CC BY
20
© Э.А. Крсмчссв, А.Е. Афанасьев, 2012
УДК 662.641.047:552.577:542.67 Э.А. Кремчеев, А.Е. Афанасьев
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ГРАВИТАЦИОННОГО ОБЕЗВОЖИВАНИЯ СЫРЬЯ ПРИ КОМПЛЕКСНОЙ МЕХАНИЗАЦИИ КРУГЛОГОДОВОЙ ДОБЫЧИ ТОРФА
Проведено теоретическое обоснование и экспериментальные исследования, позволившие оценить процесс обезвоживания слоя торфа нарушенной структуры в результате гравитационных и капиллярно-осмотических сил без учета испарения влаги в зависимости от высоты слоя и эффективного радиуса пор. Показана возможность оценки равновесного состояния влаги и коэффициентов влагопровод-ности через изменение коэффициентов фильтрации и интенсивности влагопере-носа, что позволило выбрать оптимальную толщину слоя обезвоживания. Ключевые слова: обезвоживание торфа, влагопроводность, равновесное состояние влаги.
К инновационным технологиям добычи и переработки торфа можно отнести интенсивно разрабатываемые в последние годы различные варианты круглогодовых способов добычи торфяного сырья, а также, способы расширения сезона добычи. В большинстве случаев предлагаемые технико-технологические решения предполагают экскавацию переувлажненной торфяной залежи одноковшовой выемочно-погру-зочной машиной с последующим обезвоживанием в полевых и (или) цеховых условиях [27, 28]. В связи с этим, актуальной становится задача оптимизации энергетических затрат на обезвоживание торфяного сырья, что может быть достигнуто всесторонним изучением процесса обезвоживания переувлажненного торфяного сырья с влагой Ш = (84 + 90) % под действием гравитационных Рд и капиллярно-
осмотических Рк сил. Действие последних определяется по окончанию фильтрации влаги. При решении поставленной задачи процессы сопутст-
вующего испарения влаги из слоя торфа не учитывались.
Следующим этапом исследования изменения свойств торфяного сырья в процессе обезвоживания является учет испарения влаги и сравнение конечных результатов путем оценки критической толщины слоя Нр при
уравновешивании гравитационных и капиллярно-осмотических сил
(Рк = Рд). Критической толщиной называется величина, при которой в круглогодовой технологической схеме последующее удаление влаги из слоя торфа нарушенной структуры возможно лишь применением механического отжатия с последующей досушкой сырья термическими методами в заводских условиях. Перечисленные этапы обезвоживания рассматриваются как один из технологических приемов изменения свойств торфяного сырья (влаги - V, плотности - у , пористости - п , интенсивности влаго-переноса - , степени разложения -Кт, полной влагоемкости - Шпв, прочности - , и др.), определяю-
ших качество разноплановой продукции на основе торфа [1-6].
Сушка в заводских условиях является одной из завершаюших стадий производства торфяной продукции в метеонезависимых технологиях добычи и переработки торфа. Реализация данного процесса в заводских условиях без предварительной сушки в полевых условиях может быть обоснованной с энергетической точки зрения при условии, если на этом этапе при Ш = (82 + 84) % ввести механическое отжатие торфа [5]. Следует отметить, что полевой этап обезвоживания торфа повышенной влажности значительно дешевле заводского, но несколько продолжительнее по времени технологического цикла. Вопросы физики процесса в значительной степени изучены В.М. Наумовичем, Л.С.Амаряном, В.И. Горячевым и др.
Поскольку вне зависимости от технологии переработки торфяного сырья повышенной влажности имеет место процесс гравитационного обезвоживания торфа, в настояшем исследовании проведено обоснование влагопереноса в слое торфа нарушенной структуры с позиции гравитационного и капиллярно-осмотического удаления влаги на основе применения модели, обеспечиваюшей определение максимального значения коэффициентов влагопереноса через коэффициенты фильтрации и толши-ну слоя обезвоживания, подверженного осадке до критической величины. При оценке фильтрационных процессов, как правило, используют результаты экспериментальных и теоретических исследований [7-17], построенных на применении различных моделей [9-12, 15]. Анализ последних можно найти в работах [9, 11, 14, 15]. Что касается торфяных систем,
то они изучались в [7, 9, 10, 13, 16,
17, 18] с использованием теоретико-экспериментальных исследований на основе потенциальной теории влаго-переноса с учетом согласованных моделей движения влаги по пленкам и капиллярам, даюшим наиболее приемлемые результаты в сравнении с экспериментом [9, 11, 14, 16]. Наибольший интерес представляют работы по исследованию фильтрационных свойств торфа с помошью радиоактивных изотопов, выполненных в радиохимической лаборатории КПИ [2,
18, 22] и научном центре Радченко-торф, а также с применением солевых меток в ВНИИГиМе им. А.Н. Костякова.
Теоретический анализ
Вода встречается в различных физических состояниях в девяти устойчивых изотопных видах. В молекуле воды атомы водорода и кислорода создают диполи, которые объединяются в ассоциаты с обшей формулой Н20 и образуют циклическое, цепочечное и ветвистое строение (тетра-эдрический ассоциат) с ковалентными и водородными связями. Имеется и другое деление структуры молекул воды: угловая, шаровая, тетраэдриче-ская [19].
Вода взаимодействуя с твердой фазой и воздухом, изменяет свои физико-технологические свойства, которые различны для свободной и связанной воды [2, 20]. Так, вода в свободном состоянии подчиняется силам тяжести, передает гидростатическое давление, мало сжимается [21], в связанном же состоянии на структуру и плотность воды влияет минералогический состав торфа, обусловленный первичной (<15 %) и привнесенной (вторичной) золой, состояшими из окислов БЮ2, СаО, Гв203, А12Ю3 (около 80% золы) и ионов Са, Гв ,
Mg , K , Na , S . В этом случае плотность связанной воды р ж в зависимости от температуры T проходит через максимум при T = 310,5 К для каждого периода структурообразова-ния и отличается от р ж = 1 • 103 кг/м (Т = 277,14 К) тем больше, чем выше степень разложения торфа или его дисперсность [20].
С позиции пористой структуры поры радиусом r > 10-5 м не являются капиллярными и поэтому по данным H.H. Федякина [2,20], вода в порах будет приближаться к свободной по значениям коэффициента поверхностного натяжения а и вязкости П . Таким образом, для пористого торфяного тела с размером 1 = 0,1 м поры можно считать капиллярными если их радиус r < 10-5 м (А.В. Лыков). Лля тела больших размеров, например 1 = 1,0 м капиллярные поры уменьшаются. Их радиус должен быть r < 1 • 10-6 м. Жидкость образует непрерывную трубку высотой h = 1 ;. Это обстоятельство приводит к гипотезе С.Н. Нерпина и Е.М.и Хлопотенкова о неразрывности в почве пор одного диаметра [11] и дифференциальному распределению водопроводящих пор (С.В. Лундин, Л.Б. Свердлова), что указывает на наличие в почве минимальных объемов, поровая характеристика которых не изменяется независимо от его расположения или ориентации. Лля торфяных систем это условие касается самих пористых частиц с порами меньшего диаметра по сравнению с межчастичными (крупными). Капиллярность можно определить и по соотношению давлений, Pg << Pk . В
этой связи в торфяных телах нарушенной структуры можно выделить
как крупные (не капиллярные), так и узкие (капиллярные) поры [2,18,22], которые будут определять начальные условия обезвоживания, при котором Pg > Pk , и интенсивность влаго-
переноса ig определяется действием
сил гравитации до тех пор, пока высота hj навала переувлажненного торфа нарушенной структуры не достигнет, за счет осадки, критической Hкр , при которой Pg = Pk ,
h> = Hp , = 0 •
Решение задачи
При подготовке торфяного сырья происходит нарушение структуры торфяной залежи и ее переход в трехфазное состояние, в котором наряду с силами гравитации Pg = р xghj
г, 2ст cos 0
действуют капиллярные P. =-
к г
так, что они направлены в противоположные стороны (рис. 1). Согласно законам термодинамики [23,24] прирост энтропии dS/dт во времени, вызванный внешними dSe/dт и внутренними dSjdт условиями тепло-массопереноса определяется как:
dS п
(i)
где Ji - плотность потока i-той субстанции, — термодинамическая движущая сила.
Экспериментально установлено, что J пропорциональна X :
Jу = LX t, (2)
где Lt - коэффициент пропорциональности. Лля случая переноса влаги при T = const зависимость (2) можно представить в виде уравнения Фика для случая испарения воды с обводненной поверхности:
L = -D
dc dx
(3)
Которое, после преобразования [23], принимает вид:
dW
1=-amYc
(4)
дх
где дс/дх, дШ/дх - соответственно градиенты концентрации паров воды и влаги в торфе; О , ат - коэффициенты диффузии пара через воздух и влаги в торфе. Причем с = у с ■ V , у с - плотность сухого вещества торфа при V = V. Использование уравнений (3) и (4) в нашем случае затруднительно, поскольку имеется неопределенность движущих сил Х1 в связи с осадкой торфяного сырья в навале. В тоже время использование уравнения Дарси в различном виде [7, 8, 11, 13, 15, 17] не представляется возможным из-за невозможности учета капиллярных сил и вертикального напора И/1 [7] при оценке влагопроводности торфяного сырья.
Поэтому использование уравнения (2) позволяет выбрать в качестве движущей силы при оценке влагопровод-ности торфа 1д перепад давлений
Р; = Рк - Рд , отнесенный к разности
Дх координат Дх; = х1 - х1+1 (рис. 1). Без учета испарения влаги с поверхности или попутного внутреннего испарения, уравнение влагопроводно-сти будет:
1 =-к 4- ( - Р) = -к^Р-, (5) д в ¿хУ к д > в-х
где кв - коэффициент влагопровод-
ности, характеризующий поток влаги при (-Р/-х1, выражается в се-
кундах; 1
влаги, кг(в)/м2с. После подстановки в (5) выражений для Pk и Pg получим, что
, d (2ст cos 0 Л /г\
*g =- К1ХI—--р *gh J (6)
и, при условии dh/dx = 1 (рис. 1),
формула (6) может быть записана в виде:
, I 2ст cos 0
^ =-k~ --Ржд
(7)
Откуда, зная кв, г , И, при прочих равных условиях, можно определить интенсивность влагопроводности торфяного сырья нарушенной структуры.
Анализ формулы (7) показывает, что на начальном этапе обезвоживания сырья можно принять при содержании влаги V > (82 + 88)% в качестве термодинамической движущей силой преимущественно является гравитационная. Тогда, уравнение (7) примет вид:
1 =-к р д , (8)
д в* ж*13 ' 4 '
которое, согласно (6) будет: -Р
I. ~=-к.-£ • (9)
Сравнение уравнений (8) и (9) приводит к условию:
-Р
dx
= Р.
(10)
интенсивность потока
Значит, если р жд = const, то dPgldx = const. Это условие является
приближенным, так как по данным А.Е. Афанасьева, A.C. Ефремова р ж = var и, в зависимости от температуры принимает значения в диапазоне рж = (0,81 ■ 1,32) • 103 кг/м3, соответственно, при T = 273 ■ 311 К, т.е. в каждом из периодов структуро-образования имеется свой максимум,
(р = Р )-10-3,
Па
15,0 12,5 10,0 7,5
Рис. 1. Изменения перепада давление АР = Рк1 — рУ и высоты слоя при обезвоживании торфяного сырья д(
Ь = Нкр при Т = 273 к
0 0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 1,5 Нк , л
6Н,
Нк
X,
Ь,= Ь —Ах1 Ах1
Х2
Ь2 = Ь—Ах, — Ах2
Ах2
Ьз = Нр
Нкр = Ь —^Ах,
Ах3
>'Р 2
Рз
АР, =(Р, — Р,)< 0
Ь = х1
-АРг =(Р 2 — Ре-2 )< 0 Ь = Ь —Ах,2
АРз = Р з — Ре з = 0 Ь = Нр = хз
У
определяемый видом взаимодействия и степенью переработки торфа.
С уменьшением степени переработки Бо и ростом влагосодержания плотность жидкости уменьшается, а с ростом степени разложения, Бо и уменьшением влагосодержания Ш плотность растет по сравнению со свободной водой [2, 20, 25, 26]. То-
гда по известным
можно найти
значения коэффициентов влагопере-носа к из формулы (8), при условии:
Рк << Рд , И, > Икр.
При И I = Нкр поток влаги как бы
зависает и в соответствии с исследованиями Л. И. Кутаиса [7] система переходит в фильтрационное равновесие. По С.С. Корчунову [9] это состояние определяется равенством полного потенциала П = 0 за счет одинаковых значений капиллярного Фк = Рк/ р ж и гравитационного Фк = дН потенциалов,
Ф = — дН ^ 0 .
Р д
5,0
2,5
0
Ь
Ь
1=1
0
(1) О
Рис. 2. Теоретические зависимости критической высоты
[ слоя Н от радиуса пор I
Внешне уравнение (14) напоминает формулу Жюрена [21] по капиллярному подъему жидкости. Оценим h воспользовавшись полученным уравнением (14) для средних летних условий сушки в торфяной промышленности.
Пусть сушке подвергается верховой пушицево-
сфагновый торф степенью разложения RT = (20 ■ 25) % , угол смачивания 0 = 00, cos0 = 1, T = 293 К , ст = 73 • 10-3 Н/м, g = 9,81 м/с2. Плотность жидкости (воды) принимаем по [20, 26] рж = 1,075 • 103 кг/м3. Значения r задаем в пределах r = (0,01 ■ 2000) • 10-6 м. С учетом предложенных данных расчетная формула принимает вид:
Я„ = ■
2 • 73 • 10-3 • 1 1,075 • 103 • 9,81 ^ Г
Рис. 3. Экспериментальная зависимость критической высоты слоя Н от радиуса пор Г для
шейхсцериево-сфагиового торфа (верховой тип)
RT = (22 - 25) % при T = 295 К, ф = 0,47
= 13,84 • 10-б1, r
м.
(15)
Из последних условий / = 0 , h = Н,
P = P
Pg Pk
(12)
найдем связь между эффективным радиусом пор г и высотой (толщиной слоя торфа нарушенной структуры) навала торфа. Из уравнения (7) следует, что
2ст cos 0 rh
Тогда
= р .
(13)
h = НкР =
2ст cos 0
r р xg
(14)
Результаты сводим в таблицу. Анализ табличных данных и рис. 2 показывает, что зависимость Н кр = / (г) имеет гиперболический вид и соответствует формуле (14). А в координатах Нкр = / (1/г1) выполняется линейная
зависимость. Таким образом, с увеличением толщины слоя Нкр уменьшается эффективный радиус пор, и это обстоятельство подтверждается в работах по фильтрации [9, 11, 14].
Экспериментальная проверка зависимости (14) велась путем исследования процесса обезвоживания вер-
н„, м
1,5
1,0
0,5
500
I, мкм
(2)
1.10
4,0
— 10"", м
хового шейхцериево-сфагнового торфа, как наиболее распространенного, и имеющего малую водоотдачу [29, 30]. Степень разложения торфа Ит = 22-25 %. В комнатных условиях
Т = 295 К, ст = 72,58 • 10—3 Н/м,
р ж = 1,09 • 103 кг/м3 [25] исследовались образцы торфяного сырья при различной высоте слоя И (см. таблицу). В ходе эксперимента контро-
Таблица
Зависимость эффективного радиуса пор от критической толщины навала торфяного сырья нарушенной структуры
Теоретический анализ
1, м-1 г г -106 , м Нкр , м
0,05-104 2000 0,007
0Д0-104 1000 0,014
0,14-104 700 0,020
0,20-104 500 0,028
0,25-104 400 0,035
0,29-104 350 0,040
0,40-104 250 0,055
0,50-104 200 0,069
0,60-104 150 0,092
0,71-104 140 0,099
0,83-104 120 0,115
1,0-104 100 0,138
1,25-104 80 0,173
1,66-104 60 0,230
2,5-104 40 0,346
5,0-104 20 0,692
10,0-104 10 1,384
20,0-104 5 2,768
100,0-104 1 13,84
1000,0-104 0,1 138,4
10000,0-104 0,01 1384
Продолжение таблицы
Экспериментальные исследования
И„„ , м 1, м-1 г г -106 , м Нр , м
0,10 5452-104 183,40 0,074
0,15 8103-104 123,40 0,110
0,20 10471-104 95,50 0,142
0,30 15470-104 64,64 0,210
0,40 19892-104 50,27 0,270
лировалась высота образцов И и Нкр , при которой 1д = 0 . Опыт проводился по схеме, представленной на рис. 1. Затем строилась зависимость: Нкр = / (1/ г1) (рис. 3). Далее определялись угловые коэффициенты кг = СНкр/С (1/ г1) и сравнивались
между собой для теоретической ктТ = СНТ/С (1/ г1) и эксперименталь-
ной кгЭ = -Нэ/- (1/ г)
зависимостей.
экспериментально полученным значе-
Полученные угловые коэффициенты ктТ = 13,72 • 10-6 и ктТ = 13,95 • 10-10, составляют отношение коэффициентов р = ¿-Н^М = 1,016 • 10-4 раз,
-Нт/- (V г1) которое характеризует отличие процессов переноса влаги в реальных средах по сравнению с модельными. Таким образом, можно сделать вывод, что коэффициент в характеризует сопротивление переносу влаги в реальных средах. В нашем случае эффективный радиус пор, определялся по
ниям НкЭ (г1 = 13,575 • 10-
1
Н
). По
крЭ
известным величинам интенсивности влагопереноса 1 д можно рассчитать
коэффициенты влагопроводности по формуле (7) при И1 > Нкр, и сравнить
их с коэффициентом фильтрации вла-гонасыщенных сред.
После достижения И = Нкр , дальнейшее обезвоживание возможно за счет сушки или механического отжа-тия с последующей досушкой в заводских условиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Семенский Е.П. Качество кускового тора в зависимости от вида строения торфяной залежи и переработки торфа-сырца. М.: Инсторф, вып.18, 1939, с. 89-116.
2. Афанасьев А.Е., Чураев Н.В. Оптимизация процессов сушки и структурообра-зования в технологии торфяного производства. М.: Недра, 1992. - 288 с.
3. Смирнов В. И. Практическое руководство по организации добычи фрезерного торфа: учебное пособие /В.И. Смирнов, А.Н. Васильев, А.Е. Афанасьев, А.Н. Бол-тушкин: под ред. В. И. Смиронва. 1-е изд. Тверь: ТГТУ, 2007. - 392 с.
4. Афанасьев А.Е. Технология и комплексная механизация разработки торфяных месторождений: учебное пособие для вузов/ А.Е. Афанасьев, Л.М. Малков, В.И. Смирнов [и др.]. М.: Недра, 1987. - 311 с.
5. Справочник по торфу: под ред. А.В. Лазарева и С.С. Корчунова. М.: Недра, 1982. - 760 с.
6. Шахматов К.Л. Обоснование круглогодичной добычи торфяного сырья и технология производства композиционных теплоизоляционных материалов. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. Тверь: ТГТУ, 2011. - 15 с.
7. Кутаис Л. И. Курс гидротехники в торфяном производстве. 4-е изд. Часть 1. М.-Л.: ГЭИ, 1955. - 400 с.
8. Вахромеев И.И. Гидротехника в нефтяной и горной промышленности: учебное по-
собие для вузов /И.И. Вахромеев, Т.П. Бебе-нина, С.И. Часс. М.: Недра, 1984. - 303 с.
9. Корчунов С.С., Могилевский И.И., Абакумов О.Н. Изучение водного режима осушенных торфяных залежей. // Труды ВНИИТП. Вып. 17, М.-Л.: ГЭИ, 1960.
10. Судницын И.И. Закономерности передвижения почвенной влаги. М.: Наука, 1964. - 64 с.
11. Нерпин С.Н., Хлопотенков Е.М. Обобщение закона Дарси для случаев нелинейной фильтрации в ненасыщенных и насыщенных грунтах. // Доклады ВАСХНИЛ. М.: Урожай, 1970, №11, с. 3-17.
12. Кащенко Н.М. Фрактальная модель фильтрации в условиях работы дренажа. // Вестник РГУ им. Канта. 2010, Вып. 4. Калининград. Сер. Физико-математические науки, с. 158-162.
13. Амарян Л.С., Базин Е.Т. Исследование водопроницаемости деформированного торфа. // Изв. МВиССО СССР, сер. «Строительство и архитектура, 1965, №1.
14. Кащенко Н.М., Ковалев В.П. Расчет влагопереноса в почве при расчете параметров дренажа польдерных систем. // Инновационные технологии в мелиорации (Костяковские чтения). М.: Изд. ВНИИА, 2011, с. 80-86.
15. Витков Г.А., Холпанов Л.П., Шер-стнев С.Н. Гидравлическое сопротивление и тепломассообмен. М.: Наука, 1994. -280 с.
16. Гамаюнов Н.И., Миронов В.А., Га-маюнов С.Н. Тепломассоперенос в органогенных материалах: Процессы обезвоживания. Тверь: ТГТУ, 1998. - 272 с.
17. Базин Е.Т., Копенкин В. Б., Косо в В.И. и др. Технический анализ торфа. М.: Недра, 1992.- 431 с.
18. Воларович М.П., Чураев Н.В. Изучение процессов передвижения воды в торфяной залежи методом радиоактивных индикаторов. // Сборник статей «Новые физические методы исследования торфа» М.-Ё.: ГЭИ, 1960. с. 192-204.
19. Химический энциклопедический словарь/ гл. ред. И.Ё. Кнунянц. М.: Сов. Эн-циклопеция, 1983. с. 57.
20. Афанасьев А.Е., Ефремов А. С. Взаимосвязь структурообразования с плотностью жидкости коллоидных капиллярно-пористых тел при сушке. // ГИАБ, №7, 2010. с. 307-314.
21. Горная энциклопедия / Гл. ред. Е.А. Козловский. Т.1. М.: Сов. Энциклопедия, 1984.
22. Чураев Н.В. Методы исследования водных свойств и структуры торфа с помо-шью радиоактивных индикаторов. // Сб. статей «Новые физические методы исследования торфа» М.-Ё.: ГЭИ, 1960. с. 125-137.
23. Антонов В.Я., Малков Ё.М., Гамаюнов Н.И. Технология полевой сушки торфа. М.: Недра, 1981. - 239 с.
24. Гамаюнов Н.И. Процессы переноса энергии и вешества. Тверь: ТГТУ, 2004. - 206 с.
25. Афанасьев А.Е., Ефремов A.C. Способ определения средней плотности связанной жидкости коллоидных и капиллярно-пористых тел. Патент, RU № 2380683. Опубликовано 27.01.2010 г. Бюл. №3.
26. Афанасьев А.Е., Ефремов A.C. Влияние структурообразования на плотность жидкости коллоидных капиллярно-пористых тел. // ТОХТ, 2011. Том 46. №1. с. 119-125.
27. Михайлов A.B., Кремчеев Э.А., На-горнов Д.О., Большунов А.В. Перспективы развития новых технологий добычи торфа. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Москва: «Горная книга», 2010. № 9. стр. 189-194.
28. Кремчеев Э.А., Нагорнов Д.О. Технологические аспекты обеспечения круглогодовой полевой сушки торфа для нужд малой энергетики. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). Москва: «Горная книга», 2010. № 12. стр. 260-265.
29. БазинЕ.Т., Косов В.И., Миняев C.B. Влияние технологических и физикохимиче-ских воздействий на фодопроницаемость и структуру торфа. // Торфяная промышленность, 1981. №7, с. 17-20.
30. Лиштван И.И., Король Н.Т. Основные свойства торфа и методы их определения. — Минск: Наука и техника, 1975. — 320 с. ГТГГТ?
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Кремчеев Э.А., Афанасьев А.Е. — Санкт-Петербургский государственный горный университет, е-шаП:гес1:ога1@Брт1.ги.
ПРОГРАММНЫЕ ЛОЗУНГИ, СПОСОБНЫЕ ОБЪЕДИНИТЬ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКУЮ ИНТЕЛЛИГЕНЦИЮ
Обширные знания и инженерная смекалка помогут организовать умный и сложный бизнес, недоступный рейдерам, и, таким образом, спасут экономику от развала.
