Введение к работе
Актуальность 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 и 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 зопросов 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 массообмешгых 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;
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 защиту. ащищается 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.
-
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.
-
Из научно-методических разработок — научные положения, новые приборы и методики определения физико-технических свойств торфа и сапропеля на различных этапах технологических процессов.
-
Из научно-технических разработок — новые способы добычи погребенного сапропеля, граігулировашюго 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 легюгх 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.
г-
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 продолядателыго-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, вігутреннего давления, предельного напряжения сдвигай 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 гранулировашюй 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 (ИПИПРЭ НАН Б) и Тверском государственном техническом университете (ТТТУ).
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-технической 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.); Ill Национальном Симпозиуме «Теоретические основы сорбционных процессов» (Москва, 1997 г.); Юбилейной конференции, посвященной 75-летию ТҐТУ (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, ОС. Миспикову, О.В. Пуховой) кафедры технологии и комплексной механизации разработки торфяных ме-сторождегагй Тверского государственного технического университета за помощь в проведении исследований.
