Критерии качества торфяного сырья и продуктов его переработки Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

--© И.В. Цветков, О.В. Пухова,

Д.Е. Тимофеев, 2013

УДК 662.641.033

И.В. Цветков, О.В. Пухова, А.Е. Тимофеев

КРИТЕРИИ КАЧЕСТВА ТОРФЯНОГО СЫРЬЯ И ПРОДУКТОВ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ*

Дана характеристика критериев качества формованных кусков из торфяного сырья. Установлено влияние механической переработки торфяного сырья на прочностные свойства продукции. Построены графики зависимости и выведено уравнение зависимости прочности формованных торфяных кусков от степени переработки при различном влагосодержании.

Ключевые слова: торфяное сырье, дисперсность, продукты переработки торфа, критерии качества формованной торфяной продукции.

В настоящее время актуальной задачей является комплексное использование местного энергетического сырья, которое в значительной степени может повысить уровень социально-экономического развития потребителей, находящихся в отдалении от традиционных энергетических ресурсов. При производстве формованного топлива [1] из торфяного сырья необходимо получение прочного продукта, так как прочность куска косвенно определяет его кро-шимость, которая влияет на потери при сушке, уборке и транспортировке. Малопрочные куски при одинаковых механических воздействиях дают большее количество мелочи, чем более прочные куски. Поэтому зная только прочностные показатели конечного продукта, можно воспользоваться ими для контроля крошимости [2]. Причем, за крошимость ответственна не столько прочность куска, сколько неоднородность в распределении пор, влаги, плотности.

Влагосодержание при формовании торфяного сырья и дисперсность

относятся к технологическим факторам, влияющим на прочность. Топливо из торфяного сырья считается качественным, если имеет влажность менее 45 % [3]. Дисперсность - степень измельченности вещества на частицы, выраженная в процентах, которую порой отождествляют с условной удельной поверхностью частиц 5 (м 2/кг). Определение степени дисперсности необходимо для характеристики торфа как сырья для промышленности, исследования его физико-химических и механических свойств, а также для изучения различных производственных процессов.

При механической переработке изменяются физические свойства торфа и его макроструктура, частично разрушаются растительные остатки. В работе С.Г. Солопова [4] рекомендуется для получения кускового торфа повышенного качества перерабатывать его до 5 = 600...700 м 2/кг. Помимо измельчения торфа в результате переработки, происходит равномерное распределение фракций во всем объеме формуемой массы.

*Научные исследования проведены при финансовой поддержке государства в лице Ми-нобрнауки России (соглашение № 14.B37.21.1908)

При исследовании дисперсность оценивалась показателем условной удельной поверхности 5, м2/кг, которая вычисляется по эмпирической формуле:

5 = Дт с (1 + к)-10 4, где Дт с - содержание фракций размером менее 4 мкм; к - коэффициент: к = 0,2, если Дт с = 0,2...0,3; к = 0,15, если Дт с = 0,3.0,5; к = 0,1, если Дт с > 0,5.

Торфяные куски при формовочном влагосодержании представляют собой структурированные системы преимущественно с коагуляционным типом контактов и широким спектром энергии связи между частицами. Процесс сушки является одним из способов повышения концентрации твердой фазы, происходящих в торфяной системе. Обратимся к зависимости прочности от влагосодер-жания в виде 1п Я = f(W ) (рисунок).

0,5 1,5 2 2,5 ГГ

Изменение прочности Я (МПа) в зависимости от влагосодержания № (кг/кг) верхового магелланикум Я =25 % Б = 580 (1), 450 (2), 390 (3), 309 (4) м 2/кг

Зависимость прочности от влаго-содержании представляет собой для формованных торфяных кусков ломаную линию, состоящую из двух прямолинейных участков с точкой перегиба в области W = W с . Каждый из отрезков характеризует свой период структурообразования, обусловленный изменением энергии межмолекулярных взаимодействий дисперсных частиц между собой и, следовательно, с дисперсионной средой. При этом характер изменения энергетического уровня приводит к четкой фиксации отдельных периодов структу-рообразования. Каждому из периодов соответствует определенное взаиморасположение твердой и жидкой фаз, а также органического и минерального вещества между собой. Приращение прочности формованных торфяных кусков обусловлено изменением природы, числа связей между элементами структуры при переходе от большего влагосодержания к меньшему и дефектности структуры [5].

Первый период определяет струк-турообразование торфяной системы, которая переходит из жидкообразной в твердообразную условно-пластичную, преобладают молекулярные связи. Второй участок характеризует временную стабилизацию коагуляци-онной структуры, когда система переходит из вязкопластичного в твердое состояние, преобладают водородные межмолекулярные связи. Для каждого из периодов структурообра-зования зависимость прочности от влагосодержания торфа при постоянной температуре представляется в виде экспоненциальной формулы Я = Я ow ехр(-Ш ),

где X = (р-к у )/(с-у 0 ) - коэффициент упрочнения структуры, определяемый р - плотностью твердой фазы, у 0 -

плотностью сухого вещества торфа, коэффициентом усадки k у и уплотнения с, определяемого по компрессионной кривой. Как следует из рисунка нарастание прочности во втором периоде выше, чем в первом.

Переход структуры торфяного сырья различной степени разложения на новый энергетический уровень при обезвоживании подчиняется одним и тем же физическим закономерностям. Это позволяет при определенных влажностных состояниях рассматривать универсальные зависимости для систем с различными типами контактов использовать свои физические константы при различных периодах структурообразования.

Для верхового магелланикум торфа R = 25 % с начальной дисперсностью S = 309 м 2/кг торфяного сырья точка перегиба С приходится на вла-госодержание W<; = 0,9 кг/кг. Относительно невысокое значение прочности формованных торфяных кусков при влагосодержании W = 0,49 кг/кг определяется характером распределения усадочных давлений, которые в центре куска выше, чем на поверхности [4]. Это вызывает изменение прочности формованного торфа. С увеличением дисперсности до S = 450 м 2/кг распределение усадочных давлений равномернее, это приводит к более равномерной упаковке частиц по всему объему куска и росту прочности. Значение влагосодержания, соответствующего точке перегиба, составило уже 1,3 кг/кг. При дальнейшем увеличении степени дисперсности до S = 580 м 2/кг растет плотность упаковки частиц и поэтому прочность возрастает и достигает R = 9,3 МПа (W = 0,49 кг/кг), We = 1,4 кг/кг. Второй период струк-турообразования начинается не од-

новременно для всей исследованной дисперсности торфяного сырья.

В процессе сушке от формовочной влаги до влаги точки перегиба коагу-ляционная структура торфяных кусков упрочняется в результате сближения и уплотнения надмолекулярных образований, что объясняет их интенсивную усадку. В этом интервале вла-госодержаний удаляется влага физико-химической связи. Обезвоживание происходит вследствие потока влаги из крупных пространств. При этом растет число элементарных актов взаимодействия, что обеспечивает развитие внутренних давлений неодинаковых в верхних и центральных слоях куска. Во втором периоде удаляется преимущественно физико-химическая форма связи влаги с материалом.

При структурообразовании в процессе сушки готовой продукции необходимо учитывать склеивание расте-ний-торфообразователей гуминовыми и легкогидролизуемыми веществами в единую систему, то есть от относительной доли грубодисперсных и высокодисперсных фракций зависит целостность куска формованного торфа.

Анализ рис. показывает, что повышение степени дисперсности торфяного сырья приводит к увеличению прочности готовой продукции, так как помимо измельчения торфяной массы при переработке происходит равномерное распределение грубо-дисперсных и высокодисперсных фракций в объеме формуемой массы. Причем высокодисперсная фракция склеивает крупные отдельные частицы в одно целое.

В процессе структурообразования формованных торфяных кусков число водородных связей невелико, хотя на-

Значения коэффициентов уравнения (1) для верхового магелланикум торфа R = 25 %

W, кг/кг 0,25 0,5 0,75 1,0 1,5 2,0

X s 0,0039 0,0049 0,0056 0,0058 0,004 0,003

ряду с силами Ван-дер-Ваальса они обеспечивают рост прочности в первом периоде, соединяя элементы структуры материала через молекулы воды. Во втором периоде в системе начинают преобладать непосредственные точечные контакты [5]. Эти контакты соответствуют площадкам в один или несколько атомов, или в одну ячейку кристаллической решетки [6]. Кроме того, между частицами остаются открытые пространства, которые не способствуют повышению прочности формованных торфяных кусков.

В результате обработки зависимостей рис. выведено уравнение зависимости прочности формованных торфяных кусков от степени переработки Я = ¡(5) при различных значениях влагосодержания:

1. Яблонев А.Л., Пухова О.В. Современные направления использования торфа.

- Вестник ТГТУ, 2010. - Вып. 17. - с. 104

- 107.

2. Костюк И.С., Яцевич Ф.С. Производство мелкокускового торфа. - Минск: Наука и техника, 1975. - 135 с.

3. Технический анализ торфа / Е.Т. Ба-зин, В.Д. Копенкин, В.И. Косов и др. - М.: Недра, 1992. - 431 с.

4. Солопов С.Г. Влияние дисперсности на структуру и физико-механические свойства торфа в связи с задачей получения ка-

R i = R os exp(Xs S), (1)

где X S - коэффициент, характеризующий изменение прочности при колебании дисперсности на 1 м2/кг. В табл. представлены значения коэффициентов уравнения (1).

Итак, в связи с особой значимостью величины условной удельной поверхности при производстве формованного топлива из торфяного сырья необходимо определять дисперсные характеристики торфа в залежи, ибо, зная ее и оптимальную условную удельную поверхность, соответствующую критериям качества формованного топлива, можно управлять процессом механической переработки путем регулирования работы перерабатывающих машин и механизмов.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

чественного кускового топлива из залежей с пониженной влажностью // Труды МТИ. М., 1958, Вып. 8. С. 40-168.

5. Пухова, О.В. Закономерности изменения физических свойств торфа при его переработке и сушке: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.15.05 / О.В. Пухова; Тверской государственный технический университет. - Тверь, 1998. - 20 с.

6. Коагуляционные контакты в дисперсных системах / В.В. Яминский, В.А. Пче-лин, Е.А. Амелина, Е.Д. Щукин. - М., 1985. - 185 с. 8Ш

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Тимофеев А.Е. - кандидат технических наук, [email protected], Пухова О.В. - кандидат технических наук, доцент, [email protected], Цветков И.В. - аспирант, [email protected], Тверской государственный технический университет.