автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.05, диссертация на тему:Закономерности изменения физических свойств торфа при его переработке и сушке

На правах рукописи

ПУХОВА Ольга Бладтшрсана

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОРФА ПРИ его ПЕРЕРАБОТКЕ и СУШКЕ

05.15.05 — Технологи* н комплексная механизация торфяного производства

Автореферат диссертация гса соискание ученой степени кандидата технических наук

Тверь 1998

Работа выполнена в Тверском гтоударстрГ.аюьг техническом университете

Научный руководетель: доктор технических паук, профессор,

академик ГХАИлИ А.П. Афанасьев

Научный консультант: ка!щидат технических наук С.Н.ГвЫЗ.'ОНОО

Официальные доктор техшгее&шх наук В.Ф. Зюзии оппоненты:

кгндзщат технических ?шук

I, лдент БЛ. Суаараа

Ведущая организация: АО КЦ еРадченцотсрф»

Защита состоится « С&Я&А 1993 г. в часов кз за-

седает ;г.1ссертац;ю1<!(ого совета Д 063.2i.0i » Тверском тосударстдашом техасском упнбзряпсге (170026, г. Тверь, наб. Афанасия Нпюггана, 22, аул. П-2¡2). ' . ■■■■;.■ .

С даеСйртетае?!. мо?;а?г> ознакомишься ь библиотек Твгрского государзтеедагего .тюз&кесокф университета (г. Тверь, ср. Леп<шл, 25).

Автореферат разделяя С-^хГМ 1998 г.

«

Учгный секретарь

днсссргядношюго совета, -

профессор Исявмхин

> Т.-ерской государственный технически й уиииерсйтегт

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теМм. Российская федерация располагает значительными запасами торфа, рациональное использование й комплексная разработка которого составляет одну из важных задач торфяной промышленности. Сейчас, когда возрос спрос на энергоносители (нефть, природный газ, уголь) значение торфа как местного вида топлива и сырья для производства различных видов продукции может повысится при условии развития и совершенствования технологии торфяного производства, расширения областей использования торфа п продуктов его переработки.

Производство формованной (мелкокусковой, гранулированной, окатанной) торфяной продукции вызывает необходимость дальнейшего изучения процессов структур,»образования при ее сушке. Успешно решить эту проблему нельзя без новых исследований физико-механических свойств торфа, а именно изучение основных закономерностей изменений его водно-физических, массообменных, структурных и прочностных характеристик при переработке п сушке. Сложность в описании процессов структу-рообразопаиия формованного торфа вызвана тем, что их изменение оказывает огромное влияние на тепломассообменные н технологические процессы, происходящие при производстве продукции из торфа.

Несмотря на большое число исследований в данной области, влияние изменений основных, в технологии формованного торфа, водно-физических, структурных, прочностных свойств изучены, недос-д .очно. Поэтому дальнейшее изучение влияния фйзг.хо^технологнческих процессов на структурообразованНе при обезвоживании формованного торфа является одной из актуальных задач Науки о торфе, а, следовательно И для предприятий торфяной отрасли.

ЦеЛЫО диссертационной работы является изучение влияния водно-физическнх свойств торфа при его переработке И различных режимах сушки на структурообразование, а также Выявление путей управления качеством новых видов продукции.

В связи с поставленной целью былиоНределгчы следующие задачи исследования:

• разработать методику исследования процессор структурообразовання и массопереноса при сушке формованнрго торфа;

• установить зависимости между водно-физнчесюши и физико-

механическими свойствами торфяной Цродукшш;

• исследовать закономерности изменения прочностных характеристик торфа в зависимости от степени переработки и режимов сушки;

• оценить влияние энергии взаимодействия между элементами структуры торфа на процесс усадки и прочностные характеристики продукции;1

• предложить ресурсосберегающий спосии произгодстЕЯ формованного торфа.

Научная новизна. На основании выполненных исследований проведено обобщение и экспериментальное подтверждение закономерностей изменения взаимосвязанных водно-физических н струстурко-механачесхих характеристик (свойств) формованной продукции в зависимости ст состава н степени переработки торфа. Дана оценка степени влияния капиллярного давления на пр цесс усадки при сушке торфа Предложен кссйешшн способ определения дисперсности формованной продукции. Получены следующие основные результаты:

•. закономерности изменения маесоэбмепиых и структурных свойств фор. ь-.ог.пнном продукции при переработке и обезвоживании ¡орфг. от фор-ыоаочяого до равновесного влпгосодержаний; ' & 'значанин. основных характеристик структуроабразовапкя н ыгссопере-косп (коэффициентов ги.есогм кости, глаголрооодностн и днффузн.ч влага} (¡юрыованного торфа верхового п ннзнкнаго тиноп при различных рё-.кнмах'сушкН.

,Об-.-.орт<ы п методы ;1!с^1едспе!мя1 Объектами. нсслздоишог служили ЗЗ.обрпзцп верхового и пизшчюго торфа, отобранных ¡га 9 торфя-. шлх месторождения Тверского региона В лабораторных исследованиях использовались образцы гргмулирспанпого торфа, получанные методом з. грузин (!!:не;:олым механизмом) н ок.тшвання (на тарельчатом грапул.ч-торй). С^.'шгу проводили нрн копнектишюм и раднйнно'.шо-конвестг^г.юм режимах с кепользакишем камеры искусственного слшша.

В основу .'теоретических исследовании положен молекулярпо-ккнетический подход оценки стпуаурообрпзовагельных у, массообмепных процессор. » дисперсных матери'лах. П качестве экспериментальных, использовались метода!' г^тегш.чрмстрачеа.с-'ГО титрования, г.нпфотепзио--метр'.ш, 'днцамнчеекон контракции, 'определений максимальной разрушающей нагрузки, дисперсности и полной штагоеыксстп торфа. Обработка экспериментальных данных и апалпе результатов выполнялись методами математической статистик'.'. с нспользопан.цем'компцотернон техника. .

Практнчосетг, цснносп» работы. Разработана комплексная методика ксследог.аинл процессов массопереноса, усадки и структурообразо-е?.!яй формованного торфа. Полученные результаты могут служить основой для дальнейшего' аналитического описания развитая обьемно-налр-нжышош состояния, прочниста и внутреннего массопереноса в формованном горфе. Создана методика прогнозирования качества торфяной продукции и разработай косвенный способ определения дисперсности формованного торфа.

Изложенные в диссертационной .работе закономерности изменения физических свойств торфяных систем послужили научной базой при разработке основ технологии производства новых видов продукции из торфа.

Ряд результатов' и методик пклгаче» в учебный процесс по дисциплинам торфяного профиля.'

Основные положения, вьшосииыэ ¡¡а защиту.*

• изменение водно-физических и структурно-механических свойств формованного торфа от степени переработки и режима сушки;

• изменение прочностных характеристик формованного торфа при различных температурных режимах сушки;

• роль капиллярных сил при усадке формованного торфа, а также одновременное измерение (определение) капиллярного и усадочного давлении в тонких пленках торфа;

• связь массообменных и структурообразователышх характеристик в торфе различных видов и типов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований изложены d тезисах и докладах на VII Международной конференции «Физикохи-мия торфа И сапропеля» (Тверь, I99J); Международном симпозиуме «Органическое вещество торфа» (Минск, 1995); конференции молодых ученых и специалистов Тверского региона (Тверь, 1995); X Международном конгрессе по торфу (Бремен, 1996); X Международной конференции по поверхностным силам (Москва, 1996); Юбилей! >й конференции, лоспящеи-ноП 75-летию ТГТУ (Тверь, 1997); 1-ой. Областной науню-практичеекой конференции «Научные проблемы устойчивого развития Тверской области (Тверь, 1997). ' , ■ ' '

Публикации. Матер паты диссертации опубликованы п 15 печатных работах, отчетах НИР, рекламных проспектах. Получено положительное решение о выдаче патента на изобретение. •

Структура и объем диссертации. Диссертационная pa6ota Состоит из введения, .пяти глав, выводов, библвогра Ьичесхого , списка, (213 наименований) и приложений. Работа изложена на ИЗ страницах, в том числе включает 47 рисунков и 7.таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность решаемой проблемы, определены основные положения диссертационной работы, сформулированы предложения о ее практической значимости. .

В первой главе «Методы исследования Сгруктурио-мемшяческих и волио-фтических. споиств формовяиного торфа».дано ваучйое обобт щение свойств, состава, классификаций торфа. Отмечается, что значительный вклад в развитие представлений о свойствах, составе, структуре торфа:

и процессах, происходящих при его ди^пергпрова;;;:;: к сушке, »несли работы Б.М. Акксандрача, Л.Н. Амаряна, В.Я. Антонова, А.Е. Афанасьева, Е.Т. Базипа, НИ. Берковта, В.А. Богатова, Г.П. Вьрясона, М.П. Воларо-вта, НИ. Гамаотва, В.И. Горячева, A.B. Журавлева, В.Ф. Зюзчча, В.Д. Нопенкыш, С.С. Корчуноеа, В.И. Косова, И.Ф. Ларгта, И.И. Лшшпвана, Л.М. Малкова, Б.И. Масленникова, В.А. Миронова, Ü.M. Наумовича, Л.Н. Самсоиова, В.Г. Селеннова, С.Г. Со.юшша, A.A. Тсрептьсва, В.К. Фомина, Н.В. Чураева и других ученых. Праведен обзор основных методов оценки Сгруктурообразования торфа и других дисперсных материалов.

Изучение прочности материалов при различных температурах дало возможность определить их температурные зависимости при конкретном влагосодержании, что позволило перейти к энергетическим характеристикам прочности структуры материалов и определить величину энергии ак-' тивации процесса разрушения системы. А.Е. Афанасьевым предложены уравнения, позволяющие прогнозировать качественные характеристики продукции lia различных стадиях технологического процесса.

. Особенности сушки коллоидных капиллярно-пористых тел обусловлены усадкой, которая, с одной стороны определяет деформационные процессы в материале при его обезвоживании, а с другой шшяет на массопа-репос, изменяя размеры частиц, форму и размер« нор. Наибольшее распространение получила капиллярная теория усадки торфа, которая объяс-U ît развитие усадочных деформации за счет увеличения капиллярного дазленш. п материале.

Дисперсность торфа определяет его технологические качества и дает возможность оценить эффект переработки торфа различным*! машинам:;. Проаеден обзор основных методов определения дисперсности торфа ;> нг-рерабатыняющеГ: способности торфяных магшш. Покойно, -¡то на величину. полной ¡шагосмкостн торфа влияет большое количество ирнредичх н технологических факторов. .

В второй глгво «Методика врог.едгоиа зягиерпыентзю» разработана комплексная методика исследований структурообразовация и массоие-ргиоса формованного торфа, включающая г- себл измерение максимальной разрушающе» нагрузил (прочздета) при различных температурах сушки на прессе, потенциала влаги н массообменных харастернстш: материалов методом ьнпсрбтешлом-трии {А.Е. Афанасьев, ДМ. Лебедев, Н.В. Чурагв), усздоч1Шх давлений Методом динамической контрактации Q/J.C. Остри-ков, > '.Д. Дибров), предельного напряжения сдвигя методом статической микропенетращш с использованием пенетрометра ПАГ-2, дисперсность и полную влагоемкость формованного торфа. Представлены осиэвкьга характеристики исследованных в диссертационной работе образцов торфа.

Для выяснения природы усадочных деформаций, в работе использовалась методика одновременного определен, л капиллярного и усадочного

давлений. Для этого в тонкий слон исследуемого материала внедряли мик-ротензиометр, который позволяет определять капиллярное даплеш:а (потенциал влаги) о процессе развития усадочных давлений, определяемых контрактометром.

Дисперсность торфа (Р<25и) находили сокращенным ситовым анализом с последующим расчетом условной удельной поверхности 5 по формулам В.Д. Копенкина. Полную влагоемкость определяли с помощью воронок Бюхнера. ■

Б главе 3 «Исследование водно-фнэпческнх н структурных свойств торфа» рассмотрены массообменные характеристики формован-ноготорфа.

Передвижение влаги п дисперсных системах, к которым относится и торф, происходит при наличии градиента потенциала влаги УФ. Определение потенциала влаги Ф в торфе основано на измерении локального значения капиллярного давления Р„ (Па): Ф = Рх/р,, где р» - плотность воды, кг/м\ Причем для различных видов торфа (рис. I) соответствует своя экспоненциальная зависимость (С.С. Корчунов) .

Ф=Фо ехр(-ХФ-1У), (1)

где Фа ~ начальное значение Ф при 1Г = 0, кф - коэффициент, учитывающий влияние физико-химических особенностей структура торфа на знер-

слоя № (кг/кг) а) - верхового мягелЛанйкум торф» Н = 3$ (1), 15...20 (1) V. я К = 10% с = 530 (3) й 360 (4) м2Лсг} 6) - итиниого осокового торфа степмт разложения К = 50 (1), 35 (2), 25(3), 15 (4)»/.

Характер кривых изменения коэффициентов массопереноса (рис. 2) для различных влагосодержаний соответствует данным, полученным другими исследователями особенно в области больших IV. Значения коэффициента массоемкости для всех исследуемых кусков торфа снижаются с

уменьшением влагосодержания. Графики изменения коэффициентов диффузии влаги и влагопроводности имеют экстремумы в области высоких и низких влагосодерясаннй, соответствующие каждому из периодов структу-оообразования (А.Е. Афанасьев, A.B. Чуканова), что объясняется различным механизмом влагопереноса. При сушке торфа перемещение влаги происходит как в виде жидкости (первый максимум), так и в виде пара (второй максимум), которое осуществляется с помощью капиллярного и осмотического переносов. Для фактического применения необходимо знать порядок и диапазон изменения коэффициентов внутреннего массо-переноса (табл. 1). Большие значения коэффициентов массопереноса соответствуют более магонасыщенному материалу.

с*/м1 от среднего влагосрдеряаяка W (кг/кг) торфа: вербового кагеллянккуи • Р. = 10 % с S = 360 (я) и 530 (Ь) м 2/кг; Й = 35 % (с); нидоииого осоково-гилнюы'о R= 15 % (d)

Экспериментально определяемое и работе усадочное давление в процессе сушки торфа является результирующей величиной, которая приводит к усадке материала (рис. 3).

Тсйлицз 1. А1яссосбигш1ыг характеристики торфа

Торф с„-Ю' с!/м2 (кгс)/м^ мг/с

Верховой 11= 15. ..35 % 0,8. .16 0,3 ..27 0,4. .9

Низинный IV =15...55% 0,9. .28 0,2 ..18 . ■ 0,2.. 15

0.8

0.«

Гнс. 3. Изменение усадочного давлен»:! Л)с (МПа) в процессе сушки верхового ма-гелляникум (я) с.5= 495 (1) м 380 (2)мг/кг и ннзшшог» древесного (Ii) сS = 580 (1), 509 (2) н 377 (3) м '/кг торфа

Усадочные давления возрастают как в верховом, так и в низинном торфе на протяжении всего периода обезвоживания вплоть до равновесного влагосодержания. При увеличении степени дисперсности Ру* возрастают для всех видов торфа. Максимальное усадочное давление верхового торфа составило 2,4 МПа, а низинного — окопо 3 МПа. Усадка продолжается во всем диапазоне влагосодержаний.' Изменение объема образца до ГГ = 0,5 кг/кг подчиняется линейному Рис. 4. Зависимость коэффшш- закону с соответствующими коэффициента-ент объемной усадки А„ при М|| уСадки Средний коэффициент объемной сушке формованной продук- усадки т0 фа * завИсит только от харакге-Ш1Н различных нячальных J г, /„.._ с„

... оистик торфа и режима сушки (рис. 4). Его

размеров <i„ (им) из «иишного 1 ™ к '

R = 45...50 (1), 35 (2) % I. пер- значения увеличиваются с возрастанием поросо R - 50 (3), зо (4), 20...25 степени разложения торфа. Низинный торф (5), 15 (6) % зорфа имеет большую усадку, чем верховой. Такие

- 3

2 Я

о

А о

о

О 5 о

О б

О

50 Л,

изменения Jtyc вызваны повышением роли капиллярных сна С умскьшецк-ем размеров частиц в формуемом торфе. Причем в мягких условиях сушки зависимость кус от iJ„ не проявляется.

Сопоставляя величины капиллярного и усадочного давлений условно можно выделить два участка (рис. 5). На первом значения усадочного и капиллярного давлений изменяются пропорционально. Это вызвано тем, что значения усадочного давления отражают нерелаксируемые напряжения, возникающие в торфе под l ияиием капиллярных сил. Часть возникающих напряжений, при этом, релаксируют за счет сдвиговых деформаций между отдельными частицами и внутри них, поэтому капиллярное давление больше усадочного. На начальном этапе сушки происходит меж-часп!Ч1Ш усадка из-за удаления влаги из пространства между частицами торфа. Затем при относительно небольшом изменении капиллярного дав' ления усадочные давления и, соответственно, деформации резко возрастают особенно с увеличена.м степени дисперсности торфа, что следует из анализа изменения kyc~J{S, R). На этом участке уменьшают свои объем сами ассоциаты (совокупность макромолекул торфа, соединенных между собой различного вида межмоле^улярными связями) гидрофильных коллоидов органического вещества торфа.

Полная влагоеМкость один из оснопных показателей, характеризующих исходное состояние торфа, и определяется не только его структурными особенностями, но й во многом зависит от состава, степени разложения, зольности и ряда других факторов. Поэтому для торфа одного и того же ища и степени разложения, но с различными значениями кислотности значения IV„ неодинаковы, так как сказывается возраст торфяного месторождения. У верхового магелланикум торфа степенью разложения 10 % и кислотностью рН = 3,05 значение полной влагоем*ости равно 18,5 кг/кг, а при рН = 2,9 Г„= 18,8 кг/кг и рН = 2,85 (К„= 19,9 кг/кг, то есть с понижением рН величина IV а растет.

Диспергирование влияет на значения давлений СМП») в upouiice полной влагоемкое™ и эта зависимость но-сушки тонких слоев торф.: сит нелинейный характер (рис. 6). ■ До верховой магеляанккуи R = 3î S = 350 м2/кг зн ения И\, уменьшаются не-y>,S- 380(1) II495 (!') м2/кг; ни- значительно за счет частичного измельчения %' в™с™х грубодисперсных фракций.

Pus, 5, Сопоставление усадочного Pf, н капиллярного РК

300 400 500 5 Рис. б. Зависимость изменения полной влагосмкости торфа >('« от степенп его переработки м г1кг: с> верхового мзгсллапИкум п пушииевого торфа степенью разложения П = 20 (1), 25 (2), ЗЭ (3), 35 (4), 45 (5), 50 (6) %; Ь) цизшшого осокссого и осокиао-гшшового торфа П = 25 (1), 30 (2), 35 (3), 45 (4), 5в (5) %

Дальнейшее диспергирование до 5 = 500 м 2/кг приводит к резкому снижению IVп из-за практически полного разрушения грубодисперсных фракций. На третьем участке 5 > 500 м 2/кг значения величины полной влагоемкости изменяются не значительно. Для торфа высокой степени разложения можно выделить только два участка, на которых , происходит вначале

резкое снижение, а затем незначительное изменение величины полной влагоемкости торфа в зависимости от его степени дисперсности. Изменение водно-физических свойств торфа происходит уже на уровне его коллоидной фракции. Следовательно, изменение !)',, должно приводить и к варьированию характеристик структурообразования.

Установлено, что при активном механическом воздействии шнеко-вым механизмом на торф возникают свободные ассоциаты при разрушении более крупных частиц и агрегатов, из которых состоит торф. Дезактивация концевых групп, способных к диссоциации при механодеструкции приводит к изменению их электрохимических свойств. При механическом дис зргировании торфа образуется большое количество свободных радикалов кислого и основного характера. Это подтверждают кривые потен-циометрического титрования торфа (рис. 7), изображающие изменение рЦ титруемого раствора по мере добавления к нему раствора кислоты или щелочи. Потенциометрическое титрование торфа показывает, что при одинаковом. добавлении НС1 с увеличением дисперсности рН уменьшается, а при введении ЫаОН рН растет, что вызвано особенностями сорбции ионов • Я и ОН, которые влияют на структуру и водные свойства торфа.

Для оценки структурно-механических свойств переработки торфа используется величина предельного напряжения сдвь.-а в. Она достаточно чувствительна к изменению состава и структуры дисперсных материалов. Величина в отображает тсобент-сти структуры торфа, физико-механические свойства торфяных систем в широком диапазоне влагосо-

держаний Исследования г.скгзал;«, что 9, в основном, зависит от IV и температуры Т. Если принять, что в полевых условиях величина Г меняется незначительно, то в результате обработки экспериментальных данных методом математической статистики были получены уравнения 5 = /(0, IV), связывающие 6 (кПа) с IV (кг/кг) и 5 (м 2/кг):

для верхового торфа 5= 100 (9 - 21пЭ-0,Ь!К) ± 5, (2)

для низинного торфа 5= 100 (15 - 1,51п0 - 24Г) ± 5, (3)

при изменении 3,5 до 5,7 кг/кг; 0 от 2,04 до 10,7 кПа. На основе полученных уравнений разрабсь метод оперативного контроля 5 (дисперсности) при формовании торфа. Он заключается в определении 0 на образце формованного торфа с помощью пенетрометра ПАГ-2 с последующим определением его влагосодержанил (стандартным методом) и расчетом дисперсности по выше приведенным уравнениям. Метод позволяет достаточно легко н оперативно контролировать степень переработки при производстве формованной продукции из торфа, поэтому возможно упргшшть физико-механическими свойствами готовой продукции за счет оперативной переналадки перерабатывающего оборудования.

мшовой группы степенью рлшгження R = 27 (1, I ')%, 50 (2, 2')% и дисперсностью 5= 177 (I), 426 (Г), 306 (2), 518 (2') м2/кг; А) верхового моховой !руппы R = 10 % (1, Г), 35 (2,2') и S = 85 (I), 439 (1 '), 208 (2), 559 (2 ) и '/кг

В главе 4 «Структурообразование формованного торфа» рассмотрены закономерности протекания структурных изменений формованного торфа разных типов, видов, степени разложения и степенй переработки, I рассчитаны коэффициенты структурообразования. Зависимость прочности от влагосодержання в полулогарифмических координатах представляет собой для торфа ломаную линию, состоящую из двух прямолинейных участков с точкой перегиба в области II'= !!'t (рис. &). Каждый из отрезков характеризует свой период структурообразования, обусловленный изменением энергии межмолекулярных взаимодействии дисперсных частиц между собой.

Первый период определяет структурообразование торфяной системы, которая переходит из жидкообразнои в твердообразиую условно-пластичную, преобладают молекулярные связи. Второй участок характеризует временную стабилизацию коагуляционпой структуры, когда система переходит из вязкопластичного в твердое состояние, преобладают водородные межмолекулярные связи. Для каждого из периодов структурообразования зависимость прочности от влагосодержання торфа при постоянной температуре представляется в виде экспоненциальной формулы (С. С. Кор-чупов, А.Е. Афанасьев)

/г = Л01гехр(-Х(П (4)

со своими коэффициентами структурообразования Лог" X (табл. 2).

Второй период '-труктурообразозания начинается в убывающем периоде интенсивности сушки торфяных систем. Нарастание прочности здесь выше, чем в первом периоде (рий. 8). Влагосодержаппе ¡Ус точки перегиба изменяется в зависимости от степени переработки торфяной массы, то есть второй период структурообразования начинается не одновременно для всей исследованной дисперсности торфа. Увеличение степени лиспе] люстн торфа, из-за роста числа контактов между частицами (Л.А. Ре-биндер, Е.Д. Щукин), приводит к увеличению прочности формованного торфа, так как помимо измельчения торфа при переработке происходит равномерное распределение грубодисперсных и высокодисперсных фракций в объеме формуемой массы, способствующее уменьшению дефектов структуры (по А.Е. Афанасьеву).

Энергия активации процесса разрушения E(W) - наименьшая энергия, которую необходимо сообщить каждой частице, чтобы произошел данный процесс. Измерения прочности торфа при разных температурах позволили определить их температурные зависим сти при конкретном влагосодержашш (W = const). Переход к 1/7'позволяет перейти к энергетическим характеристикам щк чюсти структуры продукции. Зависимости In R-f{\!T) при различных значениях влагосодеркания W и условной удельной поверхности S линейные, в соответствующих периодах структу-

рообразования. Их можно представить при IV = const в виде:

/? = «orexp[f(iK)/R'7],

taB

15

. ; 0.5 1 1.5 2

Рис. 8. Изменение прочности Л (МПя) в зависимости от влагосодсржаиия IV (кг/кг): а) — верхового магелланикум Я = 25 •/. Л' 490 (1), 450(2), 3"., (3), 309 (4) м'/гг; »)— пуЬтцевого торф* И = 35 % .5 = 570 (1), 445 (2) и 370 и'/кг

где Лот.- константа уравнения; К' -универсальная газовая постоянная. При (V = IVс наблюдается скачкообразное увеличение энергии активации процесса разрушения (рис. 9). Отклонение от линейности данной зависимости обусловлено переменностью величины энергии активации процесса разрушения капиллярно-пористого коллоидного материала, то есть нестабильностью его структуры в процессе сушки.

Значения энергии активации процесса разрушения (рис. 9) изменяются от 21,2 до 7,0 кДж/моль. Для каждой дисперсности торфа и перио-

ст 1 1.5

Рис. 9. Изменение энергии активации процесса ' разрушим» £ (кДж/моль) при сушка иизииного осокового И = 30 •/., 5 = 575 (1) и 305 (Г) м3/кг и верхового пуитцево-сфагнового торфа Я = 30 V., = 580 (2) и 310 (2') м '/кг

да структурообразования b'(IV) от влагосодержания может быть представлена зависимостью:

E(lV) = Ea-aW, (6)

¡ где Ei¡ -коэффициент зависящий от природы материала и условий разрушения, находили экстраполяцией зависимости E(fV) на ось ординат; а -коэффициент, характеризующий удельную энергию активации процесса разрушения (Дж/мопь)/(кг/кг). Подставим уравнение (6) в (5) и для различных типов и видов тирфа получаем уравнение 4-Е. Афанасьева > ' ' R = Логехр[(£о - a(K)/R' Г), (7)

позволяющее решать разнообразные задачи по оценке, регулированию и прогнозированию качественных характеристик готовой продукции. Причем переход энергии активации &JÍ может трактоваться как потенциальный барьер (теория ДЛФО), который надо преодолеть при переходе из дальней потенциальной ямы (молекулярной взаимодействие) в ближнюю (водородное взаимодействие). Величина ЛЕ зависит от типа, вида, степени переработки п режима сушки торфа при прочих одинаковых условиях.

Установлена связь между водно-физическими н прочностными свойствами формованного торфа, которую можно представить в виде степенной зависимости:

я = . (S)

где К\ - угловой коэффициент, = Значения К\ предстйилены в (табл. 2), я зависим! лъ прочности R от дисперсности S — в, етде экспоненциальной зависимости: ' ■ ' .

R = P,astr.\-iXs S), (9)

где Ros н Яs - коэффициенты. Константы в уравнениях (1), (4), (7), (S) п (9) имеют связь меяаду собой.

Te&n¡i:in X Змэчепип У.1рг.".тгрмст;г;с ypannci:i¡ii (1), (.1), (S)

Торф К, % Щ, МПа 0о, кДж . ?.2 ■ Ka

DepxOECÍÍ 10 5,2 1,65 . 0,92 2,4 0,62 1,61

магеллакикум 15 11,0 МЗ 0,Е6 2,2 1,13 0,73 I,!Í5

20 12,2 1,64 0,55 2,15 •1,13 0,75 1,53

35 14,9 1,3-1 0,75 I.S2 o,ss 0,S5 2,07

шоинныи 15 7,4 1,08 0,81 2,15 0,99 0,S2 2,17

осоковый 25 14,1 1,11 0.S3 2,03 0,S3 1,06 2,-15

35 15,6 t,19 0,9$ 1,81 0.76 1,29 2,3S

50 С,7 1,21 0,85 2,24 0,66 • 1,29 3,35

В главе 5 «.Формование торфа методом окзтываиия» проведен анализ существующих способов гранулврования и гранулирующих устройств. Анализ этих далны*- показа1" что большое применение находит метод окатывания на тарельчатом грануляторе. Оснснываясь на простоте конструкции гранулирующего устройства, возможности визуального на-

блюдрния за процессом окатывания, а также регулирование размеров получаемых гранул, была отдано предпочтение производству гранулированного торфа методом окатывания На тарельчатом грануляторе.

Приведены результаты сравнительной сушки гранулированного торфа сферической формы фракции: 10...15, 15...20, 20...25 и 25...30 мм с фрезерным торфом в расстиле. В процессе сушки происходит усадка гранул и изменяются условия их расположения на поле сушки. Интенсивность сутки у торфяных гранул и 1,4...1,8 раза нышс, чем у фрезерного торфа. Гранулы размером 10... 15 г л высыхают быстрее в 1,5 раза гранул разме-' ром 25 ...30 мм н в 1,8 раза фрезерного торфа. Интенсивность сушки больше у гранулированного торфа малой степени разложения. Увеличение интенсивности сушки из слоя торфяных Гранул по сравнению с фрезерным торфом объясняется интенсификацией переноса влаги в виде жидкости в • их узкил порах, однородностью по форме, а также условиями расположения гранул на поле сушки, что соответствует данным, полученным для «обжатого» -фрезерного торфа (А.П. Афанасьев, ¡'.М. Борисова).

Величина коэффициента о&ъеМной усадки (А:)с) г определенной степени характеризует свойства исходного торфа н отражает качественные показатели готовой продукции, (плотность, водопоглощение, прочность). Зная Начальные характеристики гранул и Аи можно определить размеры, поверхность испарения и- объем гранулы в любой момент сушки. Усадка гранул определялась замерами частиц. Установлено, :что к)с растет с увеличением степени разложения торфа из-за увеличения тонкоднсперсных фракций и роста условной удельной поверхности частиц, что ' . ловремеи-ио приводит к уменьшению размера пор и к повышению их прочности. У Верхового магслланНкум торфа Л= 15 % 0,33, а у верхового магелла-шисум торф»» Я = 30 % 0,46. У низинного осокового торфа к = 30 % ■ ку<;= 0,65. В процессе сушки и усадки сферических гранул разного размера фракций не наблюдалось появления трещин н разрушения самих гранул.

Зависимости у=У(И0 и ун =* /(И") в интервале влаги от начального до И7«0,5...0,6 кг/кг носят прямолинейный характер. При 1Г< 0,5...0,6 кг/кг характер зависимости изменяется из-за увеличения коэффициента объемной усадки. Плотность гранул в 1,3... 1,5 раза больше, чем у исходного фрезерного торфа. Насыпная плотность у гранул тем больше, чем мельче размер фракций* что вызвано дополнительной переработкой и уплотнением торфа р процессе окатывания.

. Формование торфа в гранулы позволяет значительно снизить водо-поглощземость В готовой продукции^ которая в 1,6...3,2 раза ниже, чем у фрезерного торфа. С увеличением размера фракции значения В уменьшаются. Наименьшую водопоглощаемость имеют гранулы размером 25 ..30 мм, а большую — гранулы размером 10... 15 мм, так как с увеличением

Окатывание торфа арельчатом'гра.. .ляторе

|'ке. 10. Прнкпппналькяп схема '¡-°:::;с.:<I'-:'::г;рг:г.егсг. про-

ИЗПОЛСЧЙК ГрануЛНрЯПВгШОГО ТГ.-П-

размеров частиц допустимые значения радиусов пор, при которых возможно максимальное водопоглощение, возрастают. При обводнении крупные поры по сравнению с узкими буд>т тупиковыми из-за того, что интенсивный переток жидкости возможен только при определенном значении градиента потенциала влаги. Гранулы из верхового торфа' ста-, пеныо разложения 15 % имеют большую водологлощаемость, чем у- церхогг'го н низинного степенью разложения 30' >4. В результате обработки экспериментальных данных получены ' зависимости <3 = /('»О для гранул » фрезерного горюет. На протяжении' сушки подопсглоп;йе-мость увеличиваете«. Причем верхоиому -гор<!^ малой степени разложения ¡й;; для фрезерного, так п для гранулированного фракции 20..:-25 и 25...30 км соств'етстпуют большие значения В, чем у верхового торфа степенью разложен;!,-! 25 %. Также у гранул размером 20...25 иодопоглотаемос+ь у торфа 11 = ¡5 % и Я = 25 % различил Пребывание гранул всех размеров более -1й часов р. поле не изменяет нх формы, принтом онн-не разрушаются. _

Шарообразные гранулы являются весьма перспективным ¡¡¡¡дом бытового топлива, так как их небольшие и устойчияме размеры позволяют, механизировать подачу и стабилизировать'процесс сжигания, что приводит к повышению эффективности отопительных устройств и к значительной экономии топлива.-Проведенные исследования-Положены п'осноЬу ра'1,,абот:а1 гибкого технологического процесса по'производству гранулированного торфяного топлива в .заводских условиях (риг; 10). В-табяпце.З приведены основные характеристики получаемого торфяного гранулированного топлива.. ■ . ■•' .' ' ' '

Проведенные промышленные испытания торфяного граиулироЕРН-иого топлива доказали, что гранулы, диаметром 20...25 мм относятся к еп-•Ншапьным при сжигании их в колосниковых топках. Их использование.

Таблица 3. Оснооные характеристики торфяного грянулкроапниого тпплнза

Средний размер гранул, мм 20... 25

Насыпная плотность, кг/м3 2( '...300

Теплота сгорания низшая. 12,3

рабочая, МДж/кг

способствовало, мёх'ащпаци . но- . дачи и стабилизации процесса -сжигания, чти привело к повышению зффекттшогтН работы отопи- • тельного устройства и.к экономии самого топлива.

ВЫВОДЫ

Выполненные в диссертации экспериментальные и теоретические исследования подтверждают энергетическую теорию структурообразова-ния, что позволяет вести надежную оценку, управление и прогнозирование качественных характеристик готовой продукции на различных стадиях торфяного производства. В связи с этим можно сформулировать основные выводы:

1. Разработана методика лабораторных исследований процессов внутреннего массоперенос- и структурообрачовання формованного торфа. Для определения, локальных значсннн потенциала влаги (капиллярного Давления) применен метод микрогензиометрии. Использован метод одновременного определения усадочного и капиллярного давлений в тонких пленках торфа. Применен метод потешшомсгрического титрования для определения физико-химических свойств формованного торфа.

2. Найдены значения и характер изменения коэффициентов массопе-реноса (массоемкость, влагоироводность и' диффузия влаги) на протяжении всего процесса сушки формованного торфа. Пока '¡то, что потенциал влаги увеличивается от верхового малой степени разложения к низинному большой степени разложения. Установлена взаимосвязь структурных изменений, происходящих при сушке торфа, с характеристиками внутреннего мдссопереноСа. • • -

3. Выявлено влияний технологических факторов (дисперсность, вла-госодержание и режим сушки) на водно-физические свойства формованной торфяной продукции Так диспергирование приводит не только (с измельчению частиц, но й к Изменению электрохимических свойств дисперсий высокомолекулярных соединений торфа. Процесс обезвоживания необратимо Изменяет структуру торфа, Особенно на него влияет режим сушки. При бол$е жестком режиме степень необратимости структуры выше. Усадка формованного торфа продолжается на всем протяжении сушки. Средний коэффициент объемной усадки растет с возрастанием степени разложения торфа,- причем из-за генетических особенностей, у низинного типа'торфа он выше, чем для верхового.

Определены характеристики структурробразования формованного торфа разного типа, вида, степени разложения, дисперсности и начальной влаги формования. Подтверждены основные соотношения и периоды структурообразования, обусловленные действием ВаН-дер-Ваальсовых и водородных молекулярных связей. При этом с ростом дисперсности исследуемого Материала, за счет увеличения энергии связи влаги с твердой фазой, второй Период структурообразования начинается при большем вла-госодержании. На границе периодов структурообразования, из-за коллективного проявления водородных связей, происходит скачкообразное повышение энергии активации ЩУ) процесса разрушения на ДЕ(1У). Причем

величина AEQV) имеет наибольшее значение в низинном торфе высокой степени переработки, так как гумифицированная часть торфа предопределяет большие значения энергии активации процесса разрушения н соответствующие прочностные показатели. Наименьшую энергию активащш имеет верховой торф матон степени дисперсности. Увеличение температуры при сушке формованного торфа приводит к росту объемно-напряжечного состояния, что способствует уменьшению прочности из-за снижения числа взаимодействий между частицами. . | 5. Установлена ейязь между водно-фнзическнми (потенциалом влагн Ф) и прочностными свойствами торфяной продукции. Показано, что зави-' симость К(Ф) описывается степенной функцией. Из-за роста числа энерге-. тических связей прочность растет с повышением (по абсолютной велэти-ке) потенциала влаги к тем больше, чем выше дисперсность (степень разложения) торфа.

6. Предложен метод определения дисперсности формованного торфа с использованием прибрра ПАГ-2, который позволяет .быстро и с достаточной точностью определять степень переработки (дисперсности) формованной продукции. Это обстоятельство позволило получить и проанализировать зависимость прочности продукции от дисперсности. Установлено, что с ростом S, из-за роста числа контаотов между частицами, повышаете:!. прочность. Показана спязь физических констант 'структурообра:;с1;а-"1Я с дисперсностью торфа и температурой сушки..

7. В результате исследования процесса скатывания тарельчатом грануляторе диаметром 1 м установлено, что m нем можно -получать rpft-in/лы размером 10...30 ми; из различных ендса торфа с R? 15...30 %в диапазоне влагосодэржания 3,7...<5,6 кг/кг, Предложена ехе:.:з прочзподет-еа в заводских условиях гранулированного торфяного топлнка.

S. Исследование сравнительной сушки гранулированного и фрвзф-коп торфа й каперс искусственного клиглаТа показало, что скорость cyinsn н мнтсшгаиость испгргния гранул n 1,<5.!: 1,7 раза выше, чем у фрезерного торфа. Изучены {¡даико-мехашпездпо свойства гранул и их- изменена и процессе сушки Çiuiothopti., насыпная плотность, водопоглощпемозт;.,* прггиияпь усадка). В процессе огатывашгя'насыпная платность увелп«:-ввется в 1,2...1,3 раза по сравнению с фрезерным торфом. Коэфф?щн«к объемной усадки гранул зависит от вида и степе*:;! разложения и колеблется л пределах от 0,33 до0,65, Водопоглопп'етн.ная способнссть -ранул в 2,1 ...2,6 раза misé, чем фрезерного торфа. При этом после нахождения в вода более 4S часов гранулг* не разрушаются.

Таким oSpaioM, иа основ« выполненных меелгдоганий показано влияние переработки и водно фпзичесих свойсти торфа иа процессы мас-сопереиоса н струшгурообразовання ири разлячяых режимах сушки, что

служит основой получения высококачественной торфяной продукции при разработке новых технологий.

Основные положения диссертации изложены d работах:

1. Опытный образец торфяных гранулированных субстратов // Тез. докл. VII Междунар! .науч.-техн. конф. «Фнзнкохимня торфа н сапропеля, проблемы их переработки Й комплексного использования», Тверь, 1994. (Соав А.Е Афанасьев, С.Н. Га-маюпм)

.. 2. Критерий оценки струетуроооразования н качества мелкокусковой продукции 10 торфа и сапропеля // Tel. докл. Международного симпозиума «Органическое вещество торфа» 15-19 мая 19'.. г. Минск, [995. С. 41. (Соав. О С. Мисникт)

3. Производство и применение продукции из торфа и сапропеля, полученной методой окатывания // Там же. С. 112. (Соав Т.Н. Алехина, М.А. Большаков, С.Н. Га-маюпов, О.С.Ммпикш)

4. Производство и использование гранулированной продукции из торфа и сапропеля методом окатывания // Тез. докл. конф молод уч. и спец. Тверского регион». . Таерь, 1995. С. .91. (Соав. '[.В. Алехина, S.A. реликт, М.А. Большаков, С.Н. Гамаюнов, О.С. Мисникон)

. 5. Экспресс-мстод определен!« дисперсности торфа И Там же. С 93. (Соав. СЛ ГамЦюиов. М.А. Большаков) • ' '

6. Исследование структуроооразования мелкохускового торфа II Там же. С. 9?. (Соав. С.И. Гомиииш)

7. Изменение водно-физических н е уктурно-механических свойств торфа в процессе его диспергирования // Техиол н комл. мех-пи* торф, пр-ва. Межвр. сб. науч. Тр Йод ред . Л.£ Афшккпл'ка Тверь, 1996. С. 6-9. (Соав. А.Е Афанасьев, М.Л. Багыаакйв. С.Н. lavauiifJ«)

8. Research on structurization of smalt-sod pest and saprppel products. // 10-th inter-Batiotu) Peat.Congress 27 May-2 June 1996, Bremen, Germany. Stuttgart v. I, Abstract». 1996. P, 53. (Otimiywmv S., Misiiikoy О.)

9. Capillary phenomena in a process of peat and siproptl drying II ll-th International Conference Surface forces, June 25'29, .1996. Moscow. Russia. P.2{Aßthasjev A.E & others.)

ID. Ресурсосберегающие технологии при разработке торфяных месторождения И Горный ИнформацнониО-аналнтическнГг бюллетень, М.: Академия горных наук, 1996. Т. I.C. 5(^54. (Соав А.Е Афан&сьея; С.If.'Гыююнов, ОС. Мисников)

И. Массообменйы* характеристики торфа.и сапропеля // Технология и комплексная механизация торфяного производства: Сб. науч. тр. под ред. А.Е. Афанасьева. Тверь: ТГТУ, ¿997: С. 28-33, (Соав. А.Е. Афанасьев, С.Н. Гашюно», О С. Шснм-ми) '• •■•■','■..■ '.'-'■'..'.

»2. Метод оперативного определен«* дисперсности формованного торфа // Там же. С. 42-46. (Соав А.Е. Афанасьев, С.Н. ГсЫаюнж, О. С■ Мисников) .

. 13. Изменение водно-физических свойств торфав процессе его диспергирова-нкя исушвг//Тамже.С. 138-144. (Со». СМ. Гамаюнов)

14. Технологии добМчи и применения гранул1грованного торфа и погребенного сапропеля// Тез. докл. Областной научно-»фактической коиф «Научные проблемы устойчивого рдоигтия Тверской облает» (20-21 ноября 1997 г.) Тверь, 1997. С. 96. (Gott. О.С. Мшатов, С.Н.Тамтот*)

' 15. Положительное решите о выдачи патента РФ на изобретение по заявке № 96103677/03 «Способ определения дисперсности формованного торфа». (Соав. М.Л. больмшков, С.Н. Гамаюнов, О.С. Мисников)