Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Торфяные ресурсы россии. анализ мирового и отечественного опыта разработки торфяных месторождений, состояния исследований в области полевого и цехового обезвоживания торфяного сырья 16
1.1 Характеристика торфяных месторождений России с позиций потенциального использования добываемого сырья для производства разнородной продукции 16
1.2 Характеристики сырьевой базы Северо-Западного федерального округа 24
1.3 Современное состояние и мировой опыт в технологическом обеспечении добычи торфа и интенсификации его полевой сушки 27
1.4 Экологические аспекты процессов добычи торфа 45
1.5 Перспективы развития торфяной отрасли 0 СЗФО на базе малых и средних торфяных компаний 49
1.6 Требования к крошкообразному торфяному сырью с позиций диверсификации торфяного производства 61
Выводы к главе I 66
ГЛАВА 2 Теоретические и экспериментальные исследования процесса гравитационного обезвоживания торфяного сырья и равновесного состояния влаги с учетом высоты слоя и эффективного радиуса пор 69
2.1 Оценка возможностей применения известных теоретических моделей движений жидкости в трехфазных и двухфазных системах в приложении к торфяным системам нарушенной структуры 70
2.1.1 Пористая структура торфяного сырья переведенного в трехфазное состояние экскавацией и первичной переработкой 72
2.1.2 Исследование процесса движения влаги под действием сил гравитации в экскавированном торфяном сырье и теоретическая оценка влияющих факторов в условиях ограниченного испарения влаги 74
2.1.3 Экспериментальная проверка теоретических выражений для оценки критической высоты слоя при гравитационном обезвоживании торфяного сырья в условиях ограниченного испарения влаги 81
2.2 Применение модели равновесного состояния влаги нарушенной торфяной системы при оценке эффективности гравитационного обезвоживания в реальных торфяных системах при ограниченном испарении
2.2.1 Оценка экстремальных значений коэффициентов вл аго провод ности торфяного сырья нарушенной структуры 84
2.2.2 Предпосылки в оценке эффективности гравитационного удаления влаги из торфяного сырья 97
2.2.3 Экспериментальная проверка выражений по оценке эффективности гравитационного удаления влаги из торфяного сырья 101
2.3 Научное обоснование и теоретическая оценка эффективности процесса сушки торфяного сырья повышенного влагосодержания в приложении к технологиям добычи и полевого обогащения в расширенном сезоне добычи 106
2.3.1 Теоретическая оценка интенсивности суммарного потока влаги в обезвоживаемом торфяном сырье 109
2.4 Экспериментальные исследования процесса удаления влаги за счет гравитации и испарения из обезвоживаемого торфяного сырья 112
2.4.1 Движение влаги вторфяном сырье при конвективном теплоподводе 113
2.4.2 Движение влаги в торфяном сырье при радиационно-конвектнвном теплоподводе 117
Выводы к главе 2 121
ГЛАВА 3 Разработка и научное обоснование технологических решений, обеспечивающих расширение сезона добычи торфа, повышение стабильности производства и его диверсификацию в условиях вариации метеорологических и технологических параметров 124
3.1 Аналитические исследования теоретических выражений для расчета интенсивности испарения влаги из торфяного сырья 125
3.2 Влияние изменения радиационного баланса при сушке торфяного сырья нарушенной структуры в навале
3.2.1 Оценка альбедо торфяных поверхностей 135
3.2.2 Рассеянная радиация и ее влияние на процесс сушки торфяного сырья 139
3.2.3 Оценка влияния эффективного излучения на процесс сушки торфяного сырья
3.3 Расчет интенсивности полевой сушки торфяного сырья в слоях различной толщины 144
3.4 Расчет продолжительности полевой сушки торфяного сырья в слоях различной толщины 152
3.5 Экспериментальная оценка процессов обезвоживания и сушки торфяного сырья в слоях критической толщины 155
3.6 Анализ результатов полевых экспериментальных исследований
обезвоживания и сушки торфяного сырья в слоях критической толщины 168
Выводы к главе 3 175
ГЛАВА 4 Технологические приложения разработанных теоретических основ при реализации стадийной технологии экскаваторной добычи торфа 177
4.1 Изменение физико-механических свойств торфяного сырья при сушке 184
4.2 Теоретическое обоснование эффективности послойной уборки торфяного сырья при сушке 4.2.1 Влияние толщины и влагосодержания слоев торфяного сырья 193
4.2.2 Влияние температуры сушки на сборы торфяного сырья 197
4.2.3 Связь результатов исследований с ранее полученными экспериментальными данными применительно к технологии сушки торфа в толстых слоях с раздельной уборкой 201
4.3 Оценка предложенных путей интенсификация сборов торфяного сырья
при его полевом обезвоживании 205
4.3.1 Рыхления и ворошение торфяного сырья присушке в толстом слое 205
4.3.2 Технологическая оптимизация времени сушки торфяного сырья 211
4.3.3 Снижение влияния осадков на цикл полевого производства Крон ікопбряз ного торфа 214
4.3.4 Интенсивная технология сушки и уборки торфяного сырья для подготовленных участков торфяных месторождений , 216
4.3.5 Подготовка штабелей промежуточного обезвоживания торфяного сырья на участке добычи 223
Выводы к главе 4 229
ГЛАВА 5 Особенности функционирования торфяного производства созданного при соблюдении принципов модульности и диверсификации 231
5-І Обобщенный алгоритм принятия решений при построении технологической схемы добычи торфяного сырья и его круглогодовой переработки 231
5.1.1 Описание раздела алгоритма по теоретическому обоснованию гравитационного обезвоживания торфяного сырья с учетом испарения влаги...235
5.1.2 Технологическое обоснование подготовки штабелей (навалов) торфяного сырья 236
5.1.3 Алгоритм переработки торфяного сырья в инновационной технологии производства крошкообразного торфа 239
5.2 Оценка возможностей технического обеспечения стадийной технологии
экскаваторной добычи торфа 242
5.2.1 Концептуальные подходы к техническому оснащению операций добычи 246
5.2.2 Концептуальные подходы в техническом оснащении транспортного модуля 254
5.2.3 Требования к техническому оснащению операций полевой сушки торфяного сырья
5.3 Оценка уровня энергозатрат на примере технологического процесса полевого производства торфяного топлива 274
5.4 Социально-экономические факторы организации производства торфяного топлива 286
5.5 Применение разработанных подходов и обобщенного алгоритма принятия решений при решении задачи ремонта торфяных полей со сложным гидрологическим режимом 289
Выводы к главе 5 301
Заключение 303
Список Литературы
- Современное состояние и мировой опыт в технологическом обеспечении добычи торфа и интенсификации его полевой сушки
- Пористая структура торфяного сырья переведенного в трехфазное состояние экскавацией и первичной переработкой
- Оценка влияния эффективного излучения на процесс сушки торфяного сырья
- Влияние толщины и влагосодержания слоев торфяного сырья
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время объем мировой добыча торфа находится на уровне 32 млн. т/год. В России добывается 1,5-2,5 млн. т/год торфа, что в десятки раз ниже пиковых уровней, достигнутых в 80-90х годах XX века, и более чем в два раза ниже уровня 2000-2001 годов. Для топливных целей используется около 75% добытого торфа. Энергетический потенциал торфа в пересчете на условное топливо превосходит суммарные запасы ресурсов нефти и газа в России и составляет 68,3 млрд. т у.т., уступая лишь углю - 97 млрд. т у.т. Наибольшее количество торфяных месторождений сосредоточено в центральных районах западносибирской равнины и в северо-западных районах европейской части страны, где неблагоприятные метеорологические условия в значительной степени сужают сезон добычи и не обеспечивают необходимой надежности этого этапа производства по количеству и качеству добываемого торфяного сырья. Анализ рентабельности и финансовой устойчивости торфодобывающих компаний подтверждает кризисное состояние торфяной промышленности страны, тесно связанное с высокой метеозависимостью добычи, а также с изменившимися условиями использования участков торфяных месторождений.
В современных условиях количество мелких торфодобывающих компаний (с объемами годовой добычи менее 10 тыс. т) составляет 91% от общего их числа, а средних (с объемами годовой добычи до 40 тыс. т) - 6%, при этом традиционные технологии торфяного производства, реализуемые на небольших площадях, недостаточно эффективны для их устойчивого функционирования. Поэтому востребованными являются такие технологические решения, которые обеспечивают как стабильность процесса добычи на месторождениях малой площади, так и позволяют перевести в балансовые запасы месторождения площадью до 10 га. Последние независимо от степени их изученности и востребованности качественных характеристик торфяного сырья в настоящее время относятся к забалансовым.
Развитие торфяной отрасли в области техники и технологий добычи тесно связано с работами Александрова В.М., Амаряна Л.С., Антонова В.Я., БегакаД.А, Богатова Б.А., ВаренцоваВ.С, Горячкина В.Г., Зю-зинаБ.Ф., КисловаН.В., МалковаЛ.М., Михайлова А.В., ОпейкоФА., Панкратова Н.С., Солопова С.Г., Самсонова Л.Н., Leinonen A., Mutka К., Nyronen Т. и др. ученых. Изучению и развитию методов управления процессами структурообразования при добыче торфа и производстве торфя-
ной продукции посвящены работы Афанасьева А.Е., Воларовича М.П., Гамаюнова Н.И., Гамаюнова С.Н., ГревцеваН.В., Журавлева А.В., Лиш-тванаИ.И., Миронова В.А., Наумовича В.М., Суворова В.И., Терентьева А.А., ЧураеваИ.В., Корчунова С.С., Fitzgerald P., Rezanezhad F., Schmilewski G., и других ученых. Несмотря на сформированные практическую и теоретическую базы, процессы удаления влаги в процессе полевого обезвоживания торфяного сырья требуют дальнейшего изучения. В первую очередь это связано с необходимостью обеспечения адаптивности полевых технологий к изменяющимся метеофакторам и увеличения продолжительности сезона добычи.
Комплексное совершенствование технологий добычи торфяного сырья, обеспечивающее снижение их метеозависимости, расширение сезона добычи торфа, снижение технологических потерь, повышение нагрузки на единицу эксплуатируемой площади и увеличение номенклатуры продуктов приведут к восстановлению роли торфа, как доступного местного ресурса. Все это позволит средним и малым торфяным компаниям стать активными игроками на рынке, а крупным торфодобывающим компаниям повысить рентабельность производства. Выполнение подобных условий при совершенствовании технологий и техники, применяемых в торфяной отрасли, невозможно без детального изучения процессов тепло и влагопереноса в торфяном сырье при выполнении основных операций на всех этапах его добычи. В этой связи актуальным является проведение широкого спектра теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию условий и режимов влагопереноса в торфяном сырье, направленных на решение проблемы стадийной оптимизации полевого процесса обезвоживания торфяного сырья технологическими методами с обоснованием рациональных приемов добычи для получения заданных качественных показателей.
Связь темы диссертации с научно-техническими программами. Основные положения диссертации базируются на результатах исследований, полученных в рамках выполнения следующих проектов: №П1017 «Техническое обеспечение круглогодового производства качественного торфяного топлива для региональных кластеров малой энергетики», №П641 «Расширение использования торфа в малой энергетике в рамках реализации ЭС 2030, как перспективного местного вида топлива для развития систем теплоснабжения изолированных потребителей на уровне муниципальных образований в торфообеспеченных регионах», №14.740.11.0519 «Снижение сроков восстановления промышленных за-
пасов региональных торфяных энергоресурсов применением новых технологий добычи», №16.740.11.0682 «Научное обеспечение использования местных торфяных топливно-энергетических ресурсов и органических отходов для производства окускованных твердых топлив» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы Министерства образования и науки Российской федерации; «Оценка влагопроводности нарушенных торфяных систем при реализации энергоэффективных метеонезависимых технологий добычи торфа в СЗФО», «Навесное оборудование для попутного получения кондиционной торфяной продукции при проведении строительных работ на заторфованных участках Санкт-Петербурга и Ленинградской области» комплексной программы «Наука. Промышленность. Инновации» в Санкт-Петербурге на 2012-2015 гг.
Цель работы. Комплексное освоение торфяных месторождений на основе технологии интенсивной экскаваторной добычи торфа со стадийным обезвоживанием сырья с параметрами, обеспечивающими повышение производительности добычи, увеличение стабильности сезонных сборов и качественных показателей добытого торфяного сырья при обезвоживании и сушке в естественных условиях.
Основная идея работы.
Адаптивная к факторам внешней среды технология добычи торфяного сырья строится как единый технологический процесс, базируясь на единых термодинамических и массообменных позициях с учетом стадийного изменения содержания влаги в сырье при его добыче, с параметрами, обеспеченными рациональным составом технологических операций при полным использованием положительных факторов внешней среды.
Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:
-
Проанализированы и обобщены научные основы и опыт разработки торфяных месторождений, обоснованы принципы построения технологий добычи торфяного сырья, обеспечивающие круглогодовой сырьевой поток в условиях диверсификации производства.
-
Выявлены критерии к процессу управления гравитационным обезвоживанием торфяного сырья нарушенной структуры и равновесным состоянием влаги в нем при различных значениях влагопроводности, характеристик массопереноса и поровой структуры торфа.
-
Определены границы потенциала интенсификации обезвожи-
вания различных видов торфяного сырья нарушенной структуры повышенного влагосодержания с учетом испарения влаги при полевой сушке в организованных расстилах дискретно-изменяющейся толщины.
-
Обоснован выбор параметров технологии экскаваторной добычи торфа с позиции физико-технологического моделирования процессов внутреннего и внешнего тепло-массопереноса; в условиях оптимизации протекающих процессов разработаны методические основы многофакторной оценки интенсивности и продолжительности сушки торфяного сырья в многослойных расстилах.
-
Разработан обобщенный информационно-графический алгоритм принятия проектных и управленческих решений при создании и применении технологий комплексного освоения торфяных месторождений в условиях диверсификации производства.
Методы исследований:
Методологической основой работы является системный подход, основанный на анализе и обобщении результатов фундаментальных и прикладных работ в области физических процессов торфяного производства, технологий добычи и переработки торфяного сырья. Решение поставленных в работе задач выполнялось с использованием арбитражных методик определения характеристик торфяного сырья (влага, зольность, степень разложения, тип и вид торфа, гранулометрический состав, групповой химический состав и т.д.) в аккредитованных лабораториях. Применялись специально разработанные оригинальные методики определения массообменных и технологических характеристик торфяного сырья. В основе теоретических исследований применялись методы физико-химической механики дисперсных материалов. Обработка экспериментальных данных выполнялась методами математической статистики со сравнительным анализом их с результатами теоретических исследований.
Научная новизна работы:
выявлены закономерности изменения интенсивности гравитационного обезвоживания слоя торфяного сырья с учетом интенсивности испарения влаги на различных этапах технологического цикла его экскаваторной добычи, применительно к расширенному сезону получения торфяного сырья различной влажности;
методами физико-химической механики дисперсных торфяных систем обоснованы научно-технические решения по стадийной оптимизации процесса обезвоживания торфяного сырья при его добыче, включающие оценку, регулирование и прогнозирование характеристик сы-
рья различного влагосодержания на стадиях его гравитационного обезвоживания на месте экскавации и полевой сушки на примыкающих к карьеру участках;
обоснованы границы диапазона влагосодержания торфяного сырья для различных стадий его обезвоживания в технологическом процессе экскаваторной добычи торфа (80^84% - нижняя граница влажности для гравитационного обезвоживания на месте экскавации и верхняя граница для этапа полевой сушки, обеспечивающая получение продукции влажностью 7(К55% и 33^45%);
выявлены закономерности тепломассопереноса в торфяном сырье с учетом внутренней - потенциальной и подводимой энергии при конвективном и радиационно-конвективном теплоподводе от технологических характеристик расстила торфа; для стадийных технологий добычи торфа, с позиции интенсификации процесса удаления влаги, обоснованы технологические требования и метод сушки торфяного сырья в расстилах критической и меньшей толщины, обеспечивающие повышение сезонных сборов в 1,8-2,5 раза при увеличенной загрузке поля сушки.
Защищаемые положения:
-
Единый технологический процесс экскаваторной добычи торфа со стадийным его обезвоживанием включает выемку торфяного сырья и взаимовлияющие стадии его гравитационного обезвоживания и сушки в естественных условиях, причем технологические параметры штабеля гравитационного обезвоживания и сушимого расстила оказывают наибольшее влияние на продолжительность сезона добычи, производительность, стабильность сезонных сборов и качественных показателей.
-
Математическая модель равновесного состояния влаги в механически нарушенных торфяных системах, находящихся в условиях ограниченного испарения, позволяет достоверно оценивать кинетические факторы процесса гравитационного обезвоживания торфяного сырья с учетом влияния радиусов пор, высоты навала торфяного сырья, коэффициента фильтрации, интенсивности влагопереноса и пористости сырья.
-
В технологии экскаваторной добычи торфяного сырья его обезвоживание при сушке обеспечивается организацией расстила критической толщины в диапазоне от 80 до 175 мм, границы которого определяются значением коэффициента влагопроводности, степенью разложения и текущим содержанием влаги в сырье, что позволяет достичь максимум интенсивности обезвоживания, обеспечить увеличение продолжительности сезона добычи, стабильность процесса производства и
диверсификацию выпускаемой продукции.
4. Послойная отработка многослойных аэрированных расстилов торфяного сырья при условии разделения операций гравитационного обезвоживания, сушки и уборки обеспечивает максимальное использование потенциала полевого обезвоживания, что на мелкоконтурных и мелкозалежных месторождениях способствует увеличению сборов в 1,8-2,5 раза в сравнении с известными полевыми технологиями добычи.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректной постановкой рассматриваемых задач, применением современных методов исследований, результатами теоретических исследований, полученными аналитическими зависимостями, лабораторными и полевыми исследованиями, проведенными автором и другими исследователями с применением измерительного и испытательного оборудования аккредитованных лабораторий (центров), использованием современных математических методов обработки экспериментальных данных, удовлетворительной сходимостью результатов теоретических исследований с результатами опытно-промышленного применения разработанной технологии на торфяных месторождениях.
Практическая значимость работы состоит в разработке и обосновании операций, составляющих стадийный технологический процесс добычи торфяного сырья различного влагосодержания и создании инновационной технологии полевого производства крошкообразной продукции с применением при сушке торфяного сырья в толстых слоях послойной уборки в укрупненные валки с их раздельной вывозкой в штабели постоянного хранения.
Разработан способ оценки коэффициента влагопроводности торфяного сырья через изменение коэффициента фильтрации, зависящего от степени разложения торфа, что является основой при решении практических задач технологического проектирования в области добычи торфа.
Разработаны методические основы расчета критической толщины слоя торфяного сырья с учетом эффективного радиуса пор при вариации значений равновесного влагосодержания в торфяной системе нарушенной структуры.
Разработана технология экскаваторной добычи торфа со стадийным обезвоживанием торфяного сырья в промежуточном штабеле и организованном расстиле с последующей раздельной уборкой сырья, обеспечивающая повышение стабильности добычи и диверсификацию производства, в том числе, в условиях применения технологии на мел-
коконтурных и мелкозалежных участках торфяных месторождений.
Для управления производством в условиях применения разработанной технологии экскаваторной добычи торфа создан программный комплекс для ЭВМ, объединивший в себя разработанные методики определения технологических параметров штабеля гравитационного обезвоживания и расстила сушки, продолжительности отдельных стадий удаления влаги.
Новизна ряда технических решений защищена охранными документами по защите прав интеллектуальной собственности.
Реализация результатов исследований. Результаты проведенных исследований внедрены в учебный процесс ТвГТУ и СПГУ при реализации профессиональных образовательных программ многоуровневой подготовки специалистов по направлению 21.05.04 «Горное дело», а также в учебно-методический комплекс кафедры «Горные машины» БНТУ (Республика Беларусь). Ряд разработанных технологических решений используется проектной организацией ООО «Горнотех», прошел опытную апробацию на площадке торфопредприятия ОАО «ТБЗ УСЯЖ» (Республика Беларусь), в ООО «Террафлор» (Ленинградская область), ООО «Призма» (Свердловская область), ООО «ТЭК-Карелия» (Республика Карелия).
Личный вклад автора. Постановка цели и задач исследований, выбор основных направлений исследований, обоснование и выбор методик исследований, организация, руководство и личное участие в лабораторных и полевых исследованиях, обобщение экспериментальных данных и результатов аналитических исследований в области стадийного обезвоживания торфяного сырья нарушенной структуры и потенциальных возможностей производства разноплановой продукции с необходимыми водно-физическими и размерно-массовыми характеристиками. Разработка методов оценки эффективности обезвоживания торфяного сырья нарушенной структуры, максимальных значений коэффициентов влагопроводности и критической толщины навала торфа с учетом метеорологических и технологических параметров сушки. Создание обобщенного алгоритма принятия решений при проектировании, модернизации и эксплуатации технологий комплексной разработки торфяных месторождений с позиций диверсификации производства и состава основного технологического оборудования.
Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и
получили положительную оценку на научных форумах различного уровня. Основные из них: ежегодные международные симпозиумы «Неделя горняка» (Москва, 2009-2015 гг.); 8-я «Российско-Германская сырьевая конференция: Российско-Германское партнерство в сырьевом секторе: доверие и надежность» (Санкт-Петербург, 2015); «Проблемы теории и практики открытых горных работ» (Москва, 2014); Всероссийский торфяной форум (Тверь, 2011); Шестой съезд гидромеханизаторов России (Москва, 2012); Международная конференция «Проблемы природопользования: итоги и перспективы» (Минск, Республика Беларусь, 2012); Международная научно-техническая конференция «Наука - образованию, производству, экономике» (Минск, Республика Беларусь, 2010-2016 гг.); Международная Конференция по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (Тула, 2010); Международная конференция «Российские технологии и инженерное дело: перспективные проекты» (Чили, Сантьяго, 2010); 6-я Международная научная конференция «Проблемы освоения георесурсов российского Дальнего Востока и стран АТР» (Владивосток, 2010); Третий Инновационный форум "ВИЭ-2010" «Возобновляемые источники энергии в России: проблемы, решения, перспективы» (Санкт-Петербург, 2010); Первый международный научно-технический конгресс «Энергетика в глобальном мире» (Красноярск, 2010); Berg- und Huttenmannischer Tag «Innovations in Geo-science, Geoengineering and Metallurgy» (Freiberg, 2008-2010 гг.), а также технические совещания ТБЗ «УСЯЖ» (Смолевический район, Республика Беларусь, 2011-2013 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликована 41 научная работа, из них 1 монография, 18 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 публикации в зарубежных изданиях. Новизна научно-технических решений отражена в 2-х патентах РФ.
Объем и структура диссертации:
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 268 наименований и 7 приложений, изложена на 389 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунков и 42 таблицы.
Автор выражает искреннюю благодарность научному консультанту профессору М.А. Пашкевич, профессору СПГУ А.В. Михайлову, коллективу кафедры «Горные машины» БНТУ, специалистам ТБЗ
«УСЯЖ» (Белоруссия), 000 «Террафлор» (Россия), ООО «Горнотех» (Россия), 000 «Призма» (Россия) за полезные советы и конструктивные замечания, высказанные при обсуждении результатов работы, также благодарит Центр коллективного пользования высокотехнологичным оборудованием СПГУ за предоставленное оборудование и помещения для проведения экспериментальных исследований. Автор отмечает высокую ценность, которую для него представляют замечания и рекомендации по данной работе, высказанные профессором А.Е. Афанасьевым (ТвГТУ).
Современное состояние и мировой опыт в технологическом обеспечении добычи торфа и интенсификации его полевой сушки
Мировые запасы торфа, приведенные к 40% влажности оцениваются на уровне 500 млрд. тонн.
Канада, Россия, США, Индонезия занимают лидирующее положение по площадям торфяных залежей. Распределение стран - лидеров по запасам торфа всех категорий изученности представлено в ПРИЛОЖЕНИИ 1, ПI. I.
Структура мировой добычи торфа по странам в течение последнего десятилетия меняется незначительно. В среднем, в мире до 2009 года ежегодно добывалось порядка 25 млн. тонн торфа, в последние 5 лет объемы добычи выросли до отметки около 29-30 млн. тонн торфа 40% условной влажности (ПРИЛОЖЕНИЕ 1, П1.2). Доля России в мировой добыче составляет порядка 5%,
В качестве примера можно привести данные по добыче торфа за 2013-2014 годы для стран - основных игроков рынка торфа (ПРИЛОЖЕНИЕ 1, П1.3).
Обобщенно, около 70% мирового объема добычи торфа находит свое применение в энергетике (как топливо), остальная часть используется в сельскохозяйственном секторе.
Изменение объема мирового рынка (эк порта-им порта) торфа в денежном выражении предоставлено в ПРИЛОЖЕНИИ 1, П1.4. Общий объем мирового экспорта торфа и торфяных смесей в последние годы оценивается приблизительно в 8-Ю млн. тонн в год. В мировом экспорте торфа интересны три страны: Германия, Нидерланды, Бельгия. Несмотря на то, что в них не ведется добыча торфа (кроме Германии) они являются лидерами по экспорту торфа и торфяных смесей. Эти страны в довольно больших объемах перерабатывают импортированный (в том числе из России) торф в торфяные смеси сельскохозяйственного назначения и затем экспортируют его во многие страны мира.
Самыми крупными экспортерами торфа и торфяных смесей в натуральном выражении являются: Канада, Латвия, Эстония, Ирландия, Беларусь, Литва (ПРИЛОЖЕНИИ 1,П 1.5).
Несмотря на то, что Россия занимает второе место в мире по запасам торфа и 6-ое по объему добычи (по данным 2014 года), ее место в мировом экспорте торфа и торфяных смесей - более чем скромное, всего лишь четырнадцатое в 2014 году. В предыдущие годы по объемам экспорта Россия также была в начале-середине второго десятка.
Основные российские регионы - экспортеры торфа и торфяных смесей (Калининградская, Ленинградская области, Сахалин) являются приграничными и обладают, за исключением Карелии, морскими портами. Регионы, удаленные от границ и портов, в экспорте торфа практически не участвуют. Таким образом, экспортные потоки российского торфа направлены из приграничных регионов России преимущественно в соседние страны.
В мировом экспорте торфа и продуктов из торфа Россия ведет успешную торговлю с Японией, Германией, Нидерландами, а также странами, в которых развернуты работы по повышению плодородия почв, предотвращению эрозии земель и осуществлению экологических программ.
У российских игроков торфяного бизнеса имеются хорошие перспективы поставок торфопродуктов для сельского хозяйства (с целью повышения плодородия почв) в южные засушливые регионы планеты, в том числе, в страны Ближнего Востока.
Соперниками России на экспортном рынке торфа являются Латвия, Эстония, Литва, Бельгия, Германия, Нидерланды, Финляндия.
Официальным источником основной информации о торфяных ресурсах нашей страны является Государственный баланс запасов (ГБЗ) полезных ископаемых Российской Федерации (раздел „Торф"), ежегодно разрабатываемый ФГП «Росгеолфонд» по состоянию на 01 января текущего года [76]. По данным, приведенным в ГБЗ, в нашей стране запасы всех категорий изученности оцениваются на уровне 175 млрд. тонн. На месторождениях площадью более 10 га балансовые запасы торфа составляют 30,62 млрд. т., забалансовые запасы - 7,67 млрд. т. Запасы торфа на месторождениях площадью до 10 га, которые не зависимо от степени изученности относятся к забалансовым, составляют 89,4 млн. т. (76, 77, 138, 148, 168, 233]. Общие запасы российского торфа составляют от 35% до 60% мировых. Около 60% от общих запасов торфа по технологическим факторам оценены как потенциально извлекаемые. Оперируя такими цифрами, необходимо учитывать, что для добычи торфа часть торфяных месторождений уже не может быть использована или может ограниченно использоваться в связи с передачей земель под другие хозяйственные цели.
Основной объем поисково-разведочных работ на территории России произведен еще в советский период, и степень изученности запасов торфа по территории страны неодинакова, что обусловлено, в первую очередь, экономической целесообразностью организации добычи в том или ином районе в период бурного развития торфяной промышленности. Территориально в нашей стране можно выделить ряд зон, отличающихся по степени изученности запасов торфа (рисунок 1.1).
Зона «высокой степени изученности запасов торфа» (зона 3, рисунок 1.1) проходит через центральные части Центрального и Приволжского федеральных округов и захватывает небольшую (юго-западную) часть Уральского федерального округа. В данной зоне торфяные месторождения выявлены и разведаны, причем доля разведанных запасов (категории А+В+С1) составляет 80% от общих. В указанной зоне возможно выявление новых торфяных месторождений, что, однако, незначительно отразиться на общих запасах.
Пористая структура торфяного сырья переведенного в трехфазное состояние экскавацией и первичной переработкой
При экскаваторном способе сезон начинается в конце апреля - начале мая и продолжается до середины октября. Средняя продолжительность его составляет 130 160 дней. При фрезформовочном способе начало сезона приходится на 15 мая - 1 июня, конец - на 1 - 15 октября. Продолжительность сезона в различных климатических условиях составляет 90 120 дней. Поскольку количество торфа, выстилаемого на единице площади, при добыче кускового торфа в несколько раз больше, чем в расстиле фрезерного, то и цикловые сборы выше. Их значение при экскаваторном способе составляет 130 170 т/га, а при фрезформовочном 80 130 т/га. Продолжительность сушки торфа в таком расстиле относительно велика и составляет 40 60 дней для экскаваторного способа и 15 35 дней для фрезформовочного. Число технологических циклов при экскаваторном способе 2 3, а при фрезформовочном 2 4. Сезонный сбор кускового торфа обычно составляет 250 450 т/га.
На торфяных месторождениях, предназначенных для добычи кускового торфа, также как и при добыче фрезерного, должен быть выполнен весь комплекс подготовительных работ, включая предварительное осушение, сводку древесной и кустарниковой растительности, эксплуатационное осушение, корчевку и выравнивание верхнего слоя торфяной залежи.
При экскаваторном способе осушение выполняется картовыми. карьерными и магистральными каналами. До начала эксплуатации торфяного месторождения вода из картовых каналов сбрасывается в карьерный канал, а в процессе эксплуатации - прямо в карьер. Длина картовых каналов 250 400 м. Расстояние между каналами зависит от типа торфяной залежи и составляет 50 м на низинных, 40-50 м на переходных, 30-40 м на верховых залежах. Мостов-переездов через картовые каналы не делают. Нормальное осушение торфяной залежи обеспечивается каналами глубиной не менее 1,4 м [57, 200,202].
Для облегчения работы торфодобывающих и стилочных машин верхний слой залежи корчуется роторными корчевателями активного типа. После удаления пня поверхность карт выравнивается планировщиками. Торфяная залежь должна быть хорошо осушена. Это обеспечивает хорошую
проходимость, позволяет повысить выработку торфодобывающего оборудования. На торфяной залежи полезно дренировать разрабатываемую часть при карьерной полосы и углублять концы картовых каналов у их впадения в карьер.
При фрезформовочном способе производства кускового торфа требования к эксплуатационным площадям практически не отличаются от требований при производстве фрезерного торфа. Осушение выполняется картовыми, валовыми и магистральными каналами. При производстве коммунально-бытового топлива расстояние между картовыми каналами зависит от типа торфяной залежи и составляет 20-30 м на верховой и 40-50 м на переходной и низинной. Расстояние между валовыми каналами зависит от применяемого на уборке оборудования и обычно составляет 300 м. Мосты-переезды делают с одной стороны.
Коэффициент использования балансовых запасов в границах разработки торфяного месторождения с учетом всех видов потерь при добыче кускового торфа составляет 0,7-0,8.
Технологии фрезерного и кускового производства торфа требуют использования специальных комплексов торфяных машин: для рытья и ремонта осушителей торфяных месторождений; для подготовки поверхности залежи к разработке; для ремонта производственных площадей; для добычи (производства) фрезерного и кускового торфа; для погрузки и транспортирования торфа. В механизации процесса добычи торфа за годы существования торфяной промышленности в России и в мире достигнуты высокие результаты. Весьма разнообразны конструкции торфяных машин. Основной целью конструкторов являлся переход от механизации отдельных операций торфяного производства к комбинированным машинам и созданию автоматизированных торфодобывающих комплексов, непрерывно выполняющих все операции технологического процесса [10,15,32,65,86,159,231]. На сегодняшний день серийный выпуск специализированных торфяных машин в Российской Федерации практически прекращен, оставшийся у существующих крупных торфяных компаний парк машин сильно изношен, а закупка аналогичного оборудования за рубежом требует существенных инвестиций.
Изменившиеся внутриэкономическис условия в РФ и условия использования земель, а также прекращение отечественного производства специализированных торфяных машин сделали затруднительным восстановление и развитие крупномасштабных торфяных производств на известной специализированной технологической базе.
Исходя из выше сказанного, можно сделать вывод, что в современных экономических условиях использование интенсивных технологий фрезерного и кускового производства торфа рационально только на средних и крупных торфодобывающих компаниях, обладающих парком специальных торфяных машин и комплексов, имеющих подготовленные производственные площади и работающих, преимущественно, в регионах с благоприятными метеорологическими условиями. Ярким примером совпадения всех факторов, необходимых для использования технологии фрезерного производства торфа, является ЗАО «ВяткаТорф», которое в 2011 году добыло 810 тыс. т. торфа.
Однако, как показал анализ структуры торфодобывающей отраслн Российской Федерации на 2013 г. (таблица 1.2), доля средних и крупных торфодобывающих компаний от общего числа составляет лишь 6% и 3% соответственно. В тоже время доля малых компаний превышает 90%, а использование ими традиционных технологий фрезерного и кускового торфа в современных экономических условиях невозможно из-за отсутствия у них необходимого парка специального торфяного оборудования или достаточного объема инвестиций для его закупки за рубежом, а также необходимых для подготовки, разработки и рекультивации больших производственных площадей. Следует отметить, что в зависимости от метеорологических условий района расположения предприятия сезонный сбор фрезерного торфа при применении классической технологической схемы фрезерного торфа изменяется в диапазоне от 200 до 800 тонн/га [52, 231]. Для условий СЗФО, как и для других округов, этот диапазон ограничен нормативным числом циклов для различных типов залежи и видов производимой крошкообразной продукции. Для продукции при условной влажности 40%: для всех типов залежи со степенью разложения Яг=5+15% сбор 100- 250 тонн/га; для всех типов залежи /?г = 16 20% - сбор 120 -300 тонн/га; для верховой и переходной залежи RT =20- -30% - сбор 170- -425 тонн/га; для верховой с Rr более 30% и низинной - сбор 190-=-425 тонн/га. Для продукции при условной влажности 55% - сбор 22СИ-550 тонн/га (обработка данных [2311 по нормативным значениям числа циклов и технологическим показателям производства фрезерного торфа).
Оценка влияния эффективного излучения на процесс сушки торфяного сырья
Полученные угловые коэффициенты гт = 13,84-10 6 и к = 13,57-10" , составляют отношение коэффициентов р = ,У гТ 0,98 раз, которое характеризует отличие процессов переноса влаги в условиях эксперимента в сравнении с модельными условиями. Таким образом, угловой коэффициент Р характеризует сопротивление переносу влаги в реальных условиях обезвоживания и в практических расчетах влагопереноса позволит адаптировать данные, полученные в условиях лаборатории, к реальным процессам обезвоживания торфяного сырья. В нашем случае эффективный радиус пор определялся по экспериментально полученным значениям Н а (г, = 13,575- wV/tf o)). По известным величинам интенсивности гравитационного потока (или влагопереноса) ig можно рассчитать коэффициенты влагопроводности по формуле (2.7) при высоте слоя обезвоживания, превышающей критическую, и сравнить их с коэффициентом фильтрации влагонасышенных сред.
После достижения критической высоты, дальнейшее обезвоживание слоя торфяного сырья в данных условиях возможно за счет сушки или механического отжатия с последующей досушкой в заводских условиях.
В технологических решениях добычи и полевой переработки торфа большая часть рекомендаций дается на основании экспериментальных исследований, адаптация которых к изменяющимся метеорологическим условиям конкретного района расположения торфяного предприятия достаточно сложна и требует, по сути, проведение повторных экспериментальных исследований. Снижение трудоемкости процесса адаптации технико-технологических решений и решение проблемы создания универсального подхода, позволяющего разрабатывать адаптивные технологические схемы для торфопредприятин с расширенным сезоном добычи сырья, требует глубокого теоретического обоснования процессов Движения влаги в слое торфа нарушенной структуры и оценки эффективности процесса влагоперсноса в комплексе технологических операций.
В предшествующих разделах при анализе вл аго провод ностн переувлажненного торфа нарушенной структуры под действием гравитационных и капиллярно-осмотических сил рассмотрено состояние равновесия, при котором наблюдается равенство капиллярных и гравитационных сил, интенсивность потока влаги стремится к нулю, а высота (толщина) слоя торфяного сырья стремится к предельной (критической) при соответствующем значении эффективного радиуса пор в структуре торфа. После достижения слоем или навалом торфяного сырья критической высоты обезвоживание прекращается, и для дальнейшего удаления влаги требуется механическое отжатие сырья или Проведение операций по сушке торфяного сырья (полевая сушка или сушка в заводских условиях). 2.2.1 Оценка экстремальных значений коэффициентов влагопроводностн торфяного сырья нарушенной структуры Дальнейшее развитие выполненных теоретических и экспериментальных исследований при адаптации их результатов к практическому применению в технологических решениях добычи торфа требует уточнения зависимостей предельной высоты слоя торфяного сырья от эффективного радиуса пор. Эта зависимость позволит оценить данные, полученные предыдущими исследователями при выполнении комплекса экспериментальных исследований на модели пропитки цилиндрических тупиковых капилляров [40], и адаптировать их к применению в реальных торфяных системах.
В результате анализа данных [40] выявлено, что при размере пор гк - 20 мкм капиллярное давление стремится по величине к гравитационному, т.е. водопоглощенне стремится к минимальной величине. В нашем случае этому размеру соответствует высота навала торфяного сыья 0,692 И при температуре 273 К. При этом полагаем, что обезвоживание Об и водопоглощенне Ва для модели пористого тела отличаются только направлением потока влаги и могут быть связаны соотношением: где Ой = /(//, т.е представляет собой отношение длины незаполненного водой участка /0 тупикового капилляра к общей длине капилляра /; Ва = І/І - отношение длины заполненного водой участка капилляра /, к общей длине капилляра /. Очевидно, что при использовании реальных сред могут быть получены более надежные результаты, но учет всех влияющих факторов, таких как шероховатость поверхности, извилистость, бутыльчатость (сужения, расширения), гидрофильность, содержание воздуха и др. физико-химических и механических характеристик пористой структуры, изменяющих сопротивление переносу влаги - довольно сложная задача. В этой связи в формулу (2.14) для критической высоты, полученную из условия равенства капиллярного и гравитационного давлений, был введен коэффициент р, учитывающий особенности структуры и косвенно отражающий сопротивление переноса влаги, Я„Э = ,Т.Р = Р- , (2.17, где Я«рэ» #„рг - экспериментальные и теоретические значения критической толщины слоя торфяного сырья соответственно. Выражение (2.17) можно записать и для текущих значений высоты слоя подверженного осадке, /t, = VP- (2.18) Таким образом, выражение для расчета интенсивности потока влаги в торфяном сырье принимает вид: Р -Р Р -Р где к ф = Авр - эффективный коэффициент влагопроводности; А„ - коэффициент влагопроводности; Р - эмпирический коэффициент, зависящий от характеристик торфяного сырья, уточняющийся из результатов конкретных экспериментальных исследований с применением выражений (2.17) и (2.18): р = h- /ht = Н- Нх, таким образом, для реальных сред значения Н и интенсивность влагопереноса ig, будут отличаться в сравнении с теоретическими значениями, полученными для капиллярной модели:
Влияние толщины и влагосодержания слоев торфяного сырья
В предыдущих разделах при изучении процессов гравитационного обезвоживания навала торфяного сырья установлено, что вклад потока влаги, идущего на испарение в процессе влагопереноса, начинает играть существенную роль с уменьшением гравитационной составляющей, когда капиллярно поверхностные силы создают давление в пределе приближающееся к гравитационному. В процессе обезвоживания по мере выравнивания капиллярных и гравитационных сил высота навала торфяного сырья уменьшается и достигает критической толщины. В этом случае, интенсивность гравитационного обезвоживания снижается до нуля. Таким образом, на передний план выходит процесс уменьшения влагосодержання навала торфяного сырья за счет испарения, т.е. роль испарения влаги в общем балансе влагопереноса возрастает. При критической высоте общий поток влаги будет определяться интенсивностью сушки торфяного сырья в навале.
Если в качестве одной из технологических характеристик принять момент времени достижения равновесного состояния, при котором на долю испарения приходится до 50% потерянной навалом влаги, то с ростом высоты навала торфяного сырья продолжительность данного периода будет увеличиваться. Например, для шейхцериево-сфагнового торфа степенью разложения 22...25% при /с = 21,8 С при изменении начальной высоты навала торфяного сырья в диапазоне от 0,1 до 0,4 м равновесное время согласно уравнению (2.66) изменялось от 18 до 60 часов при конвективном теплоподводе К-режим) и от 8 до 43 часов при радиаци он но-конвективном тепловодводе (РК-режим). Для примера, при начальной высоте навала торфяного сырья на участке промежуточного обезвоживания равной 6,0 м равновесное время для указанных выше условий составит от 25 (РК-режим) до 37 суток (К-режнм), но следует учитывать, что необходимая технологическая влажность навала (требуемая для последующих технологических операций сушки в 80-84%) будет достигнута ранее - на 3-Ю сутки.
Уравнение (2.66) дает результирующее значение, отражающее взаимодействие капиллярно-осмотических и гравитационных сил, зависящее от углового коэффициента ft/, и эффективного коэффициента влагопереноса к (выражение (2.67).
Экспериментальные исследования, проведенные с шейхцериево-сфагновым торфом (обладающим наихудшей влагопроводностью), показали возрастание роли интенсификации теплоподвода в процессах обезвоживания навала торфяного сырья.
В полевых условиях интенсификация процессов сушки возможна как за счет максимального использования радиационного баланса В сушимого слоя [15, 27, 32, 34, 115, 133] вследствие изменения его структуры, влагосодержания, размеров частиц, так и вследствие оптимизации высоты навала, обеспечивающего варьирование критической толщины и послойного влагосодержания, которое тем меньше, чем больше начальная высота навала [117, 131]. Это положение следует из анализа не только экспериментальных данных [15, 27, 117, 247], но и ряда выполненных ранее теоретических исследований [32, 40, 129, 145, 247], которые кратко рассмотрим далее. Следовательно, при толщине слоя меньше критической на величину интенсивности испарения могут влиять тепловой и водный балансы навала торфяного сырья, сушимого в полевых условиях. Из уравнения теплового баланса следует, что затраты тепла it на испарение влаги целесообразно определять из уравнения: iaL = B-P-F, (3.1) которое после подстановки соответствующих значений радиационного баланса В, теплового потока Р = Рп + Р», (3.2) турбулентного оттока F преобразуется в формулу В.В. Романова для оценки интенсивности испарения [32]: і,=ая(В-Р), (3.3) где ад - удельное приведенное испарение (коэффициент, зависящий от внешних условий сушки и характеризующий при Р — 0 удельное количество испарившейся влаги); Рш - затраты тепла на теплоаккумуляцню слоем торфяного сырья; Р1Я - глубинный отток (поток) тепловой энергии в нижележащие слои (подстилающую торфяную залежь, минеральный подстил и др.).
Раннее было получено выражение (2.54) для оценки интенсивности испарения. В этом выражении в отличие от формулы (3.3) тепловой поток только частично учитывается коэффициентом ад, хотя на его долю приходится около половины суммарной радиации [15]. В приведенных выражениях L -удельная теплота испарения влаги; а, - коэффициент теплообмена; /с и /„ -температуры сухого термометра и поверхности (температура смоченного термометра) соответственно.
Анализ выражений (3.3) и (2.54) показывает, что коэффициент теплообмена возрастает при Р — 0, т.е при Ртя = Рш, что соответствует максимально возможному испарению влаги U =« . (3-5) Из работ В.В.Романова, К.К.Павловой, К.Е.Иванова следует, что коэффициент приведенного испарения с погрешностью (5- -13)% может быть определен из формулы (3.5) с учетом относительных затрат энергии Е на испарение влаги [32]. Данные выводы относятся и к сушке торфа различных типов и видов с различным начальным содержанием влаги (верховой сосново-пушицевый, Дт = 25%, WH 2,50 кг(в)/кг(с); переходный RT = 30%, Wx, = 5,10 кг(в)/кг(с); низинный осоковый торф Rr = 20-r25%, Wa = 4,27 кг(в)/кг(с)) в толстых слоях при толщине слоя меньше критической [39, 164]. Значения величины удельного приведенного испарения для Но = ЮО-Ї-20 ММ составили (3,7-5-2,78)-10"7 кг/Дж, что мало отличается от данных, полученных О.А.Белоцерковской при сушке фрезерного торфа средней степени разложения, которая экспериментально показала, что удельное приведенное испарение зависит от внешних условий сушки и свойств испарившейся жидкости [32].
Анализ зависимости ШВ =АН х,) показывает, что коэффициент aR зависит и от толщины слоя торфяного сырья (таблица 3.1, рисунок 3.1) с экстремумом при Яост ЗО мм. Последний характеризует состояние навала (слоя), при котором около 50% от радиационного баланса тепловой энергии перераспределяется в нижележащие слои торфа нарушенной структуры или подстилающей залежи [39]. Учитывая сказанное, дальнейшая сушка оставшегося слоя в технологии полевого обогащения торфяного сырья нецелесообразна из-за высокой потери тепловой энергии при любых значениях параметров расстила критической толщины. Таким образом, следующий цикл сушки следует начинать с добавления к оставшемуся слою // 0ст торфяного сырья известной влажности до такой толщины, которая соответствовала бы критической толщине для данных параметров торфяного сырья при данной влажности: Д//= Ищ—Н оа- В этом случае на испарение влаги при сушке верхних относительно тонких слоев (Л =14-;-20 мм) будет использоваться максимальное количество тепловой энергии с ее аккумуляцией в навале торфа нарушенной структуры [34].