автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.05, диссертация на тему:Физические процессы структурообразования при сушке погребенных сапропелей

На правах рукописи

МИСНИКОВ ОЛЕГ СТЕПАНОВИЧ

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ПРИ СУШКЕ ПОГРЕБЕННЫХ САПРОПЕЛЕЙ

05.15.05 — Технология и комплексная механизация торфяного производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тверь - 1997

Работа выполнена в Тверском государственном техническом университете

Научный руководитель: академик ПАНиИ,

доктор технических наук, А.Е. Афанасьев профессор

Научный консультант: кандидат технических наук С.Н. Гамаюнов

Официальные оппоненты:

Засл. деятель науки и тех- И.Ф. Ларгин ники РСФСР, доктор технических наук, профессор

к. т. н., старший научный В.П. Никитин. сотрудник

Ведущая организация.:

АО НЦ «Радченкоторф»

Защита состоится

^¿/¿¿Ур.-/ 199 Л. в /V часов на заседании диссертационного совета Д 063.22.01 в Тверском государственном техническом университете (170026 г. Тверь, наб. Афанасия Никитина, 22, ауд. Ц—212).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тверского государственного технического университета (г. Тверь, пр. Ленина, 25).

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, профессор

В.Д. Копенкин

© Тверской государственный технический университет

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В Российской федерации имеются значительные запасы сапропелевого сырья как в открытых водоемах (озерный), так и под торфяными залежами (погребенный). На многих торфяных предприятиях под залежью остаются сапропелевые месторождения, мощность которых соответствует промышленным запасам. Но часто большая степень минерализации этих отложений не даст возможности использовать их в сельскохозяйственном производстве для проведения агротехнических мероприятий. В этой связи необходимо решать задачи, связанные с предложением новых путей использования сапропелей, в том числе и высокоминерализованных.

Добыча отложений из-под слоя выработанной залежи торфа и производство новых видов продукции на основе формованных сапропелей вызывает необходимость изучения процессов структурообразования при их полном обезвоживании. Успешное решение данной проблемы связано с исследованиями физических и физико-химических свойств сапропелей различной зольности, а именно изучение структурных преобразований в процессе их сушки. Сложность в описании процессов структурообразования сапропелей вызывается тем, что изменение структуры оказывает огромное влияние на массообменные процессы, происходящие при обезвоживании последних.

Несмотря на большой накопленный материал в данной области, закономерности структурообразовательных и массообменных процессов при обезвоживании сапропелей изучены недостаточно полно, так как априори предполагалось, что они протекают также как и в торфе. Однако большее, чем в торфяных системах содержание зольных включений накладывает свои особенности на их сушку и структурообразование.

Создание новых видов продукции на основе погребенных сапропелей невозможно без научного обоснования технологий их изготовления. Одной из основных операций при производстве товаров народного потребления из сапропелей является их обезвоживание. Поэтому изучение процессов структурообразования и, связанного с ними, объемно-напряженного состояния, усадки и массопереноса при сушке сапропелей является актуальной задачей.

Дель и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка комплексного метода исследования процессов структурообразования сапропелей различной зольности при сушке, анализ путей прогнозирования и управления качественными характеристиками формованной продукции.

Исходя из поставленной цели в работе, необходимо решить следующее основные задачи:

• разработать комплексную методику исследования процессов структу-рообразования и массопереноса в сапропелях.

• исследовать закономерности изменения прочностных показателей погребенных сапропелем различной зольности в зависимости от влагосо-держания и температуры;

• оценить влияние энергии взаимодействия между элементами структуры на ход деформационных процессов, установить взаимосвязь массооб-менных и структурных характеристик сушимых материалов;

• изучить особенности физико-механических и структурных изменений, происходящих в сапропелях при их сушке;

• предложить новое направление использования погребенного сапропеля высокой степени минерализации.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования служили сапропели различной зольности, залегающие под торфяными залежами предприятий Тверской области и каолиновая глина (в качестве минерального подстилающего грунта). В лабораторных экспериментах использовались цилиндрические образцы материалов, сформованные методом экструзии, а также сапропелевая масса в состоянии полной влагоем-кости. Сушка велась при конвективном теплоподводе. В процессе исследований применялись современные экспериментальные и теоретические методы. В качестве экспериментальных, использовались методы микро-тензиометрии, динамической контракции, определения максимальной разрушающей нагрузки на прессе. Теоретические методы основываются на положениях физико-химической механики дисперсных структур, а именно на молекулярцо-кинетическом подходе оценки структурообразо-вательных и массообменных процессов в органогенных материалах. Обработка экспериментальных данных, анализ результатов и проверочные расчеты выполнялись с применением компьютерной техники.

Научная новизна. В диссертации осуществлено обобщение и исследование физики взаимосвязанных процессов сушки и структурообра-зования формованных сапропелей различной зольности и решен вопрос по оценке и прогнозированию их характеристик на различных стадиях сапропелевого производства.

На основании экспериментальных данных и теоретических исследований в работе впервые были получены:

• значения основных характеристик структурообразования и массообменных коэффициентов (массоемкости, влагопроводности и диффузии влаги) для формованных сапропелей;

• закономерности поведения сапропелевых систем в диапазоне формовочного и равновесного влагосодержаний при различных температурах обезвоживания.

Были также внесены качественные изменения в методику измерения усадочных напряжений на динамическом контрактометре. Дана оценка степени влияния капиллярного давления па усадочные процессы, происходящие в органоминеральных дисперсиях сапропелей.

Практическая ценность работы. Изложенные в диссертации закономерности процессов сушки и структурообразования послужили научной базой при создании основ технологии получения искусственного заполнителя из окатанного торфа и минерализованного сапропеля, а также при разработке методики прогнозирования и оценки структурных свойств сапропелей различной зольности. Разработаны и запатентованы способы определения дисперсности формованного торфа и добычи минерализованного сырья, залегающего под слоем торфяной залежи. Разработаны, созданы и защищены свидетельствами на полезную модель принципиально новая сушилка для гранулированного вязкопластичного торфа и установка по нанесению минерального покрытия на торфяную гранулу. Обосновано применение роторного смесителя для приготовления шликера минерализованного сапропеля, целесообразность нанесения минерального покрытия на торфяную гранулу «мокрым» способом и особенности сушки сырцовых композиционных гранул заполнителя.

Полученные результаты могут служить основой для аналитического описания развития объемно-напряженного состояния, прочности и внутреннего массопереноса в формованных сапропелях различной зольности.

Ряд результатов и методик включен в учебный процесс по дисциплинам торфяного профиля.

Основные положения, выносимые на защиту:

• методика одновременного определения усадочного и капиллярного давлений в тонких пленках дисперсных материалов;

• изменение структурных показателей сапропелей и каолиновой глины при их сушке в различных температурных режимах, оценка роли капиллярных сил в усадочных процессах органоминеральных дисперсий;

• связь характеристик структурообразования и массопереноса в сапропелях различной степени минерализации;

• принципиальная технологическая схема производства искусственного пустотелого заполнителя для легких бетонов и аппаратурное оформление для ее реализации.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований, изложены в тезисах и докладах на VII Международной конференции «Физикохимия торфа и сапропеля» (Тверь, 1994); Международном симпозиуме «Органическое вещество торфа» (Минск, 1995); конференции молодых ученых и специалистов Тверского региона (Тверь, 1995); X Международном конгрессе по торфу (Бремен, 1996); XI Международной кон-

ференции по поверхностным силам (Москва, 1996); Всероссийской научно-практической конференции «Физико-химические основы пищевых и химических производств» (Воронеж, 1996); Юбилейной конференции, посвященной 75-летию ТГТУ (Тверь, 1997).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 19 печатных работах, отчетах НИР, рекламных проспектах. Получены положительные решения о выдачи 2 патентов на изобретения и 2 свидетельств на полезные модели.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав основного текста, выводов, библиографического списка (215 наименований) и приложений. Работа изложена на 148 страницах, в том числе включает 39 рисунков и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе «Физические методы оценки сапропелем и других дисперсных материалов» дано научное обобщение образования, свойств, химического состава, классификаций и областей применения сапропелевого сырья. Проведен обзор основных методов оценки структурообразо-вания торфа и сапропеля и других дисперсных материалов. Отмечено, что изучение структурообразования сапропелей, в основном, сводилось к исследованию реологических свойств дисперсий озерных отложений.

Предполагается, что в диапазоне формовочного и равновесного вла-госодержаний закономерности процессов изменения структуры при обезвоживании торфа и сапропелей идентичны, так как они относятся к одной группе биогенных материалов. Процесс формирования структуры кускового формованного торфа можно разбить на два периода. Изучение прочности материалов при различных температурах дало возможность определить их температурные зависимости при конкретном влагосодержании (IV = const). Это позволило перейти к энергетическим характеристикам прочности структуры материалов и определить величину энергии активации процесса разрушения системы. Были предложены уравнения, позволяющие прогнозировать качественные характеристики продукции на 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 влияет на массо-перенос, изменяя размеры частиц, форму и размеры пор. Наибольшее рас-

пространение получила капиллярная теория усадки торфа, которая объясняет развитие усадочных деформаций за счет увеличения капиллярного давления в материале.

В главе 2 «Методика проведения лабораторного эксперимента» разработана комплексная методика исследований структурообразования и массопереноса в сапропелях, включающая в себя измерение предельной разрушающей нагрузки («прочности») при различных температурах обезвоживания, потенциала влаги методом микротензиометрии, усадочных давлений методом динамической контрактации и массообменпых характеристик материалов. Представлены обобщенные данные, характеризующие средний валовой состав золы сапропелей, использованных для исследований в диссертационной работе.

Для детального изучения усадочных давлений в процессе сушки пленок сапропелей использовался динамический контрактометр. В эту методику, предложенную в 60-е годы М.С. Остриковым и Г.Д. Дибровым, были внесены ряд дополнений и изменений. Масса исследуемого материала наносилась на марлевую основу с влагосодержанием, равным по величине его полной влагоемкости.

Для выяснения природы усадочных деформаций, в работе было предложено использовать методику одновременного определения капиллярного и усадочного давлений. Для этого в тонкий слой исследуемого материала внедрялся тонкий капилляр — микротензиометр. Он позволяет определять величину капиллярного давления в процессе сушки. Данный метод применяется в диссертационной работе для измерения потенциала влаги сапропелей. Капиллярное давление измеряли также в процессе сушки формованных кусков сапропелей и глины. Замеры проводили в центральной и двух периферийных зонах. При таком расположении датчиков представляется возможным измерять величины капиллярного давления (потенциала влаги) в этих зонах.

В главе 3 «Физика процессов структурообразования и массопереноса при сушке сапропелем» рассмотрены основные закономерности протекания структурных изменений в сапропелях различной степени минерализации и каолиновой глине, рассчитаны коэффициенты структурообразования и массопереноса для данных материалов. При изучении процессов структурообразования сапропеля, он рассматривался как многофазная система, состоящая из твердых дисперсных частиц зольных элементов различной степени гидрофильности, коллоидов органического вещества, свободной и связанной влаги, которая в процессе формования кусков вместе с частицами образует поры с защемленным воздухом.

Зависимость прочности от влагосодержания в полулогарифмических координатах представляет собой для всех исследованных сапропелей ломаную линию, состоящую из двух прямолинейных участков с сингу-

лярной точкой в области ГГ- IVс (рис. 1).

Каждый из отрезков характеризует свой период структурообразования, обусловленный изменением энергии межмолекулярных взаимодействий дисперсионных частиц между собой и, следовательно, с дисперсионной средой. При этом характер изменения энергетического уровня приводит к четкой фиксации отдельных периодов структурообразования. Этим периодам соответствует определенное взаиморасположение твердой и жидкой фазы, а также органического и минерального вещества между собой. Процесс упрочнения структуры исследуемых материалов аппроксимируется зависимостью (по С. С. Корчунову и А.Е. Афанасьеву)

Л=Л0,гехр(-Ш) (1)

со своими коэффициентами структурообразования и X (таблица 1).

Таблица 1. Основные характеристики структурообразоваияя материалов

№ Тип Кт, У.2 Фон? И\р

сапропеля МПа Дж/кг кг/кг кг/кг

1 Органический 33,5 0,85 3,2 960 0,51 1,0 1,8

2 Карбонатный 18,2 2,84 7,3 1270 1,44 0,35 0,5

3 Кремнеземистый 15,5 5,04 5,5 1210 2,1 0,25 0,4

4 Минерализованный 3,5 31,8 9,4 750 11,3 0,12 0,14

5 Глина за 27,3 3,5 730 11,1 0,18 0,18

Величина прочности на сжатие при равновесном влагосодержании максимальна у органического сапропеля, то есть материала, структура которого априори предрасположена к возникновению в ней водородных межмолекулярных взаимодействий во втором периоде структурообразования. При снижении количества органического вещества в системе (карбонатный и кремнеземистый сапропели) прочность уменьшается.

Связывая величины потенциала влаги на различных этапах обезвоживания с прочностью системы, прослежено как энергия связи влаги с материалом влияет на формирование его структуры. Зависимость потенциала влаги от влагосодержания материалов (рис. 2.) описывается экспоненциальной функцией вида:

Рис. 1. Изменение логарифма прочности сапропеля Я, МП а в зависимости от его влагосодержаиня IV, кг/кг (здесь и далее номер на графиках соответствует порядковому номеру исследуемого материала по таблице 1)

Ф=Фог-ехр(-Хр IV),

(2)

где Фт — максимальная величина потенциала влаги при ¡V-* 0;

{(¡Р/РЦШФ) — коэффициент, характеризующий изменение капиллярного давления при колебании влагосодержания на единицу.

Установлено, что с увеличением температуры сушки прочность уменьшается по сравнению с прочностными характеристиками материала при более низких температурах сушки. Причем с увеличением содержания минеральной составляющей в саиропелях, влияние температурного фактора уменьшается. Ответственными за температурные эффекты в органических системах являются, в основном, гуминовые вещества (И.И. Лиш-теан). Вклад других органических составляющих (битумов, водорастворимых и легкогидролизуемых соединений, трудногидролизуемых углеводов, лигнина) в общий тепловой эффект при температурах до 353 К не существенен. Он выражается в основном в изменении подвижной структуры материала. С повышением температуры, главным образом начинают разрушаться межагрегатные водородные связи, а затем происходит деструкция самих агрегатов. Падению прочности также способствуют кон-формационные превращения в белковой части гуминовых веществ, связанные с переходом макромолекул из спиралеобразного состояния в форму статистического клубка. Изменение прочности минерализованных са-пропелей при температурных воздействиях в основном обусловлено усилением термофлуктуационного движения составляющих их частиц, а также изменением поверхностного натяжения дисперсионной среды. Такие системы менее восприимчивы к увеличению температуры, по сравнению с органическими сапропелями.

В этой связи учет влияния отдельных соединений их составляющих на прочность Я формованных сапропелей не представляется возможным. Особенно это относится к оценке числа и видов связей между частицами, а также дефектов структуры пористых тел (по А.Е. Афанасьеву). Поэтому в общем виде зависимость /? = ((Т), как и для торфа, имеет вид:

Д^Догехр^УО^Г)], (3)

где Дог- константа уравнения, характеризующая начальную прочность связей при энергии активации процесса разрушения ) = 0; Я*— уни-

0,12 0,32 IV

Рис. 2. Зависимость потенциала влаги Ф, Дяс/кг (по абсолютному значепшо) от влагосодержания УУ, кг/кг материалов

версальная газовая достоянная; Т- температура сушки.

Изменение потенциального уровня влаги в материале создает предпосылки для качественных структурных изменений последнего. Поэтому у органического, карбонатного и кремнеземистого сапропелей в области IV = IVс (рис. 3) наблюдается скачкообразное увеличение энергии активации процесса разрушения. Величина приращения последней согласно теории ДЛФО может трактоваться как потенциальный барьер, который необходимо преодолеть при переходе системы из дальней потенциальной ямы со слабым молекулярным взаимодействием в ближнюю с высокоэнергетическими водородными связями. Причем АЕ(УУ) максимальна у органического сапропеля и составляет 4,2 кДж/моль. С увеличением зольности сапропелей АЕ(И^) уменьшается. Для минерализованного сапропеля при IVс наблюдается скачок энергии активации с обратным знаком на величину -АЕ(1¥) = 3,5 кДж/моль. Отклонение от линейности зависимости 1пД = {(IV) обусловлено переменностью величины энергии активации процесса разрушения коллоидного капиллярно-пористого материала, то есть нестабильностью его структуры в процессе сушки.

0.2 0,4 0,6 0,8 IV

Рис. 3. Изменение энергии активации процесса разрушения Е, кДж/моль при сушке сапропелей

Отмечено снижение величины Е(1¥) в минерализованном сапропеле. В этом материале при ¡¥с практически прекращается усадка, следовательно, удаление влаги идет без сокращения расстояний между структурными элементами и они не могут попасть в зону действия водородных связей. Водородные взаимодействия в глинистых системах осуществляются в основном через сольватные оболочки минеральных частиц, а их число при влагосодержании близком к равновесному значительно сокращается.

Зависимость энергии активации процесса разрушения от влагосо-держания в каждом из периодов описывается уравнением

ЦУР) = Е0-ат (4)

где а - коэффициент, характеризующий удельную энергию активации процесса разрушения.

На рис. 4 представлено изменение усадочного давления в процессе сушки сапропелей различной зольности. Усадочные давления возрастают на протяжении всего периода обезвоживания. Однако это не относится к минерализованному сапропелю и каолиновой глине, прирост усадочных давлений, которых практически прекращается до наступления равновесного состояния. Установлено, что усадочные давления проявляются менее интенсивно в сапропелях с меньшим содержанием органического вещества (большей зольностью). Максимальное усадочное давление органического сапропеля составило более 9 МПа, а минерализованного — около 0,15 МПа.

Сопоставляя величины капиллярного и усадочного давлений условно можно выделить две зоны (рис. 5). В первой значения усадочного и капиллярного давлений имеют один порядок величин, и они имеют пропорциональную зависимость. Вызвано это тем, что значения Рус отражают нерелаксируемые напряжения, возникающие в материале под влиянием капиллярных сил Рк. Часть возникающих напряжений, при этом, релак-сируют за счет сдвиговых деформаций между отдельными частицами и

ВНУТРИ НИХ, ПОЭТОМУ Рус < Рк ■

На начальном этапе обезвоживания происходит межассоциатная усадка вследствие удаления влага из пространства между частицами (агрегатами) материала. Затем при относительно небольшом изменении капиллярного давления усадочные деформации резко возрастают (особенно это заметно на примере органического сапропеля). На этом этапе уменьшают свой объем сами ассоциаты гидрофильных коллоидов органического вещества материала. Под ассоциатами понимается совокупность макромолекул органического вещества, соединенных между собой различного вида межмолекулярными связями. Ассоциаты, объединяясь, образуют агрегаты, то есть более крупные элементы структуры.

О 0,2 0,4 0,6 ГГ

Рис. 4. Изменение усадочного давления Р, МПа в процессе сушки тонких нленок исследуемых материалов

Рис. 5. Сопоставление усадочного Р и капиллярного Р„ давлений в процессе суш-кн пленок исследуемых материалов

В процессе усадки большую роль играет осмотическое давление. Развитие капиллярного и осмотического давления в сапропеле зависят от состава, строения, структурных связей, а также соотношения его органической и минеральной частей.

Работа, которую совершает система при усадке (А ус) определяется из соотношения:

А УС = РУС'<ГИ-У), (5)

где Рус— максимальная величина усадочного давления при изменении объемов тела с начального У„ до текущего V значения. Зависимость Л - {(А ус) для сапропелем различной зольности и каолиновой глины представлена на рис. 6.

О 10 20 30 40 А ус2,з

Рис. 6, Зависимость прочности Д ,МПа от работа усадки А ус, Дж материалов

Характер кривых изменения массообмешшх коэффициентов (рис. 7) соответствует данным, полученным для торфа другими исследователями. Во всех исследуемых материалах коэффициенты массоемкости с т монотонно снижаются с уменьшением влагосодержания. В органическом и карбонатном сапропелях зависимости коэффициентов влагопроводности А.т и диффузии ат имеют максимумы в области высоких и низких влаго-содержаний, соответствующие каждому из периодов структурообразова-ния. В кремнеземистом сапропеле коэффициент диффузии имеет максимальное значение только в первом периоде структурообразования, а минерализованный сапропель и глина — во втором. Характер изменения данных коэффициентов при различных влагосодержаниях определяется

формой связи влаги с материалом и механизмом массопереноса.

О

0,05 0,1 0,15 0,2

Рис. 7. Зависимость коэффициента диффузии а ш10 , м /с (1); влагопроводиости Я.щ-109, (кг-с)/и3 (2); массоемкости сш-103, с2/м' (3) от среднего влагосодсржания Н', кг/кг органического (а) и минерализованного сапропелей (Ь)

В главе 4 «Применение теории процессов сушки и структурооб-разоваиия к разработке новой технологии переработки сапропелей»

рассматривается возможность использования подстилающих залежь минерализованных сапропелей и торфа в качестве сырья для производства искусственного пустотелого заполнителя для легких бетонов (табл. 2). Таблица 2. Свойства пустотелого заполнителя

Наименование свойств Численный показатель

Насыпная плотность, кг/м3 390

Плотность зерен в сухой сыпучей среде, кг/м3 661

Плотность зерен в цементном тесге, кг/м3 1390

Межзерновая пустотность (без учета открытых пор), % 41

Пустотность с учетом насыщения открытых пор влагой и цементным тестом, % 72

Коэффициент формы зерен 1,04

Водопоглощение по массе, % 20

Прочность при сдавливании в цилиндре, МПа 0,9

Предполагаемая схема технологического процесса состоит из следующих операций: добыча торфа, его переработка, окатывание торфа на грануляторе тарельчатого типа, искусственная подсушка окатышей, добыча минерального сырья, приготовление шликера сапропеля, нанесение минерального покрытия на торфяные ядра, сушка композиционных гранул, обжиг зерен заполнителя, их охлаждение и складирование.

Изготовление и сушка композиционных гранул заполнителя является весьма ответственным этапом технологического процесса. Зарождение и образование трещин происходит именно на этом этапе, а при обжиге они лишь окончательно выявляются. Одним из путей прогнозирования и регулирования прочностных свойств заполнителя в процессе сушки является анализ коэффициента диффузии влаги составляющих его материалов.

Рлс. 9. Зависимость коэффициента диффузии ВЛДГП й о)- 10 м 2/с, от среднего в материале потенциала влаги \Ф\, Дж/кг, для минерализованного сапропеля (1) и низинного торфа со степенью разложения R = 30 % (2) и R = 50 % (3)

Применительно к композиционным гранулам в диапазоне потенциалов 0...250 Дж/кг значения коэффициента диффузии в торфе и сапропеле практически одинаковы и развиваются по одному закону. Следовательно, процессы массопереноса в торфе и сапропеле идентичны на данном этапе обезвоживания. При |Ф| > 250 Дж/кг наблюдается дальнейший рост ат в минерализованном сапропеле и его падение в торфе (рис. 9). Именно на этом этапе, из-за неоднородности протекающих процессов массообмена, у композиционных гранул происходит быстрое иссушение минерального покрытия и вследствие этого образование трещин. Это обстоятельство накладывает свои особенности на изготовление полуфабрикатов гранул искусственного пустотелого заполнителя. Наносить минеральное покрытие на торфяное ядро следует до потенциала . В данном диапазоне торф обладает гидрофильными свойствами и следовательно при смачивании будет происходить выравнивание потенциала в системе: «торф-минерализованный сапропель». При этом происходит движение воды из материала с меньшим потенциалом влаги в материал с большим

потенциалом (по абсолютной величине), то есть из минерализованного сапропеля в торф. На поверхности торфяной гранулы будет формироваться не имеющий дефектов слой минерального покрытия. В противном случае, при смачивании торфяных ядер в шликере минерализованного сапропеля с Ф > Ф кр, в оболочке будут появляться открытые поры, снижающими прочность пустотелого заполнителя.

В главе 5 «Разработка средств технической реализации результатов исследований» представлены описания способов и установок, разработанных на основе исследований.

На прочность получаемых окатышей торфа, а также на их влагопро-водящие свойства большое влияние оказывает степень дисперсности исходного материала. В этой связи разработан оперативный способ определения дисперсности торфа, заключающийся в определении предельного напряжения сдвига торфа (микропенетрометр ПАГ-2), его влагосодержа-ния и последующим расчетом по корреляционным формулам.

Раскрыта сущность способа добычи минерализованного сырья, залегающего под слоем торфяной залежи. Показано, что после сработки слоя торфяной залежи можно проводить добычу минеральных материалов, таких как минерализованный сапропель, глина, ил с использованием стандартного оборудования.

Рис. 10. Схема ленточной сушилки для гранулированного торфа: 1 - камера, 2 и 3 - верхний и пижпий транспортеры, 4 - сетчатые рамки, 5 - система подвода сушильного агента, 6 - газонаправляющие, 7 - газоотводящий короб, 8 и 9 - загрузочное и разгрузочное устройства, 10 — направляющие, И - направляющая, 12 и 13 - отражательный и разделительный щиты

Для сушки гранул торфа и сапропеля, находящихся в вязкопластич-ном состоянии предложена специальная ленточная сушильная установка, позволяющая осуществлять эту операцию практически без разрушения

орф

гранул (рис. 10). Отличительной особенностью сушилки является то, что в конце верхних ветвей транспортеров смонтированы специальные приспособления для плавного пересыпания гранул с верхних на нижние ветви каждого транспортера.

Рис. 11. Схема установки по изготовлению композиционных гранул: 1 - барабан, 2 - сетчатые лопасти, 3 - вепец, 4 - полотно виброконвейера, 5 и 6 - передняя и задняя шарнирные стойки, 7 - камера предварительной подсушки, 8 - опорное устройство, 9 -электродвигатель вибратора, 10 - сборник излишков покрытия, 11 - шестерня привода, 12 - электродвигатель, 13 - роликовые опоры, 14 - рама

Одной из операций в технологическом процессе производства пустотелого заполнителя является нанесение минерального покрытия. Для этой цели разработана специальная смесительная установка, в которой происходит смачивание торфяного ядра в шликере минерализованного сапропеля (рис. 11).

ВЫВОДЫ

Приведенные в диссертации экспериментальные и теоретические результаты служат научной основой для получения и прогнозирования качественных характеристик формованной продукции из сапропеля, разработки новых технологий сушки, что способствует повышению эффективности сапропелевого производства при комплексном использовании природных ресурсов. В этой связи можно сформулировать основные выводы:

1. Разработана методика и аппаратура для лабораторных исследований процессов струкгурообразования и внутреннего массопереноса в са-пропелях. Для изучения усадочных давлений в тонких пленках сапропе-лей усовершенствован метод динамического контрактометра. Применен метод одновременного определения усадочного и капиллярного давлений в тонких пленках сапропелсй. В остальных случаях использовались стандартные методы исследований.

2. Определены основные характеристики структурообразования са-пропелей различной зольности, каолиновой глины и закономерности изменения коэффициентов массопереноса (массоемкости, влагопроводности и диффузии влаги) в зависимости от влагосодержания и потенциала влаги.

3. Установлено, что сапропель при обезвоживании, также как и торф, проходит через два периода структурообразования, которые обусловлены превалирующим действием ван-дер-ваальсовых сил или водородных межмолекулярных связей. С увеличением зольности сапропелсй второй период структурообразования начинает вырождаться, а в минерализованном сапропеле и каолиновой глине нарастание прочности во втором периоде заметно уменьшается. На границе периодов структурообразования из-за лавинообразного проявления водородных связей происходит «скачкообразное» увеличение энергии активации процесса разрушения Е{\У) на ЛЕ(1¥) причем величина АЕ(№) наибольшая в органическом сапропеле. Органическое вещество в сапропеле предопределяет большие значения энергии активации процесса разрушения и соответствующие прочностные показатели. Наименьшие значения прочности системы зафиксированы в минерализованном сапропеле и каолиновой глине. Дано физическое толкование этим особенностям. Увеличение температуры сушки сапропелей приводит к росту объемно-напряженного состояния и, вследствие этого, меньшей прочности конечного продукта из-за уменьшения числа взаимодействий между частицами и повышения дефектности структуры.

'4. Отмечено, что при увеличении степени минерализации сапропелей повышается роль капиллярных сил в усадочных процессах системы. Усадка в органическом, карбонатном и кремнеземистом сапропелях продолжается на протяжении всего периода сушки, а в минерализованном сапропеле и каолиновой глине прекращается при достижении системой второго периода структурообразования. Средний коэффициент объемной усадки при «мягких» режимах сушки не зависит от размеров образцов материала (в исследованном диапазоне размеров кусков). Отмечено, что чем больше работа, которую проделывает система при своей усадке, тем, в конечном итоге, больше прочность этой системы.

5. Показано, что величина градиента капиллярного давления максимальна в органическом сапропеле и постепенно уменьшается при увеличении зольности системы, в то время как массопроводность ее увеличивается, на что указывают численные значения массообменных характеристик. Установлена взаимосвязь структурных изменений, происходящих в системе при ее обезвоживании, с характеристиками внутреннего массопереноса.

6. Предложено новое направление использования погребенного сапропеля. Проведена эскизная проработка технологической схемы произ-

водства качественно нового заполнителя для легких бетонов на основе торфа и минерализованного сапропеля. Обоснованы технологические особенности для образования композиционных гранул заполнителя.

7. Разработана и изготовлена установка по нанесению сапропеля на торфяное ядро и опытная модель ленточной сушилки для формованных биогенных материалов.

8. Разработан новый способ добычи минерализованного сырья, залегающего под слоем торфяной залежтг без применения принудительного обезвоживания разрабатываемого слоя насосной станцией и новый метод определения степени переработки дисперсных материалов (на примере формованного торфа) при помощи микропенетрометра ПАГ-2.

Таким образом, на основе выполненных исследований, в диссертации показано взаимодействие процессов массопереноса и структурообра-зования, позволяющие решать вопросы по оценке и прогнозированию качественных характеристик готовой продукции в различных схемах сушки сапропеля.

Основные положения диссертации изложены в работах:

1. Гранулирование торфа методом окатывания // Физикохимия торфа и сапропеля. - Материалы VII Международной конференции «Физикохимия торфа и сапропеля, проблемы их переработки и комплексного использования». - Тверь: ТвеПИ, 1994. - С. 97. (соавторы А.Е. Афанасьев, С.Н. Гамаюнов).

2. Критерий оценки структурообразования и качества мелкокусковой продукции из торфа и сапропеля // Органическое вещество торфа / Тез. докл. Международного симпозиума «Органическое вещество торфа» 15-19 мая 1995г. - Минск, 1995. - С. 41. (соавтор О.В. Пухова).

3. Производство и применение продукции из торфа и сапропеля, полученной методом окатывания. - Там же. - С. 112. (соавторы Т.В. Алехина, М.А. Большаков, С.Н. Гамаюнов, О.В. Пухова).

4. Процессы структурообразования при производстве продукции из торфа и сапропеля // Тез. докл. Конференции молодых ученых и специалистов Тверского региона. - Тверь: ТГТУ, 1995.-С. 108.

5. Разработка технологии производства пустотелого заполнителя для легких бетонов II Там же. - С. 116. (соавтор С.Н. Гамаюнов).

6. Производство и использование гранулированной продукции из торфа и сапропеля методом окатывания. - Там же. - С. 116. (соавторы Т.В. Алехина, В.А. Беляков, М.А. Большаков, С.Н. Гамаюнов, О.В. Пухова).

7. Utilization of peat and sapropel for light-weight aggregate manufacturing // 10-th International Peat Congress 27 May-2 June 1996, Bremen, Germany. Stuttgart v. 1, Abstracts.- 1996 P. 52 {Gamayunov S.).

8. Research on structurization of small sod peat and sapropel products. // 10-th International Peat Congress 27 May-2 June 1996, Bremen, Germany. Stuttgart v. 1, Abstracts.- 1996 - P. 53. (Gamayunov S., Puc'nuva O.)

9. Capillary phenomena in a process of peat and sapropel drying // 11-th International Conference Surface forces, June 25-29, 1996. Moscow, Russia. (Afanasjev A. E. & others.)

Ю.Исследование структурообразования при обезвоживании сапропелей различной зольности // Сб. «Технология и комплексная механизация торфяного производства». - Тверь: ТГТУ, 1996. - С. 19-23. (соавторы А.Е. Афанасьев, С.Н. Гамаюнов).

11 .Опытный образец заполнителя на основе торфа и сапропеля для изготовления легкого бетона. - Там же. - С. 31-33. (соавторы С.Н. Гамаюнов, В.А. Беляков).

12.Физические процессы структурообразования при сушке коллоидных и капиллярно-пористых тел // Физико-химические основы пищевых и химических производств / Тез. докл. Всероссийской научно-практической конференции. - Воронеж, 1996. - С. 138. (соавторы А.Е. Афанасьев, С.Н. Гамаюнов).

13.Ресурсосберегающие технологии при разработке торфяных месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: Академия горных наук, 1996. Т. 1. - С. 50-54. (соавторы А.Е. Афанасьев, С.Н. Гамаюнов, О.В. Пухова).

14.Влияние влагосодержания на структурообразование сапропелей // Технология и комплексная механизация торфяного производства: Сб. науч. тр. - Тверь: ТГТУ, 1997. - С. 23-28. (соавторы А.Е. Афанасьев, С.Н. Гамаюнов).

15.Массообменные характеристики торфа и сапропеля // Там же. - С. 2835. (соавторы А.Е. Афанасьев, С.Н. Гамаюнов, О.В. Пухова).

16.Исследование приготовления водных дисперсий минерализованного сапропеля // Там же. - С. 40^12. (соавторы М.А. Большаков, С.Н. Гамаюнов).

17.Метод оперативного определения дисперсности формованного торфа // Там же. - С. 42-46. (соавторы М.А. Большаков, С.Н. Гамаюнов, О.В. Пухова).

18.Особенности изготовления композиционных гранул из торфа и сапропеля II Там же. - С. 85-90. (соавтор С.Н. Гамаюнов).

19.Усадочные явления при сушке сапропеля // Там же. - С. 126-131. (соавторы С.Н. Гамаюнов, В.А. Беляков).