автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.05, диссертация на тему:Процессы структурообразования в технологии формованной продукции из торфа и сапропеля

На правах рукописи

Гамаюнов Сергей Николаевич

ПРОЦЕССЫ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ФОРМОВАННОЙ ПРОДУКЦИИ ИЗ ТОРФА И САПРОПЕЛЯ

05.15.05 — Технология и комплексная механизация торфяного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Тверь 1998

Работа выполнена в Тверском государственном техническом университете

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, академик Петровской академии наук и искусств А.Е. Афанасьев

Официальные доктор технических наук,

оппоненты: профессор, академик На-

циональной академии наук И.И. Лиштван Беларуси

доктор технических наук,

профессор В.И. Горячев

доктор технических наук В.К. Фомин

Ведущая организация: АО НЦ «Радченкоторф»

Защита состоится « » 1998 г. в часов

на заседании диссертационного совета Д 063.22.01 в Тверском государственном техническом университете (170026, г. Тверь, наб. Афанасия Никитина, 22, ауд. 11-212),

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

Автореферат разослан « ^ » -ЪС^-о-гх^а^- 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, профессор

В.Д. Копенкин

© Тверской государственный технический университет

А (дуальность проблемы. В настоящее время в условиях рыночных отношений и непрерывного изменения требований, предъявляемых к продукции из торфа и сапропеля, развитие торфяной отрасли сдерживается из-за отставания темпов совершенствования и разработки новых технологий добычи, переработки и использования торфяной и сапропелевой продукции. В связи с этим, выявление механизма, развитие теоретических концепций формирования структуры органогенных материалов в процессе те-пломассопереноса и на основе этих научных исследований поиск путей по расширению ассортимента выпускаемой конкурентоспособной продукции является актуальной задачей для предприятий торфяной отрасли.

Диссертационная работа является обобщением научных и исследовательских работ, выполненных лично автором н под его непосредственным руководством. При рассмотрении новых технологических процессов торфяного производства автор основыватся на современных достижениях термодинамики неравновесных процессов, теории тепломассопереноса, физико-химической механики дисперсных систем и коллоидной химии и физики торфа. В методологическом отношении освещение вопросов физики торфа должно предшествовать развитию технологии. Именно такая взаимосвязь и показана в настоящей работе. Решаемая в работе проблема связана с рациональным использованием ресурсов природных органогенных материалов, повышением эффективности существующих и разработкой новых технологических процессов добычи и переработки торфа и погребенного под слоем торфяной залежи сапропеля, расширением сферы применения продуктов на их основе.

Цель работы: развитие теории структурообразования органогенных материалов в процессе тепломассопереноса на основе современных представлений термодинамики неравновесных процессов, разработка экспериментальных методов исследования структурных и массообменных характеристик торфа, сапропеля и использование полученных результатов для создания ресурсосберегающих технологий их добычи, переработки и применения.

Основные задачи исследования. Основным направлением работы является изучение закономерностей тепломассопереноса и структурообразования торфа и сапропеля при сушке, а также поиск путей по расширению ассортимента продукции, выпускаемой предприятиями торфяной отрасли. В соответствии с этим возникла необходимость решения следующих задач:

• разработать иерархическую модель строения торфяных систем, которая позволяет применять методы неравновесной термодинамики к описанию процессов, сопровождающих переработку и обезвоживание торфа;

л

-г

• создать новые методы и методики исследования физико-химических, массообменных, структурно-механических и водно-физических свойств торфа и сапропеля;

• исследовать закономерности формирования структуры торфа и сапропеля различного вида, дисперсности, зольности при различных режимах сушки;

• разработать современные концепции структурообразования формованного (мелкокускового, гранулированного, окатанного) торфа и сапропеля в процессе тепломассопереноса;

• предложить инженерный метод расчета продолжительности сушки и оттаивания органогенных материалов;

• разработать новые и усовершенствовать существующие ресурсосберегающие способы добычи, переработки и применения торфа и сапропеля для производства конкурентоспособной продукции.

Положения, выносимые на защит'/. Защищается теоретическое обобщение комплексных научных исследований физических процессов, происходящих при переработке и сушке торфа (сапропеля), а также научно-технические основы и математические модели полевой сушки и оттаивания органогенных материалов.

1. Из экспериментально-теоретических разработок — закономерности изменения при сушке структурно-механических, водно-физических, массообменных свойств органогенных материалов, иерархическая модель структуры торфа на основе термодинамического подхода для описания системы в квазиравновесном состоянии, механизмы сорбции, сушки и структурообразования дисперсий высокомолекулярных соединений торфа и органоминеральных композиций сапропеля в зависимости от режимов обезвоживания и их общетехнических характеристик.

2. Из научно-методических разработок — научные положения, новые приборы и методики определения физико-технических свойств торфа и сапропеля на различных этапах технологических процессов.

3. Из научно-технических разработок — новые способы добычи погребенного сапропеля, гранулированного торфа на топливо и сырья для брикетирования; способы определения степени дисперсности и влагосо-держания формованной (мелкокусковой, гранулированной, окатанной) торфяной продукции; новые конструктивные решения устройств для производства, сушки и сжигания гранулированного торфа; принципиально новый способ изготовления из торфа и сапропеля пустотелого заполнителя легких бетонов стеновых конструкций; результаты внедрения в учебный процесс методик расчета термодинамических характеристик торфа при сорбции (десорбции), длительности сушки торфяной продукции в полевых условиях и оттаивания (промораживания) торфяной залежи.

Научная новизна работы заключается в развитии физико-химических основ теории тепло- и массопереноса. В диссертации проведено теоретическое и экспериментальное обобщение взаимосвязанных процессов сушки и структурообразования торфа с использованием методов термодинамики. Предложены модель и термодинамическое объяснение массообменных процессов, происходящих при сушке торфа в равновесных и неравновесных условиях. В работе развит физико-химический подход к оценке структурообразования и качества формованного торфа по его определяющим структурно-механическим свойствам. Получены следующие основные научные результаты:

• установлены закономерности изменения структурных, водно-физических и массообменных свойств, а также процессов формирования структуры торфа и сапропеля при сушке;

• предложена иерархическая модель структуры торфа;

• разработан метод прогнозной оценки качества формованной торфяной продукции на этапах проектирования предприятия и в процессах переработки и сушки торфа и сапропеля,

• определены закономерности процессов, протекающих при поглощении влаги торфом с учетом набухания (усадки) и контракции материала;

• сформулированы и решены задачи прогнозной оценки продолжителыго-сти процессов сушки и оттаивания органогенных материалов.

Использование приведенной в работе информации позволяет получить научно-обоснованные способы сбережения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов, а также иметь продукцию с заранее заданными свойствами.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования служил торф верхового и низинного типа, различного видового состава и степени разложения, а также погребенные под слоем торфяной залежи сапро-пели различной зольности.

При проведении экспериментальных работ применялись различные методы исследований с учетом специфических свойств исследуемых материалов: микротензиомстрии, динамической контракции, определений максимальной разрушающей нагрузки на прессе, внутреннего давления, предельного напряжения сдвига и др.

Математическое моделирование исследуемых процессов, обработка экспериментальных данных, анализ результатов и расчеты выполнялись с применением современной компьютерной техники и известных статистических методов.

Новые теоретические положения, предложенные в работе, являются обобщением опыта, имеющегося в практике научных и экспериментальных исследований, полученных лично автором или под его научным и ме-

тодическим руководством в лабораторных и полевых условиях, а также на опытно-промышленных установках.

Практическое значение работы заключается в разработке новых способов производства гранулированного торфяного топлива и добычи погребенного сапропеля; изготовления различных видов гранулированной торфяной продукции для использования в сельском хозяйстве и для решения задач экологии; производства пустотелого заполнителя на основе торфа и минерализованного сапропеля и легкого бетона на его основе. Для реализации этих способов созданы лабораторные и опытно-промышленные установки. Результаты работы используются в ОАО «Тверьторф», АО «Вологдаторф». Предложенные основные уравнения кинетики сушки слоя торфяной продукции и оттаивания торфяной залежи могут быть использованы как средства обобщения опытных данных и при разработке инженерных методов расчета этих процессов. Часть полученных результатов внедрена в учебный процесс при обучении студентов старших курсов, при подготовке магистров и аспирантов торфяного профиля. Разработанные приборы для экспрессного определения влагосодер-жания и дисперсности торфа нашли применение в научно-исследовательских работах в институте проблем использования природных ресурсов и экологии Национальной академии наук Беларуси (ИПШТРЭ HAH Б) и Тверском государственном техническом университете (ТГТУ).

Личное участие автора состоит в постановке и решении основных задач теоретического и экспериментального характера.

Под руководством соискателя и при его непосредственном участии разработаны способы определения физических и общетехнических свойств, добычи, переработки и использования торфа и сапропеля, устройства для их технической реализации; технологические схемы производства гранулированной продукции, экспериментальные, опытно-промышленные стенды и установки; проведены многочисленные эксперименты. Выполнены систематизация, анализ и обобщение результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований и осуществлена их опытная реализация на предприятиях по добыче торфа и в учебном процессе.

Публикации результатов и доклады. Результаты исследований отражены в 78 печатных работах и 3 монографиях. Получено 2 авторских свидетельства СССР, 3 патента РФ и 3 положительных решения о выдачи патентов на изобретения, 4 свидетельства на полезные модели. Список основных публикаций по теме диссертации приведен в автореферате.

Апробация работы. Основные положения диссертациошюй работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований и практических испытаний разработанного оборудования изложены в тезисах и докладах IV научно-практической конференции (Калинин, 1985 г.); I Всесоюзного совещания «Гидрофизические функции и влагометрия почв»

(Ленинград, 1987 г.); Минского международного форума по тепломассообмену (Минск, 1988 г.); VI научно-техничсстсой конференции по физико-химии торфа (Калинин, 1989 г.); научно-технической конференции «Перспективы использования торфа и продуктов его переработки» (Калинин, 1990 г.); «Торф в народном хозяйстве» (Томск, 1991 г.); VII Международной конференции «Физикохимия торфа и сапропеля, проблемы их переработки и комплексного использования» (Тверь, 1994 г.); 2-ой научно-технической конференции «Экологические проблемы горного производства, переработки и размещения отходов» (Москва, 1995 г.); Международном симпозиуме «Органическое вещество торфа» (Минск, 1995 г.); Международной конференции «Математические методы в химии и химической технологии» (Тверь, 1995 г.); X Международном конгрессе по торфу (Бремен, 1996 г.); XI Международной конференции по поверхностным силам (Москва, 1996 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Физико-химические основы пищевых и химических производств» (Воронеж, 1996 г.); III Национальном Симпозиуме «Теоретические основы сорбционных процессов» (Москва, 1997 г.); Юбилейной конференции, посвященной 75-летию ТГТУ (Тверь, 1997 г.); 1-ой Областной научно-практической конференции «Научные проблемы устойчивого развития Тверской области» (Тверь, 1997 г.); Международной научно-технической конференции «Современные проблемы строительного материаловедения» (Пенза, 1998 г.) и др.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов, библиографического списка (410 наименований) и приложений. Работа изложена на 287 страницах текста, включает 76 рисунков и 12 таблиц.

Автор выражает благодарность научному консультанту профессору А.Е. Афанасьеву, преподавателям и сотрудникам, аспирантам и соискателям (Т.В. Алехиной, МЛ. Большакову, О С. Миспикову, О.В. Пуховой) кафедры технологии и комплексной механизации разработки торфяных ме-сторождегата Тверского государственного технического университета за помощь в проведении исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации показана актуальность решаемой проблемы, сформулирована основная цель и поставлены задачи исследования, указана научная новизна и перечислены основные научные результаты, которые выносятся на защиту.

Отмечается, что значительное влияние на определение круга вопросов, рассматриваемых в диссертационной работе, и методологию их решения оказали многочисленные работы отечественных и зарубежных исследователей. Значительный вклад в развитие фундаментальных представле-

ний о свойствах, составе и структуре торфа в связи с решением различных задач торфяного производства внесли исследования, обобщенные в монографиях и статьях Б.М. Александрова, Л.Н. Алшряна, В.Я. Антонова, А.Е. Афанасьева, Е.Т. Базина, И.И. Берковича, Б.А. Богатова, Г.П. Вирясова, М.П. Воларовича, H.H. Гамаюнова, В.И. Горячева, A.B. Журавлева, Б.Ф. Зюзина, В.Д. Копенкина, С.С. Корчунова, Н.В. Кислова, В.И. Косова, И.Ф. Ларгина, И.И. Лнштвана, Л.М. Мачкова, Б.И. Масленникова, В.А. Миронова, В.М. Наумовича, Л.Н. Самсонова, ВТ. Селеннова, С.Г. Со-лопова, A.A. Терентьева, В.К. Фомина, Н.В. Чураева и других ученых. Работы этих исследователей способствовали выбору общего научного направления и формированию теоретических представлений о структуре и свойствах органогенных материалов, способах их добычи и переработки, получивших свое развитие в настоящей диссертации.

1. Современные представления о структурообразовании торфа в процессе тепломассопереноса

Диссертационная работа базируется на современных концепциях термодинамики необратимых процессов, теории тепломассопереноса и физико-химической механики дисперсных систем.

1.1. К процессам сушки торфа и сапропеля необходимо подходить с позиций нелинейной неравновесной термодинамики открытых систем, которая основана на представлении полного прироста энтропии dS в виде суммы двух слагаемых — dSe и dS,-, где dSe обусловлено массообменом с окружающей средой, а dS, — изменениями внутри системы. Основным постулатом, на котором базируется неравновесная термодинамика (Пригожин), является «локальная» формулировка второго закона термодинамики. Изменение энтропии системы за счет ее переноса (притока и опока) может быть как положительным, так и отрицательным. В открытых системах могут возникать и длительное время оставаться неизменными равновесные структуры, которые называют термодинамически самоорганизованными. В последнее время для объяснения структурных особенностей различных материалов привлекается синергетика. Синергетика в отличие от классической термодинамики рассматривает кинетику энтропии и придает ей, а не энергии определяющее значение в формировании свойств открытой системы, обменивающейся энергией и веществом с окружающей средой.

Если пренебречь притоком энтропии извне и полагать, что сами процессы переноса малоинтенсивные и к рассматриваемой системе применим принцип локального равновесия, то можно получить для этой системы линейные дифференциальные уравнения переноса. Под локальным равновесием в определенном объеме тела понимают такое состояние термодинамической системы, которое можно принять близким к равновесию.

Для малоинтенсивных процессов полевой сушки торфяной продукции такое допущение, в первом приближении, приемлемо. Согласно гипотезе о локальном квазиравновесии любая непрерывная система рассматривается как совокупность взаимодействующих друг с другом малых, но все еще макроскопических, однородных областей, для каждой пз которых справедливы все уравнения, относящиеся к однородным системам.

Линейная неравновесная термодинамика базируется на аппарате классической термодинамики. Она имеет два дополнительных принципа — линейности и взаимности, а также постулат о том, что причиной переноса являются термодинамические силы, которые зависят от температуры, градиентов температуры и химического потенциала. В некоторых задачах переноса физических субстанций в качестве термодинамических сил могут быть взяты величины, пропорциональные градиентам влагосодержания, осмотического, капиллярного или общего давления внутри тела.

1.2. Процесс сушки рассматривается как совместный перенос энергии и вещества. Для описания взаимосвязанных явлений переноса применяются методы термодинамики необратимых процессов. A.B. Лыков предложил систему уравнений тепломассопереноса и теорию потенциалов вла-гопереноса.

Удачение влаги при сушке зависит от ее энергии связи. Наибольшую энергию связи имеют молекулы воды, непосредственно связанные с функциональными полярными группами торфа. Меньшую энергию связи имеет осмотически поглощенная влага, внутриклеточная и затем капиллярная вода. Основная часть поглощенной влаги в частицах торфа — это осмотически связанная растительными остатками и ассоииатами торфа. В мало-разложившемся торфе большая часть влаги находится внутри растительных остатков, в торфе средней и высокой степени разложения — в ассо-циатах.

Осмотическая влага получается в результате смешения молекул растворителя, растворенных ионов и других веществ со звеньями макромолекул, составляющих ассоциаты. Саму матрицу вследствие конформацион-ной подвижности звеньев макромолекул можно рассматривать как вязкий газ. Любые микрочастицы вис матрицы стремятся равномерно распределиться во внутриматричном объеме, то есть в полостях между макромолекулами и надмолекулярными структурами. Осмотические силы играют большую роль, чем капиллярные при переносе жидкости в органических материалах и живых организмах.

Возникающее в осмотической влаге давление может достигать сотен мегапаскалей (МПа), что значительно больше значений капиллярных давлений (при радиусе капилляра г = 10"7 м Лапласово давление я 1,5 МПа).

С.С. Корчупов объединил все виды потенциалов (сорбционный, осмотический, капилляшый) и назвал его «потешш?. лом вттэгч» Ф Ряс о мот-

рены методы определения потенциала влаги в материалах и отмечено, что использование микротензиометров для измерения потенциала влаги позволяет практически в «точке» измерять капиллярно-осмотические давления, определять распределение давлений внутри исследуемого материала.

1.3. Приведены методы и результаты изучения усадки торфа и рассмотрены гипотезы этого процесса. Поведение торфяной системы при обезвоживании определяется комплексом усадочных, массообмешгых и реологических характеристик. Прочность позволяет контролировать качество кускового торфа на всех этапах сушки. Проанализированы методы определения основных реологических параметров вязкопластических материалов и методы управления свойствами и структурой формованного торфа. Зная специфику торфа-сырца и направленно изменяя его начальную структуру при известных режимах сушки, можно управлять процессами структурообразования и тепло- и массопереноса и, тем самым, получать конечный продукт — формованный торф требуемого качества.

1.4. Проблеме создания качественного формованного торфяного топлива и выяснению причин его механической прочности и крошимости исследователями уделялось много внимания, однако физическая и физико-химическая сущность процессов усадки и структурообразования изучена еще недостаточно. Рассмотрены теоретические подходы к проблеме развития напряжений усадки, возникающих в процессе сушки.

Приведен критический анализ теорий разрушения материалов. В последние десятилетия выросло еще одно направление физико-химических исследований торфа. Основным в нем является приложение термодинамики к анализу процессов переработки и сушки торфа. Особую область термодинамических исследований при изучении торфа представляет анализ закономерностей структурообразования на основе энергетики протекавших процессов, определяемой видом и числом контактных взаимодействий (А.Е. Афанасьев).

Процессы структурообразования с позиции физико-химической механики дисперсных систем были детально рассмотрены в работах П.А. Ребиндера и его школы. Отмечено, что механическая прочность структуры зависит от плотности, дисперсности частиц и степени развития сил сцепления. Гак как взаимодействие между частицами коагулированных и компактно коагулированных структур торфа и сапропеля происходит через молекулярные контакты, то эти представления являются перспективными для создания моделей прочности органогенных материалов.

В настоящее время указанные представления являются общепринятыми и получили дальнейшее развитие в диссертационной работе. Для создания общей теории структурообразования органогенных материалов, учитывающей временное измерение, необходимо иметь научно обоснованный энергетический аспект межассоциатного взаимодействия.

2. Теоретические основы процессов

структурообразования торфа

2.1. Торф различного ттта, вида, степени разложения и состава поглощенного комплекса ионов представляет собой совокупность дисперсий высокомолекулярных соединений различного химического состава и минеральных компонентов. Прочность торфа зависит от степени «организации» количества и качества связей между частицами, агрегатами, ассоциатами, из которых он состоит.

Имеется несколько гипотез процесса структурообразования формованной торфяной продукции. Все они основываются на предположении, что имеется поверхность раздела фаз между твердым телом (торфом) и жидкостью. Торф следует относить к числу систем, в которых обе фазы непрерывны и пронизывают друг друга. Поэтому можно говорить о растворении твердого вещества торфа равно как и о растворении жидкости в веществе торфа. Твердое вещество смешано (растворено) с поглощенной жидкостью. Такие системы можно считать биконтинуальными, и выделить «поверхность твердой фазы» торфа затруднительно.

При рассмотрении процессов тепломассообмена и структурообразования необходимо учитывать технические, физико-химические и структурные характеристики торфа. Ка основе представлений термодинамики неравновесных процессов и физико-химии торфа его структуру можно рассматривать на нескольких уровнях. Реальные природные материалы представляют собой системы, в которых можно пространственно выделить структуры различных иерархий. Под иерархической системой понимается ансамбль, который состоит га пложенных одна в другую взаимодействующих субедшшц. Для технологических задач структурообразования необходимо рассмотреть объединения макромолекул, начиная с /-того уровня, и не рассматривать взаимодействия более низких уровней — между атомами, составляющими макромолекулы. Элементарной субедшшцей /-того уровня для торфа является ассоциат. Под ассоциатом понимается совокупность («клубок», сгусток) макромолекул различных химических соединений органического вещества торфа. Они являются продуктом различной степени распада растений-торфообразователей и объединены между собой межмолекулярными связями. Ассоциат представляет собой пространственную матрицу проницаемую для ионов и молекул низкомолекулярных жидкостей и состоящую из достаточно большого количества макромолекул. Как отмечалось, ассоциат не имеет поверхности. Но он имеет реальный, видимый электронно-микроскопическим или оптическим методами внешний контур — «границу», отделяющую ассоциат от внешней окружающей среды. Поэтому ассоциат можно выделить в самостоятельную локальную термодинамическую систему, находящуюся в квазиравновесном

состоянии. Для ассодиата применимо понятие условной удельной поверхности, под которой понимается суммарная контрольная поверхность ассо-циатов, отнесенная к единице массы сухого вещества торфа (сапропеля).

Агрегаты — более крупные элементы г + 1 уровня структуры. Пространственная структура агрегатов образуется за счет ван-дер-ваальсовых, гидрофобных взаимодействий и водородных связей между ассоциатами, входящими в эту совокупность. Следующим иерархическим объединением i + 2 уровня является частица торфа. Более крупные / + 3 уровни — фрезерная крошка или куски торфа получаются путем механического воздействия на торфяную залежь и формования торфа. Из частиц торфа образуются иерарх™ более высоких г+п (и =4, 5...) уровней. Примером высших иерархических уровней являются расстил фрезерного и кускового торфа, а также торф в складочных единицах (штабелях). Это также отдельные термодинамические системы, для которых можно с помощью измерительных приборов найти размеры и следовательно определить их контрольные поверхности. Каждый иерархический уровень условно можно выделить в самостоятельную локальную термодинамическую систему, находящуюся в квазиравновесном состоянии, если процессы тепломассопе-реноса в них — малоинтенсивные

Сгруктурообразование представляется как процесс построения равновесных структур при наличии протекающих в них неравновесных процессов тепло- и массоперепоса и физико-химических превращений. Термодинамическая основа структур о о б разо вания торфа как открытой системы состоит в оттоке из нее энтропии в окружающую среду. Движущими силами процесса усадки при сушке является стремление каждого иерархического уровня торфяной системы перейти в новое квазиравновесное состояние. Эти термодинамические силы возникают при изменении во времени энтропии системы. Скорость изменения энтропии системы с1Б/с1х равняется скорости обмена энтропией между системой и окружающей средой ¿й' г /ск плюс скорость возникновения энтропии внутри системы Процесс сопровождается уменьшением общей величины энтропии открытой системы с131с1х < 0 при обязательном условии dSi/ch>0. Суммарная энтропия может уменьшаться только при условии того, что о18 е!сН < 0 и \с18г1с1т\ > (Ж,/Л). Основная причина в «самопроизвольной» потере целостности — неоднозначная релаксация неоднородных элементов структуры торфа по объему материала.

К понятию «энтропия» прибегают тогда, когда приходится иметь дело с взаимодействиями большого множества объектов и невозможно рассмотреть реальный сложный процесс во всех его деталях. Степень упорядоченности системы определяется изменением ее энтропии. Чем больше порядка, тем ниже энтропия, и наоборот чем больше беспорядка в системе,

тем энтропия выше. Если рассматривать дефекты структуры торфа (А.Е. Афанасьев) с позиций термодинамики, то под этим термином следует понимать степень упорядоченности структуры, которая определяется энтропией системы. Материал с большим содержанием дефектов обладает меньшей упорядоченностью, и соответственно у него выше значения внутренней энтропии. Для ее разрушения требуется приложить извне меньшее усилие, так как материал обладает малой прочностью. И, наоборот, торф без дефектов структуры имеет упорядоченное расположение слагающих его компонентов — более низкую энтропию системы и соответственно он имеет большую прочность. Поэтому на его разрушите требуется затратить извне больше энергии.

2.2. Капиллярная и осмотическая влага в образцах торфа малой и средней степени разложения взаимосвязана и находится в термодинамическом равновесии. При изменении химического потенциала пара в макропорах изменяется химический потенциал поглощенной воды в жидкой фазе. Влага из макронор в паровой и жидкой фазах диффундирует в зону испарения и затем в окружающую парогазовую среду. При этом внутри коллоидного капиллярно-пористого тела происходит испарение влаги из толстых пленок и манжетных менисков между частицами торфа. Это приводит к увеличению кривизны капиллярных менисков и соответственно увеличению Латасова давления. Возникающее в пленке, связанной с манжетным мениском, давление передается на частицу и находящуюся в ней внутриклеточную и осмотическую влагу. Последняя «отжимается» в пленку и затем перетекает в манжетный мениск. При этом размер набухших частиц уменьшается, а возникающие сдвиговые усилия их сближают. Следствием этого является уменьшение капиллярного давления, так как радиус мениска возрастает. Сближение частиц возможно до установления между ними непосредственных когезионных контактов. В уплотненном каркасе (матрице) возникает механическое сопротивление, способное «выдержать» капиллярное давление. В этом случае кривизна менисков постепенно возрастает, что вызывает увеличение капиллярных давлений и напряжений в материале. Пленки уже не «подпитываются» осмотической влагой. Они разрываются, а оставшаяся пленочная влага перетекает в манжеты. После удаления в процессе сушки манжетной влаги, происходит испарение оставшейся осмотической и сорбированной влаги в агрегатах и, затем, ассоциатах торфа.

Осмотическая и сорбированная влага находится между звеньями макромолекул, образующими ассоциат. Молекулы воды в нем через водородные связи взаимодействуют между собой и с полярными функциональными группами. По мере удаления осмотической и затем сорбированной влаги макромолекулы в ассоциатах приобретают большую подвижность. Между функциональными группами возникают через посредство молекул

воды или непосредственно межмолекулярные взаимодействия, приводящие к уменьшению расстояния между макромолекулами. Сжатие происходит до установления непосредственных водородных связей между полярными группами. Поперечные «сшивки» .//-связями контактирующих макромолекул обеспечивают большую механическую прочность обезвоживаемой матрицы. Подобный механизм усадки наблюдается в студнях. К ним можно отнести торф высокой дисперсности и органические сапропеля. В капиллярно-пористых телах (например, глинах) имеет место, в основном, капиллярный механизм усадки. В реальных коллоидных капиллярно-пористых телах происходит усадка под влиянием как капиллярных, так и осмотачески-сорбционных (молекулярных) сил. Прочность куска зависит, в основном, от связей между частицами. При приближении влаго-насыщенных частиц (особенно, минеральных) возникают силы оггалкива-ния из-за наличия двойных электрических слоев. Однако при снижении влажности материала роль этих слоев уменьшается, так как противоионы стремятся рекомбинировать с поверхностными коионамн и образуют электронейтральные пары. Ионы обоих знаков в растворе также стремятся создать ионные ассоциаты и затем молекулы.

Максимальная усадка слоев материала — «корка» наблюдается в той части куска, из которой удалена влага, то есть выше зоны испарения. Из-за наличия неравномерного распределения влаги внутри образца усадка по сечению образца происходит с различной интенсивностью. Это приводит к нарушению сплошности, то есть образованию трещин внутри и особенно на поверхности куска торфа. В связи с этим механическая прочность всего куска торфа оказывается меньше, чем отдельных его частей.

Разработана комплексная методика исследования структурообразо-вания и массопереноса в органогенных материалах. Дано описание разработанных устройств измерения капиллярного Рж и внутреннего давлений, а также предельного напряжения сдвига Э и прочности при сжатии (максимальной разрушающей нагрузки) с образцов исследуемых материалов. Характер изменения этих величин подобен, что свидетельствует о их общей причинной связи (рис. 1). При вязкопластичном состоянии торфа (и > 2) наблюдается незначительный рост капиллярного и внутреннего давлений, а также напряжения сдвига в различных слоях материала. На этом этапе создается устойчивая структура — наблюдается увеличение прочности материала.

Интенсивный рост Рк, Рв и 0 происходит при влагосодержании менее 2, что соответствует первому критическому влагосодержанию на кривой интенсивности сушки. На этом этапе сушки увеличиваются силы упругого сопротивления структуры, что подтверждается снижением подвижности частиц, так как возрастают значения сг. В поверхностной зоне куска за-

вершается формирование плотного слоя, затем уплотняются и центральные слои, о чем свидетельствуют показания измерительных устройств в центре куска. На рассматриваемом этапе сушки практически завершается

переход от коагуляционнои структуры к компактно-коагуляционнои

Р.

0,12

01 2 3 и 01 23а

Рис. 1. Графики изменения (в МПа) Рк (1» Г) и Ръ (2, 2'), в (3, 3') у поверхности (1, 2, 3) н в центральной (Г, 2', 3') зоне куска, ст (4), а также интенсивности сушки Iс, кг/(м" н) (5) низинного торфа 11 = 60 % от влагосодержания и *

Между средним капиллярным давлением в кусковом торфе и относительной усадкой наблюдается экспоненциальная зависимость, которая имеет сингулярную точку, соответствующую двум периодам структурообразования кускового торфа (А.Е. Афанасьев). Проведено также сопоставление результатов измере-■ ния Рт, и 0 (рис. 2). Последнее характеризует количество контактов между дисперсными частицами торфа и репером и 0 0 04 "¡^ д соответственно степень связанности са-

мих частиц торфа. С увеличением числа

Рве. 2. Сравнение внутреннего

„„ „ г> ,,,,„ , „„„ ' „. „„..„ контактов возрасгают значения 0 и соот-давления 1 н, МПа и предельного '

напряжения сдвига 0, МПа в цен- ветствеино снижается подвижность самих тральной зоне образцов торфа частиц, их возможность к взаимному пеК = 15 (I); 30 (2); 40 (3); 60 (4) % ремещению. В такой системе должны

О

0,04

* Злеет, и лалее размерность и кг влэги/кг с, в. торфа опускеетс*

возникать большие внутренние нерелаксируемые за время сушки напряжения. Возникающие в скелете напряжения релаксируют при обезвоживании. Длительность релаксации зависит от степени связанности элементов структуры материала и может существенно превышать время сушки. В результате, в материале возникают нерелаксируемые напряжения. Эти напряжения регистрируют датчики внутреннего давления; они показывают реакцию материала на воздействие капиллярно-осмотических сил. Разность между этими величинами — релаксируемые напряжения, за счет которых происходит сдвиг и переупаковка частиц Вследствие уплотнения структуры между частицами возникают когезионные контакты, обеспечивающие прочность куска торфа после сушки.

С целью более детального изучения механизма усадки проведены совместные исследования усадочного и капиллярного давления в процессе сушки торфа и сапропеля. Усадочные нерелаксируемые давления Рус определяли па динамическом контрактометре по методу, разработанному Ы. С. Остриковым с сотрудниками. Значения /\с возрастают на протяжении всего периода обезвоживания материала вплоть до значений равновесного влагосодержания. Максимальное усадочное давление органического сапропеля составило более 9, а торфа— 1,2...2,6 МПа. Процесс усадки происходит по схеме: изменение капиллярного давления —» усадка —> нере-лаксируемое усадочное давление. При сопоставлении величин Рк и Рус условно выделены две зоны (рис. 3). На начальном этапе обезвоживания имеет место усадка вследствие удаления влаги го пространства между частицами (агрегатами) материала. Затем при относительно небольшом изменении капиллярного усадочные давления резко возрастают. На этом этапе под воздействием осмотического давления уменьшают свой объем сами ассоциаты гидрофильных коллоидов органического вещества материала. Минерализованный сапропель ближе по структуре к капиллярно-

Рис. 3. Сопоставление усадочного Рус и капиллярного Рк давлений (МПа) в процессе сушки тонких слоев верхового магеллани-кум R = 35 %, 410 (1) и 485 (1') м2/кг; низинного древесного R - 55 %,So= 500 (2) и 580 (2') м "/кг торфа и органического сапропеля (3)

пористым телам, а органический — к гидрофильным гелям.

2.3. Исследования с образцами торфа и сапропелей различного типа подтвердили справедливость основных положений энергетической теории упрочнения торфа А.Е. Афанасьева. Процесс структурообразования органогенных материалов имеет два периода. В первом — система переходит из жидкой в твердообразиуго условно-пластичную (по И.И. Лиштвану). Второй период характеризует временную стабилизацию коагуляционной структуры, когда система переходит из вязконластичного в твердообразное состояние. При формовочном влагосодгржании торфяные куски представляют собой структурированные системы преимущественно с коагуляцион-пым типом контактов и широким спектром энергии связи между частицами. В области влагоссдержаний и с, которое соответствует переходу торфяной системы из первого во второй период структурообразования, отмечается скачкообразное увеличение энергии активации процесса разрушения (рис. 4). Переход структуры сапропеля и торфа различных типов, зольности и степени дисперсности на новый энергетический уровень при обезвоживании подчиняется одним и тем же физическим закономерностям.

Отклонение от линейности зависимости 1пст=/(и) обусловлено непостоянством величины энергии активации

верхового пушнцево- сфагнового (3) торфа процесса разрушения орга-И = 30 % тгогенных материалов из-за

постепенного роста связей между частицами структуры в процессе сутки.

2.4. Прочность торфа зависит от ряда факторов, которые можно разделить на две группы: технологические (размер куска, режим сушки, дисперсность) и природные (вид и тип торфа, степень его разложения, кислотность). Многообразие действующих факторов во многих случаях столь значительно влияют на результаты экспериментов, что любая их интерпретация становится недостаточно надежной. Характеризовать прочность торфа необходимо, наряду с влагосодержанисм, объемной массой или ко-

Рис. 4. Изменение энергии активации процесса разрушения Е, кДж/шоль при сушке органического сапропеля (1); низинного осокового (2) и

эффициенгом пористости, а также другими параметрами структуры (А.Е. Афанасьев, С. С. Корчунов),

Предложена модель взаимодействия между частицами дисперсного материал, имеющего коагуляционные контакты. Природа этих контактов может быть различной. В торфяных системах между ассоциатами и более крупными образованиями проявляются ионные, водородные связи и ван-дер-ваальсовые силы.

Разрушение многих материалов при одноосном сжатии происходит в плоскости сдвига, проходящей под острым углом к оси образца, что свидетельствует о разрыве в этом сечении когезионных связей между частицами в направлении трех декартовых координат. Исследуемый материал представляется как совокупность монодисперсных частиц, связанных между собой не равными в направлении осей координат коагуляционньши силами. Нормальное к плоскости скалывания усилие разрыва межмолекулярных связей, отнесенное к единице поверхности, то есть прочность кускового торфа а (Па) пропорциональна произведению вероятностей разрыва этих связей в направлении осей координат а ~ (аxfx%*)(а>■/>■ Ху Xе*zfzlz), где а, - константы, зависящие от упаковки частиц (структуры материала),/, - силы взаимодействия одного контакта, %/ - количество контактов в направлении осей координат (¿ = х, у, z). Для изотропной среды величины а,/i, х I в направлении осей координат равны, тогда с ~ (а/х)3.

Общее количество контактов, отнесенное к единице поверхности скалывания зависит от числа частиц, а последние, в свою очередь, пропорциональны массе сухого вещества в единице объема влажного материала, то есть % ~ у о ■ Следовательно о ~ у о3 или а1/3 ~ у 0 •

Установлена апостериорная зависимость между кубическим корнем

liiu

3

3

Ii сжатие ст и плотностью

Up

его скелета y о:

из величины прочности кускового торфа на

.1/3

где а и Ь - эмпирические коэффициенты. Характерно, что график зависимости (1) не

Рис. 5. Зависимости изменения прочности а, МПа и влагосодержания и от плотности скелета у». кг/м3 формованного торфа

100 200 300 400 500 Уо

О проходит через начало координат (рис. 5), а пересекает ось абсцисс в точке, соответст-

, вуклцеи плотности

1 А

скелета торфа у0п при

его полной влагоемкостн ип, ниже которой а имеют отрицательные значения. При у о < у о п резко снижаются связи между отдельными элементами структуры торфа. Торф переходит в новое состояние — суспензию, а имеющаяся ранее коагуляционная структура материала разрушается. Происходит «растворение» ассоциатов торфа в достаточно большом количестве воды и р, которое имеет максимальное значение при 7 о —> 0.

При влагосодержании торфа меньше и п С/ о >'/ о „) возникают иерархические структуры. Для разрушения этих структур необходимо прикладывать внешнее усилие. Согласно термодинамическому подходу на разрушение образца затрачивается то количество механической энергии, получаемой извне, которое необходимо для разрыва внутренних связей между элементами структуры различной иерархии.

Уравнение (1) можно переписать в виде

а1/3 = л(То-уоп), (2)

где г) = Л(с1/3 )/Лу о - величина углового коэффициента линейной зависимости <71/3 — /(у о); у о ~ плотность скелета торфа в момент испытаний.

Угловые коэффициенты графикоз ст1/3 = /(уо) постоянны для образцов торфа различных исходных размеров (¿/„= 14, 20, 30, 40, 60 мм), условий сушки и близкой дисперсности (рис. 6), то есть они практически не зависят от технологических факторов. Это позволяет исследовать прочностные свойства материала, зависящие только от совокупности его природных факторов.

С уменьшением влагосодержания увеличивается плотность скелета, происходит увеличение числа частиц торфа в единице объема. Возрастает число контактов и силы взаимодействия между ними. Поэтому для разрушения связей между частицами необходимо затратить большую энергию. Связь между элементами торфяной системы, несмотря на схожесть некоторых природных факторов, предопределяется индивидуальными особенностями торфообра-зователей, их химическим и минеральным составом. При радиацион-но-конвективном («жестком») режиме получают продукцию меньшей прочности, чем при конвективных («мягких») условиях сушки. При «мягком» режиме происходит большая усадка материала. Вследствие этого, большее число частиц

Рис. 6. Влияние режима сушки и размеров образцов на структуроо5разование низинного торфа Д = 20 % и удельной поверхности = 310 (1) н 360 (2) м 2/кг

300 408

торфа в единице объема имеют возможность вступить во взаимодействие между собой и следовательно необходимо приложить большее усилие на разрушение образца. В «жестких» условиях сушки обычно скорость обезвоживания материала превышает темп его усадки. Часть потенциальных коагуляционных связей не могут реализоваться, так Рис. 7. Влияние дисперсности на прочность всрхо- как частицы не успевают вого магелланикум-торфа К = 30 %, 5»= 445 (1), приблизиться на расстоя-530 (Г), 590(1 ")м2/кг и низинного осокового торфа ния, ПОИ которых ВОЗНИ-R = 20 %, So = 380 (2), 510 (2'), 545 (2") м'/кг кают контактные взаимо-

действия. В единице объема материала снижается общее количество связей и, как следствие, уменьшается его прочность.

Более интенсивная переработка, которую получали за счет многократного пропускания торфяной массы через диспергатор, приводит к уменьшению угла наклона графиков (рис. 7). Такая переработка, помимо увеличения потенциальных связей в органогенных материалах, приводит к изменению величины осредненной прочности единичного межмолекулярного контакта. В единице объема изменяются концентрации различных групп высокомолекулярных соединений, которые могут участвовать в образовании новых, более энергетически сильных связей (например, ионных и Я-связен) с макромолекулами, находящимися в соседних частицах. Прочность торфяной системы зависит не только от плотности упаковки частиц, но и от композиционного и группового химического состава слагающих торфа.

В качестве обобщающего критерия оценки качества кускового торфа можно применять показатель т] уравнения (2), который можно считать физико-химическим «паспортом» исследуемого материала. Зависимость °"3-/(Уо) определяет потенциальную возможность упрочнения торфа при его усадке. Приведены рекомендации по практическому применению результатов исследований для выбора первоначального участка добычи формованного торфа, где можно будет получать более качественную, чем на других, продукцию.

Закономерности процессов структурообразованхм при обезвоживании сапропелей изучены недостаточно полно. Априори предполагалось, что они протекают так же как и в торфе. Для органоминералышх дисперсий погребенного под слоем торфяной залежи сапропеля зависимость (1) имеет иной вид, чем для торфа. Вначале при низких значениях плотности наблюдается линейная зависимость между с1/3 и у 0, а с ее ростом — при небольшом изменении плотности прочность нелинейно возрастает. Прямолинейный участок зависимости а1/3 = /(у а) для сапропеля соответствует упрочнению сапропеля за счет его органического вещества, а криволинейный участок — минеральных компонентов. Из-за своего пограничного положения погребенные сапропели имеют физико-химические свойства, которые характерны как для торфяных залежей, так и минеральных подстилающих грунтов.

3. Перенос влаги в органогенных материалах

3.1. Структурообразованис органогенных материалов неразрывно связано с процессами переноса влаги. Их интенсивность во многом зависит от массообменных свойств материала, количественной мерой которых являются соответствующие массообменные характеристики. Из анализа исследований следует, что коэффициент массоемкости с т монотонно снижается с уменьшением влагосодержания, а коэффициенты влагопроводно-сти к т и диффузии ат имеют максимумы в области высоких и низких вла-госодержаний, соответствующие каждому из периодов структурообразова-ния формованных органогенных материатов (рис. 8).

Сщ-КГ5, с2/м2 (3) от и низинного осокового торфа К 30 % (а) и органического сапропеля Ас= 17 % ф)

Первый максимум при больших значениях влагосодержания связан с интенсивным капиллярно-пленочным переносом воды, которая «подпитывается» внутриклеточной и частично осмотической влагой. Этот процесс снижается с уменьшением влагосодержания. Происходит постепенное удаление межассоциатной влаги в макропорах. При влагосодержа-нии и < 2 наблюдается резкое возрастание внутреннего давления внутри образцов вследствие образования контактов между частицами. Наблюдаемая при этом усадка происходит за счет отжатая и испарения осмотической влаги непосредственно из гелеобразных ассоциатов торфа. Отжатая влага приводит к значительному увеличению капиллярно-пленочной влаги вокруг и между частицами торфа и сапропеля, что резко увеличивает мас-сонеренос внутри формованной продукции. Однако образование по мере удаления влаги прочного каркаса внутри ассоциатов приводит к смене механизма сушки. Из каждого ассоциата происходит удаление осмотической и сорбированной влаги. Они становятся как бы индивидуальными объектами сушки. «Подпитка» пленок и манжетных менисков постепенно снижается. Пленки разрываются и затем удаляется манжетная влага. Это приводит при u < 1 к снижению интенсивности испарения и массопереноса внутри кусков торфа. •

Коэффициенты влагопроводности, удельной массоемкости зависят не только от влагосодержания, но и от структуры органогенного материала и температуры опыта. Отметим некоторые общие зависимости коэффициентов от этих факторов: коэффициент диффузии влаги зависит от влагосодержания, типа торфа, дисперсности и температуры, увеличиваясь с возрастанием последней; коэффициент влагопроводности имеет тенденцию к снижению с уменьшением влагосодержания или увеличением температуры, с увеличением переработки торфа значения при одинаковых влаго-содержаниях уменьшаются; удельная массоемкость значительно снижается с уменьшением влагосодержания, увеличение дисперсности в диапазоне влагосодержаний 2...4 не приводит к заметным изменениям удельной массоемкости как для низинного, так и для верхового торфа, удельная массоемкость зависит от температуры, уменьшаясь с ее увеличением.

3.2. Рассмотрена структурная модель для ограниченно набухающих природных органогенных материалов. Постулируется, что вся влага внутри ассоциатов торфа — осмотически связанная. Капиллярная влага наблюдается при p!ps> 0,97. Она конденсируется в макропорах между агрегатами частиц, состоящими из крупных ассоциатов и растительных остатков. Во влагонасыщенном каркасе капиллярное и гидростатическое давление воспринимает, в основном, внутриассоциатная влага. Без воды матрица, состоящая из слабосвязанных макромолекул, не может «выдержать» капиллярное давление. Каркас деформируется. Только в процессе усадки при

влагосодержании, меньшем 2, частицы торфа воспринимают осмотическо-капиллярное давление.

Сорбция молекул воды природными органогенными и многими другими материалами происходит преимущественно на специфических центрах сорбции — полярных функциональных группах (ФГ). При малых влажностях вокруг ФГ сорбента {ОН, СООН и др.) образуются гидраттше оболочки. С последующим увеличением количества сорбированного вещества молекулы воды непосредственно не взаимодействуют с первичными центрами сорбции органического материала, а образуют связи с уже сорбированными молекулами, а также между собой в «зазорах» между первичными гидратными оболочками и с вновь появляющимися при набухании сорбента свободными активными группами гидрофильного соединения.

Причиной ограниченного набухания является равенство осмотического давления упругим силам, возникающим в матрице органогенных материалов. Набухание прекращается, если уменьшение энтропии из-за снижения деформационной подвижности элементов матрицы становится равным увеличению энтропии в результате смешения поглощенных молекул растворителя со звеньями макромолекул.

Проведен анализ процессов набухания и контракции различных материалов. При увлажнении или сушке эти материалы существенно изменяют свою структуру. Это осложняет механизмы внутреннего тепломассо-переноса в набухающих материалах по отношению к модельным капиллярно-пористым телам. В процессе набухания (усадки) изменяются энергия связи влаги с материалом, его реологические п прочностные характеристики, а также коэффициенты переноса тепла и влаги, что затрудняет математическое 01шсание этих процессов в таких средах. Существенное влияние на изменение структуры исследуемого материала оказывают необратимые процессы, протекающие в торфе на всем протяжении его сушки. Высказанные умозаключения вытекают из многочисленных опытов.

3.3. Для целей оперативного управления и интенсификации процессов сушки на отдельных участках добычи торфа необходимо иметь простые методы расчета времени сушки торфяной продукции. Рассмотрены три задачи сушки слоя фрезерного и гранулированного торфа: 1) на очень влажной залежи, 2) без влагообмена с подстилом и 3) при наличии влаго-обмена с 1рунтом. Приведен аналитический анализ полученных решений, на основе которого предложен инженерный метод расчета полевой сушки торфяной продукции. _

Среднее влагосодержание и к (Л после интегрирования уравнения переноса влаги для полубесконечной среды по толщине слоя к находится из выражения

t2erfcZ= 0,25{l-[u0 -uc(l) ]?c/(/•*)}. (3)

где u о - начальное влагосодержание слоя торфа; i - интенсивность влаго-переноса, которая приравнивается к испаряемости с поверхности испарителя; t - общее время сушки; Р с - удельная загрузка поля сушки по сухому веществу. Значения аргумента Z = h/[2(a-t)1/2 ] функции i 2erfc Z находится из графиков (рис. 9), а коэффициент диффузии определяется из соотношения

a = h2/(4Z2t). (4)

На основе этой схемы были рассчитаны коэффициенты диффузии а по экспериментальным кривым (Т.В. Алехина, В.Я. Антонов, А.Е. Афанасьев, U.M. Малков, Ф.Ф. Пятков, В.И. Смирнов и др., более пятидесяти наблюдений) нолевой сушки торфяной продукции на основе торфа верхового и низинного типа степени разложения 15...45 % для h= 1,5...5 см и ¿=0,2...0,6 кг/(м2-ч). Результаты расчетов представлены в виде зависимости а, (м2/ч) от комплекса переменных I=i-h2/Pc (и о- ик):

а = 1,6/-5-Ю'5. (5)

На основе уравнения (3) можно рассчитать конечное влагосодержание

где \y(Z) = (1 - 4-i2erfcZ), сp(Z) = \\i(Z )!Z. Первое соотношение можно принять для расчетов начальной толщины слоя торфяной продукции h, который может быть высушен до среднего конечного влагосо-держания ик за время t, а второе равенство в случае, когда необходимо определить время t при заданной толщине слоя И. Для этого но уравнению (6) определяют функции \j/(Z) или ф(Z). Соответственно по графикам (рис. 9) находят Z и по уравнению (5) при известном значении а рассчиты-

Рис. 9. Графики зависимости изменений функций: 1 - izerfc (Z); 2 - (Z); 3 - <p(Z)

вают искомые величины к или I.

3.4. В технологиях торфяного и сапропелевого производства для обоснования сроков начала добычи сырья необходимы методы прогнозирования оттаивания торфа и сапропеля после зимнего промораживания. Имеются трудности при математическом описании криогенной миграции влаги в органогенных материалах, связанные с неоднозначным влиянием изменяющейся в процессе оттаивания (промерзания) структуры.

Приведены решения задач оттаивания (промерзания) при граничных условиях первого, второго и третьего рода для слоев материала конечной толщины. Предварительно методом конечных интегральных преобразований показано, что решения задач при указанных граничных условиях с неподвижными и подвижными интервалами аналогичны. Для получения решения с подвижными границами слоя необходимо в соответствующей задаче с постоянным интернатом характерный размер / (толщина, радиус тела) заменить на постоянный для конкретного времени т * отрезок 72 (т*)-у 1 (т *). Если функции изменения во времени границ перемещения у 5 (х) и уг(т) известны, то они могут быть рассчитаны для любого значения т = т*. Затем находятся интервалы >2(О-.У )> а также числа Фурье, Кирпи-чева, Био, в которых размер I заменят на эти интервалы. Получено согласие расчетных н известных экспериментальных распределений температуры и влагосодержания в слоях органогенных материалов в процессе оттаивания (промерзания). Для расчетов применяли коэффициенты переноса, которые находили из осреднешшх по толщине слоя значений температуры Г или влагосодержания и.

4. Разработка и совершенствование технологий добычи, переработки и использования торфа

Рассмотренные выше представления об изменениях структуры и свойств торфа в процессе тепломассопереноса положены в основу совершенствования известных и созданию новых технологических процессов его добычи, переработки и использования.

4.1. В технологических процессах производства различных видов продукции из торфа важная роль принадлежит его дисперсности. Известные методы и приборы для определения дисперсности торфа характеризуются сложностью аппаратурного оформления и длительностью. Для определения структурно-механических характеристик кускового торфа как в вязкопластичном и в твердом состояниях был спроектирован и изготовлен пенетрометр ПАГ-2. Оценку переработки торфа проводили по изменению величины предельного напряжения сдвига 0. Получены результаты изменений предельного напряжения сдвига поверхностного слоя сформованного куска 0,г и его центральной зоны 6 ц.

Дефекты структуры торфа, возникающие при формовании, остаются

в сформованных кусках. Это предопределяет отсутствие межмолекулярных контактов между отдельными элементами структуры торфяной продукции, что отражается на конечной прочности формованного торфа. С помощью показателя Л0 = ЭП- 8Д можно контролировать качество кускового торфа на этапе его формования.

Для исследования прочностных характеристик кускового торфа в процессе структурообразования в пенетрометре устанавливали цилиндрический щуп. Получены логарифмические зависимости между прочностью поверхностного слоя и средним влагосодержанием формованного торфа (рис. 10). Разработан способ определения его влагосодержаггая в процессе сушки [45].

Рис. 10. Зависимость прочности поверхностного слоя а„, МЦа формованного торфа от и: кусковой торф: 1 - древесный В. = 50 %; 2 - осоково-гипновый Л = 25 %; гранулированный торф: 3 - пушицево-сфагаовый II = 20 %; 4 - осоковый И. = 40% Рис. 11. Изменение предельного напряжения сдвига 0, к11а от 5», м2/кг верхового магелланикум торфа Я =20 %, при различных значениях влагосодержаиия формования и = 3,5 (1); 3,9 (2); 4,6 (3); 5,7 (4)

Анализ исследований показал, что 9 в основном зависит от 5 о и и (рис. 11). Получены уравнения, связывающие 8 (кПа) с и и 50 (м2/кг). Зависимости 5'0= /(б, и) имеют вид:

для верхового торфа 5о= 100 (9 - 2-1п0 - 0,1-и) ± 5, для низинного торфа 5о= Ю0-(15 - 1,5-1в0 - 2-й) ± 5 , при изменении и от 3,5 до 5,7; 0 от 2,04 до 10,7 кПа. На основе полученных уравнении разработан метод оперативного контроля условной удельной поверхности (дисперсности) формованной торфяной продукции. Он заключается в дефиниции 9 образца формованного торфа с помощью пенетрометра ПАГ-2 с последующим определением его влагосодержаиия

Ы

1,5 2 2,5 3 3.5 и

350 450 500

(стандартными методами) и расчетом дисперсности по полученным уравнениям.

Предложенный способ позволяет достаточно легко и оперативно контролировать дисперсность при производстве формованной продукции из торфа и соответственно изменять физико-технические свойства готовой продукции за счет переналадки перерабатывающего оборудования. На способ получено положительное решение о выдачи патента РФ на изобретение по заявке № 96103677/03 «Способ определения дисперсности формованного торфа» (Соав. М.А. Большаков, О.С. Мисников, О.В. Пухова).

4.2. Формование торфа проводили на тарельчатом грануляторе диаметром один метр (рис. 12). В зависимости от влаги торфа (которую изменяли в пределах 75...82 %), степени измельченности его частиц после переработки, а также параметров работы агрегата (числа оборотов, угла наклона тарели и высоты ее борта) были получены шарообразные гранулы диаметром от 3 до 25 мм. Эксперименты проводили с верховым и низинным торфом степенью разложения от 10 до 55 %.

Отличительной особенностью этого вида гранулирования является простота конструкции гранулятора и возможность получения формованного материала практически одного размера. Окатанный торф имеет насыпную массу в 1,5... 1,75 раза выше, чем фрезерный, хорошую сыпучесть и низкую пылеватость. Установлено, что при одной и той же загрузке поля сушки по сухому веществу интенсивность обезвоживания слоя гранул выше интенсивности испарения влаги из расстила фрезерного торфа в 1,6 раза. Водопогло-щаемость сухих гранул в 2,2 раза ниже, чем фрезерного торфа одинаковой влаги. Таким образом, производство гранулированного торфа позволяет сократить площади полей добычи, снизить потери от неблагоприятных погодных условий и

4.3. Разработан технологический процесс по производству гранулированной торфяной продукции в заводских условиях, основные элементы которого были апробированы при опытно-промышлеиных испытаниях.

Рис. 12, Схема тарельчатого гранулятора: 1 - станина; 2 - тарель; 3,4- борт и дно тарели; 5 - зажимы; 6 - приводной вал; 7 - двигатель; 8 - рама; 9 - редуктор; 10 - опорный узел; 11 - ходовой винт, 12 - шарнирная опора; 13, 14 - ременная и зубчатая передачи

уменьшить транспортные расходы.

Установлено, что приготовление 1ранул в заводских условиях позволит: 1) сократить механические потери при погрузочно-разгрузочных операциях и транспортировке; 2) более экономично использовать складские помещения и тару; 3) повысить эффективность применения транспортных средств; 4) комплексно механизировать и автоматизировать процессы погрузки и разгрузки, в результате этого можно сократить трудозатраты.

Гибкость разработанного технологического процесса обусловлена тем, что при сравнительно простой переналадке оборудования можно получать различные виды продукции в зависимости от спроса потребителей. Основные направления использования гранулировашюй продукции на основе торфа можно подразделить на четыре группы: 1) энергетическое — коммунально-бытовое топливо, сырье для брикетирования; 2) природоохранное — сорбенты, фильтры; 3) сельскохозяйственное — торфомине-ральные удобрения, субстраты для выращивания рассады; 4) в строительстве — теплоизоляционная засыпка, заполнитель бетона.

Получен экспериментальный образец торфяных гранулированных субстратов (ТГС), состоящий из частиц сферической формы размером от 3 до 10 мм. Он включает в себя оптимальное соотношение торфа, извести, азотных, фосфорных и калийных удобрений, а также полный комплекс микроэлементов. Анализ результатов показал, что интенсивность роста растений увеличивается в 2,5...3 раза по сравнению с рассадой, выращенной на стандартном питательном субстрате того же состава на основе фрезерного торфа.

Проведенные опытно-промышленные испытания элементов технологического процесса производства гранулированных торфоминеральных удобрений показали, что гранулы хорошо сохраняются, не отсыревают и их легко вносить в почву. При внесении гранул в почву вместе с семенами они способствуют разрыхлению грунта и способствуют достижению более высокого коэффициента использования элементов минерального питания в пределах 85...95 %, поэтому получается более экологически безопасное производство сельскохозяйственной продукции.

Фрезерный торф не находит широкого использования в качестве сорбционного материала вследствие ряда негативных явлений, обнаружишь« в процессе его применения. К ним следует отнести недостаточную проницаемость, что значительно ухудшает гидравлические характеристики фильтрующей загрузки и вынос в процессе фильтрации частиц торфа. Эти недостатки фрезерного торфа успешно устраняются при грануляции торфа. Испытания окатышей в качестве сорбента в экспериментальной установке по очистке сточных вод показало удовлетворительные результаты. Установлено, что два кубических метра гранул в фильтрационной колонне поглотили около 370 кг нефтепродуктов. Наиболее эффективно использовать торфяные гранулы в статических условиях для локализации и устра-

пения разливов нефтепродуктов на поверхности земли и на воде. Разработан способ производства сорбента нефтепродуктов на основе гранулированного торфа. Сорбент представляет собой гранулы, которые впитывают жидкость и не тонут в воде, пе слёживаются и могут сохранять свои свойства длительное время. Основой технологии является управление физико-химическими процессами в торфяном сырье за счет внесения природных неорганических добавок.

4.4. В связи с повышением стоимости энергоресурсов требуется эксплуатации всех видов и запасов местного энергетического сырья. Особенно эта проблема актуальна в сельской местности и районах, удаленных от основных трасс подачи газа и нефти. Эта задача может быть решена с возрождением направления: использование торфа в качестве местного источника топлива. В качестве котельно-печного топлива, как правило, применяется кусковой торф и торфяные брикеты. Фрезерный торф непригоден для использования населением в качестве бытового топлива, так как требует для своего сжигания специального оборудования.

Разработан новый способ подготовки фрезерного торфа для брикетирования. Получено положительное решение о выдачи патента РФ на изобретение по заявке № 96113711/03 «Способ подготовки торфа для брикетирования» (Соав. Т.В. Ачехииа). Суть разработанного способа заключается в том, что фрезерный торф окатывают в полевых условиях в гранулы размером до 10 мм. Затраты на грануляцию и другие дополнительные заводские технологические операции окупаются снижением транспортных расходов по доставке сырья к месту брикетирования и повышением производительности прессов из-за увеличышя насыпной плотности торфа.

Шарообразные гранулы являются весьма перспективным видом коммунально-бытового топлива, так как их небольшие и стабильные размеры позволяют механизировать подачу и стабилизировать процесс сжигания, что приводит к повышению эффективности отопительных устройств и к значительной экономии топлива. Для слоевого сжигания оптимальными являются куски величиной 20...30 мм, при которых обеспечивается устойчивое залегание частиц в слое и довольно развитая поверхность реагирования.

Разработан способ производства гранулированного торфа для коммунально-бытовых целей [52], который позволяет уменьшить или полностью устранить ряд недостатков, сопутствующих известным способам добычи торфяного топлива. Один из них — отказ от формования торфа методом экструзии, позволяет снизить энергоемкость процесса производства и использовать способ на залежах средней степени разложения.

Для реализации разработашюго способа предложена машина [47].Одним из преимуществ в изготовлении данного устройства является то, что для нее можно использовать некоторые узлы и агрегаты промыш-

о п ои

ленных торфяных машин. Масса машины составляет 6 т, а расчетная производительность — 3,2 т/ч. Разработанный способ производства и машина для его реализации позволяет получить кондиционную, готовую к реализации продукцию — топливные торфяные гранулы.

Приедены расчеты по определению химической эксергии торфяного топлива (рис. 13). Химическая эксергия торфа характеризует минимальную термодинамическую работу, которая может быть получена при ис-пользовашш данного природного топлива при его взаимодействии с окружающей средой. Неизбежная собственная потеря эксергии при горении в топке для некоторых видов торфа превышает 10 %. Полученные значения эксергии торфа использованы для термодинамического исследования совершенства технических средств и процессов сжигания этого вида коммунально-бытового топлива.

же ния И, % верхового (1), низинного (2) и переходного (3) типа

Рис. 14. Схема топочного устройства: 1 -золыпща; 2 - устройство для регулирования подачи воздуха; 3 - колебательное приспособление; 4 - двухуровневая колосниковая решетка; 5 - топочная камера; 6 - устройство для регулирования подачи топлива; 7 - загрузочный бункер; 8 - верхнее полотно колосниковой решетки; 9 - зона выделения летучих веществ из торфа; 10 - зона сгорания летучих компонентов из топлива и шлака; 11 - зона дожита; 12 - нижнее полотно колосниковой решетки

Основными недостатками торфа как бытового топлива являются низкая тепловая мощность колосниковой решетки при его сжигании в слое, высокие теплопотери от химического недожога, спекание шлама, сложность регулирования подачи воздуха ко всем зонам топочного слоя при различной влажности топлива, а также высокие материале»- и металлоемкость топочных устройств. Поэтому для более эффективного использования гранулированного торфа в качестве топлива разработано специальное топочное устройство (рис. 14) [48]. При испытании установки по-

лучено, что она значительно улучшает энергетические показатели выработки тема и удовлетворяет экологическим требованиям. Топка предназначена для применения н коммунальном хозяйстве.

5. Использование торфа для производства строительных материалов

5.1. Существует много видов пористых заполнителей и способов их производства: керамзит, аглогюрит, полые заполнители и т. п. В основном такое многообразие обусловлено применяемыми для их изготовления сырьем. Представляет интерес расширить существующий ассортимент традиционных заполнителей, применяемых для изготовления легких бетонов за счет новых технологий и материалов, имеющих надежную сырьевую базу. Территориальное расположение предприятий по добыче торфа, а также специфика сырьевой базы диктуют свои условия на спрос продукции на его основе. Возможности расширения ассортимента этой продукции сдерживаются из-за отсутствия современных технологических процессов и оборудования. Кроме того, рациональное использование торфяного месторождения требует максимально возможного извлечения полезных ископаемых на ранее освоенных площадях. Часто торфяные месторождения подстилают четвертичные суглинки, озерно-болотные глины и сапропель, которые после сработай залежи остаются практически нетронутыми. Глубина их залегания достигает нескольких метров, но спрос на данные виды сырья весьма ограничен. Добыча этих полезных ископаемых возможна только путем получения новых видов продукции на их основе. Одним из возможных решений рассмотренных выше проблем является разработка технологий по изготовлению заполнителей для строительных материалов с использованием торфа и погребенного глинистого сырья.

5.2. Автором разработан новый способ изготовления заполнителя [50]. Суть данного способа заключается в следующем. Из торфа, методом окатывания на тарельчатом грапуляторе, изготавливают шарообразные частицы (ядра). Смачивают их поверхность суспензией глинистого материала, высушивают и обжигают. В процессе высокотемпературной обработки торфяное ядро выгорает, а минеральное покрытие спекается, образуя полую гранулу заполнителя.

Получены образцы искусственного полого заполнителя (таблица), основные характеристики которого удовлетворяют требованиям, регламентированным ГОСТ на заполнители для легких бетонов. Они обладают сравнительно низкой насыпной плотностью, правильной формой и достаточной прочностью для изготовления на их основе конструкционных и конструкционно-теплоизоляционных материалов.

Предполагаемая схема технологического процесса состоит из следующих операций: добыча торфа, его переработка, окатывание торфа на

грануляторе тарельчатого типа, искусственная подсушка окатышей, добыча минерального сырья, приготовление на его основе шликера, нанесение минерального покрытия на торфяные ядра, сушку композиционных гранул, обжиг зерен заполнителя, их охлаждение и складирование.

Основные характеристики искусственного полого заполнителя

Свойства пустотелого заполнителя Вид покрытия гранул

сапропель суглинок глина

Средний размер гранул, мм 18,5 15,1 14,0

Насыпная хлоткоэтгь, хг/м3 390 405 420

Коэффициент формы зерен 1,04 1,03 1,01

Прочность, МПа 0,9 1,1 1,1

Водопоглощение, % 20 2 1,3

Теплопроводность, Вт/(мК) 0,23 0,19 0,17

сапропель

вода

Проведенные исследования позволили наметить перспективный путь по расширению ассортимента выпускаемой торфяными предприятиями продукции за счет ранее ие добываемых видов полезных ископаемых торфяных месторождений. Разработанные основы технологического процесса производства пустотелого заполнителя позволяют организовать производство легких пористых заполнителей практически в любом регионе страны,

где ведется добыча торфа.

5.3. Задача по повышению надежности и производительности добычи минерализованного сырья, которое залегает под слоем торфяной залежи, до настоящего времени не была решена. Разработан новый способ добычи минерализованного сырья, залегающего под слоем торфяной залежи [51] Предлагаемый способ сравнительно прост в осуществлении и может быть реализован на торфопредприягиях с использованием существующего на них оборудования.

Одним из этапов технологического процесса изготовления пустотелого заполнителя является приготовление шликера из сапропеля. Спроектирована и изготовлена опытная установ-

„ ка (рис. 15) но приготовлению шликера минера-

Рис. 15. Принципиальная _

схема смесителя для при- ™зованного сырья. Проведены результаты ее готовления шликера: 1 - испытания и предложены рекомендации при сливной люк; 2 - нижние создании промышленной установки по приго-яопатки; 3 - резервуар; 4 - товлению минерального покрытия на основе вал, 5 - промежуточные ло- глинистого сапропеля, пасти, б - стойки; 7 - верхние лопасти; В - крышка

Разработана и изготовлена специальная установка (рис. 16) по нанесению минерального покрытия на торфяные ядра [49]. Испытания установки показали, что принятое техническое решение работоспособно и отвечает требованиям, обусловленным при проектировании.

При проведении анализа термических операций технологического процесса производства пустотелого заполнителя установлено, что наиболее целесообразно проводить обжиг гранул заполнителя при температуре 900... 1000 °С в течение пяти минут. Чтобы предотвратить образование трещин следует постепенно снижать температуру в слое зерен холодным воздухом в два этапа: в первые десять минут с 1000

до 800 °С, в следующие пять

влажный газу 12

14 13 12 11 Рис. 16. Схема установки по изготовлению композиционных гранул: 1 - барабан, 2 - сетчатые лопасти, 3 - венец, 4 - полотно виброконвейера, 5 и 6 - передняя и задняя шарнирные стойки, 7 - камера предварительной подсушки, 8 - опорное устройство, 9 - электродвигатель вибратора, 10 - сборник излишков покрытия, 11 - шестерня привода, 12 - электродвигатель, 13 - роликовые опоры, 14 - рама

окатыши торфа

Т~ 14

суше гранулы

сушильный агент1

Рис. 17. Схема ленточной сушилки для гранулированного торфа: 1 - камера, 2 и 3 - верхний и нижний транспортеры, 4 - сетчатые рамки, 5 - система подвода сушильного агента, 6 - га-зопаправлшощие, 7 - газоотводящий короб, 8 и зования

минут — с 800 до 200 °С.

Перед нанесением покрытия на гранулы их необходимо иодсушить до критического влагосодержания. Све-жесформованные ядра находятся в вязкопластичпом состоянии, поэтому применение известных сушильных агрегатов ведет к их деформации и разрушению. Для подсушки торфяных ядер разработана экономичная сушильная установка (рис. 17) конвейерного типа [46].

5.4. Масштабы исполь-строителышх конст-

9 - загрузочное и разгрузочное устройства, 10 -направляющие, 11 - направляющая, 12 и 13 - отражательный и разделительный щиты

рукций из легких бетонов расширяются, в связи с этим нужны новые в'лдн дешевых

заполнителей. Основные характеристики пустотелых заполнителей могут быть улучшены при нахождении оптимального размера гранул, толщины минеральной оболочки и режима обжига. Представлены результаты по изготовлению образцов легких бетонов на основе пустотелого заполнителя, торфяной золы и цемента и их исш-гганиям. Определены оптимальные составы бетонных смесей и эффективных технологий его изготовления при получении марочной прочности.

Разработана новая технология производства многопустотного материала — пеяовака, являющегося разновидностью пенобетопов, на способ изготовления которого получено положительное решение о выдачи патента РФ на изобретение по заявке № 97122173 «Способ получения многопустотного материала «Пеновак» (Соав. В.В. Белов). Пеновак — легкий бетон с достаточно высокими характеристиками по водо-, паро-, газонепроницаемости и морозостойкости, которые соответствуют современным требованиям ГОСТ для строительных материалов. Высокая эффективность нового теплоизоляционного и стенового материала достигается за счет сочетания в его структуре крупных замкнутых шарообразных пустот, образуемых гранулами пустотелого заполнителя, и мелкопористых прослоек цементного камня. Технология производства пеновака позволяет выполнять распалубку форм и съем изделий через 24 часа твердения и гарантирует изготовление строительного материала плотностью 550...800 кг/м3 и прочностью 1. ..3,5 МПа.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных комплексных теоретических и экспериментальных исследований решена важная научно-техническая проблема, обусловленная современными требованиями к технологии торфяного производства, сущность которой состоит в обобщении и развитии физико-химических основ производства формованной продукции из торфа и сапропеля, обеспечивающих совершенствование и создание новых ресурсосберегающих технологических процессов их добычи, переработки и использования. По результатам исследований сделаны следующие выводы:

1. Предложена иерархическая модель структуры торфяной системы, представляющая собой ансамбль, состоящий из вложенных одна в другую взаимодействующих субединид. Прочность торфа зависит от степени «организации», количества и качества связей между частицами, агрегатами, ассоциатами, из которых он состоит. Подразделяя весь процесс струк-турообразовання на неравновесный, связанный с производством энтропии, и равновесный, для которого производство энтропии стремиться к нулю принято: структурообразование представляет собой процесс построения равновесных структур при наличии протекающих в них неравновесных процессов тепло- и массопереноса и физико-химических превращений;

термодинамическая основа струкгурообразования органогенных материалов как открытых систем состоит в оттоке из них энтропии в окружающую среду; движущими силами процесса усадки при сушке является стремление каждого иерархического уровня торфяной системы перейти в новое более упорядоченное квазиравновесное состояние.

2. Разработана аппаратура и методики изучения процессов тепло-массопереноса и струкгурообразования при сушке органогенных материалов, что позволило исследовать изменения и соотношения внутренних сил ори сушке торфа и сапропглей. В результате обобщения комплексных исследований установлено, что причиной возникновения внутренних и усадочных давлений являются капиллярно-осмотические силы. Капиллярное давление передается скелету торфа и поглощенной частицами материала осмотической влаге, что приводит к сдвигу, деформации его частиц и релаксации напряжений. Длительность релаксации зависит от степени связанности элементов структуры материала и может существенно превышать время сушки, следствием чего являются нерелаксируемые напряжения.

3. На основе проведенных исследований подтверждено для торфа и установлено для сапропеля два периода струкгурообразования, которые обусловлены превалирующим действием вначале ван-дер-ваальсовых сил, а затем образованием водородных межмолекулярных связей. На границе периодов струкгурообразоваштя происходит «скачкообразное» увеличение энергии активации Е процесса разрушения на величину АЕ. Значения Е и АЕ растут с увеличением содержания органического вещества торфа и са-пропелей и предопределяют большие значения прочностных показателей за счет проявления водородных связей. Повышение температуры сушки органогенных материалов приводит к росту объемно-напряженного состояния и, вследствие этого, к понижению прочности из-за уменьшения числа взаимодействий между частицами и ростом энтропии системы.

4. Предложена модель взаимодействия между частицами дисперсного материала с коагуляционными контактами. Установлена зависимость между кубическим корнем из прочности кускового торфа на сжатие и плотностью его скелета. На величину углового коэффициента этой зависимости практически не оказывает влияние изменение технологических факторов (режим сушки, размер образца и его дисперсность), что позволяет использовать его в качестве комплексного критерия оценки физико-химических свойств формованной продукции, зависящей только от природных факторов (типа и вида торфа, степени разложения и кислотности). На разрушение образца затрачивается то количество механической энергии, получаемой системой извне, которое необходимо для разрыва внутренних, наиболее слабых энергетических связей между элементами ее структуры различной иерархии. Из-за своего пограничного положения по-

гребенные сапропеля имеют физико-химические свойства, которые характерны как для торфяных залежей, так и подстилающих грунтов.

5. Разработанный экспериментальный метод определения коэффициентов массопереноса в органогенных материалах, позволил получить новые данные об их числешшх значениях и характере изменения, которые определяются формами связи влаги с материалом и фазовым составом влагопереноса. Каждый из периодов стр уктур о о бр аз ов ания торфа и органического сапропеля характеризуется особенностями структуры и соответственно своими значениями коэффициентов массопереноса (по максимуму в каждом из периодов структурообразования), что указывает на сложную взаимосвязь процессов массопереноса и структурообразования при сушке формованных образцов органогенных материалов.

6. Установлено, что ограниченно набухающие природные органогенные материалы имеют свои особенности механизмов сорбции и десорбции, гистерезиса, контракции (усадки) и набухания. По результатам проведенного расчета изменения энтальпии и энтропии моля сорбированной воды торфом сделана оценка давления набухания, которое может достигать значений десятков и сотен атмосфер. На основе структурной модели низших иерархических уровней и анализа полученных результатов установлено, что вся влага внутри ассодиатов торфа — осмотически связанная, что необходимо учитывать при анализе процессов структурообразования формованных органосодержащих материалов при сушке, которая необратимо изменяет их структуру во всем периоде обезвоживания.

7. Проведенные аналитические исследования процессов сушки и оттаивания органогенных материалов показали, что для их практической реализации следует использовать сравнительно простые расчетные уравнения. Предложенные инженерные методы расчета продолжительности полевой сушки торфяной продукции, а также глубины оттай пани (промерзания) торфяной залежи можно использовать для оперативного управления этими процессами.

8. Для решения ряда технологических задач разработаны методы оперативного контроля качества формованной торфяной продукции на основе определения величины предельного напряжения сдвига материала и установлено, что первоначальные дефекты структуры торфа, возникающие при формовании, могут сохраняться и в процессе дальнейшей сушки. Разработаны новые способы определения дисперсности и влагосодержания в процессе сушки формованной торфяной продукции.

9. В результате обобщения теоретических и экспериментальных исследований о структуре и свойствах торфа разработаны новые и усовершенствованы известные способы его добычи, переработки и использования. Определены перспективные пути применения гранулированного методом окатывания на тарельчатом гра1гуляторе торфа. На основе теорети-

ческих и экспериментальных исследований сорбциоиных и водно-физических свойств торфа были получены опытные образцы новых видов торфяной продукции для использования в сельском хозяйстве и для решения экологических проблем. Разработаны ресурсосберегающие способы получения торфяного гранулированного топлива (подготовки фрезерного торфа для брикетирования и производства гранулированного торфа для коммунально-бытовых целей), а также технические средства их реализации.

10. Предложена нетрадиционная область применения торфа и погребенного под торфяной залежью минерализованного сырья для изготовления строительных материалов, что позволит торфопредприятиям расширить ассортимент выпускаемой продукции. Запатентован способ изготовления пустотелого заполнителя па основе торфа и погребенного сапропеля для изготовления легких бетонов. Разработан новый способ добычи минерализованного сырья, залегающего под слоем торфяной залежи. Получен новый строительный материал — пеновак, который по своим основным характеристикам превосходит существующие аналоги.

Научные положения, теоретические, экспериментальные и методологические аспекты, сформулированные и обобщенные в диссертации, находят свое дальнейшее развитие в исследованиях при подготовке диссертаций аспирантами, соискателями и магистрантами.

Основные приборы, методы, методики и расчетные зависимости приведены в монографиях. Они используются аспирантами, при магистерской подготовке и студентами старших курсов при изучении ряда учебных дисциплин торфяного профиля.

Таким образом, выявленный физический механизм и предложенная новая теоретическая концепция формирования структуры органогенных материалов в процессе тепломассопереноса позволили найти перспективные пути расширения ассортимента выпускаемой продукции на основе торфа, что является актуальным решением в условиях рыночных отношений для предприятий торфяной отрасли.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Определение полей капиллярного давления при сушке гранулированного торфа // Физика процессов торфяного производства: Межвуз. сб. науч. тр. Калинин: КГУ, 1984. С. 63-71.

2. Кинетика развития капиллярного и внутреннего давления в мелкокусковом торфе // Физические основы торфяного производства: Межвуз. сб. науч. тр. Калинин: КГУ, 1986. С. 26-29. (Соав.JT.C. Амарян)

3. Влияние перемешивания торфомассы на прочность структуры кускового торфа // Физика процессов торфяного производства: Межвуз. сб. науч. тр. Калинин: КГУ, 1987. С. 6-10. (Соав. Л.С. Амарян)

4. Исследование внутреннего тепломассопереноса и усадки в процессе сушки коллоидных капиллярно-пористых тел // Тез. докл Минского международного форума, 1988. С. 3-4. (Соав. JI.C. Амарян, А.Е. Афанасьев)

5. Методы определения радиусов капилляров // Заводская лаборатория, 1988. № 3. С. 43-45. (Соав. В.П. Суворов, A.C. Фельдбпюм)

6. Взаимосвязь прочностных и структурных характеристик кускового торфа // Торфяная пром-сть, 1988. № 3. С. 14-17. (Соав. А.Е. Афанасьев)

7. Прибор для контроля качества кускового торфа в процессе формования и сушки // Торфяная пром-сть, 1988. № 4. С. 28-30. (Соав. JI.C. Амарян, А.Е. Афанасьев)

8. Совершенствование сушки кускового торфа в наращиваемых комплексах // Машины и технология торфяного пр-ва: Межвуз. сб. науч. тр. Калинин: КГУ, 1988. С. 17-19. (Соав. О.В. Шамбер, В.П. Большаков)

9. Исследование внутреннего тепломассопереноса, струкгурообразования и усадки в коллоидных капиллярно-пористых телах // Проблемы теории фильтрации и тепломассопереноса: Межвуз. сб. Калинин' КГУ, 1988. С 123-130. (Соав. П.С. Амарян, А.Е. Афанасьев)

10. Оценка переработки торфа-сырца в смесителе открытого типа // Торфяная пром-сть, 1989. № 2. С. 14-17. (Соав. JI.C. Амарян, А.Е. Афанасьев, JI.H. Самсонов)

11. Интенсификация процессов сушки кускового торфа // Сб. науч. тр. ВБЙИТП Л., 1990. Вып. 65. (Соав.В.П. Большаков)

12. Закономерности упрочнения структуры кускового торфа в процессе сушки // Технол. и комл. мех-цияторф. пр-ва: Межвуз сб. науч. тр. Тверь, 1991. С. 73-77.

13. Определение массообмешгых характеристик мелкокускового торфа // Торфяная пром-сть, 1991. № 12. С. 32-36.

14. Метод оперативного контроля влаги кускового торфа // Торфяная пром-сть, 1992. № 1. С. 30.

15. Опытный образец бетона с заполнителем из гранулированного торфа // Технол и комл. мех-цияторф. пр-ва: Межвуз. сб. науч. тр. Тверь, 1994. С. 40-44.

16. Экологические проблемы при добыче и переработке торфа // 2-я науч.-техн. конф. «Экологические проблемы горного производства, переработки и размещения отходов, 31 января-3 февраля 1995 г.». Москва, 1995. С. 72-75. (Соав. А.Е. Афанасьев, А.Н. Болтушкин, С.Д. Максименко)

17. Исследование внутренних сил при структурообразовашш торфа // Тез. докл. Междунар. симп. «Органическое вещество торфа» 15-19 мая 1995 г. Минск, 1995. С. 42-43. (Соав. H.H. Гамаюнов)

18. Технологические основы производства заполнителя на основе торфа и сапропеля для производства строительных материалов // Тез. докл. Междунар. симп. «Органическое вещество торфа» 15-19 мая 1995 г. Минск, 1995. С. 105.

19. Производство и применение продукции из торфа и сапропеля, полученной методом окатывания // Тез. докл. Междунар. симп. «Органическое вещество торфа» 15-19 мая 1995 г. Минск, 1995. С. 112. (Соав. Т.В. Алехина, М.А. Большаков, О.С. Мисников, О-В. Пухова)

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

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

22. Research on structurization of small sod peat and sapropel products // 10-th International Peat Congress 27 May-2 June 1996, Bremen, Germany. Stuttgart v. 1, Abstracts. 1996. P. 53. (Misnikov O., Puchova 0.)

23. Изменение водно-физических и структурцо-механнческих свойств торфа в процессе его диспергирования // Технол. и комл. мех-том торфяного пр-ва: Межвуз. сб. науч. тр. Тверь, 1996. С. 6-9. (Соав. А.Е. Афанасьев, М.А. Большаков, O B. Пухова)

24. Инженерташ метод расчета продолжительности сушки фрезерного торфа // Технол. и комл. мех-дия торфяного пр-ва: Межвуз. сб. науч. тр. Тверь, 1996, С. 15-18. (Соав. IIIf. Гамаюпов, Т.В. Алехина)

25. Исследование структурообразования при обезвоживании сапропелей различной зольности // Технол. и комл. мех-ыия торфяного пр-ва: Межвуз. сб. науч. тр. Тверь, 1996. С. 19-22. (Соав. А.Е. Афанасьев, О.С. Мисников)

26. Опытный образец заполнителя на основе торфа и сапропеля для изготовления легкого бетона .</ Технол. и комл. мех-ция торфяного пр-ва: Межвуз. сб. науч. тр. Тверь, 1996. С. 31-33. (Соав. О.С. Мисников, В.А. Беляков)

27. Обобщающий критерий оценки качества кускового торфа // Технол. и комл. мех-ция торфяного пр-ва: Межвуз. сб. науч. тр. Тверь, 1996. С. 33-36.

28. Ресурсосберегающие технологии при разработке торфяных месторождений // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: Академия горных наук,

1996. Т. 1. С. 50-54. (Соав. А.Е. Афанасьев, О.С. Мисников, О.В. Пухова)

29. Изменение структуры коллоидных капиллярно-пористых тел в процессе те-пломассопереноса // Инженерно-физический журнал, 1996. Т. 69. № 6, С. 954-957. (Соав. H.H. Гамаюпов)

30. Влияние влагосодержания на струкгурообразование сапропелей // Технология и комплексная механизация торфяного производства: Сб. науч. тр. Тверь: ТГТУ,

1997. С. 23-28. (Соав. А.Е. Афанасьев, О.С. Мисников)

31. Массообменные характеристики торфа и сапропеля И Технология и комплексная механизация торфяного производства: Сб. науч. тр. Тверь: ТГТУ, 1997. С. 28-35. (Соав. А.Е. Афанасьев, О.С. Мисников, О.В. Пухова)

32. Перспективный способ производства гранулированного торфа на топливо // Технология и комплексная механизация торфяного производства: Сб. науч. тр. Тверь' ТГТУ, 1997. С. 37-40. (Соав. В.А. Беляков, Б.Б. Воронков)

33. Исследовахше приготовления водных дисперсий минерализованного сапропеля // Технология и комплексная механизация торфяного производства: Сб. науч. тр. Тверь: ТГТУ, 1997. С. 40-42. (Соав. М.А. Большаков, О.С. Мисников)

34. Метод оперативного определения дисперсности формованного торфа // Технология и комплексная механизация торфяного производства: Сб. науч. тр. Тверь: ТГТУ, 1997. С. 42-46. (Соав. М.А. Большаков, О.С. Мисников, О.В. Пухова)

35. Сорбция, электрокинетические явяегшя и ионный обмен в торфе // Технология и комплексная механизация торфяного производства: Сб. науч. тр. Тверь: ТГТУ, 1997. С. 56-67. (Соав. И.И. Гстаюнов)

36. Решение задач промерзания и оттаивания торфяной залежи // Технология и комплексная механизация торфяного производства: Сб. науч. тр. Тверь: ТГТУ, 1997 С. 67-77. (Соав. Н.И. Гамаюпов)

37. Повышение эффективности работы твердотопливных котельных установок, сжигающих торф // Технология и комплексная механизация торфяного производства: Сб. науч. тр. Тверь: ТГТУ, 1997. С. 81-85. (Соав. В.А. Зорин, ЕМ Кривнев)

38. Особенности изготовления композиционных гранул из торфа и сапропеля П Технология и комплексная механизация торфяного производства: Сб. науч. тр. Тверь: ТГТУ, 1997. С. 85-91. (Соав. О.С. Мисников)

39. Химическая эксерпм торфяного топлива // Технология и комплексная механизация торфяного производства: Сб. науч. тр. Тверь: ТГТУ, 1997. С. 91-94. (Соав. А.Н. Гамаюноеа)

40. Усадочные явления при сушке сапропеля /1 Технология и комплексная механизация торфяного производства: Сб. науч. тр. Тверь: ТГТУ, 1997. С. 127-132. (Соав. О.С. Мисников, В.А. Беляков)

41. Изменение водно-физических свойств торфа в процессе его диспергирования и сушки //' Технология и комплексная механизация торфяного производства: Сб. науч. тр. Тверь: ТГТУ, 1997. С. 138-144. (Соав. О.В. Пухова)

42. Технические решения повышения эффективности работы котельных установок// Энергосбережение и водопользование, 1998. № 1. С. 32-36. (Coaв. Г.С. Чеканов, Е.И. Кртнев, В.А. Зорин)

43. Усадочные явления при сушке природных органоминералышх дисперсий // Игокенерво-физический журнал, 1998. Т. 71. №2. С. 233-236. (Соав. О.С. Мисников)

44. А. с. СССР № 1176192. Устройство для измерения давления. (Соав. Н.И Гамтонов, КБ. Товбин)

45. А. с. СССР Кг 195177. Способ определения влажности кускового торфа. (Соав. Л.С. Амарнн, А.Е. Афанасьев)

46. Свидетельство РФ № 4592 на полезную модель. Ленточная сушилка для грапулированного торфа. (Соав. О.С. Мисников)

47. Свидетельство РФ № 4745 на полезную модель. Устройство для гранулирования торфа в полевых условиях. (Соав. Б.Б. Воронков)

48. Свидетельство РФ Jé 5238 на полезную модель. Топочное устройство. (Соав. В.А. Зорин, Е.И. Кривнев)

49. Свидетельство РФ № 6346 на полезную модель. Установка по нанесению минерального покрытия на торфяные ядра. (Соав. О. С. Мисников, М.А. Большаков)

50. Патент РФ на изобретение № 2081080. Способ получения пустотелого заполнителя.

51. Патент РФ на изобретение Jé 2103510. Способ добычи минерализованного сырья, залегающего под слоем торфа. (Соав. А.Е. Афанасьев, О.С. Мисников)

52. Патент РФ на изобретение № 2103 511. Способ получения гранулированного торфа для коммунально-бытовых нужд. (Соав. В.А. Беляков)

53. Сорбция в гидрофильных: материалах: Монография. Тверь: ТГТУ, 1997. 160 с. (Соав. Н.И. Гамаюнов)

54. Тепломассоперенос в органогенных материалах. Процессы обезвоживания: Монография. Тверь: ТГТУ, 1998. 272 с. (Соав. Н.И. Гамаюнов, В.А. Миронов)

55. Тепломассоперенос в органогенных материалах. Криогешше процессы: Монография. Тверь: ТГТУ, 1998. 148 с. (Соав. Н.И. Гамаюнов, В.А. Миронов)

С " , ' - /7) /:*>''

ч»—- /.. ■ „ ^ / У л. -'( «. " —у сУ О С__

ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ПРОЦЕССЫ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ В ТЕХНОЛОГИИ ФОРМОВАННОЙ ПРОДУКЦИИ ИЗ ТОРФА И САПРОПЕЛЯ

05.15.05 — Технология и комплексная механизация торфяного производства

Диссертация на соискание ученой степени

доктора техн ческих наук

С,

Научный консультантО' докГор технических наук, профессор,

''4 сЬ^'^1

V, ^, ¡¡Ж—'' Академик Петровской АН и И

^ < , РУ - • ■ А.Е. Афанасьев

Р

0

I /

Тверь 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................4

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРООБРАЗОВАНИИ ТОРФА В ПРОЦЕССЕ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА....................................11

1.1. ТЕРМОДИНАМИКА НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССОВ

И УРАВНЕНИЯ ПЕРЕНОСА...................................................................14

1.2. ПОТЕНЦИАЛ ВЛАГИ

И КОЭФФИЦИЕНТЫ МАССОПЕРЕНОСА...........................................26

1.3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ

ПРОЦЕССОВ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ.........................................52

1.4. СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ И ПРОЧНОСТЬ ТОРФА......................72

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ТОРФА...........................................................84

2.1. ИЕРАРХИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СТРУКТУРЫ

ТОРФЯНОЙ СИСТЕМЫ..........................................................................84

2.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ ТОРФА..........100

2.3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ РАЗРУШЕНИЯ ФОРМОВАННОГО ТОРФА И САПРОПЕЛЯ.....................................118

2.4. ПРОЧНОСТЬ КОАГУЛЯЦИОННОЙ СТРУКТУРЫ ТОРФА............130

3. ПЕРЕНОС ВЛАГИ В ОРГАНОГЕННЫХ МАТЕРИАЛАХ.......................149

3.1. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКИЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ МАССОПЕРЕНОСА................................................................................150

3.2. ОСОБЕННОСТИ ПОГЛОЩЕНИЯ ФЛЮИДА ОРГАНОГЕННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ................................................158

3.3. ИНЖЕНЕРНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА СУШКИ

ТОРФЯНОЙ ПРОДУКЦИИ....................................................................181

3.4. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПРОМЕРЗАНИЯ И ОТТАИВАНИЯ ТОРФЯНОЙ ЗАЛЕЖИ............................................................................193

4. РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ

ДОБЫЧИ, ПЕРЕРАБОТКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОРФА.....................209

4.1. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ФОРМОВАННОЙ

ТОРФЯНОЙ ПРОДУКЦИИ....................................................................210

4.2. ФОРМОВАНИЕ ТОРФА НА ГРАНУЛЯТОРЕ ТАРЕЛЬЧАТОГО ТИПА.........................................................................219

4.3. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОРФЯНОЙ ГРАНУЛИРОВАННОЙ ПРОДУКЦИИ..................................................225

4.4. РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ТОРФЯНОГО ТОПЛИВА.......................................................................230

5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТОРФА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ...............................................................242

5.1. ИСКУССТВЕННЫЕ ЗАПОЛНИТЕЛИ

ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛЕГКОГО БЕТОНА......................................243

5.2. ПУСТОТЕЛЫЙ ЗАПОЛНИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ТОРФА...................247

5.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ПУСТОТЕЛОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ.........................................................253

5.4. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

НА ОСНОВЕ ПУСТОТЕЛОГО ЗАПОЛНИТЕЛЯ...............................277

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................283

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.................................................................288

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................................321

ВВЕДЕНИЕ

В технологии торфяного производства важное практическое значение приобретают вопросы формирования структуры торфа в процессах тепломассо-переноса, составляющих важную часть технологических процессов добычи, переработки и применения торфа. Для повышения эффективности производства формованного (мелкокускового, гранулированного, окатанного) торфа необходимы совершенствования и поиск новых технологий его сушки и переработки, опирающиеся на результаты современных научных исследований.

Ускорение технического прогресса в торфяной отрасли может быть достигнуто в результате практической реализации глубоких теоретических разработок, доведенных до инженерных решений. В соответствии с этим постановка задач по изучению закономерностей процесса тепломассопереноса в торфе становится необходимой для решения проблем прогнозирования физико-химических свойств торфа и направленного регулирования ими с целью более полного и эффективного использования торфяной формованной продукции для нужд энергетики, охраны окружающей среды и других областей применения.

В настоящее время в условиях рыночных отношений и непрерывного изменения требований, предъявляемых к продукции из торфа и сапропеля, развитие торфяной отрасли сдерживается из-за отставания темпов совершенствования и разработки новых технологий добычи, переработки и использования торфяной и сапропелевой продукции. В связи с этим, выявление механизма, развитие теоретических концепций формирования структуры органогенных материалов в процессе тепломассопереноса и на основе этих научных исследований поиск путей по расширению ассортимента выпускаемой конкурентоспособной

продукции является актуальной задачей для предприятий торфяной отрасли.

Значительное влияние на определение круга вопросов, рассматриваемых в диссертационной работе, и методологию их решения оказали многочисленные работы отечественных и зарубежных исследователей. Значительный вклад в развитие фундаментальных представлений о свойствах, составе и структуре торфа в связи с решением различных задач торфяного производства внесли исследования, обобщенные в монографиях и статьях Б.М. Александрова, JI.H. Амаряна, В.Я. Антонова, А.Е. Афанасьева, Е.Т. Базина, И.И. Берковича, Б.А. Богатова, Г.П. Вирясова, М.П. Воларовича, Н.И. Гамаюнова, В.И. Горячева, A.B. Журавлева, Б.Ф. Зюзина, В.Д. Копенкина, С.С. Корчунова, Н.В. Кислова, В.И. Косова, И.Ф. Ларгжа, И.И. Лиштвана, Л.М. Малкова, Б.И. Масленникова, В.А. Миронова, В.М. Наумовича, JI.H. Самсонова, ВТ. Селеннова, С.Г. Солопо-ва, A.A. Терентъева, В.К. Фомина, Н.В. Чураева и других исследователей. Работы указанных исследователей способствовали выбору общего научного направления и формированию теоретических представлений о структуре и свойствах органогенных материалов, получивших свое развитие в данном труде.

Диссертационная работа является обобщением научно-исследовательских работ, выполненных под руководством или с участием автора. При рассмотрении новых технологий торфяного производства автор основывался на современных достижениях физики торфа. В методологическом отношении освещение вопросов физики торфа должно предшествовать развитию технологии. Именно такая взаимосвязь и показана в настоящей работе. Решаемые в работе проблемы связаны с рациональным использованием ресурсов природных органогенных материалов, повышением эффективности существующих и разработкой новых технологических процессов добычи и переработки торфа, расширением сферы применения продуктов на их основе.

Цель работы: развитие теории структурообразования органогенных материалов в процессе тепломассопереноса на основе современных представлений термодинамики неравновесных процессов, разработка экспериментальных ме-

тодов исследования структурных и массообменных характеристик торфа, сапропеля и использование полученных результатов для создания ресурсосберегающих технологий их добычи, переработки и применения.

Основные задачи исследования. Специфика и отличительная особенность диссертационной работы состоит в том, что в соответствии с ее главной целью, основу работы составляет изучение закономерностей тепломассоперено-са и структурообразования торфа и сапропеля при сушке, а также выявление путей по расширению ассортимента продукции, выпускаемой предприятиями торфяной отрасли. Эти обстоятельства определили необходимость решения следующих задач:

• разработать иерархическую модель строения торфяных систем, которая позволяет применять методы неравновесной термодинамики к описанию процессов, сопровождающих переработку и обезвоживание торфа;

• создать новые методы и методики исследования физико-химических, массообменных, структурно-механических и водно-физических свойств торфа и сапропеля;

• исследовать общие закономерности формирования структуры торфа и сапропеля различного вида, дисперсности, зольности при различных режимах сушки;

• разработать современные концепции структурообразования торфа и сапропеля в процессе тепломассопереноса;

• предложить инженерный метод расчета продолжительности сушки и оттаивания органогенных материалов;

• разработать новые и усовершенствовать существующие ресурсосберегающие способы добычи, переработки и применения торфа и сапропеля для производства конкурентоспособной продукции.

Положения, выносимые на защиту. Защищается теоретическое обобщение комплексных научных исследований физических процессов, происходящих при переработке и сушке торфа (сапропеля), а также научно-технические

основы и математические модели полевой сушки и оттаивания органогенных материалов.

1. Из экспериментально-теоретических разработок — закономерности изменения при сушке структурно-механических, водно-физических, массообменных свойств органогенных материалов, иерархическая модель структуры торфа на основе термодинамического подхода для описания системы в квазиравновесном состоянии, механизмы сорбции, сушки и структурообразования дисперсий высокомолекулярных соединений торфа и органоминеральных композиций сапропеля в зависимости от режимов обезвоживания и их общетехнических характеристик.

2. Из научно-методических разработок — научные положения, новые приборы и методики определения физико-технических свойств торфа и сапропеля на различных этапах технологических процессов.

3. Из научно-технических разработок — новые способы добычи погребенного сапропеля, гранулированного торфа на топливо и сырья для брикетирования; способы определения степени дисперсности и влагосодержания формованной торфяной продукции; новые конструктивные решения устройств для производства, сушки и сжигания гранулированного торфа; принципиально новый способ изготовления из торфа и сапропеля пустотелого заполнителя легких бетонов стеновых конструкций; результаты внедрения в учебный процесс методик расчета термодинамических характеристик торфа при сорбции (десорбции), длительности сушки фрезерного и гранулированного торфа в полевых условиях и оттаивания (промораживания) торфяной залежи.

Научная новизна работы заключается в развитии физико-химических основ теории тепло- и массопереноса. В диссертации проведено теоретическое и экспериментальное обобщение взаимосвязанных процессов сушки и структурообразования торфа с использованием методов термодинамики. Предложены модель и термодинамическое объяснение массообменных процессов, происходящих при сушке торфа в равновесных и неравновесных условиях. В работе

развит физико-химический подход к оценке структурообразования и качества формованного торфа по его определяющим структурно-механическим свойствам. Получены следующие основные научные результаты:

• установлены закономерности изменения структурных, водно-физических и массообменных свойств, а также процессов формирования структуры торфа и сапропеля при сушке;

• предложена иерархическая модель структуры торфа;

• разработан метод прогнозной оценки качества формованной торфяной продукции на этапах проектирования предприятия и в процессах ее переработки и сушки торфа и сапропеля;

• определены закономерности процессов, протекающих при поглощении влаги торфом с учетом набухания (усадки) и контракции материала;

• сформулированы и решены задачи прогнозирования продолжительности процессов полевой сушки и оттаивания органогенных материалов;

Использование приведенной в работе информации позволяет обеспечить сбережения сырьевых и топливно-энергетических ресурсов, а также получать продукцию с заранее заданными свойствами.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования служил торф верхового и низинного типа, различного видового состава и степени разложения, а также погребенные под слоем торфяной залежи сапропели различной зольности. При решении рассматриваемой проблемы проводились теоретические и лабораторные исследования, а также испытания в полупромышленных условиях.

Физико-химические основы технологии — это чрезвычайно широкий комплекс научных методов, используемых для выбора и обоснования рациональных производственных режимов. Приложения каждого из этих методов весьма разнообразны, поскольку различны свойства перерабатываемых систем. Исследования свойств материалов на современном научном уровне опираются не на данные одного какого-либо метода исследования, даже самого совершен-

ного, а на данные комплекса независимых методов. Только такой комплексный подход к изучению объекта исключает односторонность исследования и гарантирует достаточную надежность получаемых результатов. При проведении экспериментальных работ применялись методы исследований с использованием существующих, усовершенствованных и вновь созданных приборов, устройств, установок, методик. Они усовершенствовались с учетом специфических свойств исследуемых материалов. Применялись различные стандартные и разработанные современные методы физического эксперимента: методы микротензиомет-рии, динамической контракции, определений максимальной разрушающей нагрузки на прессе, внутреннего давления, предельного напряжения сдвига и др.

Математическое моделирование исследуемых процессов, обработка экспериментальных данных, анализ результатов и расчеты выполнялись с применением современной компьютерной техники и известных статистических методов.

Новые теоретические положения, предложенные в работе, являются обобщением опыта, имеющегося в практике научных и экспериментальных исследований, полученных лично автором или под его научным и методическим руководством в лабораторных и полевых условиях, а также на опытно-промышленных установках.

Практическое значение работы заключается в разработке новых способов производства гранулированного торфяного топлива и добычи погребенного сапропеля; изготовления различных видов гранулированной торфяной продукции для использования в сельском хозяйстве и для решения задач экологии; производства пустотелого заполнителя на основе торфа и минерализованного сапропеля и легкого бетона на его основе. Для реализации этих способов созданы лабораторные и опытно-промышленные установки. Результаты работы используются в ОАО «Тверьторф», АО «Вологдаторф». Предложенные основные уравнения кинетики сушки слоя торфяной продукции и оттаивания торфяной залежи могут быть использованы как средства обобщения опытных данных и

при разработке инженерных методов расчета этих процессов. Часть полученных результатов внедрена в учебный процесс при обучении студентов старших курсов, при подготовке магистров и аспирантов торфяного профиля. Разработанные приборы для экспрессного определения влагосодержания и дисперсности торфа нашли применение в научно-исследовательских работах в институте проблем использования природных ресурсов и экологии Национальной академии наук Беларуси (ИПИПРЭ HAH Б) и Тверском государственном техническом университете (ТГТУ).

Личное участие автора состоит в постановке и решении основных задач теоретического и экспериментального характера.

Под руководством соискателя и при его непосредственном участии разработаны способы определения физических и общетехнических свойств, добычи, переработки и использования торфа и сапропеля, устройства для их технической реализации; технологические схемы производства гранулированной продукции, экспериментальные, опытно-промышленные стенды и установки; проведены многочисленные эксперименты. Выполнены систематизация, анализ и обобщение результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований и осуществлена их опытная реализация на предприятиях по добыче торфа и в учебном процессе.

Автором выполнены систематизация, анализ и обобщение результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований и осуществлена их реализация на предприятиях по добыче торфа и в учебном процессе.

Автор выражает благодарность научному консультанту профессору А.Е. Афанасьеву, преподавателям и сотрудникам, аспирантам и соискателям (Т.В. Алехиной, М.А. Большакову, О.С. Мисникову, О. В. Пуховой) кафедры технологии и комплексной механизации разработки торфяных месторождений Тверского государственного технического университета за помощь в проведении исследований.

1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРООБРАЗОВАНИИ ТОРФА В ПРОЦЕССЕ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА

Многие коллоидные капиллярно-пористые тела подвергаются структурным изменениям в процессе тепломассопереноса, сушки. При этом происходит усадка материала, уменьшаются среднее расстояния между частицами и внутренняя пор