CC BY
70
СЕМИНАР 20
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
© В.М. Шпынев, 2001
УДК 622.331:622.271.9 % -- ^ ^
В.М. Шпынев
САМОРАЗОГРЕВАНИЕ ФРЕЗЕРНОГО ТОРФА В ШТАБЕЛЯХ И ПУТИ ЕГО ТОРМОЖЕНИЯ
Р
аботами многих исследователей установлено, что в процессе саморазогревания фрезерного торфа в штабелях потери органической части торфа составляют 1-2 % в месяц, а за календарный период хранения (примерно 6 месяцев) достигают 10 % и более. В технологическом регламенте на складирование и хранение фрезерного торфа [1] эта величена составляет 15 %.
Если считать, что в одном производственном штабеле (при бункерном способе уборки) обычно хранятся 1000 т фрезерного торфа, тогда в среднем потери органической части торфа составят 100 т на штабель. Это весьма существенная часть добываемого торфа, причем еще не вся, учитывая реальные потери от намокания и выветривания.
Сокращение этих потерь, а также создание условий хранения экспортного торфа, к которому предъявляются повышенные требования по качеству, побудило автора обобщить имеющуюся информацию и представить собственные исследования по этому вопросу.
В техническом регламенте на складирование и хранение фрезерного торфа [1] отмечается, что по данным температурного состояния торфа в штабелях намечаются и осуществляются мероприятия по торможению саморазогревания и предупреждению самовозгорания: передвижка, внутренняя изоляция, очередность вывозки, изоляция штабеля в конце сезона. Технологические схемы уборки и хранения верхового торфа поставляемого на экспорт предусматривают формирование штабелей в сокращенные сроки по периодам сезона с изоляцией полиэтиленовой пленкой. Здесь же указывается, что уборку торфа реко-
мендуется производить
пневмоуборочными машинами.
Каждое из предложенных мероприятий, на наш взгляд, требует серьезного осмысления с точки зрения эффективности и экономической целесообразности. Рекомендации по применению полиэтиленовой пленки и, тем более, уборка торфа пневмоуборочными машинами вызывают серьезные возражения.
Итак, в соответствии с регламентом [1] предупреждающие мероприятия саморазогревания: уборка торфа в ночное время и прекращение штабелирования в жаркое время дня. Почему? На наш взгляд два момента - малая температура воздуха и более высокая его влажность ночью (роса). Отметим эти моменты - то есть интенсивность саморазогревания фрезерного торфа в штабеле будет снижаться с уменьшением температуры окружающей среды и наличием влаги в воздухе.
Передвижка штабелей предполагает смещение зон максимальных температур и охлаждение торфа. Передвижку осуществляют в прохладное время суток. Обращает на себя внимание факт зависимости снижения интенсивности саморазо-гревания от температуры воздуха, и в то же время при передвижке происходит интенсивное насыщение кислородом воздуха слоев торфа в штабеле, что по мнению ряда исследователей должно бы способствовать процессу саморазогревания. То есть при передвижке как бы появляются два взаимоисключающих фактора.
Внутренняя изоляция штабелей фрезерного торфа сырой торфяной крошкой заключается в двух стадийном складировании фрезерного торфа с нанесением промежуточной изоляции в середине сезона добычи. Главная идея этого мероприятия - затруднить доступ воздуха внутрь штабеля и затормозить термогенные процессы. Отметим, что здесь закладывается внутрь слой торфа W = 70 % толщиной равный 20 см. Этот фактор имеет отрицательное значение для качества фрезерного торфа.
Следующее мероприятие - изоляция штабелей фрезерного торфа сырой крошкой по окончании сезона. Основанием для изоляции являются: кри-
Рис. Зависимость воздухопроницаемости В матриц с торфом при различном уплотнении
тическая температура в штабеле, планирование вывозки после 1 декабря. Задачи - снизить доступ кислорода и затормозить процесс саморазо-гревания. Оценим этот фактор ниже, а пока явный минус способа - замерзание этого слоя и трудности при погрузке торфа из штабеля.
Изоляция штабелей полиэтиленовой пленкой - мероприятие рекомендуемое для предохранения штабелей верхового торфа от самора-зогревания и намокания, предназначенных на экспорт и укрупненных штабелей. Считается, что полиэтиленовая пленка существенно снижает поступление кислорода в зону активного саморазогревания и тем самым тормозит термогенные процессы. Возможно это и так, но при условии полной герметизации штабеля, что весьма проблематично в полевых условиях.
Нами в Калининском политехническом институте был разработан способ изоляции штабелей фрезерного торфа битумно-щелочной эмульсией [2]. Этот способ проверен в полевых условиях и рекомендован для применения в промышленности. С точки зрения экономичности и эффективности он превосходит все ранее рассмотренные мероприятия и способы, но и в его основу положена идея уменьшения скорости поступления кислорода воздуха в зону саморазогревания штабеля.
Анализируя все выше изложенные методы торможения саморазогревания фрезерного торфа в штабелях можно сделать вывод, что большинство из них основано на уменьшении доступа воздуха в зону саморазогревания.
Оценим это по работам П. К. Маль [3] и нашим исследованиям [4].
В 1954 году П.К. Маль провела опыты по определению расхода кислорода воздуха на окисление углерода торфа СО2 и водорода в воде теряемой торфом при его саморазогревании. Было установлено, что в процессе саморазогревания на каждый грамм потерь органической части торфа расходуется количество кислорода, которое содержится в 4,52-4,74 литрах атмосферного воздуха.
Потери органической части торфа в процессе саморазогревания определены по увеличению зольности по зависимости
ДС = 100 - k k = 100
100 Ас
Г
- Ас
100 - Ас
где Ас - содержание золы в исходном торфе; А‘С - содержание золы в гревшемся торфе.
По результатам экспериментов П.К. Маль делает вывод, что окисление органической части торфа в процессе его саморазогревания происходит в основном за счет кислорода воздуха, а входящий в состав торфа кислород принимает лишь частичное участие в этом процессе.
При общем расходе кислорода, на грамм потерь органической части торфа 1,91-2,1 г расход кислорода воздуха составит 1,52-1,78 г и соответственно кислорода торфа 0,32-0,39 г. Для получения указанного количества кислорода воздуха потребуется 5,07-5,92 литров или в среднем 5,5 литров атмосферного воздуха.
Известно, что за календарный период хранения (примерно шесть месяцев) потери от са-моразогревания составляют 10 %. А это означает, что в производственном штабеле имеющем открытую поверхность 1500 м2 обычно хранится 1000 т фрезерного торфа. Тогда для окисления 100 т органической части торфа -углерода с СО2 и водорода в Н2О потребуется кислорода воздуха, который содержится в
100 000 000 г-5,5 = 550 000 000 литрах атмосферного воздуха.
Тогда средняя скорость проникновения воздуха через поверхность штабеля за шестимесячный период хранения составит
V = 550000000 = 84 87 V = 0,023 V 2
1500 х 180 х 24 / час - м /с - м
где 1500 м2 - открытая поверхность штабеля; 180
сут. - сутки хранения за шестимесячный период;
24 час - часы в сутках.
Итак, автор утверждает, что ведущая роль кислорода воздуха в процессе саморазогревания является установленной, и поэтому целесообразно повышать защитные свойства покрытия путем уплотнения изоляционного слоя на поверхности штабеля.
Обширные исследования проведены группой научных работников под руководством проф. Ра-ковского В.Е., которые изучали окисление подвижного железа ^е подв. мг\г с.в.) находящегося в торфе под действием воздуха. Их выводы также подтверждают влияние кислорода воздуха на актив-
ность процесса окисления подвижного железа в торфе, а, следовательно, и повышенное выделение тепла в этой реакции.
Обращает на себя внимание и то, что классификация торфа по категориям склонности к са-моразогреванию делится на особо опасную, опасную и малоопасную. При этом в особо опасной категории содержание подвижного железа ^е подв.) более чем в два раза выше, чем в малоопасной категории.
Эти исследования подтверждают факт протекания химических реакций в штабелях фрезерного торфа с выделением тепла при доступе кислорода воздуха
Нашими исследователями [4] установлены показатели по скорости проникновения воздуха (воздухопроницаемость) через некоторые материалы:
полиэтиленовая пленка (И = 120 мкм) - V =
0,11 л/м2 с;
• пленка из битумно-щелочной эмульсии (И = 2 мм) - V = 2 - 5 л/м2 с;
• торфяная крошка (фрезерная) (см. рис.);
• ^ = 40 - 80 %; Р = 1 - 6 Н / см2; h = 10 мм)
- V = 20 - 100 л / м2 с.
Если оценивать эти величины по необходимой скорости только для окисления органической части торфа (У=0,023 л/м2 с), то ста-новится очевидно, как они не сопоставимы.
Но это не означает, что мероприятия по торможению процесса саморазогревания торфа, рассмотренные ранее, не следует проводить, просто становится понятно, что результаты сокращения потерь от саморазогревания по каждому из этих способов не превышают 10-20 % и не всегда эффективны.
Значительный вклад в изучение природы процесса саморазогревания внесли Д.А. Бегак, Е.В. Кондратьев, Н.М. Курбатова-Беликова, В.С. Ва-ренцов, С.С. Стрелков, К.И. Малышев, И.Д. Богопольский, П.К. Маль, Н.Н. Стрыгин, И.И. Лиштвин [5], В.Е. Раковский, А.П. Гаврильчик, П.Л. Фалюшин и др.
Обобщая результаты микробиологических исследований саморазогревания торфа, Д.А. Бегак писал [6], что значение физических факторов, таких как смачивание, адсорбция и других, заключается в том, что они, приближая температуру торфа к оптимальной для микробиологической деятельности, обуславливают протекание микробиологических
В, л / м2 сек
Зависимостъ воздухопроницаемости В матрщ с _____________торфом при разгичном уплотнении______
процессов, которые собственно и вызывают самора-зогревание.
Саморазогревание фрезерного торфа происходит под влиянием жизнедеятельности постепенно сменяющих друг друга физиологических групп микроорганизмов. При этом ведущие микробиологические процессы на всех стадиях саморазо-гревания носят аэробный характер (т.е. с доступом кислорода).
Пример распада глюкозы
С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О + 674 ккал
Б.Ф. Сергеев [7] считал, что основной причиной саморазогревания фрезерного торфа в складочных единицах являются химические и биохимические процессы. В начальный период окисления торфа в штабеле, вследствие незначительного содержания в нём питательных веществ для микроорганизмов, выделение тепла происходит за счёт окисления торфа кислородом воздуха.
Биохимические окислительные процессы идущие с выделением тепла, интенсифицируются лишь тогда, когда в результате химических превращений в торфе накапливаются питательные вещества, необходимые для размножения микроорганизмов.
В тоже время теория радикального цепного механизма (окисления) [17], согласно которой образование свободных радикалов возможно при взаимодействии органического вещества торфа с кислородом, при поглощении солнечного света (фотосинтез) при электрическом разряде (электрическом поле), отмечает, что наличие свободных радикалов в торфе и высокий тепловой эффект их окисления (8-43 ккал/моль) способны вызвать разогрев торфяной массы в условиях затруднённого отвода тепла.
Итак, согласно всех перечисленных теорий по саморазогреванию торфа в штабелях с практической стороны необходимо исключить доступ кислорода воздуха уже на первой стадии формирования штабеля, повысить теплопроводность торфа, исключить поглощение солнечного света и образование электрических полей в слоях торфа?
Новое открытие сделанное биологом Калифорнийского университета доктором В. Штаке-ниусом в 1965 году значительно расширило наши представления о процессах происходящих в само разогревающихся штабелях фрезерного торфа. Он обнаружил, что не только растения, но и бактерии способны непосредственно превращать энергию солнечного света в химическую. В этом процессе вместо хлорофилла действует иной пигмент - бактериородопсин.
Когда на мембрану бактерии, содержащую бактериородопсин, падает солнечный свет, молекулы пигмента начинают испускать элементарные частицы с положительным зарядом - протоны. Каждая молекула выбрасывает 250 протонов в секунду. В силу этого на внутренней стороне мембраны возникает отрицательный заряд. Разность потенциалов используется в следующей фазе, когда он синтезирует аденозинтрифосфат -
вещество хорошо известное биохимикам как аккумулятор энергии - АТФ.
Подтверждающие этот факт эксперименты были проведены японским учёным Ясуо Кагава [8]. На их основании сделан вывод - все виды фотосинтезирующих мембран: тилакоиды, хро-матофоры - содержат фотосинтезирующие пигменты (хлорофилл, бактериородопсин, карати-ноиды и т.д.), системы переноса электронов и сопрягающие факторы. В этих мембранах под действием света протекает реакция фотофосфорили-рования, т.е. осуществляется синтез АТФ и АДФ и неорганического фосфата.
Косвенное подтверждение этого факта следует и из работ А.П. Гаврильчик, Г.В. Наумовой, С.С. Маль [9], [10], [11], из которых следует, что ботанический состав фрезерного торфа, сушка которого происходит при различных метеорологических условиях, оказывает влияние на скорость его превращений и интенсивность саморазогревания при хранении. По мере усиления жёсткости режима сушки фрезерного торфа в расстиле увеличивается пористость торфа, снижается термическая устойчивость углеводного комплекса, возрастает скорость химических превращений при хранении торфа и соответственно увеличиваются потери органического вещества. Установленные закономерности более чётко проявляются у быстро окисляющихся торфов с высокой активностью к саморазогреванию и являются одной из причин, обуславливающих интенсивное саморазогревание в условиях сухого и жаркого лета.
Вместе с тем, эти работы, а также исследования по ферментативной активности растений торфообразователей [11] обращают внимание на влияние солнечной энергии на окисление и диполимеризацию органического вещества, ката-лазную активность с выделением газообразного кислорода, биоконсервацию солнечной энергии некоторыми микроорганизмами, способными выделять водород, то есть всего того, что необходимо для протекания фотосинтеза и работы топливных элементов в торфе.
Анализ рассмотренных работ и наши исследования [12] показали, что не только присутствие кислорода воздуха способствует интенсивному саморазогреванию торфа в штабеле, но и солнечная энергия усиливает протекание химических реакций и образование электрических полей в хранящемся фрезерном торфе.
А это означает, что скорость протекания химических реакций в растениях торфообразователях, бактериях и слоях торфа будет тем выше, чем активнее солнечный поток (сухое, жаркое лето, дж/м2].
Проведённые нами исследования [12] по выявлению зависимости интенсивности саморазогрева-ния от внешних факторов позволили получить зависимости 1 и 2, в которых подтверждается этот факт:
- и
с = -F(------- )
Т QV2
і К
С = -(к-^- + Ь) Т QV2
(1)
(2)
где С - интенсивность саморазогревания, град/ час; Q - количество осадков, кг/ м2; t - температура воздуха, град; V - скорость ветра, м/ час; Т - интервал наблюдения, час; R - солнечная энергия, дж/ м2; к и Ь - постоянные коэффициенты получены по данным ретроспективной информации метеостанций и температурных наблюдений по штабелям.
Так за период наблюдения с 1972 по 1983 г. на торфопредприятии Мезиновское Владимирторф получено к = 0,14; Ь = 0,4.
В дальнейшем эта зависимость была уточнена по результатам температурного контроля штабелей и данным метеостанций в период с 1983 по 1990 г. по торфопредприятию Бакшеевское Ша-турторф и получена
С = 0,63 — )013
(3)
Резюмируя, отмечаем, что в растениях торфооб-разователях под действием солнечного света происходит образование АТФ, синтез которого связан с накоплением энергии. Синтез АТФ осуществляется при накоплении протонов на внешней стороне мембраны, что происходит при сушке в слоях фрезерного торфа подверженного солнечному освещению, либо за счёт наложения на систему (частицы торфа-вода-воздух) электрического поля, что наблюдается в технологическом цикле фрезерования, ворошения, уборки и штабелирования.
Известно, что торф - диэлектрик, имеет анизотропную структуру по объёму образца. Наличие границ раздела фаз предполагает электронную проводимость, как за счёт инжектируемых электронов, так и за счёт возникающих в мате-
риале вследствие теплового радиационного и электронного воздействия.
Заряды статического электричества возникают в результате трения диэлектриков, каковыми и являются частицы фрезерного торфа, друг о друга, и проводник. Иногда заряды статического электричества стекают в землю, а иногда накапливаются и создают поле высокой напряжённости. Перенос электрических зарядов в дисперсных системах в постоянном электрическом поле может осуществляться за счёт электронной, ионной и, молионной проводимости. Под влиянием тепла, света, радиационных излучений, трения и т.п. часть электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости [13].
Появление электрического заряда на материале сопровождается образованием электрического поля, каждая точка которого характеризуется потенциалом. Величина электрического заряда определяется природой материала (зарядом двойного слоя, электрическим сопротивлением), скоростью отрыва (сближения) поверхностей, а также особенностями технологического процесса.
В технологическом цикле добычи, уборки и штабелирования на частицы фрезерного торфа воздействуют металлические элементы торфяных машин, заряжая их отрицательными зарядами, что доказано нашими исследованиями в лабораторных и полевых условиях [14].
В процессе формирования растила, валков, навала и штабеля часть частиц торфа соприкасается в динамике с металлическими поверхностями рабочих органов машин и заряжает их отрицательными зарядами, тогда как другие частицы не соприкасаются, а трутся друг о друга и заряжаются положительными зарядами, и тогда в сформированных единицах (растил, валок, навал, штабель) образуются зоны с частицами торфа, на поверхности которых имеются заряды разного знака, что предопределяет образование электрических полей. Вместе с тем, верхний слой этих частиц подверженный солнечной радиации и действию квантов света, в результате перераспределения протонов на поверхности элементарных частиц заряжается положительно, тогда как нижележащие слои торфа (на глубину действия рабочего элемента машины) в большей мере накапливают отрицательные заряды [15].
Последующие технологические операции повторяют этот процесс, превращая складочную единицу,
как бы в слой с электрическим полем различной напряжённости.
В этих электрических полях, на наш взгляд, и происходит вначале интенсивный синтез АТФ, связанный с выделением тепловой энергии и далее в процессе сушки и хранения интенсифицируются биохимические процессы и химические реакции.
На основании теоретических предпосылок и экспериментальных исследований, проведённых в лабораторных и полевых условиях на торфо-предприятиях Владимирторф и Шатурторф, нами предложен принципиально новый способ торможения процесса саморазогревания фрезерного торфа в штабелях весьма эффективный и с минимальными затратами [16].
Способ защиты штабелей фрезерного торфа применяется для предотвращения развития термогенных процессов в складочных единицах при хранении фрезерного торфа на открытых производственных площадках в условиях торфопредприятий.
Способ защиты штабелей торфа реализуется за счёт:
• создания электрического поля положительного знака в слоях фрезерного торфа подверженных воздействию рабочих элементов машин;
• изменения заряда отрицательного знака на положительный на частицах фрезерного торфа;
• ликвидации электрического поля между частицами и слоями торфа в расстиле, валках и штабеле.
Положительные заряды на частицах торфа образуются за счёт трения о диэлектрическую поверхность скребков модернизированных торфяных машин.
Проверка способа производилась в производстве на торфопредприятии Бакшеевское объединения Шатурторф.
Объём выполненной работы составил более 50 000 тонн торфа ежегодно в течение трёх лет.
Полученные результаты дали значительное снижение интенсивности саморазогревания торфа при модернизации только штабелирующей машины, что подтвердило справедливость теоретических предпосылок и лабораторных исследований.
1. Технологический регламент на складирование и хранение фрезерного торфа. ВНИИТП: Ленинград. 1986. - 51 с.
2. Шпынев В.М., Селезнева Г.В., Федоров В.Н. Способ изоляции штабелей фрезерного торфа битумно-щелоч-ной эмульсией. Сб. Технология и комплексная механизация торфяного производства. КГУ. 1982.
3. Маль П.К. и др. Усовершенствование существующего метода борьбы с саморазогреванием и самовозгоранием торфа. Отчет по теме № 11-в, ТОС, 1955.
4. Шпынев В.М. и др. Усовершенствовать и внедрить способ и оборудование изоляции штабелей фрезерного торфа битумно-щелочной эмульсией. Отчет по теме № 5, КПИ, Калинин, 1980.
5. Лиштвин И.И., Фамошин П.Л., Кашинская Т.Я. Моделирование процесса химических превращений при саморазогревании
торфа. Ж. Торфяная промышленность, № 10, 1981.
6. Бегак Д.А. Роль микроорганизмов в процессе саморазогрева-ния фрезерного торфа. Труды ВНИИТП. т 36. 1937.
7. Сергеев Б.Ф. Окислительно-термогенные процессы в складированном фрезерном торфе. Объединенный научно-исследо-вательский отчет Калининский филиал ВНИИТП, 1964.
8. Кагава Я. Биомембраны. Высшая школа, М. 1985. - 218 с.
9. Маль С.С. Углеводы и азотосодержащие вещества торфа. Наука и техника. Минск, 1982. -252 с.
10. Гаврильчик А.П., Маль С.С. и др. Влияние условий сушки торфа на склонность его превращений при хранении. Наука и техника, Минск, 1972 - 320 с.
11. Наумова Г.В. Биологически активные вещества в торфе. Ж. Торфяная промышленность, № 3, 1987.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
12. Шпынев В.М. саморазогре-вание торфа и внешние факторы. Ж. Торфяная промышленность, №12, 1983.
13. Лыч А.И., Лис С.С. Электрические свойства торфа и их практическое применение. Минск, Наука и техника. 1980. - 42 с.
14.Шпынев В.М. и др. Исследовать условия накопления и стекания зарядов с поверхности штабелей фрезерного торфа с целью торможения процесса са-моразогревания. Отчет НИР КПИ № ГР.01840051731 - Калинин, 1984 - 96 с.
15.Шпынев В.М. и др. Исследовать условия образования электрических полей нейтрализующими устройствами в штабелях фрезерного торфа с целью торможения процесса саморазо-гревания. Отчет НИР КПИ № ГР 018400513171 - Калинин. 1985.
- 68 с.
16. Шпынев В.М., Федоров В.Н. Способ защиты штабелей
фрезерного торфа. Патент № 17. Кондратьев В.Н. Свобод- веществ. Издательство Академия
1229349. ные радикалы - активная форма Наук СССР. М., 1960.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ =
Шпынёв Вадим Михайлович - доцент, кандидат технических наук, Тверской государственный технический университет.
