автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.05, диссертация на тему:Научные основы технологии торфяных композиционных материалов

РГ8 ОД

На правах рукописи

Гревцев Николай Васильевич

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ТОРФЯНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ 1МАТЕРИАЛОВ

05.15.05 - Технология и комплексная механизация торфяного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тверь -1998

Работа выполнена в Уральской государственной горно-геологической академии.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Богатое Б.А.

доктор технических наук, старший научный сотрудник Селенное В.Г.,

доктор технических наук, старший научный сотрудник Фомин В.К.

Ведущая организация - АООТ «Уралторфпроект» (г. Екатеринбург).

Зашита состоится _ 1998 г. в /4

часов на за-

седании диссертационного совета Д 063.22.01 Тверского государственного технического университета по адресу: 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 « « _ 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

профессор Копенкин В.Д.

Тверской государственный технический университет, 1998

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. На рубеже XXI века торфяная промышленность представляет собой добывающе-перерабатывающую отрасль, оснащенную многочисленными технологическими схемами для выпуска широкого ассортимента продукции многоцелевого назначения. Результаты всесторонних исследований отечественных я зарубежных ученых создают основу комплексного экологически безопасного использования торфа и торфяных месторождений. Наибольшее развитие торфяная промышленность получила в крупных промышленных и сельскохозяйственных регионах. Такие регионы в силу специфики своего социально-экономического развития испытывают значительные техногенные нагрузки, в результате которых во всех компонентах окружающей среды происходят негативные изменения. Добыча и переработка торфяного и минерального сырья, химическое и металлургическое производства, ряд сельскохозяйственных технологий приводят к крупномасштабным отрицательным воздействиям, в том числе к созданию и накоплению большого количества твердых, полутвердых и жидких отходов. Широкая распространенность месторождений торфа и их территориальная близость к техногенным образованиям, уникальность и разнообразие природных свойств позволяют решать проблему утилизации отходов промышленного и сельскохозяйственного производства путем их совместной переработки. Для решения региональных экологических проблем, а также обеспечения регионов дешевыми и эффективными видами топлива, удобрениями, строительными материалами и другой торфяной продукцией необходимо совершенствование существующих и создание новых технологических процессов производства торфяных композиционных материалов, в том числе с широким использованием в качестве составляющих компонентов различных отходов. Только комплексная, рациональная и ресурсосберегающая технология переработки торфа позволит резко повысить эффективность производства, перейти от крупнотоннажной добычи торфяного сырья к его глубокой переработке с получением продукции для применения в различных сферах. Актуальной проблеме повышения эффективности переработки и использования торфа и охраны окружающей среды посвящена настоящая диссертация.

Цель работы. Разработать научные основы экологически безопасной ресурсосберегающей технологии производства торфяных композиционных материалов, в том числе с использованием в качестве наполнителей различных производственных отходов и получением новых видов продукции с заданными качественными показателями.

Идея работы. Использование уникальных природных свойств торфяных систем для создания новых композиционных материалов путем сбалансированного подбора характеристик торфа и различных наполнителей, выбора методов энерготехнологического воздействия и технологического оборудования,

обеспечивающих требуемое качество продукции, экологическую безопасность и экономическую эффективность ее производства и использования.

Задачи исследования. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

- разработка системных принципов производства торфяных композиционных материалов, обеспечивающих взаимосвязь технологических, экологических и экономических вопросов с учетом особенностей, обусловленных возможным использованием в качестве наполнителя отходов промышленных и сельскохозяйственных производств;

- разработка системной модели производства и потребления композиционных материалов, позволяющей оптимизировать принятие решений на стадии проектирования, управления, финансирования и организации технологических перерабатывающих комплексов;

- изучение структурно-механических, реологических, водных и прочностных свойств торфяных композиционных материалов, их изменения в процессе механического диспергирования, формования, прессования и сушки;

- разработка математических моделей и на их основе инженерных методик расчета тепломассопереноса и структурообразования в процессе сушки композиционных материалов;

- выполнение теоретического и экспериментального обоснования способов регулирования, контроля и прогнозирования качественных показателей торфяных композиций;

- разработка новых технологических процессов и оборудования для переработки торфа с целью получения композиционных материалов;

- исследование эффективности применения новых композиционных материалов в производственных условиях;

- внедрение результатов научно-исследовательских разработок в практику промышленности, проектирования и в учебный процесс подготовки специалистов.

Исследования проводились в 1974-1997 гг. в соответствии с планами важнейших НИР МТП РСФСР, ВНИИТП, ВНИЦ «Сельхозторф», комплексной программой Минвуза РСФСР «Человек и окружающая среда. Проблемы охраны природы», областной программой "Переработка техногенных образований Свердловской области" (К Гос.рег.0182104679, 01840022807, 01880012030, 01890042570 и др.).

Объекты и методы исследования. Объекты исследования - наиболее распространенные на Урале виды торфа, отсевы каменноугольного и нефтяного кокса, древесного и каменного угля, отходов графитации угольных стержней, металлургические отходы с содержанием меди, свинца, железа, марганца, кремния, цинка, органо-минеральные формованные торфяные субстраты, пластифицирующие и связующие химические компоненты.

При решении поставленных задач использовались методы математического и структурного анализов. Исследования проводились в полевых и лабора-

торных условиях, опытно-промышленная проверка осуществлялась при проектировании, пуске и отладке новых технологических процессов в производственных условиях. Широко применялись системный анализ, методики планирования эксперимента, регрессионный анализ, теория подобия, линейное программирование и моделирование физических процессов. Выявленные закономерности базируются на фундаментальных положениях физико-химической механики, тепло- и массопереноса, аэродинамики. На всех стадиях исследований широко применялись ЕС ЭВМ и персональные компьютеры.

Положения, выносимые на защиту. Защищаются технические и технологические решения, обоснованные результатами комплексных научных исследований физико-технических, технологических и эколого-экономических аспектов производства и потребления торфяных композиционных материалов. Внедрение обоснованных решений имеет важное народнохозяйственное значение в связи с разработкой новых рациональных экологически безопасных и ресурсосберегающих технологий комплексного использования торфяных ресурсов.

Из эксперимеитально-теоретических исследований:

- научные основы системного подхода к многокритериальной оптимизации технологии производства и потребления торфяных композиционных материалов;

- принципы формирования состава композиционных смесей и выбора методов энерготехнологического регулирования с оценкой эколого-экономичес-кой целесообразности принятых решений;

- закономерности изменения свойств торфяных композиций на основных стадиях технологического процесса: перемешивания, диспергирования, окускования, сушки и досушки в складочных единицах.

Из научно-методических разработок:

- научное обоснование технологических режимов ведения процесса производства торфяных композиционных материалов;

- математические модели и инженерные методы расчета тепломассопере-носа при досушке в складочных единицах торфяных окускованных композиг-ционных материалов.

Из научно-технических разработок:

- конструкция формующего и перерабатывающего оборудования для производства торфяных композиций; •

- принципиально новый способ производства торфяных композиционных материалов многоцелевого назначения, технические условия на разрабатываемую продукцию, результаты внедрения в производство.

Научная новизна. Выполненные исследования позволили теоретически обобщить и экспериментально подтвердить закономерности изменения качественных характеристик композиционных материалов в зависимости от исходных свойств торфа, составляющих компонентов, режимов производства, научно обосновать решение важной проблемы в области природопользования, предусматривающей создание системных принципов, физических и технических ос-

нов ресурсосберегающих, экологически чистых технологий и получить следующие новые результаты:

- системные принципы комплексной оценки эффективности производства и потребления торфяных композиционных материалов;

- научные принципы формирования состава и структуры композиционных материалов на основе торфа;

- закономерности изменения структурно-механических, физико-технических, водно-физических, прочностных свойств торфяных композиций в зависимости от их состава и методов энерготехнологического воздействия;

- закономерности и особенности тепловлагопереноса и структурообразо-вания в торфяных композиционных материалах в процессе их сушки;

- закономерности тепловлагообмена в складочных единицах кусковых материалов;

- технологические регламенты процессов производства торфяных композиционных материалов: формованных торфяных субстратов, торфяных углерод-содержахцих и топливно-плавильных композиций;

- специализированное технологическое оборудование для формования композиционных материалов;

- математические модели и инженерные методики расчетов предлагаемых технологических процессов;

- основные перспективные направления производства и использования торфяных композиционных материалов.

Практическая ценность работы. Разработанные системные принципы, взаимоувязывающие вопросы технологии, экологии, экономики на всех стадиях организации производства торфяных композиционных материалов от разведки запасов сырья до производства и потребления готовой продукции, позволяют выйти на качественно новый уровень проектирования предприятий по комплексной безотходной переработке торфяных ресурсов. Системная модель не только обеспечивает многовариантное проектирование, но и дает возможность оптимизировать планирование, управление, финансирование и организацию новых технологических комплексов на протяжении всего периода деятельности предприятия, при этом предполагается динамическое развитие модели, ее постоянное информационное и структурное обновление.

Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований легли в основу создания технологии и оборудования производства торфяных композиционных материалов многоцелевого назначения, обеспечивающих высокое качество продукции при комплексном использовании торфяных ресурсов и удовлетворении требований экологии.

Новый способ производства формованных торфяных субстратов и механизмы для его реализации (Патенты РФ 1684310, 2014342) обеспечивают выпуск эффективных рассадных грунтов для использования в растениеводстве.

Новый способ производства кускового торфа с введением различных наполнителей (Патент РФ 2017788) позволяет получать высококачественное топливо, способное конкурировать с привозным каменным углем, а также топ-ливно-плавильные композиции для металлургических процессов. При этом осуществляется утилизация мелкодисперсных отходов (отсевов, пылей, шламов и др.) и обеспечивается возможность их вторичного использования в металлургических процессах.

Внедрение результатов работы. Разработанные диссертантом новые способы и устройства (A.c. 1779614, Патенты РФ 1684310, 2014342, 2017788), методы и методики внедрены в промышленность, в научно-исследовательскую и проектную практику, в учебный процесс.

Изготовлена и передана в эксплуатацию в НИИ торфа (г.Томск) экспериментальная установка для производства формованных торфяных субстратов. Разработан комплекс оборудования и в рамках Внедренческого научно-исследовательского центра "Торфтехнология" открыто совместное производство на Широкореченском и Исетско-Аятском торфопредприятиях, опытном заводе Восточного углехимического института (ВУХИН).

Использование формованных торфяных углеродсодержащих композиций на АО "УАЗ" обеспечивает экономию дорогостоящих восстановителей: нефтяного кокса и древесного угля. Экономический эффект на АО "УАЗ" при потреблении 6000 тонн нового восстановителя в год составит 1890 млн. рублей ( в ценах 1996 г.). Проведены испытания по использованию торфяных углеродистых композиций на других предприятиях цветной и черной металлургии, а также в промышленных и коммунально-бытовых котельных.

Подготовлены исходные данные и технические предложения для разработки ТЭО и рабочего проекта промышленного производства топливно-пла-вильных композиций на основе торфа и обожженного медного огарка для Ки-ровградского медеплавильного комбината. Научные и методические положения, сформулированные в диссертации, используются в Уральской государственной горно-геологической академии при выполнении научно-исследовательских работ, в учебном процессе при чтении лекций, проведении курсового и дипломного проектирования, написании учебных пособий.

Достоверность результатов и выводов в диссертации. Обеспечивается разработкой математических моделей, проверкой их адекватности в производственных условиях, комплексностью, повторяемостью, воспроизводимостью и надежностью экспериментов, соответствием экспериментальных данных известным и выдвигаемым теоретическим положениям, прошедшим проверку практикой, а также проведением контрольных испытаний качественных показателей и использования в промышленных условиях новых композиционных материалов сторонними организациями: Государственной инспекцией по качеству торфа, ВНЙИТП, ВУХИН,' АО "Уральский алюминиевый завод", АО "Уралэлектромедь" и др.

Личный вклад автора. Работа содержит результаты многолетних исследований, выполненных лично, при непосредственном участии или под руководством автора. Личное участие состоит в постановке и разработке основной идеи и темы диссертации, в разработке программы теоретических и экспериментальных исследований, формулировании и численном решении теоретических и экспериментальных задач, разработке методик и доведении их до инженерных методов расчета, создании новых способов регулирования и управления свойствами композиционных дисперсных материалов.

Под научным руководством автора разработаны системные принципы и технологические схемы производства новых торфяных композиционных материалов, разработаны конструкции формующих и перерабатывающих устройств, алгоритмы и программные комплексы, проведены многочисленные эксперименты и опытно-промышленные испытания.

Автором выполнены систематизация, анализ и обобщение результатов проведения теоретических и экспериментальных исследований и осуществлена их практическая реализация в промышленности и в учебном процессе. В работе использовались экспериментальные данные, полученные автором совместно с профессорами Б.М. Александровым, A.B. Журавлевым, доцентами Й.А. Тябо-товым, А.Г. Студенком, аспирантами A.B. Горбуновым и И.Н. Кочневой,всем им автор выражает глубокую признательность за совместную плодотворную работу по проведению исследований.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались более чем на 30 международных, всесоюзных и республиканских конференциях, научно-технических семинарах и совещаниях, в том числе на научно-технических конференциях Свердловского горного института (Свердловск, 1976-1991 гг.), технических советах объединения "Свердловскторф" (Свердловск, 1976-1991 гг.), IX и X научно-технических конференциях КПЙ (Калинин, 1976, 1977 гг.), научно-технической конференции по физикохимии торфа (Калинин, 1981 г.), Всесоюзном семинаре "Комплексное использование торфа в народном хозяйстве" (Минск, 1981 г.), VII научно-технической конференции молодых специалистов торфяной промышленности (Ленинград, 1982 г.), заседании научно-технического совета ВНИИТП (Ленинград, 1989-1990 гг.), технического совещания ВНИЦ "Сельхозторф" (Томск, 1990-1992 гг.), научно-технической конференции "Торф в народном хозяйстве" (Томск, 1991 г.), технических советах торфопредприятий Широкореченское (Екатеринбург, 1992-1994 гг.), Исетско-Аягтское (Свердловская Обл., 1993-1996 гг.), Толмачевское (Новосибирск, 1992 г.), Бородинское (Калининградская обл., 1992 г.); технических совещаниях: АО "Уральский алюминиевый завод" (г.Каменск-Уральский, 1992-1996 гг.), АО "Уралэлекгромедь" (г.Верхняя Пышма, 1995-1996 гг.), ЗАО "Кировградская металлургическая компания" (г.Кировград, 1996 г.), ЗАО "Верх-Нейвинский завод цветных металлов (г.Верх-Нейвинск, 1996 г.); VII Международной научно-технической конференции по физике торфа и сапропеля (г.Тверь, 1994 г.), научно-технических семинарах, международных выставках "Уралэкология"

(г.Екатеринбург, 1995-1997гг.), международной выставке и научно-технической конференции по переработке техногенных образований «Техноген-97» (г.Екатеринбург, 1997 г.), международном симпозиуме "Чистая вода России" (г. Екатеринбург 1997г).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 31 работа. Новизна технических и методических решений подтверждена 3 патентами на изобретения и авторским свидетельством. Результаты экспериментальных исследований изложены в 24 отчетах о НИР.

Объем и структура работы. Диссертация общим объемом 459 страниц, включая 276 страниц машинописного текста, 80 таблиц, 74 рисунка , список литературы из 586 наименований, состоит из семи глав, введения, заключения и приложения.

Работа выполнялась с 1974 года на кафедре разработки торфяных месторождений (ныне кафедре природообустройства) Уральской государственной горно-геологической академии и открывает новые перспективные направления в области добычи и переработки торфа с переходом от крупнотоннажного производства заготовки сырья к высокоэффективному, высокорентабельному производству торфяных композиционных материалов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРОИЗВОДСТВА ТОРФЯНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Современные технологические процессы по добыче и переработке торфа основаны на результатах фундаментальных исследований многих авторов: Л.С.Амаряна, А.Е.Афанасьева, Е.Т.Базина, П.И.Белькевича, Б.А.Богатова, Н.И.Гамаюнова, С.С.Корчунова, Г.И.Кужмана, В.Д.Копенкина, В.И.Косова, И.И, Лиштвана, Л.М.Малкова, В.М.Наумовича, Ф.А.Опейко, С.Г.Солопова, Л.Н.Самсонова, В.Г.Селеннева, А.А.Терентьева, В.К.Фомина, Н.В.Чураева и др.

Анализ многопрофильной торфяной продукции (рис.1) свидетельствует, что в большинстве случаев продукция представляет собой композиционные материалы. Под торфяными композиционными материалами понимаются материалы, включающие не менее двух компонентов, один из которых торф. При этом торф рассматривается как квазиоднородный материал. При рассмотрении основных направлений производства торфяной продукции прослеживается тенденция расширения использования в качестве сырья отходов различных производств, при этом решаются актуальные проблемы охраны окружающей среды, обеспечения регионов удобрением, топливом, строительными и другими материалами, повышается экономическая эффективность производства за счет комплексного использования местных ресурсов.

1.2. Анализ рационального использования торфяных и вторичных ресурсов позволяет выделить ряд обобщающих моментов: обе эти проблемы относятся к региональным и наиболее эффективно могут решаться в рамках комплексного ресурсопользования конкретного региона; к настоящему времени научно

ТОРФ

Отходы

Дополнительные компоненты

- минеральные удобрения

- сапропель;

- ил:

- каменный или бурый уголь;

- бурая древесная масса, удобрения, мел;

- руда;

- модифицирующий металл (алюминий);

- горючий сланец;

- цеолит;

- кварцевый песок;

- поверхностно-активные вещества;

- аутохтонная микрофлора

-С

Сельскохозяйственные

Бытовые

- навоз;

- навозная жижа;

- помет:

- солона; -льняная костра

- осадок коммунальной ытовых

сточных вод;

- фекалии;

- связующие поли меры (целлофан, подистерол)

> аммиачная вода коксохимического производства, сточные волы азотнотуковых заводов, глиносолевые шла-мы производства калийных удобрений;отходы фосфо-гипса.остатки гидролизно-дрожжевого производства:

- отходы деревообработки;

- О! сены углеродистых мате-териалов(кокса.графита):

- опил;

- гидролизный лигнин;

■ древесные включения,керамзитовая пыль, фосфогипс;

- пневая древесина и связующие;

- мазут, отработанные моторные масла;

- парафин, битумы, отходы нефтепродуктов;

- минеральные промышленные отходы

торфяные композиционные материалы

- торфоминеральные удобрения;

- торфосапропелевый грунт;

- торфиловые компосты;

- торфяные полые горшочки;

- торфорудные брикеты;

- электропроводящий бетон;*

- бинарная органогенная система для термопереработки;

• торфоцеолитовые субстраты

- фильтрующие элементы для

мелиоративных систем; ■ физико-химический модифицированный кусковой торф;

- биологически активный грунт

- торфокавозный компост; торфожижевые;

- торфопометные;

- подстилочный материал;

- композиции для получения углеродных адсорбентов

- гранулированные торфоминеральные удобрения;

- торфо фекальные, компосты;

-полимернапслне иные композиции строительного назначения

• оргако-минеральные

удобрения;

- стеновые блоки Теокар";

■ торфяные углеродистые композиции для металлургии;

• торфодревесные гранулы;

■ топливные брикеты из отхо-

дов гидролизного производства;

- стройматериалы "Арболит"

■ облицовочные плиты:

- топливные углеводородные дисперсии;

■ гидрофобизированный брикет;

- теплоизоляционные материалы "Торфоизол "Торфозит"

Рис.1.

Состав композиционных материалов

обоснованы, разработаны и прошли практическую апробацию большое число эффектных способов и технологий переработки торфа и различных отходов, в том числе и предусматривающие совместную переработку; создан научно-технический задел и практические предпосылки к увеличению объема выпуска и расширению ассортимента торфяной композиционной продукции и сферы ее использования, особенно в металлургических процессах и технологиях; одним из факторов, сдерживающих активную переработку торфа и различных отходов, является отсутствие методологической базы комплексной оценки технологической, экологической, экономической эффективности производства и потребления торфяных композиционных материалов, в том числе с использованием в качестве сырья производственных отходов.

Таким образом, существует объективная необходимость разработки научно-методических принципов построения технологии производства и потребления торфяных композиционных материалов, которые позволяют решать проблему совершенствования существующих и создания новых перерабатывающих технологий.

2. ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА СОСТАВА ТОРФЯНЫХ КОМПОЗИЦОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПРОИЗВОДСТВА

2.1. Целесообразность и эффективность системного подхода при решении задач производства торфяных композиционных материалов обусловлена возможностью статической и динамической оценки технического уровня, экологической безопасности, экономической эффективности всего процесса - от разведки сырьевых источников до получения конечного продукта и его использования потребителями.

Системный анализ на основе модельных представлений системы позволяет взаимно увязать решение различных задач - технических, экологических, экономических. Система производства и потребления торфяных композиционных материалов может быть представлена в виде полного графа производства О, являющегося топологической моделью системы (рис. 2).

Граф О позволяет отобразить в сжатой и наглядной форме большое количество информации. Вершины графа соответствуют элементам, представляющим отдельные операции процесса, ребра - потокам между вершинами графа, благодаря чему уже заранее получается картина некоторых свойств и качественных отношений рассматриваемой системы.

Граф отображает полное множество событий: транспортные процессы сырья, трансформационные процессы переработки, пространственное расположение процессов, потоки энергии, затрат, материалов, необходимые для процесса переработки, связи технологического оборудования, т.е. логику работы системы, транспортные процессы распределения продукции. Вершины графа в разбиты по уровням.

Вершины первого уровня образуют подграф О,, соответствующий подсистеме "сырьевые ресурсы". Вершины второго уровня образуют подграф С}2, соответствующий подсистеме "добыча сырья и его переработка", и вершины третьего уровня - подграф вз, соответствующий подсистеме "потребление торфяных композиционных материалов и их маркетинг".

Выделенные подграфы бг и Сз соответствуют ключевым подсистемам модели. Элементы подсистем находятся во взаимосвязи, через которые осуществляется влияние одной подсистемы на другую и обратно. При создании системной модели производства и потребления торфяных композиционных материалов необходимо в комплексе решать ряд сложных задач, методы решения для многих из которых известны и получены результаты для условий, весьма близких к рассматриваемым условиям (рис.3).

Рис.3. Структура системной модели

Решение некоторых задач осуществляется в рамках одной подсистемы. Для решения других необходимо использование элементов подсистем, расположенных на соседних уровнях графа в. В общем случае каждая отдельная задача может быть представлена некоторым подграфом, вершины которого могут принадлежать как одной, так и нескольким подсистемам. Использование полного графа производства в позволяет применить системный подход для комплексной оценки эффективности производства и потребления торфяных композиционных материалов.

Отличительной особенностью системного подхода является взаимосвязь оптимизационных решений одной подсистемы с входными и выходными параметрами другой. При системном анализе есть единая идеология, модель, объединяющая решения разрозненных задач в единое целое и позволяющая, на основе комплексного подхода, решить вопросы технической возможности осуществления новой технологии, ее экологической безопасности и экономической эффективности. Выбор технологии производства торфяных композиционных материалов выполняется на базе системного обобщения основных физических, физико-химических и химических закономерностей, лежащих в основе трансформационных процессов переработки, с учетом технологических, экологических, экономических аспектов производства и потребления готовой продукции, которое представлено в виде математической модели, обеспечивающей выполнение многокритериальной оптимизации системы.

2.2. Анализ сырьевых ресурсов для производства торфяных композиционных материалов на примере Свердловской области свидетельствует о принципиальной возможности организации производства широкого ассортимента композиционных материалов. Запасы торфа в области, с учетом неразведанных месторождений, превышают 8 млрд.т при 40-% влаге и представлены торфяными залежами верхового (30,9%), переходного (9,5%), низинного (56,6%) и смешанного (3,0%) типов, на базе которых возможно производство различной торфяной продукции. Интенсивное развитие на Урале горнодобывающей и металлургической промышленности привело к накоплению на территории Свердловской области около 35 млрд.т различных отходов, объем которых ежегодно увеличивается на 140 млн.т. На основе анализа 34 видов отходов различных производств предложена схема их использования для получения 12 видов торфяных композиционных материалов многоцелевого назначения.

В работах Б.М. Александрова, Б.А. Богатова, В.И. Косова и других ученых разработаны научные основы, методология, алгоритмы и программное обеспечение геоинформационных баз данных, которые позволяют в автоматизированном режиме выполнять оценку запасов по категориям торфяного сырья и давать обоснованные рекомендации по направлениям использования запасов торфа. В настоящее время ведутся работы по созданию единой информационной базы данных техногенных объектов Свердловской области. При этом на стадии выбора сырьевых источников проводится оценка экономической эффек-

тивности и экологических последствий разработки конкретных торфяных месторождений и техногенных объектов.

Основой подсистемы "Сырьевые ресурсы" служит автоматизированная информационная база данных, объединяющая геоинформационную модель конкретного торфяного месторождения и базу данных техногенных объектов.

2.3. Подсистема добычи сырья и его переработки позволяет учесть особенности производства торфяных композиционных материалов.

Производство большинства видов торфяных композиционных материалов предъявляет жесткие требования к качеству торфяного сырья, которые могут наиболее полно удовлетворяться при селективной добыче торфа. При этом целесообразно совмещать с процессами добычи торфа некоторые операции по подготовке и переработке торфяного сырья, с учетом последних достижений в области селективной добычи и производства формованной торфяной продукции (работы Амаряна JI.C., Афанасьева А.Е., Журавлева A.B., Косова В.И., Селен-нова В.Г., Фомина В.К. и др.).

На основе обобщения результатов исследований в области физикохимии торфа, физико-химической механики, системного анализа предложен алгоритм выбора состава торфяных композиций и технологии их получения (рис.4).

Рис.4. Алгоритм выбора состава композиционных материалов

Основной целью выбора состава и технологии производства торфяных композиций является обеспечение заданных свойств готовой продукции. При этом свойства композиционной продукции формируются свойствами отдельных компонентов, их количественным соотношением, а также содержанием влаги в смеси и характером операций, которым смесь подвергается в процессе

дальнейшей переработки (прессование, формирование, сушка и др.). Между составом смеси и характером операций есть причинно-следственная связь, так смесь с определенной качественной характеристикой может быть переработана с использованием определенных энерготехнологических методов.

Предлагается из комплекса показателей, характеризующих состояние композиционной смеси, в качестве критерия применяемости той или другой операции принять реологическую характеристику смеси. При этом принимается допущение, что смесь данного состава обладает определенной реологической характеристикой, являющейся комплексным показателем смеси в конкретном состоянии, и обратное, что из данных материалов можно составить смесь, отвечающую этой характеристике.

Оптимальный состав многокомпонентной смеси предложено устанавливать с использованием математической модели линейного программирования, в которой целевая функция может характеризоваться максимально возможным содержанием заданного полезного компонента при ограничениях по отдельным качественным показателям смеси, определяемым требованиями к качеству готовой продукции и требованиями технологических операций.

Выбор оптимальной технологической схемы осуществляется на основе построения и анализа технологического графа, который представляет собой схематичное описание потоков материала, энергии, информации между отдельными элементами, а также их логическую и временную последовательность. Технологический граф преобразуется в сеть с одним истоком и одним стоком, и задача сводится к поиску кратчайшего пути, например, определение минимума приведенных затрат, рассчитанных на основе приведенных капитальных вложений и эксплуатационных расходов, для рассматриваемых вариантов организации технологического процесса.

Предлагаемый системный подход дает ответ не только по выбору состава смеси и типа применяемых технологических операций для обеспечения заданных качественных показателей, но и позволяет получить экологические и экономические показатели отдельных операций, технологического процесса в целом, а также оценить эффективность использования продукции потребителями.

2.4. В подсистеме " Потребление торфяных композиционных материалов и их маркетинг " выполняется анализ потребительских свойств новых видов продукции в сравнении с известными аналогами, в рамках концепции маркетинга производится оценка соответствия уровня производства спросу на продукцию, выполняется системная оценка влияния на окружающую природную среду производства и потребления новых видов композиционных материалов, решаются вопросы оптимизации распределения готовой продукции.

2.5. Для решения проблемы наиболее полного учета требований охраны окружающей среды необходимо переходить от традиционных способов проектирования к компьютерным технологиям многовариантного оптимизационного проектирования с использованием математических моделей и системного анализа. Принципы компьютерной технологии проектирования разработки торфя-

ных месторождений позволяют решать основные вопросы добычи торфяного сырья и его комплексной переработки. Эколого-экономическая оценка производства торфяных композиционных материалов с использованием в качестве наполнителей отходов имеет ряд особенностей, связанных с освоением техногенных объектов - складов отходов (отвалов, шламохранилищ, прудов-отстойников и т.д.). Эти особенности сводятся к необходимости интегральной оценки воздействия на природную среду предлагаемой технологии, учитывающей негативные и позитивные аспекты .

Экологические последствия техногенных воздействий принято количественно оценивать в условно-стоимостном выражении в виде ущерба , наносимого тем или иным воздействием. В процессе совместной переработки торфяных и вторичных ресурсов может сокращаться ущерб, обусловленный образованием и хранением используемых отходов.

При этом экономические расчеты должны исходить из реальных экономических ситуаций с учетом возможных форм финансирования организации нового производства, затрат на проектирование и строительство предприятия, действующего налогообложения, различного рода платежей, с учетом месторасположения объекта и его хозяйственной принадлежности, вида товарной продукции, сроков и времени вложения затрат и реализации получаемой продукции и т.п.

Основным методом решения оптимизации эколого-экономических задач является сравнение вариантов, по каждому из которых для заданных условий рассчитываются показатели принятого критерия оценки. В качестве критерия оптимизации при решении целого ряда задач целесообразно принять чистый дисконтированный доход, который учитывает как технологические показатели, так и платежи, связанные с природопользованием.

В рамках предложенной системной модели комплексной оценки производства и потребления торфяных композиционных материалов предусматривается анализ эколого-экономических показателей на всех уровнях производства: от разведки запасов до реализации продукции и потребления.

3. ПРИНЦИП СБАЛАНСИРОВАННОГО ПОДБОРА СОСТАВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПРИМЕРЫ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

3.1.Применительно к производству торфяных композиционных материалов сбалансированный подбор качественных показателей исходного торфа и наполнителей является основополагающим принципом при разработке рецептуры новых материалов и технологических процессов. Согласно основному положению физико-химической механики, конечные свойства дисперсной системы зависят от начальной структуры материала, и любому ее изменению соответствуют измененные конечные свойства системы.

Практика производства брикетов и кускового торфа однозначно указывает на влияние режима обработки и состава сырья на прочность и водопогло-щаемость получаемой продукции. На основе обобщения фундаментальных ис-

следований современных представлений о структуре кинетической единицы торфа (работы Н.В. Чураева, Н.И. Гамаюнова, И.И. Лиштвана, А.Е. Афанасьева) и результатов обширных экспериментальных исследований A.A. Терентьев установил влияние состава торфа на физико-механические и водные свойства окускованной продукции и научно обосновал рекомендации по выбору сырья для получения брикетов и кускового торфа, которые хорошо согласуются с результатами исследований В.К. Фомина.

Оценка пригодности торфа для использования его. в качестве сырья для получения композиционных материалов проводилась с учетом этих рекомендаций на основе анализа органической и минеральной части торфа, химического состава и содержания зольных элементов, структурных характеристик, содержания гуминовых веществ и других свойств.

В рамках диссертационной работы выполнены экспериментальные исследования производства новых торфяных композиционных материалов, в том числе формованных торфяных субстратов (ФТС) для выращивания рассады, торфяных углеродсодержащих композиций (ТУК) для использования в качестве восстановителя в металлургических процессах и топлива в коммунальном хозяйстве, топливно-плавильных композиций для металлургических процессов.

3.2. Рассмотрены свойства возможных наполнителей торфяных композиций. Высокая чувствительность торфяных систем к химическому воздействию позволяет регулировать структурно-механические и реологические параметры системы с целью получения торфяных композиционных материалов с заданными качественными показателями. Вопрос химического модифицирования торфяных систем глубоко проработан при решении проблемы получения высококачественного топлива в виде формованного кускового торфа и прессованных брикетов в работах A.M. Абрамца, Г.П. Вирясова, Г.Я. Воронкова, A.M. Куд-ряшова, C.B. Курдюмова, И.И. Лиштвана, В Н. Некрашевича, В.И, Суворова, A.A. Терентьева, ПЛ. Фалюшина и др. ученых.. Из этих работ следует: во-первых, имеется возможность управлять прочностью кускового торфа посредством введения минеральных соединений, однако эффект упрочнения лежит в узкой области концентраций и плохо реализуется при жестких режимах сушки; во-вторых, экспериментально доказана возможность модифицирования кускового торфа тонкодисперсными добавками (С .И. Смольянинов), при этом снижается пористость материала, который приобретает свойства дисперсно-упроченных композиций; в-третьих, наиболее высока эффективность физико-химического модифицирования торфяных систем посредством введения поверхностно-активных веществ (ПАВ) и высокомолекулярных соединений (ВМС), в этом случае повышается однородность структуры, снижается развитие дефектов, уменьшается крошимость готовой продукции, увеличивается условная удельная поверхность частиц, снижаются энергозатраты на диспергирование, повышается прочность на 20-90% и т.д.

Введение в торфяные композиции углеродистых и металлосодержащих наполнителей придает новые потребительские свойства материалу и позволяет окусковывать различные дисперсные материалы, в том числе являющиеся производственными отходами.

При проведении экспериментальных исследований получения торфяных композиций в зависимости от их назначения использовались следующие наполнители: для композиций сельскохозяйственного назначения - органические и минеральные удобрения, сапропель; для композиций топливного назначения -мелкий нефтяной кокс, коксовая и угольная пыль и мелочь, отсев древесного угля, угольная пыль газоочистки, отходы графитации угольных стержней; для композиций металлургического назначения - обожженный медный концентрат, медесодержащая пыль газоочистки, свинцовая пыль, марганцевые шламы и др.

На основе выполненного анализа свойств возможных наполнителей торфяных композиций предложена юс классификация, в основе которой лежат следующие классификационные принципы: химический состав, характер взаимодействия с торфом, способ и направление модифицирования потребительских свойств композиции, направление использования композиции. Например, согласно предлагаемой классификации обожженный медный концентрат, используемый для получения топливно-плавильных композиций, будет классифицироваться как наполнитель <минеральный> <активный> <физико-химический модификатор содержания меди> <в топливно-плавильной композиции> <для металлургических процессов>.

3.3 Структурные и реологические характеристики торфяных композиционных смесей в значительной степени определяют процессы структурообразо-вания при окусковании продукции. Торф с наполнителями представляет полидисперсный материал, характеризуемый широким интервалом линейных размеров частиц и многообразием их форм, функциями распределения частиц по размерам, среднедействующим диаметром и удельной поверхностью частиц. В зависимости от природы наполнителя диаметр частиц изменялся для пылей от 0,05 мм до 7,0 мм (при 4Р =0,06....0,10) и для отсевов от 0,125 мм до 10,0 мм.

Введение во влажный торф сухих тонкодисперсных наполнителей приводит к модификации торфяной системы и превращает ее твердообразный гетерогенный комплекс, в котором торф выполняет функцию пористой матрицы, в пространственной структуре которой располагаются дискретные частицы наполнителя.

Анализ изменения характеристик пористой структуры торфяных композиций свидетельствуют о поэтапном уменьшении пористости системы в процессе производства. Так, пористость композиционной смеси до переработки находится в пределах 77 -90%, после переработки - от 67 до 77% и после сушки составляет 54-59%. Однородность пористой структуры композиционных материалов экспериментально подтверждена с помощью микрофотографирования аншлифов.

Экспериментально установлено, что плотность скелета композиционной смеси связана с плотностью скелетов составляющих следующим соотношением: рск1 (1 + п )

Ра* = -

( 1 -t-npcld / рск2),

где рек", Рскь Рск2 - соответственно плотности скелета композиции, торфа и наполнителя; п - кратность смешивания, показывающая, сколько кг наполнителя приходится на 1 кг торфа по абсолютно сухой массе.

Сопоставление для различных видов композиционных смесей расчетных значений плотности скелета и экспериментальных свидетельствуют о хорошей сходимости результатов: средний модуль ошибки прогноза 7 %, при объясненной доле вариации 96,6 % (рис.5).

Анализ реологических характеристик показал, что при высокой влажности и подвижности системы качественные показатели готовой продукции и ход некоторых технологических операций может характеризоваться предельным напряжением сдвига. При этих условиях величина предельного напряжения сдвига изменяется в широком диапазоне в зависимости от влажности и концентрации наполнителя. Для жестких систем более универсальным является коэффициент формуемости Кф, предложенный A.A. Терентьевым. Графики кривых течения (рис.6) показывают, что течение композиций торф + медный огарок подчиняется закону Шведова-Бингама и зависит от содержания компонентов и их влагосодержания. Анализ полученных результатов и их сопоставление с литературными данными демонстрирует хорошую сходимость результатов. Так, реологические характеристики образцов торфа, используемого для композиций, соответствуют данным Г.П. Вирясова, И.И. Лиштвана.

. 800 г 5

i 600

у

_ /

! I

I i

0 300 №0 900

экспернменпльные значения плотности ..-кйлета, кг. м1

Рис,5. Сопоставление расчетных и экспериментальных значений плотности скелета торфяных композиций

1-7 / 1 -5|

/г-3 /

i, Па

Рис.6. Кривые течения е' (г)= Г (т) торфомедесодерясащих композиций при различном соотношении компонентов

Формуемость композиционных смесей характеризуется величиной периода релаксации Чем выше данная величина, тем дольше в сформованной системе сохраняются напряжения, удерживающие кусок или гранулу в том виде,

который они получили при деформировании, тем больше энергия взаимодействия сближенных частиц. Практика грануляции торфоминеральных удобрений показывает, что по условию формуемости смесей, прочности готовой продукции, минимальным затратам энергии на формование оптимальным следует считать период релаксации, равный 60 - 80 с ( Вирясов Г.П.), а для чистого торфа этот параметр равен 200 - 300 с (Терентьев А.А.).

Реологические характеристики медного огарка, представляющего в сухом состоянии "текучую" пыль, существенно зависят от влагосодержания. Зависимости изменения предельного напряжения сдвига при тк от влагосодержания медного огарка указывают на возможность получения одинаковых значений предельного напряжения сдвига при различных значениях влагосодержания. Реологические свойства торфяной композиции будут определяться характеристиками ее составляющих и их содержанием (табл.1 и 2).

Таблица 1

Структурно-механические характеристики композиционных смесей: __ торф + медный огарок ____

№ Состав Влагосо- Плотность Плотность Порис Содержание Сцеп Коэффици

об смеси по держание, скелета, при испы- гость, фракции ление, ент внут-

раз абс. сухой кг/кг ет/м3 тании, кг/м3 % <250мкм, % Па реннего

на массе трения

1 1: 3 0,52 1360 1830 57,6 81,7 40000 0,30

2 1 : 5 0,30 1570 1940 58,2 96,4 26667 0,55

3 1 : 7 0,28 1780 2170 75,2 95,1 13333 0,50

4 Торф 1,50 428 1070 71,8 68,0 13333 0,50

5 Огарок 0,10 1309 1440 69,7 88,5 3810 0,61

Таблица 2

Реологические характеристики композиционных смесей

№ об- ту W"*, V ю-«. X (t /л*)* ю\ Кф

разца Па Па* с Па*с с с1

1 11710 25,38 2,48 13,442 0,3632 46 3,83

2 2818 26,30 5,11 9,172 0,3066 11 6,65

3 7335 8,00 0,74 9,195 0,2336 92 2,99

4 1837 15,44 1,62 9,307 0,1890 12 5,45

5 7225 2,63 0,24 0,722 0,0899 275 3,52

Сравнение реологических характеристик составляющих композиции - отдельно торфа и медного огарка указывает на различные значения вязкости Т] и пластичности -с /т)0 этих материалов. Так, пластическая вязкость ц0 медного огарка при влагосодержании 0,10 кг/кг составляет 2,63*10" Па*с, у торфа данный показатель равен 15,44*10бПа*с. Таким образом, введение огарка в композицию может снизить пластическую вязкость всей системы. В свою очередь, при увеличении влагосодержания медного огарка до 0,32 кг/кг пластическая вязкость возрастает до 8,58* 10б Па*с. В связи со сложностью влияния названных показателей на свойства композиции в целом целесообразно использовать

комплексный показатель, которым является коэффициент формуемости Кф, учитывающий период релаксации напряжений, пластичность и эластичность композиций. Для торфомедесодержащих композиции ICji варьируется в пределах 2,99 - 6,65, что по классификации A.A. Терентьева соответствует параметрам торфоугольной композиции при производстве торфоугольных брикетов.

Таким образом, сравнительный анализ реологических характеристик композиций торфа с медесодержащим материалом с оптимальными параметрами, рекомендуемыми при формовании близких по свойствам материалов: торфа, торфоминеральных удобрений, пластичных керамических масс указывает на необходимость повышения давления при экструзии торфомедных композиций, что позволяет отнести процесс экструзионного окускования этих композиций к "жесткой " экструзии или пресс-формованию. И тот и другой термины широко используются в практике производства строительных материалов.

3.4 Формирование прочностных и водных свойств торфяных композиций в большинстве случаев подчиняется основным закономерностям, характерным для торфяных систем. Так, зависимость изменения прочности торфяной композиции медным огарком в зависимости от влагосодержания копирует аналогичную зависимость для пускового торфа. Так, с увеличением содержания медного огарка наблюдается упрочнение композиции, при увеличении содержания медного огарка от 75 до 87,5% по массе абсолютно сухого материала прочность возрастает с 1,9 до 3,2 МПа.

Фундаментальные работы A.C. Амаряна, В.Л. Антонова, Д.А. Бегака, Е.Т. Базина, Б.А. Богатова, М.П. Воларовича, Н.И. Гамаюнова, М.А. Гатиха, В.Г. Го-рячкина, С.С. Корчунова, Г.И. Кужмана, И.И. Лиштвана, A.B. Лазарева, Л.М. Малкова, В.М. Наумовича, Ф.А. Опейко, Н.С. Панкратова, С.Г. Солопова, Л.Н. Самсонова, A.A. Терентьева, Н.В. Чураева и других ученых и обширный экспериментальный материал позволили А.Е. Афанасьеву построить стройную теорию структурообразования торфяных систем и на ее основе предложить оптимизационное решение ряда практических задач торфяного производства.

Исследовано влияние неоднородности полей температуры, влагосодержания, пористой структуры, размеров образцов, предельного напряжения сдвига при формовании, капиллярных сил на процессы структурообразования.

А.Е. Афанасьевым получено основное уравнение прочности в следующем виде:

где Иот, Е0, а - коэффициенты, характеризующие процесс структурообразования; Я* - универсальная газовая постоянная; №иТ - соответственно влагосо-держание и температура.

Методика определения коэффициентов X, Ео, а основывается на анализе экспериментальных зависимостей II = f (№) и ^ К = (1/Т). Анализ зависимости прочности торфяных медесодержащих композиций от влагосодер-

жания при разном содержании наполнителя (рис ,7) указывает на аналогию процессов структурообразования в композиционных системах и чисто в торфяных системах . Отличительной особенностью торфомедных композиций является то, что процесс с самого начала проходит во втором периоде структурообразования, и на кривых И = Г (\У) в точке \УКо= 0,05 - 0,08 кг/кг наблюдается изменение характера зависимости. При влагосодержании менее У/ко происходит уменьшение прочности композиции. Характер зависимости Я = f определяется формой связи влаги, удаляемой в процессе сушки.

К, Па

И,МПа

1.Е+07

1.Е+06

0,4 0.5 V/, «Пкг

5^1 ___1:7. Т^188

353

1.3, Т-: :3, Т-353

W, кг/кг

0.1

0,3

Рис.7. Зависимость прочности композиций на сжатие от влагосодержания торф + медный огарок = 1:3,1:5, 1:7 по абсолютно сухой массе

Расчет коэффициентов к, Е0, а выполнен по уравнениям Я = ? (V/) и Я = (1/Т), полученным методом наименьших квадратов по экспериментальным данным (табл.3).

Таблица 3

Компо- Прочность, Влагосодер- Коэффициенты основного уравнения

зиция МПа жание, а, Дж/моль* Ео,

кг/кг (кг/кг)"1 (кг/кг)'1 Па Дж/моль

1-3 0,32 - 1,93 0,075 - 0,300 8,017 23517 356682 6787

1-5 0,37 - 2,72 0,075 - 0,300 8,850 25961 451448 7294

1-7 0,34 - 3,29 0,075 - 0,300 10,010 29365 476259 7949

торф 2,55 - 10,40 0,264 - 1,500 1,666 3986 306063 10871

Коэффициент ^ имеет размерность давления (Па) и характеризует прочность композиции, когда энергия активации Ео = I I. Для композиции Кот увеличивается от 356 до 476 кПа. Величина энергии активации разрушения композиции также увеличивается в пределах от 6,78*103 - 7,95*103 Дж/моль. Коэффициент а характеризует изменение приведенной энергии на единицу влагосодержания композиции, а коэффициент упрочнения X характеризует удель-

ную энергию активации процесса разрушения композиции при тепловом движении молекул Л*Т = 1 Дж/моль.

Сопоставление экспериментальных данных с рассчитанными по методике А.Е. Афанасьева с использованием установленных значений коэффициентов указывает на хорошую сходимость результатов. Отклонение расчетных данных от экспериментальных не превышает 8 %.

На основании экспериментальных исследований структурно-механических, прочностных и водных свойств проведен корреляционный анализ связей свойств исходных компонентов со свойствами композиционных смесей, свеже-сформованных и высушенных до конечного влагосодержания композиций. Для 16 видов композиций рассчитаны значения коэффициентов корреляции, харак-теризукшщх тесноту связи между свойствами (табл.4).

Таблица 4

Уравнения линейной регрессии для определения свойств _торфяных композиций __

Коррелируемые Ошибка Коэффициент Критерий Критическое

параметры Уравнение регрессии уравнения корреляции Фишера значение

У X критерия

Р« р«„ у = 0,8 Юх+-393,725 251.949 0,81 26,875 2,41

Р« Рем у= 1,013х + 493,720 236,484 0,84 32,396 2,41

р. рскф у= 1,626х + 466,059 165,006 0,92 81,298 2,41

р. Рек сх у = 0,836х + 494,282 235,106 0,48 32,941 2,41

РФ Р« см у = 1,446х + 738,646 304,357 0,76 18,906 2,41

В рек СМ у = - 0,087х + 88,413 15,184 0,81 27,576 2,41

Я Рсксч у = - 0,005х+ 6,885 1,908 0,55 5,993 2,41

В таблице использованы следующие условные обозначения: р - плотность, рск - плотность скелета, II - прочность, В - водопоглощение, индексы т, н, см, ф, к относятся соответственно к торфу, наполнителю, смеси, сформованным композициям и композициям с конечным влагосодержанием.

Полученные уравнения регрессии позволяют в первом приближении оценить качественные показатели торфяных композиций и сформулировать требования к свойствам торфяного сырья и наполнителя.

3.5. На конкретных примерах рассмотрена реализация алгоритма выбора состава и технологии производства торфяных композиционных материалов. Проектирование состава торфяных композиционных материалов выполняется в соответствии с разработанным алгоритмом выбора состава композиционных материалов, где предусматривается поэтапное рассмотрение требований к готовой продукции, характеристики составляющих компонентов, реологических показателей композиционных смесей, операций, обеспечивающих заданное качество продукции. Разработана модель оптимизации состава многокомпонентной шихты с использованием линейного' программирования, позволяющая производить подбор соотношений компонентов с учетом требований к качеству готовой продукции и технологии переработки.

В основе шихтования композиционных смесей лежит сбалансированный подбор свойств исходного торфа и наполнителей. Для многокомпонентной шихты оптимизация ее состава возможна с использованием методов линейного программирования. В случае двухкомпонентной смеси торфа и торфяного кокса математическая модель имеет следующий вид:

С1Х1 ■+ с2х2 = F —» max (1)

auxi -t-azlx2 <5 (2)

a2ixi + a2.2x2 < 0,5 (3)

a3i xi + a3.2x2 < 0,5 - (4)

&«Xi + 24.2X2 á 0,5 (5)

asixi + a5.2x2 > - WrL1 (6)

x¡ + x2 = 1 (?)

X] >0, x2>0, АУфйО, (8)

где С| и С2 - соответственно процентное содержание твердого углерода в торфе и нефтяном коксе; F - содержание твердого углерода в композиционной смеси; ац, ац - соответственно зольность на сухое вещество торфа и нефтяного кокса; ü2i, а22, азь азг, ал, 242 - соответственно процентное содержание в торфяной и коксовой золе железа, кальция, алюминия; asi, a¡2 - соответственно влагосодер-жание торфа и нефтяного кокса; - влагосодержание, при котором обеспечивается пресс-формование композиции; Wra - увлажнение композиционной смеси в случае введения пластификатора или связующего.

Оптимизация двухкомпонентной смеси торфа и нефтяного кокса сводится к нахождению максимально возможного содержания углерода в композиции (1) при ограничениях по качественному и количественному составу зольных элементов (2-5) и выполнении условий получения качественной продукции (6). Целевая функция достигает максимума, равного 60% при Х[ = 0,38. Сопоставление результатов экспериментальных исследований и расчетных данных дает хорошие совпадения.

4. ОБОСНОВАНИЕ НОВЫХ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОГО КАЧЕСТВА ТОРФЯНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 4.1. На основании анализа известных способов прессования и экструзион-ного формования торфяных композиционных материалов и полученных автором экспериментальных данных обоснована целесообразность процесса окуско-вания композиционных смесей методом жесткой экструзии. Предлагаемый метод предполагает поэтапное формирование структуры окускованных композиций. На этапе шихтования смеси в результате перемешивания составляющих происходит изменение структурно-механических свойств смеси, эквивалентное механическому диспергированию. Так, при перемешивании торфа с дисперсным медным огарком показатель охвата переработкой М составляет 40,2 % . После жесткого экструзионного формования показатель охвата переработкой М

составляет 47,3 %, что в сумме дает 87,5 % - более высокое значение, чем при диспергировании торфа в шнековых прессах.

Анализ отношений плотностей композиций после и до окускования и отношение прочности композиций при конечном влагосодержании к давлению для рассмотренных способов окускования показывает на более высокую эффективность применения для торфяных медесодержащих композиций метода жесткой экструзии. Так при этом методе, наряду с уменьшением степени уплотнения в 1,5 - 2 раза, отношение прочности к давлению формования возрастает практически на два порядка. Полученные результаты хорошо согласуются с опубликованными данными по брикетированию смесей из органогенных материалов. По мнению Б.А. Богатова одним из критериев брикетируемости может служить нижний предел давления прессования, при котором образуется связанное тело - брикет. Это давление названо давлением схватывания и для различных композиционных смесей составляет от 2,22 до 26,01 МПа, что соответствует верхнему пределу давления при жесткой экструзии.

Сопоставление компрессионных кривых композиции торфа и медного огарка при прессовании и жесткой экструзии показывает (рис.8), что коэффициенты пористости прессованных и пресс-форм ованяых композиций после сушки имеют близкие значения, при этом, более высокой механической, термической и водной прочностью обладают композиции, окускованные по методу жесткой экструзии.

давление, МПа дашкнке, МПа

Рис.8. Компрессионные кривые композиции: торф + медный огарок : а - при прессовании, б - при пресс-формовании

Пресс-формование жестких композиций с абразивными наполнителями приводит к значительному износу формующих мундштуков. На выходе из мундштука пресс-формуемая масса движется как сплошное тело. Сдвиг массы осуществляется в тонком пристенном слое, в котором происходит истирание торфа о стенки мундштука и между частицами абразивного наполнителя. Для облегчения процесса пресс-формования представляется возможным использовать предложенный автором способ формования торфяной массы с организаци-

цией поверхностной оболочки. При пресс-формовании композиций для оболочки используют диспергированный пластичный торф. При этом искусственно снижается сопротивление движению композиционной смеси в мундштуках в пристенном слое. Организация поверхностной оболочки из диспергированного торфа для торфяных углесодержащих композиций облегчает процесс формования, снижает износ внутренней поверхности мундштуков, повышает механическую прочность продукции. За счет изменения и регулирования структурно-реологических свойств торфа в небольшом объеме (оболочке) обеспечивается процесс пресс-формования композиций с различными структурно-механическими характеристиками.

Важное практическое значение имеет установление взаимосвязи между свойствами окускованных композиционных смесей и режимами жесткой экструзии. А.А Терентьевым и В.А. Тычиной предложен подход, позволяющий связать реологические характеристики минерально-торфяных смесей с параметрами шнекового экструдера в условиях, близких к рассматриваемому методу пресс-формования.' В основе предлагаемого подхода использованы уравнения зависимости напряжения сдвига (т) от скорости деформации и зависимости осевого давления экструдера от параметров формующей фильеры и структурно-реологических свойств минерально-торфяных смесей:

сН.

, к

(8)

х

(7)

Р= —а) К

тгЯ'п.

где а - показатель консистенции, к - индекс течения, Ь, Я, п - соответственно длина, радиус и число отверстий фильеры; С) - производительность пресса.

На основе этой методики по результатам определения реологических свойств торфомедных композиций установлены константы а и к уравнений (7) и (8), которые приведены в табл.5. Полученные зависимости позволяют выбирать параметры формующих фильер экструдеров.

Таблица 5

Значение коэффициентов уравнений (7) и (8)

Состав смеси

Коэффициент корреляции

Уравнение регрессии

80% торф + МО =1:3

0,97

ЯР О

1й-= 5,761+0,5711а———±0,067

Д и

576576

0,571

80% торф + МО =1:5

0,98

ЯР О

■е- = 5,614+0,5050,056 2Ь тсЯ п

411451

0,505

80% торф + МО = 1:7

0,96

цр о

1й— = 5,730+0,563 ± 0,072

21 лВ.3п

536473

0,563

а

4.2.1 Выполненные экспериментальные исследования процесса сушки торфяных композиций с наполнителями в виде отсева нефтяного и каменно-

угольного кокса, медного огарка, свинцовой пыли, никелевой руды, марганцевого шлама показывают, что процесс сушки подчиняется основным закономерностям сушки влажных дисперсных материалов и в значительной степени аналогичен процессу сушки формованного торфа. Исследования процессов сушки торфяных композиционных материалов проводились в лабораторных и заводских условиях с использованием стандартных и унифицированных методов.

При проведении лабораторных исследований моделировались условия сушки, соответствующие режимам естественной и искусственной сушки. Отдельными опытами проверялось влияние высокодисперсной оболочки на процесс сушки формованного торфа и формованных торфяных субстратов.

Анализ полученных результатов показывает, что наличие высокодисперсной оболочки на формованном торфе не ухудшает процесс сушки как низинного, так и верхового торфа. Наличие оболочки вызывает большую усадку формованного торфа, что соответствует известному факту увеличения коэффициента объемной усадки с ростом дисперсности торфа. Наблюдения за процессом сушки формованных торфоуглеродистых композиций показали, что с увеличением содержания углеродистого наполнителя в композиции время сушки до кондиционного влагосодержания снижается, при этом положение критической точки на кривой интенсивности сушки смещается в область меньших влагосо-держаний. Наличие оболочки на торфоуглеродистой композиции снижает среднюю интенсивность сушки. Увеличение содержания углеродистого наполнителя приводит к уплотнению внутренней структуры и снижению пористости.

Анализ обширного экспериментального материала, полученного для торфяных композиций с различными по природе и содержанию наполнителями, показывает, что процесс сушки композиций подчиняется основным закономерностям сушки влажных дисперсных материалов. Особенности сушки композиций по сравнению с кусковым торфом обусловлены их структурно-механическими свойствами, которые, в свою очередь, зависят от типа наполнителя. Для окускованных торфяных композиций при расчете процесса объемной усадки необходимо учитывать структурные изменения системы путем выделения на кривой изменения объема образца от влагосодержания двух характерных участков и представлять эту зависимость в виде ломаной прямой с угловыми коэффициентами КуС1 и КуС2, которые характеризуют периоды структурообразо-вания и в зависимости от природы наполнителя изменяются соответственно в пределах 0,4 +3,1 и0,1-г 3,7.

4.2.2. В процессе сушки, сопровождающейся переносом тепла и влаги, происходит изменение технологических свойств сушимого материала. В значительной степени эти изменения свойств материала зависят от метода и режима сушки. В тех случаях, когда имеется возможность и необходимость создания на складах резерва готовой продукции, целесообразно применять комбинированную сушку торфяных композиционных материалов. Комбинированная схема предлагает сочетание искусственной сушки с досушкой продукции до кондици-

онной влажности в складочных единицах. При построении технологического процесса производства окускованных торфяных композиционных материалов с досушкой в складочных единицах (штабелях) необходимо знать основные закономерности аэродинамики активного вентилирования штабелей формованного торфа и закономерности происходящих в них процессов тепло- и влагообмена.

При досушке окускованных торфяных композиций в вентилируемых складочных единицах необходимо решить следующие специфические задачи, относящиеся к аэродинамике воздушных потоков: во-первых, определить аэродинамическое сопротивление вентилируемого слоя кускового материала с целью расчета энергоемкости процесса; во-вторых, установить параметры под-штабельных воздуховодов, при которых обеспечивается равномерная раздача воздуха по объему штабеля.

Вентилируемый штабель можно рассматривать как вентиляционную систему, представляющую многочисленные поровые каналы в слое кускового материала, соединенные подштабельным воздуховодом. Перепад полного давления, за счет которого воздух движется через штабель, расходуется на преодоление сопротивления воздуховодного канала и слоя кускового торфа: Р = Рк + Рт, где Р - общий перепад давления воздуха; Рк и Рт - перепад давления соответственно в воздуховодном канале и в слое кускового торфа.

Движение жидкости или газа через слой зернистого или кускового материала - распространенный в природе и технике процесс, который подчиняется основным законам гидродинамики - уравнениям Навье - Стокса. При одновременном воздействии сил инерции и вязкости потеря давления Р на единицу высоты слоя 1 может быть определена с использованием двухчленной формулы типа:

^ =^1(0,116+С 2Я2е), (9)

I Р^о

где V, р - соответственно вязкость и плотность газа; с!э - эквивалентный диаметр порового канала; Р.е - эквивалентный критерий Рейнольдса; С1 и Сг - коэффициенты. Уравнение (9) при малых Яе переходит в закон сопротивления для чисто вязкого течения, а при больших 11е - в закон сопротивления для чисто инерционного течения. Для промежуточной переходной области уравнение (9) носит интерполяционный характер и может быть преобразовано для описания зернистого слоя следующим образом:

~= ад + т<)2 , (10)

где а и Ь- некоторые коэффициенты пропорциональности, <3 - расход воздуха.

На экспериментальной установке определялось аэродинамическое сопротивление слоя кускового торфа с содержанием фракций размером менее 25 мм от 0 до 30%. Результаты экспериментов обрабатывались методом наименьших квадратов. Получены следующие зависимости коэффициентов ам и Ьм от процентного содержания фракций размером менее 25 мм:

а„= 873,29 +3,012 Р25 2'4!± 50 (л = 0,87), bM= 11,68 = 0,0036 Р25 3,36 ±18 (т| = 0,87).

Экспериментальная установка представляет неполную крупномасштабную модель вентилируемого штабеля. При моделировании выдержано геометрическое, динамическое и частично кинематическое подобие. Нарушение кинематического подобия обусловлено изменением скорости воздушного потока в слое торфа в штабеле с увеличением расстояния от воздуховода, в то время как в экспериментальной установке скорость постоянна.

Квадратичная и линейная составляющие-аэродинамического сопротивления слоя кускового торфа в штабеле через составляющие модели связаны следующими выражениями:

__4_1д_4___2___4

Lk b2 bk Lk(bk+Lt)'

16 Lk (2К+Ц)Ьк где D - диаметр установки; R - характерный размер штабеля; Lk и bk - соответственно длина и ширина подштабельного воздуховода.

Используя полученные зависимости, представляется возможным проводить инженерные расчеты сопротивления вентилируемых штабелей с различным содержанием мелочи.

Аналогия основных закономерностей тепло- и влагообмена при сушке окускованных композиций и формованного торфа указывает на возможность использования для качественного анализа экспериментальных данных по досушке кускового в штабелях. Сушка торфяных композиций в штабелях проходит в убывающем периоде, который характеризуется непрерывным уменьшением интенсивности сушки и интенсивности теплообмена. Снижение влагосодер-жания композиций в штабеле определяется механизмом тепло- и влагопереноса как внутри кусков, слагающих штабель, так и в поровом пространстве между кусками. В свою очередь, тепло-влагоперенос в межпоровом пространстве слоя торфяных композиций зависит от размеров штабеля, наличия и конструкции подштабельных воздуховодов, схемы ïix укладки, режима активного вентилирования.

На основе обобщения экспериментального материала, полученного при комплексных исследованиях аэродинамики и тепло- влагообмена при досушке кускового торфа в штабелях, предложена новая технологическая схема сушки окускованных торфяных композиционных материалов.

4.3 Новый технологический процесс сушки окускованных торфяных композиций должен обеспечивать получение высококачественной продукции и ресурсосбережения. С целью получения продукции с повышенной прочностью,

сокращения энергозатрат и снижения расходных коэффициентов сырья предлагается сушку окускованных композиций производить в два этапа. Первый этап -искусственная сушка в тоннельной или ленточной сушилке, второй этап - досушка в вентилируемых складочных единицах. Складочные единицы в зависимости от требований к готовой продукции и условий производства могут размещаться в закрытом помещении, под навесом или на открытой площадке. Досушка окускованных композиций осуществляется по одной или нескольким из следующих схем: в штабелях, оборудованных подштабельными воздуховодами при активном и естественном вентилировании; в штабелях малого сечения или в укрупненных валках; в слоях на поверхности штабеля.

Досушка окускованных торфяных композиций в складочных единицах происходит при мягких режимах, что препятствует возникновению значительных градиентов температуры, влагосодержания и нерелаксируемых напряжений и создает благоприятные условия для структурообразования композиций и обеспечивает стабильное качество продукции по прочности и влажности. При этом частично используется тепло естественных источников - солнечной радиации и окружающего воздуха.

Предлагаемая технология позволяет снизить энергозатраты, а в случае использования для сушки топочных газов, образующихся при сжигания торфа, также экономить торфяные ресурсы. Высокая прочность кусков и пониженная влажность в комплексе обеспечивают получение качественной продукции. Управление предлагаемым технологическим процессом сушки окускованных торфяных композиций может осуществляться по следующей схеме (рис.9).

Рис.9. Информационно-логическая схема управления технологическим процессом сушки окускованных композиций

Объем досушиваемого торфа в предлагаемой технологии зависит от метеорологических условий, условий производства и сбыта продукции и изменяется в течение года. В период пониженного спроса и хороших погодных уело-

вий объем досушиваемой продукции увеличивается. Примером таких условий является летний период при производстве композиционного бытового топлива, когда продукция накапливается на вентилируемом складе, досушивается для последующей реализации. В отопительном сезоне с учетом повышенного спроса, при отсутствии резерва готовой продукции, весь объем продукции может обеспечиваться искусственной сушкой в сушилке. При производстве топливно-плавильных композиций для металлургических процессов доминирующим обстоятельством при выборе технологии может оказаться необходимость получения высокопрочной продукции.

Предлагаемая схема позволяет решать задачу оптимального управления технологическим процессом сушки окускованных композиций. При управлении процессом сушки решается вопрос о необходимости проведения досушки композиций в штабелях. Для этого на основе анализа метеорологических данных и условий производства в блоках расчета искусственной сушки и досушки в штабелях рассчитываются технологические параметры сушки и прогнозируемые качественные показатели продукции по возможным вариантам организации технологического процесса. Сравнение вариантов производится в блоке принятия решений по выбранному критерию оптимизации (наименьший расход тепла на сушку или максимальная прочность и др.) с учетом технологических ограничений, анализа отклонений и коррекции расчетов.

В структуре схем можно выделить условно три цепи: цепь управления искусственной сушкой, цепь управления процессом досушки и цепь коррекции принятых решений.

Данная структура управления вскрывает суть предлагаемой технологии и требует детальной проработки с использованием программно-методического обеспеченйя как отдельных блоков, так и их взаимосвязей. Разработка полной математической модели управления новой технологии сушки окускованных композиций не входит в задачи диссертационной работы. Ниже приведена структура и методическое обеспечение блока расчета параметров досушки композиций в складочных единицах.

На основе полученного экспериментального материала разработана модель эффективного влагопереноса в штабеле кускового торфа, согласно которой сложный механизм тепло- и влагообмена в слое кускового торфа при естественном воздухообмене описывается дифференциальным уравнением влагопереноса с эффективными коэффициентами. Такой подход позволяет сформулировать и решить ряд задач по влагопереносу в штабеле кусковых материалов, входящих в блок расчета досушки окускованных композиций предлагаемой информационно-логической схемы управления технологией сушки. Решение уравнения влагопереноса при краевых условиях первого рода известно. Влаго-содержание кусков торфа на поверхности слоя задавалось экспоненциальной функцией времени вид которой определялся по методике расчета процесса сушки кускового торфа в расстиле при радиационно-конвективном режиме.

Подставив вместо функции уравнение кривой сушки и выполнив преобразования, получаем решение задачи влагопереноса в слое на поверхности штабеля:

2

Шо-УфМ^-^к^егГс

х 2к, ехр(- кгт)

Л

1

ехр

1-

М'

d4.Cn)

где аш- эффективный коэффициент диффузии; х - время сушки; к| и к2 - коэффициенты, характеризующие функцию ^(т).

Экспериментальная проверка предложенной схемы расчета подтверждает целесообразность сделанных допущений. Уравнение влагопереноса для других задач при заданных граничных условиях решалось методом конечных разностей.

Таким образом, окускование торфяных композиций методом жесткой экструзии в комплексе с новой технологией сушки торфяных композиций обеспечивает гарантированное получение готовой продукции с заданными качественными показателями и составляет основу новых технологических процессов переработки торфа и целого ряда отходов.

5. ПРИМЕРЫ ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТОРФЯНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

5.1.На основе системного подхода сформулированы технологические и эколого-экономические принципы разработки новых производственных процессов получения торфяных композиционных материалов многоцелевого назначения.

5.2. Разработаны новый технологический процесс и оборудование для производства формованных торфяных субстратов. Предлагаемый производственный процесс предусматривает многовариантность технологической схемы, возможность адаптации к существующему на конкретном предприятии торфодобывающему и торфоперерабатываюшему оборудованию. Для реализации предлагаемой технологии спроектирована и изготовлена специальная формующая установка, позволяющая получить субстраты в виде цилиндрических кусков с организацией высокодиспергированной оболочки вокруг слабо переработанного торфа (Патент РФ №2014342).

Формующая установка состоит из двух питателей и формователя с двумя шнеками: наружным и внутренним. Наружным шнеком формуется поверхностная оболочка, внутренним - сердцевина субстрата. Испытания экспериментальной установки подтвердили возможность формования цилиндрического куска с поверхностной оболочкой и работоспособность установки, а также позволили установить коэффициенты, необходимые для энергетических и технологических расчетов. Важным вопросом в технологии производства ФТС является механизация разрезания сформованного субстрата на выходе из мундштука задаваемой длины. Опробованы различные конструкции отсекателей и запроектировано отрезающе-укладывающее устройство, которое одновременно с разреза-

нием субстратов на отдельные куски осуществляет выстилку кусков на ленту транспортера.

Сравнивание технико-экономических показателей производства ФТС и субстратных торфоблоков свидетельствует о том, что предлагаемая технология имеет существенные технологические и экономические преимущества и может обеспечить выпуск дешевой и конкурентоспособной продукции рассадного субстрата для выращивания рассады.

5.3. Технологические схемы производства торфяных углеродистых композиций основаны на системных принципах построения технологии торфяных композиционных материалов предполагают сбалансированный подбор свойств исходных компонентов, гарантированное обеспечение качественных показателей путем соответствующих технологических операций, возможность многовариантности организации технологического процесса с использованием серийного оборудования.

Технологическая схема производства формованных торфяных углеродистых композиций предусматривает использование в качестве наполнителя отсевов углеродистых материалов: нефтяного и каменноугольного кокса и полукокса, древесного угля, каменного и бурого угля, отходов графитации угольных стержней и других богатых углеродом материалов. Введение в торф углеродистого материала повышает его качественные характеристики и позволяет использовать композиционные материалы в качестве топлива для коммунально-бытовых нужд и восстановителя в металлургических процессах.

Предлагаемый технологический процесс состоит из следующих основных операций: добычи торфяного сырья, доставки добытого торфа и дополнительных компонентов, отделения от торфа крупных древесных и металлических включений, грохочения и дробления дополнительных компонентов, дозирования и перемешивания композиционной смеси, формования композиций заданной формы и размеров, сушки и складирования готовой продукции.

Отличительной особенностью технологии производства углеродистых торфяных композиций от технологии формованных торфяных субстратов является значительные затраты на транспортировку углеродистого восстановителя к месту переработки и готовой продукции к потребителю. В связи с этим, наряду с оптимизацией технологической схемы, важное значение при проектировании новой технологии имеет оптимизация транспортных потоков

5.4. Технология производства топливно-плавильных композиций предусматривает многовариантность технологической схемы, возможность частичного выполнения отдельных подготовительных операций одновременно с добычей торфяного сырья (рис.10.)

Получение топливно-плавильных композиций является крупнотоннажным производством, требующим использования высокопроизводительного технологического оборудования. В связи с этим в качестве пресс-формователя для получения торфяных медесодержащих композиций был использован высокопроизводительный вакуумный кирпичный пресс. Для обеспечения производст-

ва формованных топливно-плавильных композиций изменена конструкция оголовка пресса, параметры которого рассчитаны на основании полученных зависимостей параметров шнекового экструдера от реологических свойств торфяных медесодержащих композиций.

Категория торфяного сырья Добыча торфа Сепарация торфа Дроб пение торфа Сепарация огарка Дозирование Перемешивание предварительное Перемешивание основное Пресс-фор-мова-ние Сушка Складирование Готовая продукция

О © © © Я -4Г ч© / <8д): / 4 &

Рис. 10 . Технологический граф множества вариантов производства топливно-плавильных материалов

Таким образом, разработан принципиально новый способ производства торфяных углеродистых и топливно-плавильных композиций в заводских условиях (Патент РФ 2014342), в основе которого лежит принцип жесткой экструзии пластифицированной композиционной смеси и использование досушки окуско-ванных композиций в складочных единицах.

Выполненные расчеты производственно-технических и технико-экономических показателей для предлагаемых технологических процессов свидетельствуют о их высокой экономической эффективности.

6. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОРФЯНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

6.1. Предлагаемые формованные торфяные субстраты представляют цилиндрические формованные куски с упрочняющей оболочкой, размеры и формы которых изменяются в зависимости от требований потребителя. Формованные субстраты обеспечивают пересадку рассады без повреждения корневой системы, возможность механизированного посева рассады, удобство применения, транспортировки, хранения, обладают высокой влагопоглотительной способностью, в них отсутствуют болезнетворные микробы и семена сорных трав. Использование нового вида формованных торфяных субстратов позволяет более рационально использовать площади теплиц, исключает разрезание субстра-

та и нарушение корневой системы и обеспечивает стопроцентную приживаемость растений, дает возможность организации выпуска продукции широкого потребления типа микрогрядок с субстратами различных размеров и количества в одной упаковке. Кроме перечисленных достоинств новая технология обеспечивает возможность получения субстрата, состоящего из разного материала в центральных и поверхностных слоях: например, оболочка из верхового торфа малой степени разложения, а сердцевина - из торфяных компостов.

Агротехнические испытания формованных торфяных субстратов проводившиеся в вегетационном павильоне ВНИИТП, в теплицах совхоза « Колпин-ский » ПО « Лето » ( г. Санкт-Петербург ) и теплице горного лицея ( г. Екатеринбург ), подтвердили эффективность новых субстратов. Субстраты из верхового торфа обладали необходимой технологической прочностью, высокой во-допоглощающей способностью. Рассада томатов, огурца, кресс-салата, капусты, выращенная на ранних субстратах, по биометрическим характеристикам, в среднем на 20% превосходила контрольные растения, выращенные на субстратных блоках и в полых торфяных горшочках. Агротехнические испытания подтвердили возможность выращивания качественной продуктивной рассады, ее высокую приживаемость и повышенную морозоустойчивость. На новый вид субстратов разработаны технические условия и получен гигиенический сертификат. Опыт реализации в торговой сети показал, что микрогрядки из формованных торфяных субстратов пользуются повышенным спросом.

6.2 .Эффективность использования торфяных композиций в качестве топлива доказана многочисленными научными разработками и многолетним практическим опытом. Для обеспечения конкурентоспособности и увеличения обоснованного ресурсами объема производства необходимо не только восстановление производственного потенциала добычи и вывозки топливного торфа, но и форсирование технического перевооружения отрасли, одним из направлений которого является использование торфяных композиционных брикетов, в том числе и пресс-формованных. При этом вместе с производством высококачественного топлива решается важная проблема утилизации целого ряда производственных отходов: лигнина, угольной мелочи, отходов деревообработки. Качественные показатели пресс-формованных топливных композиций и их себестоимость в значительной степени зависят от типа используемого углеродистого наполнителя. С учетом наличия в Свердловской области большого количества углеродсодержащих отходов, практически неограниченной торфяной сырьевой базы и потенциала предприятий торфяной промышленности потребность области в коммунально-бытовом топливе в значительной степени может быть покрыта местным торфяным топливом.

6.3. Эффективность применения кускового торфа и торфяных углеродсодержащих композиций при выплавке кристаллического кремния использовалась на АО "Уральский алюминиевый завод" (г.Каменск-Уральский). Опытно-промышленные испытания проводились в электротермическом цехе на однофазных руднотермических печах мощностью 6,5МВт, путем сравнения динами-

ки технико-экономических показателей печей до эксперимента и в момент его проведения. Всего было испытано около 1000 тонн углеродосодержащих композиций. Анализ полученных технико-экономических показателей свидетельствует о целесообразности использования торфяных композиций при выплавке кремния. Так, при использовании формованного торфа практически при постоянной производительности печи 530 кг/час наблюдалось снижение расходных коэффициентов на 1 тонну кремния: расход кварцита снизился на 3,4%, древесного угля - на 11,5%, нефтяного кокса - на 5,8%, электроэнергии - на 2,3%. Коэффициент соотношения окиси кремния к твердому углероду возрос на 8%. При этом сортность кремния не ухудшалась (табл.6.).

Таблица 6

Технико-экономические показатели работы печей при выплавке кремния (АО "УАЗ")

№ Произво- Мощ- Расход на 1т кремния

пе- дитель- ность, квар- древесный неф- торф, элект- с„, Si02,

чи ность, кг/ч МВт цит, кг кокс, кг текокс, кг кг роэнергия, кВт*ч кг/т

До начала эксперимента

1 561 6,026 1974 1203 423 - 11155 1441 1,73

5 529 6,044 2205 1322 499 - 11877 1282 1,72

В процессе эксперимента

1 51 5,939 2058 1249 473 - 12041 1199 1,72

5 530 5,998 2130 1170 470 160 11615 ¡146 1,86

С целью подтверждения эффективности применения топливно-плавильных композиций, полученных по предлагаемой технологии пресс-формования металлосодержащих материалов с торфом, были проведены опытные плавки в лабораторных и промышленных условиях на АО " Уралэлектро-медь", ЗАО "Верх-Нейвинский завод цветных металлов", ЗАО " Кировградская металлургическая компания".

Для получения данных о термической прочности торфяных медесодер-жащих композиций и эффективности выплавки из них меди в заводской лаборатории комбината "Уралэлектромедь" проведены опытные плавки (табл.7).

Таблица 7

Химический состав торфяных медесодержащих брикетов _

Состав смеси Химические элементы, % Извле-

по массе чение,

кгс.в.т/кг Си Аи Ag Ni Fe Pb Sn Zn As Sb S %

Сплав опытных плавок

1 . 11,24 93,24 9,3 384,4 0,13 0,15 4,64 0,53 0,70 0,96 0,29 0,04 99,17

1 : 7,49 84,15 18,8 534,5 0,16 0,12 7,75 0,82 3,86 1,11 0,33 0,54 80,01

1 : 3,91 82,85 17,5 431,3 0,16 0,58 8,09 0,89 5,58 1Д6 0,34 - 58,61

Штейновая фаза опытных плавок

1 : 11,24 Не получили фазы

1 : 7,49 71,33 - - 0,022 1,31 2,67 0,022 4,38 0,17 0,16 9,81 19,63

1 : 3,91 62,33 - - 0,333 4,21 2,62 0,062 4,61 0,25 0,16 10,36 11,19

Из анализа химического состава полученного сплава следует, что увеличение содержания медесодержащего компонента в композициях увеличивает эффективность извлечения меди. Так, при соотношении по сухому веществу торф : медесодержащий компоненте брикете 1:11,24 извлечение меди составило 99,17%, при соотношении 1:7,58 - 80,01% и при соотношении 1:3,93 -58,61%.

При проведении опытных плавок осуществлялось визуальное наблюдение за термической стойкостью композиций. Установлено, что торфяные меде-содержащие композиции сохраняют форму до температуры 1 ООО °С, после чего происходит их плавление без предварительного разрушения. Полученные результаты свидетельствуют о достаточной термической стойкости композиций.

Промышленные плавки торфяных медесодержащих композиций проводилась в анодных печах медеплавильного цеха комбината " Уралэлектромедь" и в шахтных печах Кировградского медеплавильного комбината.

При выплавке пресс-формованных пылей выход шлака составляет 13%. При переработке 1 т пылей в анодных печах со шлаком потери составят 38,8 кг меди, и дополнительно получается медь от шлака в количестве 253,2 кг. В одной тонне брикетированных пылей находится 367,7 кг меди, которая распределяется следующим образом: в шлаке - 10,3%; в меди от шлака - 67,25; в анодной меди - 22,55%. Полученные показатели соответствуют нормальным условиям плавки.

Опытно-промышленные испытания топливно-плавильных композиций на основе торфа и свинцовой пыли проводились на Верх-Нейвинском заводе цветных металлов. Проводилась плавка композиций в действующей шахтной печи в соотношении 70% аккумуляторного лома и 30% пресс-формованных брикетов.

Извлечение свинца при данном соотношении составило 83%, что соответствует средним показателям работы печи. Производительность печи зарегистрирована на среднем уровне и составила 1677 кг/ч*м2. Химический состав шлака, штейна и чернового свинца плавки также не изменился. Использование возврата свинцовой пыли из рукавных фильтров в виде пресс-формованных композиций с торфом не влияет на течение процесса шахтной плавки, не изменяет количественные и качественные показатели и состав получаемых продуктов и признано рациональным для организации малоотходной технологии.

Таким образом, пресс-формование дисперсных концентратов и металлургических отходов с торфом обеспечивает получение окускованных топливно-плавильных и углеродсодержащих композиций с необходимыми качественными характеристиками. Новые виды торфяных композиций с наполнителями из нефтяного кокса, обожженного медного концентрата, пыли газоочистки медеплавильного цеха, свинцовой пыли испытаны в промышленных условиях на металлургических заводах Урала. Промышленные испытания перечисленных композиций подтвердили целесообразность и высокую эффективность исполь-

зования предлагаемых композиционных материалов в металлургических процессах.

7. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ

7.1. В промышленности внедрены: технология досушки формованного торфа в складочных единицах (1977-1983г.); технология производства формованных торфяных субстратов, которая была разработана по договорам с ВНИИ торфяной промышленности и ВНИЦ "Сельхозторф" г.Томск (1988-1991гг.), технология производства торфоутлеродистых композиций для выплавки кремния на АО " Уральский алюминиевый завод " (1990-1996гг.). Внедренные технологические и конструкторские решения защищены одним авторским свидетельством (АС 177 96 14 СССР) и тремя патентами РФ (Патент РФ 1684310, 2014342 и 2017788).

Использование пресс-формованных углеродсодержащих композиций в металлургических процессах АО "УАЗ" обеспечивает экономию на дорогостоящих восстановителях : нефтяном коксе и древесном угле. Экономический эффект при потреблении 6000 т нового восстановителя в год составил 1 890 млн. руб. в ценах января 1996 года.

Проведенные испытания торфяных углеродсодержащих и топливно-пла-вильных композиций при выплавке цветных металлов (меди и свинца) на АО "Верх-Нейвинский завод цветных металлов ", на АО "Уралэлектромедь", на ЗАО "Кировградская металлургическая компания" свидетельствуют о возможном расширении потребителей нового восстановителя. Разработанные системные принципы позволяют при решении конкретных производственных задач учитывать максимально возможное количество входных и выходных параметров и оптимизировать процессы решения задач. Разработанные способ и оборудование для производства торфяных углеродсодержащих композиций внедрены в рамках Внедренческого научно-исследовательского центра "Торфтехнология " при организации совместного производства на Широкореченском и Исетско-Аятском торфопредпрюггиях, опытном заводе Восточного углехимического института (ВУХИН).

В проектировании новых производств результаты исследования используются на стадии подготовки технического задания и обоснования технологической схемы на основе решения многовариантных задач с использованием компьютерных технологий проектирования. Проводятся совместные работы с проектно-конструкторским бюро " Уралэнергоцветмет", с проектной группой Кировградского медеплавильного комбината по разработке опытно-промышленного участка по пресс-формованию обожженного медного концентрата и подготовке технологического регламента и исходных данных для проектирования брикетного завода по пресс-формованию 140 тыс. тонн тонкодискретных медесодержащих материалов.

В учебном процессе Уральской государственной горно-геологической академии результаты исследований используются с 1981 года, рекомендации, методики и программные модули включены в учебно-методические пособия. Компьютерная технология проектирования торфоперерабатывающих производств послужила основой для создания программно-методического обеспечения учебно-исследовательской САПР-торфопредприятий в рамках госбюджетной тематики по проблемам высшей школы (№ Г.Р. 01860078261). Результаты исследований широко используются автором при чтении лекций, проведении лабораторных занятий, курсовом и дипломном проектировании, при консультаций с аспирантов и соискателей.

7.2. Анализ перспективных направлений и результаты поисковых исследований свидетельствуют о возможности значительного расширения использования торфяных композиционных материалов в ряде отраслей промышленности, прежде всего таких, как металлургия, химическая промышленность, строительство, а также в природоохранных технологиях.

Работы по дальнейшему развитою технологии производства и направлений использования торфяных композиционных материалов проводятся под руководством автора совместно с Институтом органического синтеза УрО РАН, АО " Уралэлектромедь" ", ЗАО "Кировградская металлургическая компания", другими организациями и предприятиями.

Идеи по дальнейшему совершенствованию технологии и оборудования производства торфяных композиционных материалов согласуются с современной тенденцией развитая торфяной отрасли, направленной на более глубокую комплексную переработку торфа совместно с другими компонентами.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании теоретических и экспериментальных исследований обоснованы технические и технологические решения, направленные на обобщение и разработку системных принципов и научных основ производства торфяных композиционных материалов многоцелевого назначения, реализующие вопросы рационального использования торфяных и вторичных ресурсов с учетом требований экологии и повышения эффективности производства в условиях рыночной экономики.

Полученные научные и практические результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработаны научные основы новой технологии производства торфяных композиционных материалов с использованием отходов различных производств, внедрение которой обеспечивает расширение сырьевой базы цветной и черной металлургии и решение экологических проблем регионов с повышенной техногенной нагрузкой. Предложена структура модели системы производства торфяных композиционных материалов, объединяющая в единую цепочку подсистемы " Сырьевые ресурсы" - "Производство" - "Потребление и маркетинг".

Системная модель обеспечивает взаимосвязь оптимизационных решений одной подсистемы с входными и выходными параметрами другой для принятия оптимальных решений при проектировании, управлении, финансировании и организации производства.

2. Предложен алгоритм выбора состава и технологии производства торфяных композиционных материалов, основанный на взаимосвязи свойств композиций с реологической характеристикой смесей компонентов. Алгоритм обеспечивает заданное качество готовой продукции и предусматривает поэтапную эколого-экономическую оценку состава материала, его производства и потребления на основе рассмотрения требований к готовой продукции, характеристики составляющих компонентов, структурных и реологических показателей композиционных смесей, используемых технологических операций.

3. Установлены закономерности изменения свойств торфяных композиций на основных стадиях технологического процесса. Исследованы структурно-механические, водные и прочностные свойства торфяных композиций при различном содержании и различной природе наполнителей. Разработана классификация наполнителей торфяных композиций. Экспериментальное определение структурных характеристик торфяных композиций и микрофотографирование их аншлифов свидетельствуют о равномерном распределении наполнителей в торфе и получении структурно-упроченных композиций с заданными качественными показателями.

Исследования реологических характеристик композиционных смесей указывают, что течение композиций торф ■+■ медный огарок подчиняется закону Шведова - Бингама. Для жестких систем универсальным показателем является коэффициент формуемости Кф, который в зависимости от содержания компонентов и их влажности изменяется в пределах от 2,99 до 6,65 и учитывает период релаксации напряжений, пластичность и эластичность системы.

Процесс струкгурообразования торфяных композиций подчиняется основному уравнению прочности. Экспериментально определены коэффициенты уравнения, позволяющие проводить расчет прочности торфяных медесодер-жащих композиций при различных температурно-влажностных условиях. С увеличением содержания медного огарка до 87,5 % наблюдается упрочнение композиции. На графике зависимости прочности от влагосодержания наблюдается максимум, равный 3,2 МПа, соответствующий влагосодержанию 0,05 кг/кг и энергии активации разрушения композиции 7,95 кДж/моль. Получены уравнения регрессии, связывающие структурно-механические и водные свойства окускованных композиций смесей и позволяющие оценивать качественные показатели композиций по свойствам торфяного сырья и наполнителей.

4. Разработана модель оптимизации состава многокомпонентной шихты с использованием метода линейного программирования, позволяющая производить подбор соотношений компонентов с учетом требований к качеству готовой продукции и к технологии переработки.

5. Экспериментально обоснована целесообразность процесса окускования композиционных смесей методом жесткой экструзии. Предлагаемый метод предусматривает поэтапное формирование структуры окускованных композиций на стадиях перемешивания и экструзионного формования. При перемешивании компонентов происходит изменение структурно-механических свойств смеси, эквивалентное механическому диспергированию. При перемешивании торфа с дисперсным медным огарком показатель охвата переработкой составляет 40,2 %, после формования показатель охвата переработкой равен 47,3 %, и суммарный показатель равен 87,5 %.

6. Разработан новый способ формования дисперсных материалов, предусматривающий создание поверхностной упрочняющей оболочки (Патент РФ 1684310). Организация поверхностной оболочки из диспергированного торфа на торфяных композициях облегчает процесс формования, снижает износ внутренней поверхности мундштуков, повышает механическую прочность продукции. За счет изменения и регулирования структурно-реологических свойств торфа в объеме оболочки, обеспечивается процесс пресс-формования жестких композиций с различными структурно-механическими свойствами.

7. Дано теплофизическое, массообменное и технологическое обоснование целесообразности досушки окускованных торфяных композиций в складочных единицах. Разработаны математические модели и инженерные методы расчета процесса досушки при естественном и активном вентилировании складочных единиц. Экспериментально определены аэродинамическое сопротивление слоя формованного торфа при различном содержании фракций менее 25 мм, значения эффективных коэффициентов тепло-и влагопереноса, интегральные значения составляющих теплового баланса. Разработаны и научно обоснованы технологические принципы комбинированной сушки окускованных торфяных композиций.

8. Разработаны новые технологический процесс и оборудование для производства торфяных композиционных материалов (Патент РФ 2014342 2017788). Предлагаемая технология предусматривает многовариантность технологической схемы , возможность выполнения отдельных операций одновременно с селективной добычей торфяного сырья, окускование пластифицированной композиционной смеси методом жесткой экструзии, предусматривающей возможность образования упрочняющей поверхностной оболочки с последующей комбинированной сушкой окускованных композиций, с их досушкой в вентилируемых складочных единицах. По новой технологии на основе модернизированного серийного оборудования изготовлены и запущены в эксплуатацию технологические линии по производству формованных торфяных субстратов, торфяных углеродистых и топливно-плавильных композиций на Исет-ско-Аятском и Широкореченском торфопредприятиях, на опытном заводе ВУХИН, на Кировградском медеплавильном комбинате.

9. Опытно-промышленными испытаниями доказана высокая эффективность использования новых видов торфяных композиционных материалов.

Формованные торфяные субстраты обеспечивают благоприятные агрофизические условия развития растений, удобны при использовании в тепличных условиях, пользуются повышенным покупательским спросом.

Использование композиций на основе торфа и нефтяного кокса в качестве углеродистого восстановителя при выплавке кристаллического кремния снижает потребление дорогостоящего древесного угля. Экономическая эффективность нового восстановителя составляет 315 тыс. руб. в расчете на одну тонну при годовом потреблении 6000 тонн - 1 890 млн. руб. (в ценах 1996 г.).

Утилизация металлургических отходов путем их пресс-формования с торфом существенно расширяет сырьевую базу цветной и черной металлургии, обеспечивая получение топливно-плавильных материалов, которые по качественным показателям удовлетворяют требованиям плавки в отражательных и низкошахтных печах при высоком выходе металла.

В диссертации поставлены и решены в экспериментальном, теоретическом и прикладном плане задачи по созданию системных принципов и технологических основ производства композиционных материалов на основе торфа и дисперсных отходов, при этом предусмотрены экологически сбалансированные ресурсосберегающие схемы освоения торфяных месторождений и техногенных образований.

Научные положения и методические разработки, сформулированные и обобщенные в диссертации, находят свое применение и дальнейшее развитие в исследованиях при подготовке кандидатских диссертаций аспирантами и соискателями, широко используются в учебном процессе при подготовке специалистов торфяного профиля и являются научно-техническим заделом для открытия новой специализации по переработке техногенных образований.

Таким образом, на основании выполненных исследований осуществлено системное обобщение в области технологии переработки торфа и мелкодисперсных отходов, получены научно обоснованные технические и технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в создание научных основ и технологических схем высокой экологической чистоты, обеспечивающих ресурсосбережение и имеющих важное хозяйственное значение для торфяного, горного, металлургического, химического производства, энергетики, строительства, коммунального хозяйства, использования сырьевых ресурсов и охраны окружающей среды.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Журавлев A.B., Гревцев Н.В., Калинин Н.В. Исследование аэромеханики вентилируемых штабелей кускового торфа.// Технология, комплексная механизация и автоматизация торфяного производства. - Калинин: КГУ, 1978,- С. 44-49.

2. Журавлев A.B., Гревцев Н.В. Определение эффективных теплофизических коэффициентов слоя кускового торфа // Известия вузов. Горный журнал. - 1981,- N9 - С. 18-20.

3. Журавлев А.В., Гревцев Н.В. Исследование тепло- массопереноса в слое кускового торфа на откосе штабеля // Результаты исследований в области физикохимии торфа и их использование в народном хозяйстве: Тезисы докладов V научно-технической конференции по физикохимии торфа. - Калинин, 1981,- С. 67-68.

4. Журавлев А.В., Гревцев Н.В. Исследование досушки кускового торфа в штабелях малого сечения и разработка новой технологии сушки.// Комплексное использование торфа в народном хозяйстве: Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара. -Мн., 1981-С. 42-43.

5. Гревцев Н.В. Обоснование и разработка технологии производства кускового торфа с применением досушки во временных штабелях малого сечения // Тр. ВНИИ торф, пром-сти. Ленинград, 1982,- Вып. 48 - С. 88-93.

6. Журавлев А.В., Гревцев Н.В. Исследование теплового баланса штабелей кускового торфа // Физика процессов торфяного производства. - Калинин, 1983 - С. 54-59.

7. Журавлев А.В., Гревцев Н.В. Определение эффективных коэффициентов тепло- и влагопереноса в слое кускового торфа // Физические основы процессов торфяного производства. - Калинин, 1985,- С. 82-84.

8. Журавлев А.В., Гревцев Н.В., Тяботов И.А. Производство кускового торфа: Учебное пособие. - Свердловск, 1985,- 80 с.

9. Малков Л.М., Журавлев А.В., Гревцев Н.В. Обоснование технологии досушки кускового торфа в штабелях //Торф, пром-сгь,- 1985,-N3. - С. 13-16.

10. Совершенствование производства кускового торфа в природно-климатических условиях Урала / А.В. Журавлев, Н.В.Гревцев, И.А. Тяботов и др.// Торф, пром-сть. 1985,-N1.-C. 10-13.

11. Журавлев А.В., Гревцев Н.В. Математическое моделирование досушки кускового торфа в штабелях // Изв. вузов. Горный журнал. - 1988,- N3 - С. 25-29.

12. АС. 1779614 СССР. МКИ5 В 30 В 11/24, С 10 F 7/04. Шнековый пресс. / Н.В. Гревцев, И.А.Тяботов, Н.АНазарычев. -Опубл. 1992. Еюл. N45.

13. Патент 1684310 РФ, МКИ5 С 10 F 7/06. Способ уплотнения торфяной массы и устройство для его осуществления / Н.В.Гревцев, А.Г. Студенок, Н.А. Назарычев и др,-Опубл. 1991. Бюл. N38.

14. Патент 2017788 РФ, МКИ3 С 10 F 7/06. Способ производства топливного кускового торфа / Н.В.Гревцев, И, А.Тяботов, А.Г. Студенок. - Опубл. 1994. Бюл. N15.

15. Патент 2014342 РФ, МКИ 55 О С 10 F 7/06, а 01 G 9/10. Способ производства формованного субстрата из торфа и шнековый формовагель для его осуществления / Н.В. Гревцев, И. А.Тяботов,-Опубл. 1994. Бюл. N11.

16. Использование кускового торфа при выплавке кристаллического кремния / Н.В. Гревцев, И.А. Тяботов, Б.М.Александров и др. // Физикохимия торфа и сапропеля, проблемы их переработки и комплексного использования: Материалы VII Международной научно-технической конференции. Ч. I,-Тверь. 1994 - С. S2-83.

17. Физико-химические особенности производства гумата калия на торфосапропеле-вой основе / Б. М. Александров, Н.В.Гревцев, И.А.Тяботов и др. // Физикохимия торфа и сапропеля, проблемы их переработки и комплексного использования: Материалы VII Международной научно-технической конференции. Ч. П.-Тверь. 1994,-С. 17-18.

18. Технология производства окускованной продукции на торфяной основе с утилизацией промышленных и сельскохозяйственных отходов / Б.М.Александров, Н.В Гревцев, И. А.Тяботов, А.В.Горбунов // Проблемы экологии и охраны окружающей среды: Тезисы докладов научно-практических семинаров на Международной выставке "Уралэкология - 96" -Екатеринбург. 1995,-С.32.

19. Торф и его продукты на рынке природоохранных технологий / Н.В.Гревцев, Б.М.Александров, И.А.Тяботов, А.В.Горбунов // Проблемы экологии и охраны окружаю-

щей среды: Тезисы докладов научно-практических семинаров на международной выставке "Уралэкология - 96",- Екатеринбург, 1996 - С. 16.

20. Торфяные ресурсы Урала и юс освоение / Б.М. Александров, И.А. Тяботов, Н.В. Гревцев и др. //Известия вузов. Горный журнал - 1996 - N5-6,- С. 3-29.

21. Добыча и переработка торфа / Б.МАлександров, А.В. Журавлев, Н.В.Гревцев, И.А.Тяботов//Известия вузов. Горный журнал - 1996-N5-6,-С. 77-101.

22. Производство кускового торфа в природно-климатических условиях Урала / И.АТяботов, А.В.Журавлев, Н.В.Гревцев, Б.М.Александров // Известия вузов. Горный журнал. - 1996 -N5-6,- С. 101-109.

23. Гревцев Н.В. Производство торфяных композиционных материалов // Известия вузов. Горный журнал - 1996 -N5-6 -С. 116-121.

24. Гревцев Н.В., Александров Б.М., Тяботов И.А. Технологическая линия производства формованных композиционных материалов на основе торфа и сапропеля // Известия вузов. Горный журнал,- 1996,- N5-6,- С. 123-127.

25.Перепектизы использования торфа в металлургических процессах. / Н.В.Гревцев, Б.М.Алексакдров, И.АТяботов, В.И.Овсянников, П.Ф.Буторин // Известия вузов. Горный журнал,- 1996,-N5-6,-С. 123-127.

26. Производство и использование формованных торфяных субстратов в растениеводстве / Н.В.Гревцев, И.АТяботов, Б.М.Александров, Ю.О.Петров и др. // Известия вузов. Горный журнал - 1996,-N5-6,- С. 127-134.

27. Гревцев Н.В., Горбунов А.В. Использование торфа и продуктов его переработки в природоохранных технологиях//Известия вузов. Горный журнал,- 1996,-N5-6-С, 135-139.

28. Технология получения топливно-плавильных материалов на основе металлургических отходов и торфа / Н.В.Гревцев, Б.М.Александров, И.А.Тяботов, АВ.Горбунов // Тезисы докладов научно-техннческой конференции по переработке техногенных образований на Международной специализированной выставке «ТЕХНОГЕН -97». - Екатеринбург, 1997. -С. 35-36.

29. Гревцев Н.В., Александров Б.М., Рязанов А.Г. Рекультивация нарушенных земель с использованием компостов на торфяной основе // Тезисы докладов научно-технической конференции по переработке техногенных образований на Международной специализированной выставке «ТЕХНОГЕН -97». - Екатеринбург, 1997. -С. 20.

30. Гревцев Н.В. Проблемы совместной переработки торфяных и вторичных ресурсов Свердловской области // Тезисы докладов научно-технической конференции по переработке техногенных образований на Международной специализированной выставке «ТЕХНОГЕН -97». - Екатеринбург, 1997. -С. 77.

31. Александров Б.М., Гревцев Н.В., Тяботов И.А. Технология производства композиционных брикетов на основе торфа и дисперсных отходов для использования в металлургии// Известия вузов. Горный журнал. - 1997,- ХаИ-12,- С.255-258.

УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

Гревцев Николай Васильевич

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ТОРФЯНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

05.15.05 - Технология и комплексная механизация торфяного производства

V Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург-] 998

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................5

1. НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРОИЗВОДСТВА ТОРФЯНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ............................... 15

1.1. Современное состояние и перспективы производства торфяных композиционных материалов................................

1.2. Проблемы совместной переработки торфяных и вторичных

ресурсов................................................ 33

1.3. Постановка цели и задачи исследования....................... 43

2. ПРИНЦИПЫ ВЫБОРА СОСТАВА ТОРФЯНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИИ ИХ ПРОИЗВОДСТВА..........................................45

2.1. Системная модель технологии производства и потребления торфяных композиционных материалов............................ 45

2.2. Сырьевые ресурсы производства торфяных композиционных материалов - подсистема "Сырьевые ресурсы ".................... ^

2.3. Подсистема "Добыча сырья и его переработка " при производстве торфяных композиционных материалов....................... ^д

2.4. Подсистема " Потребление торфяных композиционных материалов и их маркетинг "....................................... gg

2.5. Эколого-экономическая оценка целесообразности и эффективности производства......................................... 95

2.6. Выводы по разделу 2...................................... 108

3. ПРИНЦИП СБАЛАНСИРОВАННОГО ПОДБОРА СОСТАВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПРИМЕРЫ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ.................. 112

3.1. Свойства торфа как иырьи дли кимиизициинных материалов...... 112

3.2. Наполнители торфяных композиций, их свойства и классификация 124

3.3. Экспериментально-теоретические исследования основных свойств торфяных композиционных материалов...................... 150

3.3.1. Структурные и реологические свойства.................. 150

3.3.2. Прочностные и водные свойства....................... 177

3.4. Примеры проектирования состава торфяных композиционных материалов............................................. 190

3.4.1. Проектирование состава формованных торфяных субстратов 190

3.4.2. Проектирование состава торфяных углеродсодержащих композиций................................................................................204

3.4.3. Проектирование состава топливно-плавильных композиций 210

3.5. Выводы по разделу 3..................................... 2Г4

4. ОБОСНОВАНИЕ НОВЫХ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СПОСОБОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЗАДАННОГО КАЧЕСТВА ТОРФЯНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ .................................................. 217

4.1. Окускование торфяных композиций методом жесткой экструзии . . 217

4.2. Экспериментально-теоретические исследования процессов сушки окускованных торфяных композиций........................ 238

4.2.1. Основные закономерности и особенности сушки торфяных композиционных материалов.......................... 238

4.2.2. Закономерности досушки окускованных торфяных композиций в складочных единицах........................... 250

4.3. Технология сушки окускованных композиций с досушкой

в складочных единицах................................... 280

4.4. Вывод по разделу 4....................................... 294

5. ПРИМЕРЫ ВЫБОРА ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТОРФЯНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.................. 297

5.1. Принципы проектирования новых технологических процессов производства торфяных композиционных материалов........... 297

5.2. Технологические схемы производства формованных торфяных субстратов.............................................. 301

5.3. Технологические схемы производства торфяных углеродистых композиций............................................. 320

5.4. Технологическая схема производства топливно-плавильных композиций............................................ 330

5.5. Выводы по разделу 5...........................................341

6. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОРФЯНЫХ КОМПОЗИЦИ-

ОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ................................................................................343

6.1. Использование формованных торфяных субстратов

в растениеводстве..............................................................................343

6.2. Использование торфяных композиций в качестве топлива..............351

6.3. Использование торфяных углеродсодержащих композиций

в металлургических процессах...........................................359

6.4. Выводы по разделу 6..........................................................................373

7. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ

ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ..........................................................................375

7.1. Внедрение результатов исследований в промышленность, проектирование и учебный процесс..................................................375

7.2. Анализ перспективных направлений использования торфяных композиций..........................................................................................377

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ.......................................................380

ЛИТЕРАТУРА...............................................................................................385

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................442

ВВЕДЕНИЕ

На рубеже XXI века торфяная промышленность представляет собой до-бывающе-перерабатывающую отрасль, оснащенную многочисленными технологическими схемами для выпуска широкого ассортимента продукции многоцелевого назначения [1-3]. Результаты всесторонних исследований отечественных и зарубежных ученых создают основу комплексного экологически безопасного использования торфа и торфяных месторождений. Наибольшее развитие торфяная промышленность получила в крупных промышленных и сельскохозяйственных регионах. Такие регионы в силу специфики своего социально-экономического развития испытывают значительные техногенные нагрузки, в результате которых во всех компонентах окружающей среды происходят негативные изменения. Добыча и переработка торфяного и минерального сырья, химическое и металлургическое производства, ряд сельскохозяйственных технологий приводят к крупномасштабным отрицательным воздействиям, в том числе к созданию и накоплению большого количества твердых, полутвердых и жидких отходов[4-6]. Широкая распространенность месторождений торфа и их территориальная близость к техногенным образованиям, уникальность и разнообразие природных свойств позволяют решать проблему утилизации отходов промышленного и сельскохозяйственного производства путем их совместной переработки. Для решения региональных экологических проблем, а также обеспечения регионов дешевыми и эффективными видами топлива, удобрениями, строительными материалами и другой торфяной продукцией необходимо совершенствование существующих и создание новых технологических процессов производства торфяных композиционных материалов, в том числе с широким использованием в качестве составляющих компонентов различных отходов. Только комплексная, рациональная и ресурсосберегающая технология переработки торфа позволит резко повысить эффективность производства, перейти от крупнотоннажной добычи торфяного сырья к его глубокой переработке с полу-

чением продукции для применения в различных сферах. Актуальной проблеме повышения эффективности переработки и использования торфа и охраны окружающей среды посвящена настоящая диссертация.

Цель работы. Разработать научные основы экологически безопасной ресурсосберегающей технологии производства торфяных композиционных материалов, в том числе с использованием в качестве наполнителей различных производственных отходов и получением новых видов продукции с заданными качественными показателями.

Идея работы. Использование уникальных природных свойств торфяных систем для создания новых композиционных материалов путем сбалансированного подбора характеристик торфа и различных наполнителей, выбора методов энерготехнологического воздействия и технологического оборудования, обеспечивающих требуемое качество продукции, экологическую безопасность и экономическую эффективность ее производства и использования.

Исследования проводились в 1974-1997 гг. в соответствии с планами важнейших НИР МТП РСФСР, ВНИИТП, ВНИЦ «Сельхозторф», комплексной программой Минвуза РСФСР «Человек и окружающая среда. Проблемы охраны природы», областной программой "Переработка техногенных образований Свердловской области" (Н Гос.рег.0182104679, 01840022807, 01880012030, 01890042570 и др.).

Объекты и методы исследования. Объекты исследования - наиболее распространенные на Урале виды торфа, отсевы каменноугольного и нефтяного кокса, древесного и каменного угля, отходов графитации угольных стержней, металлургические отходы с содержанием меди, свинца, железа, марганца, кремния, цинка, органо-минеральные формованные торфяные субстраты, пластифицирующие и связующие химические компоненты.

При решении поставленных задач использовались методы математического и структурного анализов. Исследования проводились в полевых к лабора-

торных условиях, опытно-промышленная проверка осуществлялась при проектировании, пуске и отладке новых технологических процессов в производственных условиях. Широко применялись системный анализ, методики планирования эксперимента, регрессионный анализ, теория подобия, линейное программирование и моделирование физических процессов. Выявленные закономерности базируются на фундаментальных положениях физико-химической механики, тепло- и массопереноса, аэродинамики. На всех стадиях исследований широко применялись ЕС ЭВМ и персональные компьютеры.

Положения, выносимые на защиту. Защищаются технические и технологические решения, обоснованные результатами комплексных научных исследований физико-технических, технологических и эколого-экономических аспектов производства и потребления торфяных композиционных материалов. Внедрение обоснованных решений имеет важное народнохозяйственное значение в связи с разработкой новых рациональных экологически безопасных и ресурсосберегающих технологий комплексного использования торфяных ресурсов.

Из экспериментально-теоретических исследований:

- научные основы системного подхода к многокритериальной оптимизации технологии производства и потребления торфяных композиционных материалов;

- принципы формирования состава композиционных смесей и выбора методов энерготехнологического регулирования с оценкой эколого-экономичес-кой целесообразности принятых решений;

- закономерности изменения свойств торфяных композиций на основных стадиях технологического процесса: перемешивания, диспергирования, окуско-вания, сушки и досушки в складочных единицах.

Из научно-методических разработок:

- научное обоснование технологических режимов ведения процесса производства торфяных композиционных материалов;

- математические модели и инженерные методы расчета тепломассопере-носа при досушке в складочных единицах торфяных окускованных композиционных материалов;

Из научно-технических разработок:

- конструкция формующего та перерабатывающего оборудования для производства торфяных композиций;

- принципиально новый способ производства торфяных композиционных материалов многоцелевого назначения, технические условия на разрабатываемую продукцию, результаты внедрения в производство.

Научная новизна. Выполненные исследования позволили теоретически обобщить и экспериментально подтвердить закономерности изменения качественных характеристик композиционных материалов в зависимости от исходных свойств торфа, составляющих компонентов, режимов производства, научно обосновать решение важной проблемы в области природопользования, предусматривающей создание системных принципов, физических и технических основ ресурсосберегающих, экологически чистых технологий и получить следующие новые результаты.

- системные принципы комплексной оценки эффективности производства и потребления торфяных композиционных материалов;

- научные принципы формирования состава и структуры композиционных материалов на основе торфа;

- закономерности изменения структурно-механических, физико-технических, водно-физических, прочностных свойств торфяных композиций в зависимости от их состава и методов энерготехнологического воздействия;

- закономерности и особенности тепловлагопереноса и структурообразо-вания в торфяных композиционных материалах в процессе их сушки;

- закономерности тепловлагообмена в складочных единицах кусковых материалов;

- технологические регламенты процессов производства торфяных композиционных материалов: формованных торфяных субстратов, торфяных углерод-содержащих и топливно-плавильных композиций;

- специализированное технологическое оборудование для формования композиционных материалов;

- математические модели и инженерные методики расчетов предлагаемых технологических процессов;

- основные перспективные направления производства и использования торфяных композиционных материалов.

Практическая ценность работы. Разработанные системные принципы, взаимоувязывающие вопросы технологии, экологии, экономики на всех стадиях организации производства торфяных композиционных материалов от разведки запасов сырья до производства и потребления готовой продукции, позволяют выйти на качественно новый уровень проектирования предприятий по комплексной безотходной переработке торфяных ресурсов. Системная модель не только обеспечивает многовариантное проектирование, но и дает возможность оптимизировать планирование, управление, финансирование и организацию новых технологических комплексов на протяжении всего периода деятельности предприятия, при этом предполагается динамическое развитие модели, ее постоянное информационное и структурное обновление.

Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований легли в основу создания технологии и оборудования производства торфяных композиционных материалов многоцелевого назначения, обеспечивающих высокое качество продукции при комплексном использовании торфяных ресурсов и удовлетворении требований экологии.

Новый способ производства формованных торфяных субстратов и механизмы для его реализации (Патенты РФ 1684310, 2014342) обеспечивают выпуск эффективных рассадных грунтов для использования в растениеводстве.

Новый способ производства кускового торфа с введением различных наполнителей (Патент РФ 2017788) позволяет получать высококачественное топливо, способное конкурировать с привозным каменным углем, а также топ-ливно-плавильные композиции для металлургических процессов. При этом осуществляется утилизация мелкодисперсных отходов (отсевов, пылей, шламов и др.) и обеспечивается возможность их вторичного использования в металлур-

о

гических процессах.

Внедрение результатов работы. Разработанные диссертантом новые способы и устройства (A.c. 1779614, Патенты РФ 1684310, 2014342, 2017788), методы и методики внедрены в промышленность, в научно-исследовательскую и проектную практику, в учебный процесс.

Изготовлена и передана в эксплуатацию в НИИ торфа (г.Томск) экспериментальная установка для производства формованных торфяных субстратов. Разработан комплекс оборудования и в рамках Внедренческого научно-исследовательского центра "Торфтехнология" открыто совместное производство на Широкореченском и Исетско-Аятском торфопредприятиях, опытном заводе Восточного углехимического института (ВУХИН).

Использование формованных торфяных углеродсодержащих композиций на АО "УАЗ" обеспечивает экономию дорогостоящих восстановителей: нефтяного кокса и древесного угля. Экономический эффект на АО "УАЗ" при потреблении 6000 тонн нового восстановителя в год составит 1890 млн. рублей ( в ценах 1996 г.). Проведены испытания по использованию торфяных углеродистых композиций на других предприятиях цветной и черной металлургии, а также в промышленных и коммунально-бытовых котельных.

Подготовлены исходные данные и технические предложения для разработки ТЭО и рабочего проекта промышленного производства топливно-пла-вильных композиций на основе торфа и обожженного медного огарка для Ки-ровградского медеплавильного комбината. Научные и методические положе-

ния, сформулированные в диссертации, используются в Уральской государственной горно-геологической академии при выполнении научно-исследовательских работ, в учебном процессе при чтении лекций, проведении курсового и дипломного проектирования, написании учебных пособий.

Достоверность результатов и выводов в диссертации. Обеспечивается разработкой математических моделей, проверкой их адекватности в производственных условиях, комплексностью, повторяемостью, воспроизводимостью и надежностью экспериментов, соответствием экспериментальных данных известным и выдвигаемым теоретическим положениям, прошедшим проверку практикой, а также проведением контрольных испытаний качественных показателей и использования в промышленных условиях новых композиционных материалов сторонними организациями: Государственной инспекцией по качеству торфа, ВНИИТП, ВУХИН, АО "Ур