CC BY
16УДК 622.31:622.271.9 Гордеева И.М.
Гордеева Инна Михайловна, студент направления «Природообустройство и водопользование», выпускающая кафедра «Геология, переработка торфа и сапропеля». inna_001f@mail.ru.
Пухова О.В.
Пухова Ольга Владимировна, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры геотехнологии и торфяного производства Тверского государственного технического университета. owpuhova@mail.ru.
Шахматов К.Л.
Шахматов Кирилл Леонидович, канд. техн. наук, доцент кафедры геологии, переработки торфа и сапропеля Тверского государственного технического университета. krl81@list.ru.
ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТОРФЯНОГО СЫРЬЯ НА ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БРИКЕТОВ
Аннотация. В статье представлены результаты исследований физико-механических свойств брикетов в зависимости от качественных показателей сырья. Для исследований использованы часто встречающие в Тверской области виды торфяного сырья со степенью разложения от 10 до 50 %. Полученные результаты позволяют рассматривать зависимость основных свойств брикетов от зольности в пределах общей совокупности. Установлено, что при формировании физико-механических свойств брикетов на основе торфа существенную роль играют минеральные компоненты. Так, при увеличении зольности с 2 до 15 % (браковочный предел) происходит уменьшение прочности до 1,5 раз. Зольность отрицательно влияет на потребительские свойства брикетов. Полученные зависимости прочности от степени разложения указывают, что при постоянной загрузке по массе определяющим является давление прессования, а не плотность отдельных частиц, слагающих брикет.
Ключевые слова: торф, свойства, добыча, качество, влажность, дисперсность.
Gordeeva I.M.
Gordeeva Inna M., Student of the direction «Environmental Engineering and Water Use», Chair of Geology, Peat and Sapropel Processing, Tver State Technical University.
Pukhova O.V.
Pukhova Olga V., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Chair of Geotechnology and Peat Production, Tver State Technical University.
Shakhmatov K.L.
Shakhmatov Kirill L., Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Chair of Geology, Peat and Sapropel Processing, Tver State Technical University.
INFLUENCE OF QUALITY INDICATORS OF RAW PEAT ON
PHYSICOMECHANICAL PROPERTIES OF BRIQUETTES
Annotation. The article presents the results of studies of the physical and mechanical properties of briquettes, depending on the quality indicators of raw materials. For the research, peat raw materials that are often found in the Tver Region with a degree of decomposition from 10 to 50 % were used. The results obtained allow us to consider the dependence of the basic properties of briquettes on the ash content within the total set. It has been established that the formation of the physico-mechanical properties of briquettes based on peat plays a significant role in mineral components. So with an increase in ash content from 2 to 15 % (rejection limit), there is a decrease in strength up to 1.5 times. Ash content negatively affects consumer properties of briquettes. The obtained dependences of strength on degree of decomposition indicate that at constant loading by mass the determining factor is pressure, but not the density of individual particles composing the briquette.
Keywords: peat, properties, production, quality, humidity, dispersion.
Тверской регион богат разнообразием торфяного фонда, рациональное использование которого играет значимую роль для торфодобывающих компаний [1, 2]. Значение торфа как местного вида топлива возрастает для населенных пунктов, расположенных в отдаленных районах. Совершенствование технологий торфяного производства [3, 4] позволяет расширить диапазон использования торфа, а также продуктов на его основе. Цель исследований - установление связей между степенью разложения, зольностью, размером частиц уплотняемого материала и физико-механическими характеристиками брикетов. Брикетирование торфа проводили из образцов часто встречающихся видов торфяного сырья, степень разложения которых колебалась от 10 до 50 %. Она находилась методом определения по дисперсности - по содержанию фракций размером менее 250 мкм при помощи сокращенного ситового анализа [5].
В ходе исследований установлено, что на формирование физико-механических
свойств брикетов на основе торфа (табл. 1) существенную роль играют минеральные компоненты. Верховой торф имеет малое количество поглощенных катионов. В нем много внутриклеточной и осмотической влаги. В низинном торфе имеются поглощенные ионы. Они существенно изменяют структуру ассоциатов и могут приводить к пептизации или коагуляции торфа [6, 7]. Торф, насыщенный поливалентными катионами (Ca, Mg, Fe и др.), обладает жесткой структурой и представляет собой совокупность дисперсий высокомолекулярных соединений различного химического состава
и минеральных компонентов. Общее содержание минеральных соединений в топливе характеризуется зольностью. Однако зола представлена смесью оксидов. Зависимости прочности и плотности сушенки от зольности представлены уравнениями:
Оизг = 40,5 - 1,31Лс ± 12,9 (х 9,8-105 н/м2), Рсуш = 0,242 + 0,01Лс ± 0,103 (х 103 кг/м3).
Водопоглощение брикетов в пределах типов и торфа в целом практически не зависит от зольности.
Полученные результаты позволяют рассматривать зависимости основных свойств брикетов от зольности в пределах общей совокупности. В целом для торфа при увеличении зольности с 2 % (верховой торф) до 15 % происходит уменьшение прочности до 1,5 раза. Учитывая это обстоятельство, а также снижение теплоценности, следует считать зольность наиболее отрицательным фактором, влияющим на потребительские свойства брикетов.
Степень разложения характеризует биохимический распад растений-торфо-образователей и определяет физические и химические свойства торфяного сырья. В образцах верхового торфа связь степени разложения с составом и свойствами в большинстве случаев довольно тесная [2]. В низинном торфе тесных связей гораздо меньше. Определяющим является уже не степень разложения, а состав поглощенных катионов кальция.
Выполненные исследования (таблица) показали, что в верховом торфе связь между степенью разложения и свойствами брикетов более тесная, чем в низинном.
Таблица. Физико-механические свойства брикетов на основе торфа Table. Physico-mechanical properties of peat-based briquettes
№ п/п Показатель Значения показателей
низинный торф верховой торф
1 Прочность брикетов на изгиб, х 9,8 -105 н/м2 при влажности 14 % 20 % 3,0-64,0 (29,1) 4,3-50,5 (23,l) 21,1-64,5 (39,2) 10,4-63,6 (31,7)
2 Плотность брикетов, т/м3 при влажности 14 % 20 % 0,864-1,295 (1,086) 0,912-1,322 (1,104) 0,898-1,215 (1,070) 0,915-1,170 (1,058)
3 Водопоглощение, % при влажности 14 % 1,900-323,6 (117,7) 0,860-354,0 (55,7)
Связи показателей прочности брикетов на изгиб (стизг), водопоглощения (Bis) и плотности (уОбр.) со степенью разложения для образцов брикетов из торфа верхового типа влажностью 14 % имеют коэффициенты корреляции: -0,39; -0,35; 0,13 соответственно. Для низинного торфа при тех же параметрах: -0,19; 0,16; 0,12.
В целом для торфа коэффициент корреляции между прочностью брикетов на изгиб и степенью разложения равен -0,32 с ошибкой тг = 0,093. Уравнение имеет вид:
стизг= 43,3 - 0,33ß ± 12,9, (х 9,8 - Ю* н/м?).
Опытные данные показывают, что с ростом степени разложения прочность на изгиб резко снижается для верхового торфа и меньше для низинного. Полученные зависимости прочности от степени разложения указывают, что при постоянной загрузке по массе определяющим является давление прессования, а не плотность отдельных частиц, слагающих брикет. Прочность брикетов из торфа [8] зависит от количества и качества связей между частицами и ассоци-атами, из которых он состоит, а также от дефектов структуры.
Степень разложения оказывает существенное влияние на плотность торфяного сырья для брикетирования. Для верхового и низинного типов торфа коэффициент корреляции составляет 0,59. Уравнение регрессии имеет вид:
Рте = 0,191 + 0,0041ß ± 0,096 (х Юз кг/мз).
Следует отметить, что плотность торфяного сырья для брикетирования в диапазоне влажностей 14-20 % практически не меняется.
Полученные результаты по водопогло-щению брикетов показали, что связь между водопоглощением фрезерного торфа верхового типа и степенью разложения близка к функциональной с коэффициентом корреляции 0,93. Практическое отсутствие связи водопоглощения и степени разложения для брикетов на основе торфа по сравнению с тесной связью между теми же показателями во фрезерном торфе объясняется неодинаковой исходной влажностью (сырья и фрезерной крошки) и, в особенности, разным механизмом поглощения влаги в брикетах и фрезерной крошке. Это различие определяется большей битуминозностью торфа.
В процессах структурирования брикетов на торфяной основе учитывалось склеивание растений-торфообразователей гумино-
выми и легкогидролизуемыми веществами в единую систему, то есть от относительной доли грубодисперсных и высокодисперсных фракций зависит целостность брикета. В исследованиях установлено, что повышение степени дисперсности торфа приводит к увеличению прочности брикетов, так как происходит равномерное распределение грубодисперсных и высокодисперсных фракций в объеме формуемой массы. Причем высокодисперсная фракция склеивает крупные отдельные частицы в одно целое. Увеличение прочности снижает водопогло-тительную способность.
Физико-механические свойства брикетов увязываются с объективными показателями дисперсности, а именно, с содержанием фракций <250 мкм (Р<25о)- Наибольшее влияние на тесноту связи в верховом торфе оказывает фракция Р<25о■ Поэтому, чтобы характеризовать прочность от дисперсности, достаточно оперировать этими двумя значениями. Содержание фракций Р< 250 определяется по данным ситового анализа, поэтому этот показатель предпочтительнее, особенно для прогнозной оценки.
В брикетах при сушке в диспергированном торфе возникают прочные и жесткие связи, определяющие деформируемость агрегатов [8]. Такие агрегаты имеют малую подвижность молекул, высокую вязкость, малую пластичность. Напряжения, возникающие в частицах, мало релаксиру-ют, а после снятия внешней нагрузки будут возвращать накопленную за счет сил упругости энергию. Увеличение влажности снижает жесткость частиц, но одновременно увеличивается длина связей между ними. Последнее оказывает большое влияние на прочность, и она снижается.
В низинных видах торфа наиболее четко прослеживается связь между прочностью и дисперсностью при влажности 17 и 20 %. В целом по торфу г = -0,47, а уравнение регрессии имеет вид:
fe = 73,5 - 0,515 Р<25о± 12,8 (х 9,8 -Ю* н/м?).
На водопоглощение брикетов из верхового торфа фракционный состав влияния не оказывает, но в низинном торфе оно увеличивается с ростом раздробленности торфяных частиц. В верховом торфе насыпная плотность сырья для брикетирования растет более заметно с увеличением содержания фракций <250 мкм. Плотность ее связана более тесной зависимостью с содержанием фракций менее 250 мкм:
/?суШ= 0,167 + 0,0038 Р<25о± 0,106 (х 103кг/м3).
Плотность брикетов связана слабой положительной зависимостью с дисперсностью исходного торфа. Водопоглощение брикетов верхового торфа находится в менее тесной связи с дисперсностью, чем прочность. Связь эта обратная для фракций <250 мкм. При со = 14 % г = -0,38.
Водопоглощение (%) образцов торфа кроме механических факторов в значительной мере определяется компонентным и катионным составами (содержанием кальция):
Вв = 121,03 - 2,57 Са2+± 95,7 (верховой торф),
Вн = 0,37 Са2+ + 66,55 ± 38,0 (низинный торф).
Таким образом, проведенные исследования по влиянию качественных показателей на свойства брикетов показали, что наибольшее влияние (в пределах совокупности всех видов торфа) степень разложения оказывает на прочностные свойства, однако теснота этой связи незначительна. Влияние степени разложения на насыпную плотность торфяного сырья для брикетирования более тесное. В среднем при изменении степени разложения от 10 до 60 % можно ожидать уменьшения прочности примерно в 1,6 раза и увеличения плотности в 1,9 раза, что приведет к увеличению производительности пресса. Дисперсность более тесно, чем степень разложения, связана с прочностью и плотностью брикетов. Она легко измеряется и изменяется при
переработке, и ее можно рекомендовать в качестве основного показателя, характеризующего свойства торфяного сырья для брикетирования.
Библиографический список
1. Панов В.В., Мисников О.С. Современные тенденции развития торфяной отрасли России // Труды Инсторфа, 2015, № 11(64). С. 3-12.
2. ЯблоневАЛ., Пухова О.В. Современные направления использования торфа // Вестник ТГТУ. 2010. № 17. С. 104.
3. Мисников О.С., Тимофеев А.Е. О рациональном использовании энергетических и минеральных ресурсов торфяных месторождений // Горный журнал, 2008, № 11. С. 59-63.
4. Мисников О.С., Тимофеев А.Е., Михайлов A.A. Анализ технологий разработки торфяных месторождений в странах дальнего и ближнего зарубежья// Горный информационно-аналитический бюллетень. М: МГГУ, 2011. № 9. С. 84-92.
5. Технический анализ торфа / Е.Т. Базин, В.Д. Копенкин, В.И. Косов, С.С. Корчунов. М.: Недра, 1992. 431 с.
6. Регелъ В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. 560 с.
7. Afanas'evА.Е., GamayunovS.N., MisnikovO.S. Structurization processes during of sapropels with varying ash content // Colloid Journal. 1999. T. 61. №3. C. 274-279.
8. Афанасьев A.E., Чураев H.B. Оптимизация процессов сушки и структурообразования в технологии торфяного производства. М.: Недра, 1992.288 с.
