Особенности гравитационного обезвоживания торфа Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

- © А.С. Ефремов, Г.А. Дмитриев,

A.E. Афанасьев, 2014

УДК 622.641.047:552.577:542.67

А.С. Ефремов, Г.А. Дмитриев, A.E. Афанасьев

ОСОБЕННОСТИ ГРАВИТАЦИОННОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ ТОРФА

Авторы рассматривают изменение плотности связанной и свободной воды при гравитационном обезвоживании торфа, описывают инфракционный способ определения влагосодержания торфа при разработке инновационной технологии производства крошкообразной продукции.

Ключевые слова: торф, плотность, вода, гравитационное обезвоживание, технология производства.

Принципиально новые технологии добычи и переработки торфа создаются на основе фундаментальных и прикладных исследований на уровне изобретения с учетом особенностей технологии его гравитационного обезвоживания. Подобное условие рассматривается в этой статье при разработке новой технологии сушки фрезерного торфа на различных этапах ее прохождения. В сравнении со свободной последняя определяет сорбционно-фильтрационные свойства торфяных систем при их сушке, без знания которых невозможно высушить торфяную продукцию в полевых и заводских условиях; а на основе изучения отражательной способности ИК излучения созданы влагомеры-плотномеры, позволяющие контролировать технологические характеристики продукции на различной стадии ее производства. Рассмотренные особенности поведения торфяной продукции позволили разработать инновационную технологию, испытать ее в полевых условиях и сдать в промышленное производство.

Подобная последовательность этапов создания таких технологий носит условный характер, но обязательный по их содержательной части, выдержанной в той или иной форме. Эти особенности разработки представлены ниже.

Оценка плотности связанной жидкости коллоидных капиллярно-пористых тел при сушке

Разработан метод расчета и получены впервые значения плотности жидкости рж при сушке торфа различной дисперсности и температуры Т, отличающиеся от табличных значений р0, для соответствующих периодов структурообразования: р = = (0,81 - 1,32)-103 кг/м3 ^ = 1,2). Установлено, что меньшие значения (рж < р0) плотности наблюдаются для непереработанного и слабо переработанного торфа. Большие значения (рж > р0) относятся к интенсивно переработанному торфу, зависимость рж = f(T) плотности от температуры проходит через максимум, T = 308313 К. При Тн > (343-349) ^граница проявления водородных связей) обе кривые рж = сливаются в одну, определяя преимущественное взаимодействие между элементами структуры, влажных торфяных тел, через молекулярные связи Ван-дер-Ваальса. Показано изменение пористости п = ДТ) для обоих периодов струк-турообразования торфа и несоответствие в определении рж(] = 2) между известным подходом, используемым в научных исследованиях (рж = кг(с)/м3, где ус - плотность сухого вещества торфа, кг(с)/м3; при влагосо-

1,25

1,05-

Л

г ' Г ^ч \

- /у •

- ¡7 > / / »л 1 (V ! ■

4' —4 0.

1277,14 "П"

273

303

323

343

363

ИЗ

40:5

423

Т,К

473

£23

Рис. 1. Зависимость плотности жидкости от температуры сушки торфа: 1 - рж = /(Т), табличные значения; 2 - р0 = 1х103 кг/м3 при Т = 277,14 К; 1,2 - свободная вода; 3,4 -соответственно р = /(Т) для первого и второго периодов структурообразования торфа, 3' - рж = /(Т) при Тн > 343 К

Рис. 2. Зависимость плотности жидкости рж, кг/м3, от переработки в шнековом устройстве шейхцериево-сфагнового торфа степенью разложения 20%, высушенного при ф = 50-60% и Т = 289291 К при начальных №0 = 8-10 кг/кг и d = 40 мм. Обработка данных: 1 - г = 0 (непереработанный), 2 - г = 1 (переработанный без ножа), 3 - г = 5, 4 - г = 25 раз, соответственно, в 1-ом (1, 2, 3, 4) и 2-ом (1', 2', 3', 4') периодах структурообразования

держании кг(в)/кг(с) и разработа-ным авторами методом. Совпадение имеет место только для первого (] = 1) периода структурообразования, при относительно высоком влагосодержа-нии (№ > 0,8 - 1,2 ) (рис. 1, 2, 3, 4).

Рис. 3. Зависимость пористости п формованного торфа от температуры Т (К):

1 - первый и 2 - второй периоды структу-рообразования. Обработка данных рис. 1, 2

В настоящее время отсутствуют методы измерения средней плотности связанной жидкости коллоидных и капиллярно-пористых торфяных тел из-за сложности учета особенностей молекулярного взаимодействия дискретных молекул между собой и с твердой фазой влажных твердых тел. Кроме того, сорбированная жидкость образует единый комплекс с гидрофильной или гидрофобной твердой фазой с измененной физической

структурой и повышенной энергией связи от 40-400 (химически связанная вода) до 1,0 кДж/моль (торфяная вода механического удерживания), которая растет с понижением влагосодержа-ния тел. Поэтому среднюю плотность связанной жидкости рж необходимо знать для повышения точности оценки физико-технических и тепломассообменных характеристик коллоидных и капиллярно-пористых тел, где обычно используют плотность р0 свободной воды, а также по управлению качеством продукции при оценке сорб-ционно-фильтрационных процессов при сушке и переработке торфа и др. материалов с подобной структурой. В основу настоящей работы положена задача разработки способа определения плотности жидкости в коллоидных и капиллярно-пористых телах с учетом изменения температуры, пористости, условной удельной поверхности 50, влажных материалов для различных условий структурообразования при их сушке, которые можно пояснить с помощью рис. 1, 2, 3, 4.

Инфракрасный влагомер-плотномер (ИКВТ)

Применение новых технологий и оборудования, внедрение автоматизированных систем управления технологическими процессами торфяного производства, управление качеством готовой продукции немыслимы без оперативного определения основных технологических и физико-технических показателей: содержание влаги в торфе, насыпной плотности, степени разложения и зольности. Одним из возможных способов контроля за вла-госодержанием торфа является метод инфракрасной (ИК) влагометриии,

Рис. 4. Зависимость рш = f(n) для i = 1 и i = 2 периодов структурообразования.Условия эксперимента, см. рис. 1

в частности, разработанный авторами многоволновый метод измерения вла-госодержания дисперсных и капиллярно-пористых материалов.

На основе этого метода в ТГТУ разработана теория и созданы приборы для определения содержания влаги и плотности торфа в лабораторных (ИКВТ-2) и полевых (ИКВТ-П) условиях. Работы вели согласно комплексной программе метрологического обеспечения измерений влажности твердых веществ на 1981-1985 гг. с использованием прямого отсчета по влаге или обобщенного градуировоч-ного графика зависимости тока I от относительного влагосодержания W./W0 исследуемого материала (торф, кварцевый песок, ткани, бумага, почвы и др.) рис. 5, W0 - const материала. Для этого использовалась одна из схем по отражению ИК - излучения (рис. 7, е) в широком диапазоне длин X волн (X = 0,76^3,3 мкм).

Назначение, область применения, эффективность: предназначен для измерения содержания влаги W., практически, от полного влагонасыщения до равновесного (при определенных условиях - до нулевого значения) с погрешностью менее (1,5^2,0)% в по-

Рис. 5 Обобщенная градуировочная кривая зависимости J от W/WC

Рис. 6 Зависимость обратных относительных значений тока 1^ от значений влагосодержания график (1) и

1^ от обратных значений влагосодержания график (2) при отражении ИК излучения от различных материалов

левых и лабораторных условиях различных органических (торф, сапропель, ткани, бумага, семена злаковых растений и т.д.), минеральных (грунты, глина, песок и др.) дисперсных природных и искусственных материалов с дискретным отсчетом в течении нескольких секунд (3^5 с) (с подготовкой образца - до 30 с) с возможным переводом в автоматический режим отсчета на основе обобщенной гра-дуировочной кривой (рис. 5). О плотности судят по отраженному ИК - излучению разделенному на два потока и прошедшего одного из них через водяной фильтр (рис. 7, а), а влагу

определяют по отношению потоков отраженного от материала (например, торф) и прошедшего через тот же водяной фильтр (рис. 7, е). Такой подход значительно повышает производительность и снижает стоимость затрат по сравнению с термовесовым методом определения Щ и стандартным методом определения плотности с помощью литровой пурки с падающим грузом.

Основные особенности, преимущества по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами: принципиальное отличие предлагаемого влагомера от рассматриваемых выше (рис. 7) состоит в том, что в качестве эталона служит сам исследуемый на содержание влаги образец. Материал (торф, кварцевый песок, почва и т.д.) предварительно облучается интегральным потоком инфракрасного излучения и фиксируется его отраженная составляющая. В этом случае поток ИК излучения взаимодействует с твердой и жидкой фазами торфа. Вторичное облучение производится с предварительной фильтрацией его через селективно пропускающий измерительный светофильтр. То есть образец вторично облучается ИК потоком, который практически не поглощается водой торфа. Его отраженная интенсивность облучения, в основном, зависит от состояния твердой фазы образца (плотность, дисперсность и т.д.). По отношению интенсивности предварительного ^ и вторично отраженного ^ излучений по градуировочному графику J = JП/JВ = = ¡(Щ определяют влагосодержание. При данном способе измерения происходит как бы исключение свойств твердой фазы и их влияния на результаты измерения влагосодержания. Компенсация плотности торфа происходит до тех пор, пока не будет выдавливаться вода на поверхность частиц при засыпке торфа в кювету и уплотнении его до заданного значения.

Ограничение на фракционный состав накладывает максимальный размер частиц. Он не должен превышать 3мм, при котором отражение ИК-излучения стремится к минимуму.

Другим отличием от существующих одно-, двух- и трехволновых (для многокомпонентных сред) оптических влагомеров в предлагаемом влагомере (ИКВТ) используют один измерительный селективно пропускающий в полосах прозрачности жидкой воды светофильтр в области спектра 0,76-3,3 мкм. Эта особенность позволяет увеличить чувствительность прибора в широкой области влагосодержания (практически от нуля до полной влагоемкости).

По сравнению, например, с финским влагомером Р.Т.-53 фирмы ТШУЕНШКЛ он отличается по массе, т = 0,7±0,1 кг, против 1^2,2 кг; по большему интервалу измерения влаги, ш = 0^85%, против ш = 30^60%; постоянным источником питания (от аккумуляторов или от сети) достаточным на 6 ч непрерывной работы без подзарядки, против 3,5 ч; многоволновым ИК- излучением, обеспечивающим измерение влаги разной энергии связи с твердой фазой, особенно при ш < 40%; широким интервалом температуры материала, от 0 до температуры закипания жидкости в пористом теле, против I = 0^50 °С; отсутствием эталона и др.

Предложенный нами подход регистрации ИК- излучения позволяет, при соответствующей подготовке образца, измерять степень разложения

Рис. 7. Схемы первичных преобразователей: а-ж -

при отражении излучения; з-м - при поглощении излучения; 1 - излучатель; 2 - модулятор; 3 - фото-приемник; 4 - светофильтры; 5 - объект; 6 - зеркало; 7 - линзы; 8 - вогнутое зеркало; 9 - синхронный двигатель; 10 - материал; 11 - модулятор с водяным фильтром; 12 - жидкий фильтр; 13 - окно прозрачное; 14 - влагосорбирующее устройство; 15 - бипризма; 16 - кювета; 17 - призмы; 18 - коллектор

торфа (Патент 1672816, A1SUG01 № 21/55, для служебного пользования) и безконтактное определение капиллярного давления в капиллярно-пористых материалах (А.С. 1774198 (СССР). Опубл. Б.И. № 41).

Стадия реализации: теоретическая и экспериментальная разработка опытного образца используемого в учебном процессе и промышленном производстве, и принятого Минтоп-промом РСФСР (1986) для изготовления опытно-промышленной партии (было выпущено силами кафедры ТКМ РТМ 5 приборов ИКВТ-2).

Данные на рис. 5. можно упростить применительно к отсчету резуль-

тата, если привести его к линейному виду рис. 6.

Инновационная технология производства фрезерного торфа в толстых слоях с послойной уборкой

В КПИ под руководством А.Е. Афанасьева разработана и испытана в полевых условиях новая технологическая схема производства фрезерного торфа, которая в 1981 г. Минтоппромом РСФСР принята для внедрения в отрасли. Новая технология предусматривает относительно глубокое фрезерование торфяной залежи (Ьф = 25+40 мм), позволяющее создавать толщину рыхлого (аэрированного) слоя низинного торфа Н0 = 80+100 мм, а верхового - 100120 мм и ежедневную уборку высушенной части слоя (рис. 8, в). Однократного фрезерования вполне достаточно на 3-5 циклов уборки, число которых определяется условием сушки. Для слабой сушки и неустойчивых погодных условий число циклов уборки достигает пц = 5, а для хорошей сушки и устойчивых погодных условий пц = 3. После сработки аэрированного слоя до критической переходной толщины Нкр = 20+30 мм сушка торфа прекращается и производится фрезерование

залежи с оставшимся от предыдущего цикла слоем торфа таким образом, чтобы создать первоначальную толщину рыхлого слоя Н0. Цикл повторяется (назовем его полным циклом). При сра-ботке рыхлого слоя до Н = Нкр начинают интенсифицироваться тепло - и влагообмен с подстилающей залежью которые приводят к снижению затрат тепловой энергии (ЕЬ) на испарение влаги с 0,85-0,90 от радиационного баланса В при Н0 = 80+120 мм (Рг3 « 0) до 0,30 - 0,55 от величины В при Н0 = 15+40 мм (где Рг - глубинный отток тепла, рис. 9), уменьшению интенсивности сушки, увеличению потока тепла в залежь, как следствие, значительному повышению сборов цч торфа в 1,3+1,5 раза. (рис. 10) (Е - интенсивность испарения, Ь - удельная теплота парообразования).

Для аэрации крошки, примятой движителями уборочных машин, используются, специально разработанные в КПИ для этих целей, рыхлители фрезерного торфа (рис. 11). Для интенсификации сушки верхней части толстого слоя применяется ворошение существующими типами ворошилок.

Назначение, область применения, эффективность: интенсификация, сушки фрезерного торфа в толстых сло-

Рис. 8. Измененные составляющих теплового Р и радиационного В балансов при сушке фрезерного торфа в тонких слоях (а) (т < 1 сут), по существующей схеме (б) (т = 2 сут) и сушке торфа на подстилающих толстых аэрированных слоях (в), схема

КПИ, т = 3+5 сут) при условии, что В1&В2

В3,

торфа (Р - турбулентный отток тепла, в - размер частиц торфа)

*Р2«Р3; 1, 2 - быстро высыхающие слои

ях с послойной уборкой оставшихся аэрированных при максимально возможном использовании тепловой энергии в полевых условиях. Применяется при добыче крошкообразова-ного торфа разнопланового назначения. Эффективность способа определяется оптимизацией сушки торфа, выражающей максимум получения высококачественной продукции за минимальное время с использованием пневматических средств уборки.

Основные особенности, преимущества по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами:сборы торфа растут с увеличением интенсивности сушки Е., снижением начального вла-госо держания, повышением толщины слоя аэрации до Ис = (80^120) мм, введения аэрации оставшегося от уборки толстого слоя, ворошения верхнего слоя (Ь « 15^20 мм). Выполняется 3^5 уборок верхнего слоя на одно фрезерование (Ьфр = 25^40 мм) и сокращением времени вхождения в цикл (до 30% по сравнению с существующей схемой добычи торфа, рис. 8, б) после выпадения осадков. Используется пневматический способ уборки, позволяющий получить торф с заданными влажностными характеристиками, при максимально возможных сборах торфа за сезон, вследствие сокращения продолжительности цикла до 1-2 дней (таблица).

Рис. 9. Зависимость относительных затрат тепла на испарение влаги БЬ/В при сушке торфа в толстых слоях:

1 - низинный осоковый торф Ят = 20-25% (Щ0 = 4,27); переходный торф Ят = 30% (Щ0 = 5,1 ); 3 - верховой сосново-пушицевый торф Ят = 25% (Ш0 = 2,5)

Рис. 10. Зависимость цикловых сборов торфа дц от толщины аэрации Ност (без ворошения). Каждое значение дц получено как среднее из 15-20 измерений

Преимущество новой технологии обуславливается возможностью использования как существующего, так

Производственные испытания инвестиционной технологии

Год испытаний Площадка Количество циклов Количество фрезерование Средяяя продолжительность цикла, суг Сезонный сбор

т/га %

I 2 3 4 5 6 7

1976 Опытная 31 9 0,78 230,0 126

Контрольная 16 18 1,54 182,5 100

1977 Опытвал 44 14 0,68 349,5 137

Контрольная 20 20 1,20 255,7 100

197В Опытная 24 5 0,92 161,5 127

Контрольная 12 12 1,50 127,4 100

1979 Опытная 35 12 1,05 295,9 122

Контрольная 20 20 1,45 240,0 100

1960 Опытная 27 7 1,22 312,0 III

Контрольная 24 24 1,50 280,8 100

1981 Опытная 49 18 0,90 567,4 121

Контрольная 40 40 1,10 486,1 100

За период Опытная 35,0 10,3 0,92 322,3 123

6 лет, 1976-1981 Контрольная 23,3 22,3 1,39 262,5 100

и вновь разрабатываемого технологического оборудования.

Стадия реализации - опытно-промышленное испытание на торфопред-приятии Мокеиха - Зыбинское Ярославской обл. в период с 1976 по 1981 гг.

Производственные испытания новой технологии полевой сушки торфа и анализ полученных результатов показали преимущества ее по сравнению с существующей технологией. Технико-экономические расчеты, выполненные Гипроторфом по организации строительства предприятий, подтвердили экономическую целесообразность использования этой технологии, так как она позволяет увеличить сезонные сборы торфа в среднем на 23% (табл. 1, при существующем технологическом оборудовании с применением рыхлителей РФТ) и снизить капитальные вложения на 7,6%, себестоимость - на 3,5+3,6%,

приведенные затраты - на 4,8+4,9%. Годовой экономический эффект от применения новой схемы сушки фрезерного торфа для предприятия с годовой программой 950 тыс. т торфа составляет 263 и 295 тыс. руб., соответственно для низинного и верхового типов торфа (цены 1981 г.). Применительно к новому высокопроизводительному легкому пневматическому оборудованию и фрезерующим устройствам, обеспечивающим создание рыхлых, аэрированных толстых слоев торфа, сезонные сборы могут быть увеличены в 1,5-2,0 раза.

Межведомственная приемочная комиссия отметила, что научно-исследовательская работа по сушке торфа в тонких слоях на подстилающих аэрированных толстых, является новым научным направлением и нацелена на повышение эффективности торфяного производства.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Афанасьев А.Е., Архипов Г.А., Чу-раев Н.В., Гамаюнов Н.И. А.С. 949430 (СССР). Многоволновой способ измерения влажности капиллярно-пористых и дисперсных материалов. Опубл. в Б.И. 1982, № 29.

2. Афанасьев А.Е., Архипов Г.А., Пронь-кин Ю.С., Цветков И.И. А.С. 1357805 (СССР). Способ экспресс - градуировки инфракрасных влагомеров для капиллярно-пористых и дисперсных материалов. Опубл. в Б.И. 1987, № 45.

3. Афанасьев А.Е., Беляков В.А. Патент 2009472 dRUG01 № 21/85, Бюл. № 5 от 15.03.94г. Способ одновременного определения влажности и насыпной плотности фрезерного торфа.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_

4. Афанасьев А.Е., Ротермель Б.Н. А.С. 622981 (СССР). Рыхлитель фрезерного торфа. Опубликовано в Б.И. 1978, № 33.

5. Афанасьев А.Е., Тихомиров М.К., Казаков С.В. А.С. 1079845 (СССР). Рыхлитель фрезерного торфа. Опубликовано в Б.И. 1984, № 10.

6. Афанасьев А.Е., Тихомиров М.К., Казаков С.Л. А.С. 1171593 (СССР). Способ производства фрезерного торфа. Опубликовано в Б.И. 1985, № 29.

7. Афанасьев А.Е., Дука Н.В. Патент № 2185512 СШи. Бюл. № 20 от 20.07.2002. Сопло пневматической торфо-уборочной машины.

Ефремов А.С. - магистр, e-mail: lexich121@gmail.com,

Дмитриев Г.А. - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой,

e-mail: as.atp@tstu.tver.ru,

Афанасьев A.E. - доктор технических наук, профессор, e-mail: peatpro@gmail.com, Тверской государственный технический университет.

UDC 622.641.047:552.577:542.67 SOME FEATURES OF GRAVITATIONAL DEHYDRATION OF PEAT

Efremov A.S., Postgraduate, e-mail: lexich121@gmail.com,

Dmitriyev G.A., Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Chair, e-mail: as.atp@tstu.tver.ru, Afanasyev A.E., Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: peatpro@gmail.com, Tver State Technical University.

The authors examine the change of bound and free water densities in the gravitational peat dehydration process; describe an infractionmethod of determining the moisture content in peat when developing an innovative technology of crumb-type product manufacture.

Key words: peat, density, water, gravitational dehydration, manufacturing technique.

REFERENCES

1. Afanas'ev A.E., Arkhipov G.A., Churaev N.V., Gamayunov N.I. Copyright certificate no 949430 (SSSR), Bull. 29, 1982.

2. Afanas'ev A.E., Arkhipov G.A., Pron'kin Yu.S., Tsvetkov I.I. Copyright certificate no 1357805 (SSSR), Bull. 45, 1987.

3. Afanas'ev A.E., Belyakov V.A. Patent 2009472 C1RUG01 № 21/85, Bull. 5, 15.03.94.

4. Afanas'ev A.E., Rotermel' B.N. Copyright certificate no 622981 (SSSR), Bull. 33, 1978.

5. Afanas'ev A.E., Tikhomirov M.K., Kazakov S.V. Copyright certificate no 1079845 (SSSR), Bull. 10,

1984.

6. Afanas'ev A.E., Tikhomirov M.K., Kazakov S.L. Copyright certificate no 1171593 (SSSR), Bull. 29,

1985.

7. Afanas'ev A.E., Duka N.V. Patent 2185512 C1RU, Bull. 20, 20.07.2002.