CC BY
20
УДК 622.641.047: 552.577: 542.67
Э.А.КРЕМЧЕЕВ, канд. техн. наук, доцент, kremcheev@spmi. ru Д.О.НАГОРНОВ, канд. техн. наук, ассистент, [email protected] Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург
E.A.KREMCHEEV, PhD in eng. sc., associate professor, [email protected] D.O.NAGORNOV, PhD in eng. sc., assistant lecturer, [email protected] National Mineral Resources University (Mining University), Saint Petersburg
МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ ВЛАГИ ПРИ ПОЛЕВОМ ОБОГАЩЕНИИ ТОРФА В ТОЛСТОМ РАССТИЛЕ
Показана возможность применения модели равновесного состояния нарушенной торфяной системы при оценке эффективности гравитационного обезвоживания навала торфяного сырья без учета испарения влаги с поверхности в зависимости от высоты, критической толщины, интенсивности потока и количества влаги в слое после осадки.
Ключевые слова: торф, фильтрация, полевое обогащение, изменение влагосодержания, технология добычи.
MODEL OF MOISTURE MOVEMENT IN FIELD DRESSING OF PEAT IN THE LARGE SPREADING
The possibility of using the model equilibrium disturbed peat system to assess the effectiveness of gravitational drainage of the peat material hill without evaporation from the surface, depending on the height of the critical thickness, flow rate and the amount of moisture in the layer after deposition.
Key words: peat, filtering, field dressing, changing the moisture content, the technology of production.
В технологических решениях добычи и полевой переработки торфа большая часть рекомендаций дается на основании экспериментальных исследований, адаптация которых к изменяющимся метеорологическим условиям конкретного района расположения торфяного предприятия достаточно сложна и требует проведения повторных экспериментальных исследований. Снижение трудоемкости процесса адаптации технико-технологических решений и решение проблемы создания универсального подхода, позволяющего разрабатывать адаптивные торфопредприятия с расширенным сезоном добычи сырья, требуют глубокого теоретического обоснования процессов движения влаги в слое торфа нарушенной структуры и
оценки эффективности процесса влагопере-носа в комплексе технологических операций.
При изучении влагопроводности переувлажненной торфяной залежи нарушенной структуры под действием гравитационных сил Рг и капиллярно-осматических Рк создаются условия, когда Рк = Рг, интенсивность ig потока влаги стремится к нулю (ig ^ 0), а высота слоя торфа h стремится к предельной (минимальной) Hкр = const при соответствующем значении эффективного радиуса пор r. После достижения критической высоты навала торфа обезвоживание прекращается и для дальнейшего удаления влаги требуется механическое отжатие сырья или сушка торфа (полевая сушка или в заводских условиях).
В результате ранее проведенных исследований [2, 3] показано, что экспериментальное значение Нкрэ необходимо связать с теоретическим Нкрт через коэффициент р, учитывающий особенности реальной структуры и косвенно отражающий сопротивление переносу влаги,
Я,
кр.э
Якр.тр.
(1)
То же самое можно записать и для высоты навала торфа h(hэ,
hэ, = hTß,
ß = hэ h = Яэ /Я
(2)
Таким образом, формулу для расчета интенсивности гравитационного обезвоживания торфа можно записать в виде:
lg - к*
P - P
2к г
(3)
где кэф = квр - эффективный коэффициент влагопереноса; кв - коэффициент влагопро-водности. Уравнение (3) можно представить в виде [2, 3]:
ig --К
2с cos ©
rh
Рж g
(4)
где о - коэффициент поверхностного натяжения; г - радиус пор; © - угол смачивания
Рис. 1. Зависимость влагосодержания W от времени т гравитационного обезвоживания верхового шейхцериево-сфагнового торфяного сырья; степень разложения Rт = 22-25 % при Т = 293 К в слоях различной высоты Нн = (100; 150; 200; 300; 400)-10-3 м; AWi = Wн - Wкp при Нн = 100 ■ 10-3
Vi, кг/(кг ч)
v2 ■ 101, кг/(кгч)
0,6
0,4
0,2 -
/ 1
h "опт
0,3
0,2
0,1
0
0
100
200
300
400
hh ■ 103, м
Рис.2. Изменение средней скорости обезвоживания VI от начальной высоты навала Нн за первые 5 ч (кривая 1) и за 232 ч (кривая 2); VI = dWi ЛЛ, (условия обезвоживания аналогичны рис. 1)
0
твердой фазы жидкостью; g - ускорение свободного падения; рж - плотность связанной жидкости, рж = (0,81-1,32) • 103 кг/м3 при Т = 273-311 К. Причем с ростом влагосо-держания W и уменьшением степени переработки (степени разложения Rт) плотность уменьшается для каждого периода структу-рообразования и в зависимости от температуры проходит через максимум [1].
В работах [2, 4] показана взаимосвязь коэффициента влагопроводности с фильтрационными свойствами торфа
К2 = кг ехр[- аф(е1 - е2)]м, (5)
где аф - коэффициент, характеризующий уменьшение водопроницаемости торфа при его увлажнении [5]; 81, 82 - коэффициенты пористости, соответственно, начальные и текущие значения; 8 = п/(1 - п); п - общая пористость; А,р = (р^ф)-1 - характеризует обратную величину интенсивности влагопе-реноса; kф - максимальное значение коэффициента фильтрации.
Максимальный коэффициент влагопро-водности для верхового типа торфа принимает наименьшие значения = (0,0020,073) • 10-10 с по сравнению с переходным kв2 = (0,006-0,426) • 1010 С и низинным kв2 = = (0,145-0,342) • 10-10 с и линейно убывает с ростом степени разложения. Причем ig для низинного и переходного торфа проходит через минимум при степени разложения Rт = 31 %. Зависимость ig = f(Rт) для торфа верхового типа характеризуется линейным уменьшением интенсивности с ростом Rт [2].
При достижении фильтрационного равновесия, когда ig ^ 0, Рк ^-Р*,, hi = Нкр, ко-
личество оставшейся влаги в навале торфа и
Нкр буду коррелировать с коэффициентом влагопроводности, пористости, размерами пор, высотой навала, т.е. для торфа верхового типа при Нкр = const масса оставшейся влаги HpWjp в слое Нкр будет выше, чем у переходного и низинного типов (рис.1, 2). Для одного типа торфа приведенное значение оставшейся влаги
Мп =
(6)
растет с повышением высоты навала ^ (табл.1).
Выражение (6) можно привести к общепринятому расчету массы воды тв через технологические характеристики Нкр, ус, V, рж. Для этого умножим и разделим уравнение (6) на плотность сухого вещества торфа ус:
У с
Мп = Н^р^.
У с
Произведение Жкрус = рж дает значение плотности связанной жидкости. Тогда выражение для приведенного значения оставшейся влаги можно записать как
Н „_
Мп = рж.
У с
Заменяя рж = тв /V через массу воды и ее объем, получим
мп = тв,
Ус V
тв = Мп1л Н
У V
кр
Масса воды, содержащейся в навале торфа, пропорциональна Мп, ус, V, 1/Нкр. Если все величины, кроме Мп, считать постоянны-
Таблица 1
Изменение влагосодержания при гравитационном обезвоживании торфа в навалах различной высоты
в зависимости от времени
h„-103, м Нкр-103, м Время т, ч К эф К эм Н W 1 ^кр^ кр; м(кг/кг)
0 1 5 20 50 125 232
100 73 15,28 13,38 12,37 12,04 11,82 11,71 11,66 0,270 0,237 0,85
150 110 15,28 13,46 12,15 11,53 11,29 11,17 11,11 0,270 0,273 1,22
200 145 15,28 13,83 13,39 11,33 10,92 10,73 10,64 0,275 0,304 1,54
300 209 15,28 13,99 12,60 11,15 10,56 10,35 10,20 0,310 0,332 2,13
400 273 15,28 14,12 12,85 12,29 10,44 10,00 9,75 0,320 0,362 2,66
ми, кук = YcV/Hp = const, то окончательно получим, что величина mB = кжМп пропорциональна приведенной массе воды. В расчетах использование предложенного выражения удобнее, чем прямой расчет массы воды тв. Если известна плотность жидкости рж = усЖ [1] и ее объем V, то уравнение можно заменить на довольно простое mв = рж^ применение которого затруднительно из-за отсутствия справочных данных рж и V для конкретного типа торфяного сырья.
Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях при конвективном теплообмене, температуре воздуха Т = 295 К, относительной влажности воздуха ф = 0,47. При проведении лабораторных исследований применялся шейхцериево-сфагновый торф со степенью разложения R, = 22-25 %, зольностью Ас = 6,55 %, содержанием серы 0,26 %, низшей теплотой сгорания на рабочее топливо 11,22 МДж/кг
при w = 40 % (0^ = 2685 ккал/кг). Торф имеет довольно высокую теплоту сгорания и может быть использован для производства окускованного топлива. При проведении исследований начальное влагосодержание торфа WH = 15,28 кг/кг (w = 93,86 %).
Торф нарушенной структуры закладывался в колонки различной высоты, круглого сечения с сетчатым дном. Высота колонок h = 100; 150; 200; 300; 400 мм. После заполнения колонок они ставились на фильтрацию. В процессе проведения эксперимента фиксировались технологические показатели: масса гравитационной воды (фильтрат), высота осадки слоя торфа в колонке h0с и критическая толщина слоя Нкр. С помощью специального датчика фиксировалось влагосодержание W торфа. Для контроля интенсивности обезвоживания торфа проводились измерения интенсивности испарения водной поверхности, которые позволили учесть долю испарившейся из торфа влаги в процессе его гравитационного обезвоживания.
Эффективность обезвоживания характеризуется отношением
h - Н
j-n _ "н кр.э
Кэф —
(7)
которая тем выше, чем меньше Нкр при ^ = const. Эту величину можно рассчитать и через изменение влагосодержания
WH - WKP WKP
н кр кр
к э»--—--1 —
W
W
(8)
где Жкр - принимается в условиях, когда hi = Нкр, ig = 0. В нашем случае такое приближение допустимо (табл.1) при т = 232 ч, когда
ig ^ 0 (табл.2).
Таблица 2
Зависимость интенсивности гравитационного обезвоживания торфа от времени
!н 103 Время т, ч
0,5 4,5 21 49 109,5 225,5
100 12,99 0,76 0,12 0,06 0,003 0
150 18,39 1,57 0,25 0,05 0,002 0
200 19,51 2,69 0,35 0,15 0,003 0
300 26,14 4,48 0,90 0,18 - 0,005
400 31,35 5,58 1,46 0,44 0,069 0,015
В первом случае К'эф = 0,27-0,32, во втором К'э„ = 0,237-0,362 (табл.3), т.е. значения мало отличаются, что свидетельствует о достоверности результатов проведенных исследований, так как средние величины коэффициентов К'э = 0,3 совпали с расхождением, не превышающим 0,5 %.
Зависимость коэффициентов эффективности гравитационного обезвоживания обуславливается значениями высоты навала и влагосодержанием, которые при равных величинах К'эф = К'э„ могут быть заменены:
Н
кр.э
Кэ» — 1 —
h
или К'эф — 1 -
W
кр
W,
С учетом полученных зависимостей (1)
2сcos © . , . ч
выражения (7) и (8) при-
И Нкр.т —
Фж g
нимают вид:
, ß 2сcos ©
К эф — 1 - ---
hH Фж g
(9)
Таблица 3
Зависимость коэффициентов эффективности обезвоживания от высоты навала торфа
йн • 103, м Икр • 103, м Жф, кг/кг Ж, кг/кг Икр /йн Жкр /йн К'эф К эw
1 2 3 4 5 6 7 8
100 73 11,66 15,29 0,730 0,760 0,270 0,237
150 110 11,11 15,29 0,730 0,730 0,270 0,273
200 145 10,64 15,29 0,725 0,700 0,275 0,304
300 209 10,20 15,29 0,700 0,670 0,310 0,332
400 273 9,75 15,29 0,680 0,640 0,320 0,362
Примечания. 1. Н крэ + к' = 1- Жкр + К' = 1 2. Если сложить колонки 5 и 7, 6 и 8, то согласно формулам
йн ™ ' Жн эф '
(7) и (8)получим значения, близкие к единице.
15 14 13 12 11 10 9
0
Нкр^ф , м(кг/кг)
'1
V
\
\ 3
2
1 г
- 2,5
- 2
- 1,5
- 1
- 0,5
50
100
150
200
250
300
350
0
400 . йн 103,м
Рис.3. Зависимость влагосодержания Жот критической толщины Ищ, навала торфа (1), его начальной высоты йн (2) и произведения И-щЖ-кр в функции йн (3); условия обезвоживания аналогична! рис.1; Жн = 15,286 кг/кг
W
ъп — 1 кр
К эм = 1 - "
(10)
Сравнивая уравнения (9) и (10), найдем, что перепад
ДW = Wн А 2стС05 0
hн Фж g
(11)
Перепад влагосодержания Д W = Wн - Wкр связан с характеристиками структуры торфяной залежи г, р, воды 5, рж, ©, высотой навала йн, начальным влагосодержанием Wн, определяющими коэффициент эффективности торфа. Причем, чем меньше ДW, тем выше значения К'эм. Следовательно, при прочих равных условиях К'эм, растет с повышением йн, г и уменьшением р. Это об-
стоятельство подтверждается результатами экспериментальных исследований зависимости влагосодержания W от времени (см. рис.1) при различной высоте навала йн(Ж=f (т), йн = var, скорости обезвоживания VI в функции йн зат = 5 ч и т = 232 ч (рис.2, V! = Д(т), W=ДИкр, йн) и приведенного количества оставшейся влаги HкрWкр = Мп после осадки слоя торфа при hi = Икр в зависимости от высоты навала йн (рис.3), интенсивности гравитационного обезвоживания ig от времени т(Ж=Д (т) (табл.2), а также зависимости Икр = Д(т). Зависимость W=Д (т) показательна тем, что в начальный период времени т = 5 ч скорость влагопереноса v! принимает максимальное значение при йн = 0,1-0,2 м (см. рис.1, 2). Наименьшее
140 120 100 80 60 40 20 0
■ б ез исп испар арения ением } А
Дс /
/
0 100 200 300 400 hH, мм
300 250 200 150 100 50 0
Нр, мм 300
250
200
150
100
50
0
0 100 200 300 400 hH, мм
0 0,04 0,08 0,12 0,16 r 103, м
Рис.4. Зависимость осадки hж (а) и критической толщины Нкр (б) от начальной высоты слоя обезвоживания изменение Нкр (в) в функции радиуса пор г без испарения и с его учетом для верхового шейхцериево-сфагнового
торфа; Rт = 22-25 %, Т = 293 К, ф = 0,47
значение для W наблюдается для относительно толстых слоев (см. рис.1, 3, 4). Произведение HKpWKp принимает большее значение для толстых слоев (см.табл.1) из-за увеличения HKp с ростом кн.
Следовательно, коэффициент эффективности позволяет оценить количество потерянной влаги, т.е. определяет влагопро-водные свойства торфяного сырья (табл.3), а произведение Нк^кр характеризует количество оставшейся внутри влаги. При К'эф ^ 1, AW ^ 0 и НкрШкр ^ 0 количество оставшейся в торфяном сырье влаги определяет комплекс последующих технологических операций по снижению ее количества другими способами (механическое отжатие, полевая или заводская сушка и др.), а коэффициент К'эф позволяет рекомендовать способы интенсификации гравитационного обезвоживания. Оптимальными следует считать следующие условия: К'эф ^ 1, Нкр ^ min, НкрШкр ^ min, ig ^ min, AW ^ 0.
Таким образом, гравитационное обезвоживание позволяет удалить около 30 % влаги для верхового типа торфяной залежи нарушенной структуры. Для переходного и низинного типов торфа это значение должно быть выше из-за их более высокой влаго-проводности.
Удовлетворительная сходимость экспериментальных данных с результатами проведенных теоретических исследований по-
зволяет рекомендовать используемые теоретические подходы при выборе и оценке эффективности вновь предлагаемых технологических решений по полевому обогащению торфяного сырья, что обеспечит значительную экономию временных и материальных ресурсов при проектировании торфяных предприятий с расширенным сезоном добычи торфа, осуществляющих добычу торфяного сырья повышенной влажности.
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Афанасьев А.Е. Влияние структурообразования на плотность жидкости коллоидных капиллярно - пористых тел / А.Е.Афанасьев, А.С.Ефремов // ТОХТ. 2011. Т.46. № 1.
2. Афанасьев А.Е. Теоретическая оценка коэффициентов влагопроводности торфяной залежи нарушенной структуры / А.Е.Афанасьев, Э.А.Кремчеев, А.С.Ефремов // ГИАБ, приложение «Гидромеханизация». 2012. Вып.6.
3. Базин Е.Т. Влияние технологических и физико-химических воздействий на водопроницаемость и структуру торфа / Е.Т.Базин, В.И.Косов, С.В.Миняев // Торфяная промышленность, 1981. № 7.
4. Кремчеев Э.А. Оценка эффективности гравитационного обезвоживания сырья при комплексной механизации круглогодовой добычи торфа / Э.А.Кремчеев,
A.Е.Афанасьев // ГИАБ, 2012. № 4.
5. Технический анализ торфа / Е.Т.Базин,
B.Д.Копенкин, В.И.Косов и др. М., 1992.
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.209
б
а ^с, мм
в
REFERENCES
1. Afanasiev E.A. The influence of structure on the density of the liquid colloidal capillary-porous bodies / A.E.Afanasiev, A.S.Efremov // TOHTI, 2011. Vol.46. N 1.
2. Afanasiev E.A. Theoretical estimation of the coefficients of hydraulic conductivity of peat deposits impaired structure / A.E.Afanasev, E.A.Kremcheev, A.S.Efremov // GIAB, topical application «Hydromechanization». 2012. Iss.6.
3. Bazin E.T. The impact of technological and physical-chemical effects on per meable-bridge structure and peat / E.T.Bazin, V.I.Kosov, S.V.Minyaev // Peat industry, 1981. N 7.
4. Kremcheev E.A. Evaluating the effectiveness of gravity drainage materials for year-round comprehensive mechanization of peat / E.A.Kremcheev, A.E.Afanasev // GIAB, 2012. N 4.
5. Technical analysis of peat / E.T.Bazin, V.D.Ko-penkin, V.I.Kosov. Moscow, 1992.
