последующим искусственным обезвоживанием.
При гидромеханизированном способе добычи торфа практически исключаются торфяные пожары и существенно снижаются потерю готовой продукции, значительно упрощаются схема осушения и технология подготовка торфяного месторождения к эксплуатации. Современное оборудование и используемые технологические схемы не позволяют добывать торф без предварительных мелиоративных мероприятий, что выдвигает на передний план проблему создания новых технологических схем и самоходных добычных машин и комплексов. Исходя из условий расположения месторождений торфа в труднодоступных для транспорта и техники районах, а также невозможности использовать какой-либо другой метод добычи и транспортировки, главными отличительными особенностями новых машин должны быть - плавучесть, самоходность и универсальность [4].
В Уральском государственном горном университете ведется работа по разработке нового гидромеханизированного способа добычи торфа, который предполагает следующие технологические операции (см. рисунок): подготовительные работы сводятся к удалению крупной растительности, далее торф из залежи экскавируют вместе с древесными включениями, которые далее отделяют от торфа, торф подвергают механическому обезвоживанию, при котором влажность снижается на 10 %, затем перемешивают с дренирующим наполнителем, обезвоживают полученную смесь до влажности 57.65 % (соответствует продукции для использования торфа в сельском хозяйстве), сепарируют дренирующий наполнитель для повторного использования, обезвоженный торф транспортируют на модульный участок переработки, а древесные включения - на участок пиролиза для термической переработки совместно с торфом, при этом часть твердого топлива используют в качестве композита, а часть газового топлива, тепловой и электрической энергии - для нужд технологического комплекса. Для топливной продукции дополнительно предусматривается обогащение торфа углеродистыми материалами с последующей досушкой композиционных брикетов или гранул [8, 9].
Технологическая схема добычи торфа гидромеханизированным
способом
Экскавация торфа вместе с древесными включениями обусловлена тем, что после отделения древесных включений их используют на участке пиролиза для получения тепловой и электрической энергии.
Механическое обезвоживание обеспечивает сброс большого количества излишней влаги на участке добычи.
Добавление дренирующего наполнителя, перемешивание его с торфом диспергирует торф до однородной массы с повышением коэффициента фильтрации для второй стадии обезвоживания.
Выбор оборудования при гидромеханизированном способе добычи торфа производится с учетом условий эксплуатации и необходимой сезонной программы добычи. Основное оборудование, отвечающее требованиям данной технологии, включает:
• Земснаряд. Для выбора земснаряда, оптимально отвечающего данной конкретной обстановке, необходимо учитывать ряд факторов: дальность транспортирования торфа и геометрическую высоту подъема, величину подводного и надводного забоя, содержание в торфе крупнообломочных фракций и других включений, абразивные свойства торфа, консистенцию пульпу, а также требования последующих звеньев технологической цепи, в которой работает земснаряд. Земснаряд должен обеспечивать заданную производительностью по пульпе.
• Центрифуга. Предназначена для первичного обезвоживания торфяной массы.
• Шнековый обезвоживатель. Должен иметь обезвоживающий барабан, в котором происходят сгущение и обезвоживание торфяной массы, дозирующая емкость, в которую попадает осадок, и емкость флокуляции, где происходит смешивание с помощью миксера осадка с реагентом до образования флоккул.
• Магнитный сепаратор. Предназначен для удаления ферромагнитных тел и частиц из потока сухого материала, транспортируемого по конвейеру.
• Понтон. Предназначен для транспортировки торфяной массы к причалу. Транспортировка осуществляется лебедкой, которая подтягивает груженый понтон или буксиром.
• Бункер-наполнитель с подвижным дном. Сварная металлическая конструкция, установленная на понтоне, служит для приема торфяной массы.
• Фронтальный погрузчик. Необходим для разгрузки бункер-наполнителя.
• Бульдозер-штабелер. Штабелирование торфа осуществляется из навалов, образованных в результате выгрузки его из прицепов и полуприцепов. Бульдозер-штабелер перемещает торф от места выгрузки вверх по откосу штабеля и придает ему правильную геометрическую форму, после чего задним ходом опускается к подошве штабеля.
В целом, в сравнении с фрезерным способом добычи торфа при гидромеханизированном способе требуется меньше узкоспециализированной техники и существенно сокращаются сроки подготовки месторождения к эксплуатации из-за отсутствия технологических операций по осушению и подготовке месторождения.
Подготовка сырья в торфяной промышленности является трудоемким и затратным процессом. К торфяному сырью предъявляется ряд требований по качественным показателям. Одним из таких является влажность торфа. Воду в торфе, обычно, различают трех видов: свободную, физически связанную и химически связанную. Удаление химически связанной воды является дорогостоящим процессом, поэтому целесообразнее
будет управлять содержанием свободной и физически связанной водой. Процесс удаления воды называется обезвоживанием. Процессы обезвоживания подразделяют на механические и термические. Процесс механического обезвоживания характеризуется действием других сил, в результате которых происходит удаление влаги. В результате термического обезвоживания, удаление влаги осуществляется под действием градиента температур (испарения). Механическое обезвоживание, в отличие от термического, является менее энергоемким. Однако в процессе его реализации возникают различные технические трудности.
В естественном насыщенном водой состоянии верховая торфяная залежь может достигать значения влажности в пределах 89.94 %, а низинная - 89.92 %. После интенсивного осушения влажность верховой залежи остается в пределах 85.87 %, а низинной - 82.85 %, что сильно затрудняет получение качественной продукции.
Торфяная залежь в естественном состоянии имеет влажность 90.92 %. Даже после интенсивного осушения влажность залежи остается около 85 %, что сильно затрудняет получение качественного сырья.
Торф на ряду со свойствами капиллярно-пористого тела с сильно развитой капиллярной структурой обладает свойствами гидрофильного коллоида, и поэтому удаление из торфа воды механическим путем сильно затруднено.
Практический опыт торфодобывания в течение многих лет показал, что уменьшение влагосодержания торфа при его добыче происходит путем фильтрации на стадии осушения месторождения и путем испарения при естественной сушке в полевых условиях.
Механическое обезвоживание с последующей искусственной досушкой в специальных заводских установках хорошо зарекомендовало себя в процессах искусственного отжатая влаги из торфяного сырья малой степени разложения [3].
В Уральском государственном горном университете проведены лабораторные испытания по механическому обезвоживанию торфяного сырья в мерзлом состоянии.
Лабораторные опыты показывают, что механическим путем воду из торфа можно удалить даже до влажности 20 %, но для этого требуется иметь удельную загрузку 0,2.0,3 г/см , удельное давление 200.400 кг/см и продолжительность отжатия в течение 5.8 часов [13].
С технико-экономической точки зрения такое удаление воды из торфа является нерентабельным. Получение торфяного сырья, дешевого и громоздкого продукта, не позволяет применять дорогие и сложные способы механического обезвоживания.
Для удешевления и упрощения процесса механического обезвоживания предлагается внести некоторые коррективы в технологию данного способа: непосредственно перед самим механическим обезвоживанием в
торф-сырец вводится дренирующий наполнитель. Наполнитель может быть извлекаемый и неизвлекаемый. Этот метод будет наиболее эффективен, когда дренирующий материал входит в состав готовой продукции при получении торфяных композиционных материалов. Согласно исследованиям других авторов торфяное сырье при взаимодействии с различными веществами-наполнителями способно улучшать физико-химические характеристики готовой продукции.
Результаты предварительных экспериментальных исследований подтверждают, что в результате воздействий одних и тех же нагрузок торф с наполнителями возможно обезводить на 12.17 % больше, чем один торф-сырец. Это доказывает положительное воздействие наполнителей на эффективность процесса обезвоживания, что согласуется с работой [14].
Данный подход, направленный на повышение эффективности процесса механического обезвоживания, позволяет управлять основным качественным показателем торфяного сырья, как влажность. Подготовка сырья становится недорогим технологическим процессом, а в промышленных масштабах применение такого процесса приводит к значительному повышению эффективности торфяного производства.
Вывод
Проведенный аналитический обзор теоретических и экспериментальных работ в области механического обезвоживания торфа, анализ практики применения современных способов гидромеханизации при добыче полезных ископаемых позволяют сделать вывод о целесообразности и необходимости разработки гидромеханизированного способа добычи торфа для освоения торфяных месторождений со сложной гидрологией и в районах с неблагоприятными погодными условиями. Эффективность предлагаемой технологии может быть обеспечена использованием инновационного способа механического обезвоживания торфа с дренирующими наполнителями.
Исследование подготовлено в соответствии с государственным заданием ФГБОУ ВО « Уральский государственный горный университет» № 0833-2020-0008 «Разработка и эколого-экономическое обоснование технологии рекультивации нарушенных горно-металлургическим комплексом земель на основе мелиорантов и удобрений нового типа» и выполнено совместно с сотрудниками Центра коллективного пользования (ЦКП) с использованием фондов Центра коллективного пользования научным оборудованием ФНЦ БСТ РАН (N0 Росс RU.0001.21 ПФ59, Единый российский реестр центров коллективного пользования - http://www.ckp-rf.ru/ckp/77384).
The research was supported by the Ministry of Science and Higher Education in accordance with the state assignment for Ural State Mining University No. 0833-2020-0008 'Development and environmental and economic substantiation of the technology for reclamation of land disturbed by the mining and metallurgical complex based on reclamation materials and fertilizers of a new type'. We obtain the scientific results with the staff of Center for the collective use by using the equipment of the Center for the collective use of scientific equipment of the Federal Scientific Center of biological systems and agricultural technologies of RAS as well (No Ross RU.000l.2l PF59, the Unified Russian Register of Centers for Collective Use - http://www.ckp-rf.ru/ckp/77384).
Список литературы
1. Ткач С. М. Геотехнологии открытой добычи минерального сырья на месторождениях со сложными горно-геологическими условиями. Новосибирск: Гео, 2013. 307 с.
2. Шпанский О. В., Буянов Ю. Д. Технология и комплексная механизация добычи нерудного сырья для производства строительных материалов. М.: Недра, 1996. 462 с
2. Производство торфяной продукции энергетического назначения на основе гидромеханизированных технологий - надежный поставщик тепла и электроэнергии для местных нужд производства и нужд ЖКХ / И.М. Ялтанец, А.М. Штин, С.М. Штин, А.С. Мишуков // ГИАБ, 2011. №1. М.: "Горная книга".
3. Штин С.М. Инновационные технологии в гидромеханизации горных и строительных работ // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2012. S1. С. 382-403.
4. Slepoy Yu., Shtin S. Improved Equipmeht For Mihihq ahd Deliverinq Raw Material to Dead Sea Works. GeologicalSurveyoflsrael, Jerusalem. 2-3. 12. 2002.
5. Штин С.М. Оценка глубин разработки земснарядами сапропелей в зависимости от их характеристик // Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ. «Гидромеханизация - 2006», 2006.
6. Штин С.М. Роль гидромеханизации в сохранении и улучшении состояния окружающей природной среды // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГ. 2000.
7. Ялтанец И.М. Справочник по гидромеханизации. М.: Мир горной книги, 2010.
8. Способ добычи полезных ископаемых, в частности торфа, и комплекс для его осуществления. № 2005137965. РФ. 2007.
9. Патент № 2512210. РФ. Способ производства продукции, тепла и электроэнергии из торфа. 2014.
10. Штин С.М. Применение торфа как топлива для малой энергетики // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2011. № 7. С. 82 - 96.
11. Косов В. И. Комплексная эффективность скважинной гидродобычи торфа // Горный журнал. 2008. №9.
12. Михайлов А.В., Кремчеев Э.А., Нагорнов Д.О. Механизация добычи торфа из неосушенной залежи // Записки Горного института. 2012. Т. 196. С. 256 - 260.
13. Системный подход при оптимизации технологии торфяных композиционных материалов / Н.В. Гревцев, Б.Б. Зобнин, Р.Н. Сорокин, А.Г. Шампаров // Естественные и технические науки. 2014. № 5 (73). С. 68 - 73.
14. Патент № 2167907. РФ. Способ получения брикетов.
Валиев Нияз Гадым оглы, д-р. техн. наук, проф. science@,ursmu.ru, Россия, Екатеринбург, ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет»,
Гревцев Николай Васильевич, д-р. техн. наук, проф. n. v.grevtsev@mail.ru, Россия, Екатеринбург, ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет»,
Лебзин Максим Сергеевич, преподаватель СПО, az_ma@mail.ru, Россия, Екатеринбург, ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет»
CURRENT STATE AND PERSPECTIVES OF HYDROMECHANIZED METHOD FOR PEAT
PRODUCTION
N. G. Valiev, N. V. Grevtsev, M. S. Lebzin
The article considers the advantages of a new hydromechanized peat extraction method with mechanical dehydration of peat raw material. It shows the benefits of a hydro-mechanized peat extraction method, examines the scheme of hydromechanized peat production, presents the results of mechanical peat raw material dehydration with the use of industrial waste (composite briquettes drying process), provides the conclusions and the comparative analysis of the hydromechanized method and the classical milling method of peat extraction.
Key words: hydromechanized method, milling method, peat, advantages, production
scheme.
Valiev Niyaz Gadym oglu, doctor of technical science,professor, science @ursmu. ru, Russia, Yekaterinburg, Ural State Mining University,
Grevtsev Nikolay Vasilievich, doctor of technical science,professor, n.v.grevtsev@mail.ru,Russia, Yekaterinburg, Ural State Mining University,
Lebzin Maxim Sergeevich, teacher of ACT, az_ma@mail.ru, Russia, Yekaterinburg, Ural State Mining University
Reference
1. Tkach S. M. Geotechnologies of open mining of mineral raw materials in fields with complex mining and geological conditions. Novosibirsk: geo, 2013. 307 p.
2. Shpansky O. V., Buyanov Yu. D. Technology and complex mechanization of extraction of non-metallic raw materials for the production of building materials. M.: Nedra, 1996. 462 p
2. production of peat products for energy purposes based on hydro - mechanized technologies-a reliable supplier of heat and electricity for local needs of production and housing and communal services / I. M. Yaltanets, a.m. Shtin, S. M. Shtin, A. S. Mishukov // GIAB, 2011. no. 1. M.: "Mountain book".
3. S. M. Shtin. Innovative technologies in hydro-mechanization of mining and construction works // Mining information and analytical Bulletin (scientific and technical journal). 2012. S1. Pp. 382-403.
4. Slepoy Yu., Shtin S. Improved Equipmeht For Mihihq ahd Deliverinq Raw Material to Dead Sea Works. Geological Survey of Israel, Jerusalem. 2-3. 12. 2002.
5. Shtin S. M. assessment of the depth of development by sapropel dredgers depending on their characteristics // Mining information and analytical Bulletin of the Moscow state University. "The dredging-2006", 2006.
6. Shtin S. M. the role of hydro-mechanization in preserving and improving the state of the environment // Mining information and analytical Bulletin. Moscow: mgg. 2000.
7. Yaltanets I. M. Handbook of hydro-mechanization. M.: Mir gornoy knigi. Izd. MGGU. Mountain book. 2010.
8. method of extraction of minerals, in particular peat, and the complex for its implementation. No. 2005137965. RF. 2007.
9. method of production of products, heat and electricity from peat. No. 2512210. RF. 2014.
10. S. M. Shtin. The use of peat as fuel for small power engineering // Mining information and analytical Bulletin (scientific and technical journal). 2011. No. 7. P. 82-96.
11. Kosov V. I. combined effects of borehole hidrogo-mining and quarrying of peat // Mining journal. 2008. No. 9.
12. Mikhailov A.V., Kremcheyev E. A., Nagornov D. O. Mechanization of peat extraction from an undried Deposit // Notes of the Mining Institute. 2012. Vol. 196. Pp. 256260.
13. System approach to optimization of peat composite materials technology / N. V. Grevtsev, B. B. Zobnin, R. N. Sorokin, A. G. Champarov // Natural and technical Sciences. 2014. No. 5 (73). Pp. 68-73.
14. Method of obtaining briquettes. No. 2167907. RF.
