автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.05, диссертация на тему:Разработка и исследование энергосберегающего способа повышения качества торфяных брикетов

г- • !"1 Л

' •• Государственный комитет Российской Федерации 1 по вьюшэму образованию

Тверской ордепа Трудового Красного Знамени 0 политехнический институт

11а правах рукописи

кудряюв Л ПАТ о л ¡я !,енашюв;я

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО СПОСОБА ГОВЧШЕВИЯ КАЧЕСТВА ТОРОЯНЫХ БРИКЕТОВ.

Специальность 05.1Б.05 - технология и комплексная

механизация торфяного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тверь - 1994

- г -

Работа выношена на кафедре ТМиО Тверского политехнического института

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники , доктор технических наук, профессор

Наумович Е и.

- кандидат технических наук , доцент Суворов В. И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,профессор Терентьев А. А.

кандидат технических наук,доцент Беркович И. И. Ведущая организация - Н Ц " Радченкоторф"

• Защита состоится " "1994 г. в /4* часов на засе-

дании специализированного совета Д 063.22.01 по занщте диссерта-•ций на соискание ученой степени доктора наук в Тверском политехническом институте (г.Тверь,наб.А.Никитина,22,ауд.Ц-212).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Тверского политехнического института (г.Тверь,пр. Ленина,26).

Ученый секретарь специализированного совета профессор Копенкин а Д.

Тверской политехнически!! © институт, 1994 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальнооть темы. Потребности рынка в топливном торфе только для России с 1995 г. по 2000 г. предполагают увеличение производства на 17%, брикетов на 257., что можт оказаться весьма занимэн-ным по причинам сокращения добычи и роста цен на традиционные энергоносители (природный газ, нефть, уголь, электроэнергию).

Широкий диапазон варьирования показателей качества торфяных брикетов (прочностные.свойства, содержание влаги) является, причиной противоречивых экономических оценок в системе " производство-потребление". Так со стороны производителя увеличение влажности брикета с 10Z до 25%(наиболее часто встречающиеся отклонения)приводит к увеличению кажущегося обьёма производства на 70Z. Со стороны потребителя такое увеличение влажности вызывает снижение удельиой теплоты сгорания,являющегося основным показателем потребительского качества, а следовательно приводит к увеличению результирующих затрат системы "производство-потребление" в целом на 17 X. Отсюда возникает необходимость принятия мер стабилизации качества торфяного брикета до использования его потребителем.

Несмотря на значительные успехи научно-практического совершенствования торфобрикетного производства, процесс брикетирования остается весьма энергоемким и трудоемким. Наибольшей энергоемкостью обладает собственно операция прессования,на которую расходуется 50 Z всей затраченной энергии , что в среднем составляет 25 кВтч/т. В то же время теоретические исследования предполагают затраты энергии всего в 1,2 - 2,5 кВгч/т (по данным Е А. Богатова) с учетом технологических потерь. Такая разница в оценке теоретических и практических энергозатрат на формирование брикета требует проведения дополнительных исследований и поиск путей снижения энергоемкости процесса брикетирования.

Необходимость срочного увеличения производства торфяных брикетов при стабилизации их качества во времени и снижение энергоемкости производства делает актуальной задачу совершенствования процесса прессования торфа.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка и обоснование энергосберегающего способа повышения качества

торфяных брикетов, способных сохранять потребительские свойства при хранении, транспортировке и слыгашш.

Исходя из поставленной цели решались следующие основные вадачи:

- адаптация типовых и разработка новых методов исследования энергетических параметров прессования, структуры и физико-механических свойств готовой продукцж ;

- теоретико-экспериментальное обоснование методов определения энергоемкости структурообразования торфяного брикета и оценки эффективности технологических режимов брикетирования ;

- установление закономерности связи прочностных свойств торфяного брикета с энергетическими параметрами и комлексным показателем прессования торфяного брикета ;

-разработка и обоснование энергосберегающего способа повышения качества торфяных брикетов путем их гидрофобизации ;

-подбор и обоснование антифрикционных, гидрофобизирующих смазок и температурного режима прессования торфа;

- разработка научно-технических решений по реализации предлагаемого способа повышения качества торфяных брикетов.

Объекты и методы исследования, в качестве объектов исследования были определены ¡торфяная сушенка с различны^ свойствами исходного сырья (низинный и верховой виды торфа влажностью 10-302 , зольностью 2-20Х,фракционным составом до 3,0 мм); гидрофобизирую-. щие антифрикционные смазки и технологические параметры прессования.

Методы анализа структуры торфяных брикетов экспериментальные, в на стадии разработки метода комплексной оценки процесса прессования и эффективности технологических режимов - графоаналитические с использованием программ ПЭ £ Ы.

Основными инструментальными методами исследований явились: регистрация силовых и кинематических параметров прессования; микроскопические методы с использованием световой и растровой электронной микроскопии; инфракрасная спектроскопия; стандартные методы определения физико-механических свойств сырья и брикета.

Исследования структуры брикета выполнялось в зональной МНИЛ электронной микроскопии ТвеПИ.

Практическая проверка предлагаемого способа повышения качества торфяных брикетов проведена в условиях работы Вышневолоцкого торфобрикетного завода.

Научная новизна. На основании теоретических обобщения и экспериментальной проверки стадий структурообразования торфяных брикетов установлено:

-механизм формирования струютуры торфяного брикета заключается в изменении структурно-механических свойств дисперсной системы торфа в результате' перехода коагуляциончых контактов ме,частичного взаимодействия в точечные, а при совместном действии тепловых полей и сдвиговых напряжений,снижающих энергию перехода одного вида контакта в другой,возможно формирование фазовых взаимодействий;

- при прессовании ■ гидрофильных дисперсных систем в качестве показателя, характеризующего структурообразование, предложен комплексный показатель, учитывающий одновременно энергетику процесса и качественные преобразования структуры брикета.

Основные положения .выносимые на защиту:

- структура торфяного брикета является продуктом физико-механических преобразований исходной дисперсной системы при неравномерных по объему брикета энергетических затратах, необходимых для формирования контактного взаимодействия различного типа;

- удельные энергетические затраты на преобразование объема твердой фазы торфа (энергоемкость структурообразования)определяют формирование физико-механических свойств торфяного брикета;

- комплексный показатель прессования (отношение энергоемкости структурообразование к общей энергоемкости прессования) позволяет оценить эффективность процесса при различных технологических условиях брикетирования торфа;

- методом повышения прочностных и водостойких свойств торфяного брикета является перенос гидрофобизируклцих смазок на внешний слой брикета в процессе прессования при температуре близкой к температуре окружающей среды;

- функциональная связь прочностных свойств брикета с энергоемкостью структурообразования и использование метода искусственной гидрофобизации являются основой способа автоматизации торфобрикетного производства.

фактическая ценность работа Применение разработанного энергосберегающего способа повышения качества позволит производителям торфяных брикетов снизить общие энергозатраты на прессование в среднем до 20%,увеличить плотность брикета почти в 1,5 раэа.проч-

ность почти в 4 раза, водостойкость в 7 раз, что в целом повысит-экономичность всей системы "производство-потребление".

Разработанные приборы регистрации кинетики водопоглощения дисперсных твердых тел,использующиеся в практике научноисследователь-ских работ,могут быть использованы в учебном процессе,а методы определения энергоемкости структурообразования и эффективности прессования могут использоваться при проведении экспериментальных исследований в областях, связанных с прессованием различных материалов природного органического происхождения и в учебном процессе.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, получено 4 авторских свидетельства на изобретения.

Апробация работы. Результаты исследований по диссертационной работе доложены и обсуждены на семинарах " Динамика технологических машин и автоматов" (каф.ТМЫ,КПИ,1973-197бг.г.),"Теоретические основы и процессы переработки торфа" (каф. МППГ,КПИ,1987-1991г. г. ), на XiY (1984г) и XY1 (1988г) научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава,аспирантов и сотрудниковКПИ, ученом совете НЦ "Радченкоторф".

Обьем и структура работы. Диссертация состоит из введения,пяти глав, выводов, приложения, списка использованной литературы из 121 наименований. Работа изложена на 185 страницах, Вгииочает 146 страниц основного текста, 65 иллюстраций, 20 таблиц и приложение на 13 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ведении обоснована актуальность теш, определены цель и задачи исследований,сформулированы основные положения,вынесенные на завдту,сделаны выводы и предложения о научной и практической значимости работы.

В главе 1 " Основы механизма структурообразования торфяных брикетов и дисперсных тел" представлен анализ работ в области теоретического обоснования способности торфа как дисперсной системы образовывать структуру брикета.

Отмечая универсальность и широту постановки проблем прессования, согласно существующих теорий и гипотиз брикетирования торфа, было отмечено, что прямые экспериментальные исследования кинетики "прилипания",влияния"давления прижима" и "диффузионных процессов" в период длительного контакта не учитывали роли температурного

воздействия, сдвиговых напряжений, кинетики процессов вскрытия активных энергетических центров, которые безусловно могут влиять на условия форшфования ме;кчастичных взаимодействий.

Анализ работ по исследованию влияния технологических факторов брикетирования торфа как на стадии прессования, так и на качество готовой продукции показал, что существенным недостатком проведенных исследований является отсутствие ооьективной и достаточной количественной информации о процессах, протекающих на поверхности контакта торфа с матричным инструментом и в прессуемом материале.

Оценка свойств торфяных брикетов с позиций физико-химической механики дисперсных систем.учитывающей кинетическую природу прочности межчастичных взаимодействий при формировании структуры и упругом последействии,позволила выдвинуть предположение о молекуляр-но-кинетическом механизме структурообразования торфяного брикета

Для подтверждения гипотезы механизма структурообразования торфяного брикета и разработки способов повышения его качества необходим универсальный метод энергетической оценки эффективности технологических режимов прессования.

В главе 2 " Методическое обеспечение изучения процесса прессования торфа " проведена адаптация типовых методов исследования применительно к показателям торфяной сушенки и физико-механических свойств брикета с использованием разработанных приборов.

С целью изучения состояния пористой структуры брикета выбран стереологический метод определения ее показателей с применением оптической и растровой электронной микроскопии.

Для решения задач,связанных с оценкой качественных изменений дисперсных систем и особенностей контактирования частиц ра^гзличн-ных зон брикета, применены методы люминесцентной микроскопии, инфракрасной спектроскопии и химического анализа сырья и зон брикета.

Оценка водопоглотительных свойств дисперсных систем проводилась на разработанном и изготовленном приборе непрерывной регийтрации кинетики поглощения воды брикетами,склонных к разрушению под действием воды или растворению входящих в его состав компонентов.

Для анализа прочностных свойств торфяного брикета выбран метод определения 'предела прочности на раскол, который позволяет сравнить прочностные свойства брикетов различных форм, от цилиндрических лабораторных до промышленных, типа "салон-брикет".

Обработка экспериментальных результатов преобразования дис-. персных систем проводилась методом анализа совмещенных диаграмм силовых и кинематических осциллограмм прессования с Б-и кратным повтором и использованием программного оСеспечения"5ирегСа1с4( Ьт)". "БТАТБЮТН1СЗ", позволяющих проводить математическую обработку и анализ закономерностей процесса прессования на ПЭВМ.

В главе 3 "Экспериментально-теоретическое исследование механизма структурообразования торфяного брикета" рассмотрены особенности образования брикета с позиций анализа затрат механической энергии штемпелем на разновидности совершенной работы.

Энергии,затраченные на.сближение частиц, их частичное разрушение, разрушение коагуляциошшх контактов предварительного уплотнения, пластично-деформационные преобразования, межчастичное трение, совместно влияющие на установление межчастичного взаимодействия, били объединены и приняты как составляющие затраты на струк-турообразование (Ас). Тогда общие энергозатраты (Ао) складываются • из затраченной энергии на структурообразование (Ас), внешнее трение (Авт) и упругую деформацию формируемой структуры (Аупр):

Ао-Ас+Авт+Аупр. (1)

Учитывая,что при прессовании происходят объемные преобразования исходной дисперсной системы, энергоемкость прессования торфа (а) определялась как отношение общих энергозатрат к объему брикета (УОр):

а- Ао/Убр. (2)

Энергоемкость структурообразования (ас)определялась как отношение величины затраченной энергии на структурообразование (Ас) к обьему твердой фазы сформированного брикета (Ут):

а-Ас/Ут, (3)

или,учитывая связь обьема брикета с обьемом твердой фазы (при соответствующей плотности Ут) через показатель влажности (с-(100 --V): 100) и относительную плотность ( - .УЬр/У^т), энергоемкость структурообразования прессования торфа можно определить:

ас-Ас/Убрс<с. (4)

В свою очередь затраты энергии на структурообразование (Ас) определялись через эквивалентное давление преобразования дисперсной системы (Рэ), с учетом того, что работа преобразования системы, совершенная переменным давлением штемпеля (Рш) по глубине ма-

теркаса до давления на упоре (Ру), могла бить выполнена некоторым идеальным давленном, учитывающем затраты энергии на внесшее трение: Г'э-( г :::-Ру) /1п | Рк/Ру |. ... (5)

Графическая интерпретация определения эквивалентного давления погазана на совмещенной диаграмме изменений давлений (рис.1), где площадь ОАЕЕся равна площади ОСОКсж согласно теореме о среднем для дапле.гел.

Сов!,:?1!!.з1!н:та диаграммы изменеппй доменка процесса прессования

1,2,3,4-давление штемпеля, на упоре, в материале и эквивалентное соответственно.

Рис. 1

Приняв отношение давления ча упоре (Ру) к давлению на штемпельной поверхности (Ры)как коэффициент передачи давления в прессуемом материале (Кп) .эквивалентное давление преобразования дисперсной структуры находится:

Рэ-Ри(1-Кп)/1п|Кп|. (б)

Используя полученное выражение эквивалентного даьления и уравнение прессования, предложенное Б. А. Богатовым, энергозатраты на прессование и структурообразование определялись соответственно: Ло-5каГНо1п|Но/(Но-Ьк,) |-Ш/к2., (7)

Лс»(1-Кп)(Ло-5 Ры 1Гунр/2)/1п|Кп,(8) где I. - путь пройденный штемпелем от начальная вшогь/ нае1;шш( Но) при деформационном параметре к,=1/'с, силовом параметре к,-Р/£ . усреднение.I коэффицчепче передачи давлепия(Кн).сеченни штемпеля -

(Б). упругом расширение сформированной структуры(Нупр) при конечном давлении штемпеля(Рш), и £-относительной деформации материала.

Энергоемкость структурообразования соответственно определяется: ас -(1-Кп)(Ао-ЗРиНупр/2)/Убр*с1п|Кп'|. (9)

Исходя из предположения, что экергоемсость структурообразования является основным энергетическим параметром,определяющим прочностные свойства структуры торфяного брикета, предложена вависи-мость связи энергетического процесса прессования торфа с качественным показателем структуры:

0>-С1о+Сл (1-Кп)(Ао-ЗРшЦ/нр/г)/УбраоЬп|Кп'|. (10) Данное уравнение и системная диаграмма основных взаимосвязей факторов прессования с качеством торфяного брикета позволили предположить, что структура торфяного брикета неоднородна в результате 'различий соотношений силовых и деформационных процессов,которые в обьеме распределяются неравномерно (силовое воздействие убывает по глубине материала, а сдвиговые напряжения межчассичного взаимодействия зависят от степени подвижности частиц относительно стенок матричного пространства).

Подтверждением гипотезы механизма структурообразования и влияния параметров,определяющих необратимые преобразования дисперсной системы,послужили результаты исследования структуры различных зон торфяного брикета. Анализ показал, что ¡закономерность распределения пористости в обьеме брикета не совпадает с экспоненциальной зависимостью изменения давления в материале, а зависит как от величины силового воздействия так и деформационных напряжений. Методы инфракрасной спектроскопии, люминесцентной микроскопии и химического анализа показали, что в пристенной зоне, где явно действуют едьиговые напряжения, в результате термомеханического воздействия формируются контактные взаимодействия на высоком энергетическом уровне, сопровождающиеся изменениями в содержании битумов, гумино-вых кислот,негидролизуемых остатков и других групп с выходом газообразных продуктов.

Если энергоемкость прессования харакгерезует силовые и деформационные процессы, а энергоемкость стрктурообразования - качественные изменения дисперсной системы,то их отношепе является универсальным комплексным показателем процесса прессования:

Кд-ас /а- с* с, (И)

где ^-Ас/Ао - КЦД затраченной энергии штемпелем при прессовании.

При прессовании можно о:кидать изменение комплексного показателя .таге как КПД штемпеля уменьшается от идеального значения равного 1,а относительная плотность увеличивается.стремясь к идеальному значению равному 1. Тогда при прессовании комплексный показатель модат занять уровень оптимального значения (при численном равенстве КПД и относительной плотности).зависящего от показателя влажности материала (Кс. оп - 1/с), стремясь к идеальному уровню (Ко. ид - 1).

Соотношение текущего комплексного показателя процесса прессования с оптигальнкм уровнем при данной влажюсти и идеальным уровнем момет служить показателем эффективности структурообразо-вания торфяного брикета :

Эл-Кс. ид- | (Ко. оп-Кс) /Кс. оп |. (12)

В общем виде эффективность прессования зависит от условий передачи давления по глубине материала Кп ( в основном от фрикционного состояниг поверхности матрицы),условий развития затрат упругого сжатия формируемой структуры ( в основном от температурного релима и фракционного состава сушенки торфа) , а так же достигнутой относительной плотности брикета :

Эн-1-|(1-Кп+Купр.з1п|Кп|/оип|Кп',|. (13)

Изменение комплексного показателя и эффективности структурообразования в процессе прессования.

•1- Ко ,2-о(,3 >¿,4- Эп. Рис. 2

Величина оптимального дар чешет штемпеля при прессовании зависит от энергетических и деформационных процессов. ¡.1а!:сп"алы!ая технологическая эффективность прессовании достигается при равенстве текущего значения комплексного показателя с оптимальны:.; .когда заканчивается период активной упаковки структура,указкв&ч что дальнейшее увеличение давления приведет к повышенна энергетических потерь на упругую деф-оркацию при незначительном роете плотности.

Увеличение прочности ка стадии выте опт'н.'.алъного давления при незначительном роете плотности, очевидно, осязано с увеличением сдвиговых контактных напря.ч,ений в объеме формируемого брикета.

Сравнительный анализ энергетической эффективности различных режимов и способов прессования торфа наиболее регионально проводить методом сопоставления значений оптимального давления прессования при максимальной эффективности структурообразования. Энергосберегающим режимом или способом прессования будет тот,у которого оптимальное давление чгаемпеля наименьшее. Ееличыа оптимального давления прессования в свою очередь влияет на конструктивные параметры штемпельных прессов.

В главе 4 " Экспериментальное исследование энергосберегающего способа повышения качества торфяного брикета" приведены результаты сравнительного анализа гилрофобизации брикета методом переноса антифрикционной смазки матричного канала в обьем брикета как для различных видов смазки, так и различных температурных режимов.

Перед выбором видов антифрикционных смазок и температурных режимов была проведена предварительная проверю выдвинутой гипотезы молекулярно-кинетического механизма структурообразования, на основании которой разработан метод комплексной оценки эффективности прессования дисперсной системы.

Проверка проводилась на торфе переходного типа двух видов: травяно-моховой, степенью разложения ГМ5-16 % и сфагновой степенью разложения Я 15-17 %. Средняя влажность суиенки при прессовании поддерживалась в пределах "»'-14-10 X. Различная наошшая плотность достигалась путем выделения отдельных Фракции торф.-, при равной массе прессуемого материала. Условия прессовании и результаты испытаний на прочность и плотность <5ь ш заинстйоь'-шн и-« опуОликованнмх материалов по определинпм фцчкцитюго соспг I торфяных смесей ДЛЯ брикетирования А. Р. ЛмНПЫЛЫ '»4 И Л. I:'. //'■О.ТН'ИНМ1!.

Основное результаты и показатели прессования приведены в таО. 1.

Таблица 1.

Результаты и показатели прессования торфа различного фракционного состава

Показатели

¡Размер частиц ирфа.мм.

/сл|

Наименование

| Ед. | 0 -|0,125|0,250 |иамер|0,125|0,250|-1,0

1,0-3,0

% |Насыпная плотность Ли ¡"зксш&шнюе давление £ [Относительная деформация Рор| Плотность брикета С^ и | Предел прочности брикета Ло ¡Общие энергозатраты Лс Энергозатраты струкгурообр-я а ¡Энергоемкость прессования а с | Энергоемкость структ'урообр-я Кс¡Кокялекскый показатель прес-я Эп|Эффективность прессования

|кГ/м |325 |142 |140 |Ша ¡110,3|110,8¡109,8

|0,712¡0,817|0.877

|1сГ/м 11090 Ц100 (1120 |МПа ^13,39 |5,36 |5,90 |Дж-10^1615,7 ¡1002 11454 |Д*-10*1409 |671 Ц024 |МПа |33,54|54,73|81,09 |ЬП1а |34,47|56,85187,01 | |1.027|1.03811,073 | |0,87 |0.88 |0,91

J_I_1_I_

13-1 104,4 0,894 1030 5,23 1428 1122 75,77 75,84 1,010 0,85

Регрессионный анализ показал, что тесную футллиональную связь прочностными свойствам! полученных брикетов имеют: относитель-ая деформация структуры (г-0,82), общие энергозатраты (г-0,87) , нергоемкость прессования (г-0,81) , энергоемкость структурообра-ования (г-0,90).

Комплексный показатель структурообразования и эффективность рессовання имели средним корреляционную связь с прочностью сформованной структуры (г-0,40 и г-0,43 соответственно).

Слабая корреляционная связь ( г»0,18 ) плотности полученных рпкетов с прочиостшлли свойствами подтверждает гипотезу о форми-'овании струтаурн брикетов в результате совместного действия сило-■и:< и дефо[ млуюннпх процессов. При прессовании сурепки рмпличног" 'ракцнонного состава, но при одинаковом максимальном сил' поп-ейотмт, наО»длпгс:! отлития и развитии дефоргшкюпшм пр-чке-ов;

[ТО 1' СТОГ" гц\4—>л:т Г <.М|.'1'> К'>р("'.1Г,|Ц1'Р1П";П С^/'РИ ИЛ''Т||»ОТИ с

I

прочностью. Для полифракционннх систем, обладающих примерно одинаковыми деформационными свойствами,эта связь усиливается (г-0,76).

Низкие значения комплексного показателя прессования (от 1.01 до 1.078) по с; авиешно с оптимильннм (Кс. оп-1.176) указывает,что прессование возможно было проводить при более низком давления и сохранении' необходимого уровня физнгсо-кеханических свойств брикет;

Следовательно основным энергетическим параметром, связанным с прочнооуными свойства торфяного брикета, является энергоемкость струкгурообразовшшя, а процесс прессования южно характеризовать комплексным показателем прессования Кс.

В таблице 2 приведены основные результаты исследований но выбору температурных режимов прессования торфа оо смазкой матрицы (Кс. оп-1. 25).

Таблица 2.

Влияние температурных режимов на качество брикета и энергетические параметры при применении смазок матрицы

Вид Показатели качества брикета и процесса прессования

смазки Рш, Тм, Тс, Рбр, с?р. а , ас . Кс Эп

матрицы МПа К К кг/м % МПа Д'К/м

хЮ * хЮ

1. Без смазки 62,9 293 293 1050 250 4,23 29,95 37,1-1 1,27 0,99

2. В С Э 62,9 293 293 1000 180 6,91 27,49 36,18 1,31 0,95

З.В Б Э 65,4 293 293 1100 165 5,48 21,40 24,62 1,13 0,92

4. Без смазки 69,4 353 353 1150 185 2,02 18,16 18,55 1,06 0,81

5. В С Э 66,8 353 353 1070 175 5,13 21,07 24,45 1,19 0,93

6. В Б Э 70,5 353 353 1023 70 5,72 34,38 42,66 1,23 0,98

7. Без смазк. 66,0 353 293 1160 125 15,0 26,00 30,12 1,15 0,92

8. В С Э 75,0 353 293 1200 160 16,7 28,79 29,95 1,03 0,83

Э. В Б Э 78,0 353 293 1230 45 18,8 32,98 35,62 1,08 0,85

где: ВСЭ-водосолярная э.лульсия, ВБЭ-водобитумная эмульсия.

Температурные режимы экспериментального исследования процессов прессования торфа выбирались из соображений сравнения традиционного режима( н4-6-разогретый материал до 353К и разогретая повер-

хность матрицы до 353К) с резяаюм, снижающим тепловые флуктуации в момент упругого расширения (п7-9-температура материала 293К и разогретая поверхность матрицы до 353 К). Для сопоставления энергетических процессов анализировался температурный реиим охлаждения материал и матрицы (п. 1-3-температура матрицы и материала 293К).

Сравнение полученных результатов показало,что лучдзи температурным релмиэм, как с позиций структурообразозадия. так и с позиций искусственной гидрофобизации, является режим прессования су-щечки пониженной температуры с водобитумной эмульсией (п. 9).

Одновременно было отмечено , что кроме приобретения различных гидрофобных свойств, ечд смазки оказывает большое влияние на энергетические параметры и качественные показатели структуры торфяного брикета.

Основные результаты исследований по выбору состава смазок при оптимальном температурном режиме, фракционном составе 0-Змм, для торфа степени разложения 25 %, зольности 5,8 X приведены в таб.3 при Кс. оп-1,25. Таблица 3.

Влияние вида смазки матричного канала на каче-зтвенные показатели брикета и энергетические параметры прессования (Рш-801Ша)

Показатели качества и параметры прес-я

Вид /Ц ч Е, 5?Р, а, .з ас . Кс Эп

смазки матрицы кг/м ■х Ша Дж/м Дж/м

хЮ"* хю"

1. Без смазки 1112 0,74 240 6,51 24,5 27,52 1.12 0,89

2. Мазут 1180 0,78 100 8,65 14,4 15. 61 1,08 0,86

3. Парафин технический 1219 0.81 12 10,0 17,5 18,42 1,05 0,84

4. Битум и10% соляр. масл 1133 0,75 25 8. 82 15,2 16,84 1,10 0,83

5. Битум и20% соляр. масл 1151 0,76 34 8,64 14,5 18,07 1.09 0,87

б. Водосолярная эмульсия 1298 0,86 79 16,3 28,2 29,95 1,06 0,84

7. Композитная эмульсия 1281 0,85 41 19,6 36,3 36,63 1,01 0,80

8. Водобитум?ая эмульсия 1259 0,84 32 17,1 34,2 41,56 1,05 0,84

Анализ результатов показал,что с позиций энергетической э'И'1 рутинности наиболее перонектниними видами смазок являются эмульсии,

применение которых позволяет не только повысить прочностные свойства и плотность брикетов, а и снизить давление прессовани:: (комплексные показатели 1!с серий 6,7 и 8 превышает оптиыалышй уровеш Кс. оп. - 1,25). п позиций повышения гидрофобности брикета наиболее эЗФечстивнкм является применение парафина. Однако по экономическим соображениям применение его нецелесообразно. НаиСолее оптимальным является применение композитной смазки, которая позволяет максимально снизить давление прессования при хороших гидрофобных свойствах торфяного брикета. Энергетическая эффективность от применения гидрофобизирующих антифрикционных сказок достигается за счет увеличения КПД процесса прессования и достижения более плотной,прочной упшювки.

Дополнительные исследования предложенного энергосберегающего способа повышения (качества торфяных бр; летов показали , что кзке-НбШй плотности брикета при хранении уменьшилось в 3,7 раза, время редукции давления при формировании структуры (влияющее на скоростной реким прессования) сократилось с 0,4 с до 0,04с, степень влияния зольности материала снизилась в 2 раза, ;.:акск:.:алькьй ^ра-диег? температур11 снизился в 2 раза , а брикет стаи практически термоустойчив, коэффициент передачи давления в материале при различном фракционном составе имеет максимум в районе 0,5 мм. и в целом повысился в 3 раза.

Значител- ные качественные изменения структуры торфяного брикета от применения гидрофобизирующей смазки матрицы можно объяснить не только перераспределением затраченной энергии штемпеля, а и сокращением периода активной упаковки и увеличением периода повышенных сдвиговых контактных напряжений,

В целом проведенные исследования позволили установить корреляционную связь прочности сформированной структуры с плотностью (г-0,7*>) , с энергоемкостью прессования (г-0,46) , с энергоемкостью структурообразования (г-0,02) и комплексным показателем структурообразования (г^О,59).

Регрессионный анализ позволил предложить вид зависимости проч-'""'тних свойств торфяного брикета с основным энергетическим парами! 'М прессования:

0,95 +0,473,. (14)

Для разработки технических средств, обеспечивающих применение

предложенного способа гидрофобизации в производственных прессах, были проведены исследования влияния смазки поверхности матрицы на характер внешнего трения торфа по металлу .

Эксперименты показали, что смазка увеличивает силу трения покоя на 15 X и снижает силу трения в динамическом режиме на 30 X . что является основной предпосылкой применения предложенного метода повышения качества в прессах с открытой матрицей, когда противодавление создается внешним трением сформированного брикета в матрице и лентой брикета на кулерине.

В целом лабораторные исследования показали , что энергосберегающим способом повышения качества торфяных брикетов является метод переноса композитной смазки матрицы на брикет при прессовании материала температурой близкой к температуре окружающей среды. Это позволяет повысить плотность торфяного брикета до 30%, увеличить водостойкость брикета в 4 - 6 раз,повысить прочноспные свойства в среднем в 6 раз, увеличить термостойкость брикета для снижения потерь через колосниковые решетки при сжигании, снизить общие энергозатраты на прессование при оптимальном давлении почти в 1,6 раза, повысить КПД процесса прессования почти в 2 раза при улучшенных структурных показателей брикета в целом.

В главе 5 "Производственные исследования прессования торфяной сушенки с применением антифрикционных смазок" приведен анализ условий подачи смазки на рабочую поверхность матрицы, конструктивные изменения рабочей матрицы, состав и способ приготовления композитных смазок. Исследованы реологические свойства эмульсий,конструкции производственных эмульгаторов, результаты производственных испытаний способа повышения качества торфяного брикета, перспективные конструкции торфобрикетных прессов и способ автоматизации торфобрикетного производств .

Анализ условий подачи смазки показал , что время ее подачи на рабочую поверхность ограничено конструкцией пресса,скоростным режимом эксплуатации и реологическими свойствами эмульсий.

Наиболее перспективными смазками для торфобрикетных прессов являются водобитумные композитные эмульсии, обладающие небольшими изменениями реологических свойств в диапазоне экспериментальных рабочих температур. Применение в смазке отходов нефтепродуктов позволяет более экономично решать проблемы их утилизации в условиях

торфопредприятий.

Апробация подачи эмульсии через каналы в заходной части рабочей матрицы, нижней и верхней,или через специальные магистрали на штемпеле показали низкую степень надежности (происходили частые поломки поршневого нагнетателя эмульсии в динамическом режиме,засорение выходов эмульсии пылевидной фракцией торфяной сушенки).

С целью повышения надежности работы системы подачи смазки был применен метод распыла эмульсии через специальные форсунки. Эмульсия постоянно нагнеталась шестеренчетым насосом по маслопроводу через загрузочный рукав.

Проведенные эксперименты не отметили снижение производительности пресса в результате внесения помех подачи сушенки в канал.

Эмульсия приготавливалась в специально-изготовленном эмульгаторе, обеспечивающем непрерывную работу пресса Б8232.

Таблица 5.

Показатели

процесса прессования в прессе Б8232. (й-20%, -14,9%)

Показатели процесса прессования 0 Вид смазки и тем-ный режим

Без смазки Эмульсия. И "2 Эмульсия и°4

Режим1 Режим"

3 Насыпная плотность,кг/м. 339 345 352 349

Максимальное дав-е штемпеля МПа 86,9 84,2 90,5 91,4

Температура матрицы, К. 473 451 467 413

Температура сушенки, К. 353 349 34 299

Масса брикета, кг. 0,459 0,448 0,467 0,425

Производительность, т/ч. 2,07 2,02 2,10 1,91

Плотность брикета, кг/м. 1049 999 1135 1290

Предел прочности на раскол, ЫПа 7, бб 8,32 16,21 2.3,13

Водопоглощение брикета за 2 ч. % 187 64 29 27

Энергозатраты, кВт. ч/т. 21,35 17,84 10,42 20,52

Энергоемкость,кВт. ч/шт 10 10,10 ; 7,03 8,60 8,72

По реологическим характеристикам, для надежности подачи смазки на патрицу в производственных испытаниях,были использованы эмульсии 2 и 4, отличающиеся в основном содержанием мазута.

Анализ результатов производственных экспериментов, представленных в таблице 5 показал,что наиболее перспективным режимом является охлаждение прессуемого материала и применение эмульсии N4. Данный режим позволил повысить плотность брикета почти на 30 % , прочностные свойства возросли в 3,4 раза при снижении энергоемкости брикета на 15 X, а водопоглотительные свойства снизились почти в 7 раз.

Сравнение лабораторного прогноза с результатами производственных исследований показало, что прогноз по увеличению плотности и водостойкости брикета практически совпал.

Снижение прочностных свойств гидрофобизированных брикетов при производственных испытаниях можно объяснить действием масштабного фактора, увеличение обьема загрузки прессования почти в 10 раз и сокращением времени деформационносиловых преобразований структуры.

Конструкция производственного пресса не позволила провести замеры энергоемкости структурообраэования, а следовательно'и определить эффективность структурных преобразований различных режимов прессования. В целом о эффективности предложенного способа повышения качества торфяных брикетов можно судить только по росту прочностных свойств, водостойкости и энергоемкости.

Ц?и максимальной загрузке матричного канала общие энергозатраты на производство тонны брикета снизились до 20 процентов.

Теоретические предпосылки и экспериментальные исследования позволили разработать принципиально новые схемы рабочих органов торфобрикетных прессов. Гибкая консольная матрица обладает способностью самоустанавливать геометрию профиля в зависимости от величины бокового распора, а следовательно и внешнего трения. Комбинированный пресс сочетает метод штемпельного прессования'с прокаткой.

Предложенные конструкции позволят перейти от одноосного прессования торфа к объемному, что повысит прочность брикета за счет дополнительных сдвиговых напряжений в момент формирования контактных взаимодействий.

Замена способа крепления матрицы методом клинового распора на упорное крепление обеспечит возможность проводить измерения сил

внешнего трения за цикл прессования, что в свою очередь позволит проводить контроль энергоемкости структурооОразования, а в конечном счете прочность Орикета и эффективность процесса при различной величине загрузки матричного пространства.

Установленная взаимосвязь энергетической эффективности процесса прессования с кассой преобразованного материала позволили разработать принципиальную схему автоматизации торфобрикетного производства,.

ВЫВОДЫ'

1. Для изучения процесса формирования структуры и качества торфяных брикетов разработаны и применены приборы регистрации силовых и кинематических параметров прессования , кинетики водопог-лощэния и набухания дисперсных тел и методы энергетического анализа процесса прессования.

2. Исследование характерных зон торфяного брикета позволило установить особенности межчастичного взаимодействия в условиях действия тепловых полей и сдвиговых напряжений, снижающих энергию перехода одной структуры в другую. 0

3. Введены понятия комплексного показателя прессования торфа (как отношение энергоемкости структурооОразования к энергоемкости прессования) и эффективности прессования(как соотношение текущего комплексного показателя прессования с оптимальным значением при данной влажности и идеальным уровнем).

4. Теоретически и экспериментально исследована связь прочностных свойств торфяного брикета с энергетическими и деформационными параметрами прессования. Анализ экспериментальных данных позволил определить численные значения показателей линейной связи прочности брикета с энергоемкостью структурообразования (г-0,61).

5. Зависимость эффективности прессования торфа от условий передачи давления и величины энергетических затрат на упругое сжатие структуры позволили разработать и исследовать энергосберегающий способ гидрофобизации торфяных брикетов методом переноса смазки на брикет при охлаждении материала до температуры окружающей среды.

6. Экспериментально произведен подбор вида смазки при различных температурных режимах, который основываясь на сравнении э4«1»'к-

тивности процесса прессования и экономических соображений поглгал целесообразность применения композитных эмульсий.

7. Испытания предложенного энергосберегающего способа посын-е-ння качества торфяных брикетов в производственных условиях на серийном прессе (с разработанными и изготовленными вспомогательными устройствами) показали эффективность нанесения 1Сомпозитных эмульсий методом впрыска через форсунку за период обратного хода штемпеля, что позволило увеличить плотность брикетов до БОХ, прочность в 3 раза, а водостойтоють в 7 раз при снижении общих энергозатрат на 20% без регулирования подачи материала и величины давления .

8. Предложенный способ повышения качества торфяных брикетов дает возможность в перспективе применить новые конструкции матричного канала с самоустанавливаицимся профилем или схему комбинированного прессования.

9. Проведенные исследования позволили разработать основы способа автоматизации брикетного производства энергосберегающим методом при одновременном повышении качества готовой продукции. •

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1.Цепяев О. А., Лондышев А. Р., Кудряшов A.U. и др. Изучение процесса прессования грубых кормов и создание высокопроизводительных прессов для их брикетирования. //Науч. иссл. тема N123,-Калинин, 1973.

2. Цечляев О. А., Люндышев А. Р., Кудряшов А. Ы. К вопросу о водопо-глощении торфяными брикетами//Торф. пром-ть. -197Б. -N4. -с. 14-16.

3. Цепляев О. А., Люндышев А. Р., Цюпа В. И., Кудряшов А. Ы. Производство торфяных брикетов с применением смазки поверхностей пресс-форм. //Торф, пром-ть. -1976. - N4. -с. 16 17.

4. Лондышев А. Р., Кудряшов А. М. О вопросе водопоглощения гидрофобных брикетов. // Физические основы торфяного производства Сб. науч. трудов / КГУ - Калинин, 1977.-с. 27.

б. Цепляев 0. А. , Люндышев А. Р. , Кудряшов А. М. Влияние смазок на внешнее трение при прессовании торфа. // Контактное взаимодействие твердых тел. Сб. науч. трудов / КГУ,- Калинин. 1933.-. с. 4.

6. Люндышев А. Р. .Кудряшов A.M. Выбор смазок пресеформ для производства торфяных брикетов. / / Физика процессов торфяного производства. Пб. науч. трудов / КГУ. - Калинин, 1933. - с. 27.

7. Люндышев А. Р., Кудряшов А. М. Выбор температурного режима прессования торфяной сушенки с применением гидрофобизирующих антифрикционных смазок. В кн.: Физические основы процессов торфяного производства/ КГУ,-Калинин. 1985. -с. 51-56.

8. КудряшовА. М., Плешков А. С. Энергетическая эффективность струк-турообразования гидрофобиэированных торфяных брикетов. // Физические основы торфяного производства. Сб. науч. трудов. / КГУ. - Калинин. 1986. - с. 66.

9. КудряшовА. М. Особенности механизма стрктурообразования гидрофобиэированных торфяных брикетов. / / Яизические основы торфяного прпоизводстива. Сб. науч. трудов./КГУ - Калинин. 1988. - с. 71.

.10. А. с. N 1137103 СССР, МКИ С 10 Р 7/04 ; Е 21 С 49/00 . Способ производства водоустойчивых топливных брикетов. /Кудряшов А. М., Люндышев А. Р., Синепольский Н. Г., Цепляев О. А.

И. А. с. N 1229077 СССР, МКИ В 30 , В 11/00. Штемпельный брикетный пресс. / Люндышев А. Р., Кудряшов А. М.

12. А. с. N 1038252 СССР, МКИ В 30 , В 11/00. Пресс штемпельный брикетный. /Люндышев А. Р., Кудряшов А. М.

« 13. А. С. N 1076437 СССН, МКИ С 10 Р 9/00, > 26 В 25/22. Способ автоматического регулирования процесса сушки. / КудряшовА. К Лифшиц И. С.

/