На правах рукописи

ТИМОФЕЕВ АЛЕКСАНДР ЕВГЕНЬЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

ДОБЫЧИ И ПЕРЕРАБОТКИ ТОРФЯНЫХ

И СОПУТСТВУЮЩИХ МИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ

Специальность:

25.00.22 – Геотехнология (подземная, открытая, строительная)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тверь – 2009 2

Работа выполнена на кафедре «Технология и комплексная механизация разработки торфяных месторождений» ГОУ ВПО «Тверской государственный технический университет».

Научный руководитель:

Доктор технических наук, Афанасьев Алексей Егорович профессор

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, Суворов Владимир Иванович профессор Кандидат технических наук Дубовиков Сергей Львович

Ведущая организация – ООО «Сибирский научно-исследовательский и проектный институт рационального природопользования».

2009 г. в 1400 часов на заседании

Защита диссертации состоится « 26 » июня диссертационного совета Д 212.262.05 ГОУ ВПО «Тверской государственный технический университет» по адресу:

170023, г. Тверь, ул. Академическая, д. 12 (Лабораторный корпус, аудитория Л-214)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тверского государственного технического университета.

Автореферат разослан 19.05.2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.Н. Васильев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Российская Федерация располагает значительными запасами торфа (235 млрд. т, что составляет 37,2 % от мировых). Ежегодный прирост торфа по различным оценкам составляет более 60 млн. т (в пересчете на содержание влаги 40 %) при скорости накопления 0,2 – 2,5 мм в год. Разнообразие свойств и сложность компонентного состава торфяного сырья обуславливают возможность его использования в различных направлениях промышленного производства (наиболее полный перечень продукции на основе торфа включает более 70 наименований). Основными из них являются такие стратегически важные для экономики РФ отрасли промышленности, как энергетика (в частности, коммунально-бытовой сектор), сельское хозяйство и строительство.

В соответствии с общемировыми тенденциями, технологии добычи полезных ископаемых должны быть ориентированы на систему рационального природопользования. Существующие технологии добычи и переработки торфяного сырья имеют следующие недостатки: при извлечении остаются недоиспользованные органические и минеральные отложения; в получаемой продукции полностью не раскрываются потенциальные возможности сырья; комплекс работ по обводнению поверхности выработанных площадей не входит в добычные процессы и требует дополнительных затрат.

Для устранения отмеченных выше недостатков в диссертационной работе предлагается подход по получению новых видов композиционной продукции, в состав которой входят дополнительные виды органического и минерального сырья, добыча которых создает условия для капиллярной подпитки влаги к выработанной поверхности, способствующей возобновлению болотообразовательного процесса.

Объект исследования. Технологические процессы добычи и переработки органических и минеральных ресурсов.

Предмет исследования. Физико-технические параметры добычи (влагосодержание, продолжительность сушки, глубина экскавации) и переработки (водопоглощение, плотность, пористость, прочность, содержание компонентов) торфа и минеральных глинистых материалов.

Идея диссертационной работы заключается в установлении закономерностей новых направлений переработки органических ресурсов торфяных месторождений и сопутствующих минеральных отложений, обосновывающих необходимость их наиболее полного извлечения с одновременным созданием условий для возобновления болотообразовательного процесса посредством повышения влажности поверхности выработанных площадей.

Целью диссертационной работы является обоснование физико-технических параметров добычи и переработки торфяных и сопутствующих им минеральных ресурсов для вовлечения в производственные процессы дополнительного сырья с получением на его основе композиционных материалов.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие задачи:

– проведено исследование свойств смесей на основе торфа с глинистыми добавками в процессах, связанных с получением композиционной продукции;

– разработана методика расчета продолжительности сушки при получении формованных материалов на основе торфоминеральных композиций;

– проведена оценка водно-физических свойств органоминеральных материалов и характеристик термической конверсии органического вещества композиций;

– выполнено обоснование необходимости максимально возможного извлечения торфа и подстилающих минеральных материалов;

– разработан способ расчета толщины извлекаемого минерального слоя, учитывающий технологические и экологические требования к добыче сырья.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе были использованы стандартные методы определения характеристик исходного сырья (ботанический состав, степень разложения, зольность и др.), а также методики определения показателей сушки, усадки, структурообразования, водопоглощения и влагоемкости композиций, теплотворной способности и состава пиролизного газа. Обработка результатов экспериментов проводилась методами математической статистики и методом оценки нелинейных процессов (дистортности) с применением компьютерной техники.

Научная новизна работы состоит в разработке подходов к способам получения органоминеральных материалов на основе торфа во взаимосвязи с направлениями их дальнейшего использования, позволяющие повысить количество используемого сырья в торфяном производстве, при создании условия для повторного заболачивания вследствие повышения влажности поверхности после окончания добычи.

Научные положения, выносимые на защиту:

– влияние соотношения органических и минеральных компонентов на физикохимические и технологические параметры композиций при их грануляции и обезвоживании, обосновывающее снижение влагосодержания формования и окатывания, и изменение интенсивности сушки при сохранении качественных показателей готовой продукции;

– методика расчета основного параметра геотехнологии торфяного производства – продолжительности сушки, заключающаяся в уточнении воздействия минеральных глинистых компонентов на процесс обезвоживания формованных торфоминеральных материалов;

– метод критериальной оценки свойств композиций, примененный для воднофизических показателей органоминеральных материалов и характеристик термодеструкции органического вещества, определяющий вид и оптимальное содержание минеральных добавок в диапазоне от 0,2 до 0,4 (массовые доли) в зависимости от вида процесса;

– способ расчета толщины сработки минерального слоя, учитывающий условия повышения влажности поверхности выработанного торфяного месторождения.

Личный вклад автора состоит в системном анализе качества полученных композиций, проведении экспериментальных исследований по получению и использованию композиционных материалов на основе торфа с глинистыми добавками, установлении закономерностей поведения композиций при изменении содержания глинистых компонентов, оценке параметров добычи торфяного сырья и попутно залегающих глинистых материалов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректным и обоснованным применением общепризнанных закономерностей и методов исследований; четкой постановкой задач исследований; значительным объемом экспериментальных данных, полученных в результате пятилетних исследований в ТГТУ; достаточной сходимостью результатов с данными других авторов, опубликованными в научной и справочной литературе.

Практическое значение работы заключается в разработке основ технологических процессов добычи сырья, получения и использования композиционных торфоминеральных материалов в топливной, химической и других отраслях промышленного производства, а также для решения задач, связанных с охраной окружающей среды.

При проведении диссертационных исследований были разработаны:

– способ получения горючего газа высокой теплотворной способности из торфоминеральных композиций;

– состав и способ получения гранулированного топлива для пиролиза;

– состав композиционного влагопоглощающего материала на основе торфа.

Новизна технических решений защищена охранными документами по защите прав интеллектуальной собственности (три патента РФ на изобретения).

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в общую структуру Учебно-методического комплекса кафедры «Технология и комплексная механизация разработки торфяных месторождений» ГОУ ВПО «Тверской государственный технический университет» для реализации профессиональных образовательных программ при многоуровневой подготовке специалистов по направлению 130400 «Горное дело». Практические испытания проводились в OOO «Т-Инвест Тверь» (г. Тверь).

Внедрение результатов научно-исследовательской работы осуществлено в технологические процессы получения торфяной продукции на предприятии ОАО «Васильевский Мох», что позволило повысить гидрофильные свойства торфяной продукции и вовлечь дополнительное количество сырья в процессы добычи и переработки.

Апробация работы. Положения диссертационной работы были представлены на научных форумах различного уровня: Международные симпозиумы «Неделя горняка», 2006-2009 гг. (МГГУ, г. Москва); Научные школы «Болота и биосфера», 2005- (г. Томск); Второй научно-технический семинар «Физико-химические основы процессов добычи и глубокой переработки биогенных материалов», 29-30 апреля 2004 г.

(ТГТУ, г. Тверь); Всероссийская конференция-конкурс студентов выпускного курса, 06-08 апреля 2006 г. (СПбГГИ, г. Санкт-Петербург); Международный форум молодых ученых «Проблемы рационального природопользования», 26-28 апреля 2006 г.

(СПбГГИ (ТУ), г. Санкт-Петербург); IV Международная научно-практическая конференция «Ресурсы недр России: экономика и геополитика, геотехнология и геоэкология, литосфера и геотехника», сентябрь 2007 г. (ПГСХА, г. Пенза); Межвузовская конференция «География и смежные науки. LXI Герценовские чтения», 24-25 апреля 2008 г.

(РГПУ, г. Санкт-Петербург); Международная научно-практическая конференция студентов и аспирантов «Современные проблемы рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды», 22-23 мая 2008 г. (ТГТУ, г. Тверь); Международная научная конференция «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах», 20-24 октября 2008 г. (БелГУ, г. Белгород).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 25 научных работ, из них 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК. Новизна научно-технических решений отражена в 3 патентах РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав основного текста и заключения, изложенных на 120 машинописного текста, включая 64 рисунков, 7 таблиц и библиографический список из 105 наименований.

Автор благодарит сотрудников кафедр ТКМРТМ и БТХ за помощь в проведении исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обозначена проблема, решаемая в диссертационной работе, ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна полученных результатов и их практическая значимость, перечислены основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации работы и публикациях.

В первой главе диссертационной работы «Композиционные органоминеральные материалы на основе торфа» рассмотрены теоретические основы получения композиций и их преимущества по сравнению с однокомпонентными материалами. Представлен обзор по теме получения и использования композиционных материалов на основе торфа и, в частности, при совместной переработке торфяного сырья и глинистых материалов.

Вопросами получения торфяных композиционных материалов и исследованиями их свойств занимались А.Е. Афанасьев, В.И. Боброва, Б.А. Богатов, В.В. Борисейко, Г.П. Вирясов, С.Н. Гамаюнов, Н.В. Гревцев, Л.С. Гремнов, В.И. Косов, И.И. Лиштван, Н.П. Марук, О.С. Мисников, А.В. Михайлов, А.В. Огурцов, В.И. Суворов, А.А. Терентьев и другие ученые. Анализ их научных работ показывает, что композиции на основе торфа представляют материалы, включающие два или более компонентов, одним из которых является торф, а их свойства во взаимодействии отличаются от исходных свойств в количественном или качественном отношении, причем структура композиции сохраняет признаки гетерофазности.

Анализ обзора литературных и патентных источников по теме многокомпонентных смесей, получаемых при совместной переработке торфяного и глинистого сырья, показывает, что торфоглинистые материалы могут быть использованы в качестве пустотелых и пористых строительных материалов, сорбентов тяжелых металлов, топливных композиционных смесей, смесей для получения строительных материалов и сельскохозяйственных грунтов.

Анализ данных, имеющихся в научной литературе, о механизме взаимодействия компонентов торфяного сырья с глинистыми материалами показал, что существуют следующие органоминеральные соединения: соли гумусовых специфических кислот с катионами щелочных и щелочно-земельных металлов, комплексные соли гумусовых кислот с поливалентными металлами, адсорбционные органоминеральные соединения (алюмо- и железогумусовые комплексы, глинисто-гумусовые комплексы). Анализ механизмов взаимодействия свидетельствует о том, что в композиционных торфоглинистых смесях минеральные компоненты могут выступать в виде активного наполнителя.

Результатом этого является возможность создания композиций, обладающих новыми, например, гидрофильными, свойствами, которые определяются видом взаимодействий органических и минеральных материалов.

Во второй главе «Методика проведения экспериментальных исследований» приводятся характеристики органического и минерального сырья, используемого в экспериментальных исследованиях. Для получения экспериментальных образцов были использованы следующие виды торфяного сырья верховых типов:

1. Пушицево-сфагновый торф, степень разложения R = 25…30 %, зольность Ас = 1,8 %, (торфопредприятие «Васильевский Мох», Тверская обл.);

2. Комплексный верховой торф, степень разложения R = 10 %, зольность Ас = 0,7 %, (торфопредприятие «Зеленоборское», РБ).

В качестве добавок были использованы следующие глинистые материалы: каолиновая глина (месторождение «Кыштымское», Челябинская обл.); кембрийская каолиновая глина (месторождение «Чекаловское», пос. Никольское, Ленинградская обл.);

глинистый мергель (т/м «Терелесовское-Грядское», Тверская обл.); бентонитовая глина (месторождение «Саригюхское», Армения). Выбор вида добавок был обусловлен непосредственной близостью сырьевой базы к торфяным месторождениям, а также преобладанием каолиновых и бентонитовых глин в структуре мировой добычи.

Изложены методики подготовки сырья, получения композиций и исследования характеристик композиционных материалов с целью установления закономерностей формования, грануляции, сушки, структурообразования и водопоглощения органоминеральных образцов. Данные методики соответствуют стандартным, которые используются для торфяного сырья.

Для обработки экспериментальных данных использовался метод оценки нелинейных процессов. Сущность метода заключается в приведении функции и аргумента к нормализованному виду (то есть 0 X 1 и 0 Y 1 ), в случае, если X и Y имеют граничные условия в точках M1 и M2 (рис. 1).

периодов, что на практике позволяет установить наиболее эффективную область осуществления процесса. Сравнительный анализ значений функционалов при варьировании содержания компонентов смесей позволяет установить состав композиции, который характеризуется наибольшими показателями протекания процесса в единичных Рис. 1. Оценка взаимного влияния параметров нелинейных функций в приведенных координатах для использования на практике как наиболее Для оценки эффективности использования исходных компонентов в композиционных смесях в отношении кого-либо свойства был введен критерий эффективности композиций где X0 – величина свойства композиционной смеси; Xi – величина свойства у исходных компонентов; Ci – содержание компонентов смеси (здесь и далее в массовых долях), k – количество компонентов в смеси.

Разделяя свойства материалов в зависимости от технологических и потребительских требований на положительные (+) и отрицательные (–) критерий имеет следующие пределы изменения. Для повышения эффективности использования материалов в смесях группы (+) значение критерия должно находиться в пределах (1, +), для свойств группы (–) – в пределах (0, 1). При Kэк = 1 наблюдается очевидный результат, который не может рассматриваться как композиционный.

Третья глава «Геотехнологическое обоснование физико-технических параметров производства торфоминеральных композиций» посвящена разработке методики расчета основного параметра геотехнологии торфяного производства – продолжительности сушки формованных торфоминеральных материалов. Принципиальным отличием от известной методики расчета продолжительности сушки кускового торфа является оценка воздействия минеральных глинистых компонентов на длительность процесса обезвоживания.

Здесь же рассматривается влияние соотношения органических и минеральных компонентов на физико-химические и технологические параметры композиций при их формовании и обезвоживании, обосновывающее снижение начального влагосодержания и изменение интенсивности сушки, а также используется критериальный метод для оценки водно-физических свойств органоминеральных материалов.

Для получения экспериментальных образцов были выбраны методы формования:

экструзия и окатывание на тарельчатом грануляторе, позволяющие максимально использовать связующие свойства компонентов. При анализе экспериментальных данных установлено, что торфяное сырье совместно с глинистыми добавками имеет более высокую скорость окатывания с одновременным улучшением качества гранул (коэффициент формы уменьшается с 1,12 для торфа до 1,06 для органоминеральных материалов). Это объясняется тем, что глинистые компоненты гидрофилизуют смесь и способствуют быстрому смачиванию, выступают в роли связующего и повышают силу соударения гранул о поверхность и борта тарели (вследствие увеличения плотности смеси). В результате обработки теоретических и экспериментальных зависимостей получено соотношение для плотности торфяной композиции по окончанию окатывания где С – содержание глинистых компонентов; в, т и гл – плотности воды, торфа и глины соответственно, кг/м3; a, b – постоянные, полученные на основе обработки экспериментальных данных по окатыванию.

Анализ показывает, что с ростом содержания минеральных компонентов плотность повышается с 350 до 500 кг/м3 при изменении содержания глины от 0 до 0,4.

Гранулирование материалов указанными методами производилось при минимальной влагосодержании сырья Wн, при котором возможно формирование гранул.

Рис. 2. Зависимость начального влагосодержа- содержания глинистых добавок С = 1 было (1, Wн = 2,76–2,46 С, R = – 0,98) и окатывании соответствует значению начальной влаги (2, Wн = 2,58–3,32 С, R = – 0,98) от содержания формования высокоминерализованных маразличных глинистых компонентов С териалов Wн = 0,3 кг/кг.

Экспериментальные данные по изучению процесса сушки, осуществляемого в лабораторных и полевых условиях, позволили установить, что глинистые компоненты в органоминеральных материалах являются активными в физическом плане добавками, изменяющими протекание процессов массопереноса. Градиент влагосодержания при сушке композиций снижается при увеличении доли неорганических материалов, причем его максимальное значение смещается в сторону меньших значений W (рис. 3).

При преобразовании зависимостей А.Е. Афанасьева было получено соотношение прочности контактирующих слоев торфа Ri и Ri+1, которые связаны соотношением при различном содержании кембрийской као- нения позволил сделать вывод о формировании более однородной структуры в оргалиновой глины: 1 – 0,09, 2 – 0,16, 3 – 0, iп, кг/(м2·ч) в постоянном периоде от содержа- коэффициент диффузии, м /с;3 с – плотность ния минеральной добавки С : 1 – каолиновая сухого вещества торфа, кг/м. Эксперименлина (iп = 0,0337 – 0,02 С, R = – 0,98), 2 – гли- тально подтверждено, что при повышении нистый мергель (iп = + 0,0259 – 0,02 С, содержания минеральных компонентов инR = – 0,98), 3 – кембрийская каолиновая глина тенсивность испарения линейно снижается (iп = 0,0213 – 0,01 С, R = – 0,99) Методика расчета времени сушки формованного торфа заключается в том, что данный показатель складывается из продолжительности сушки в постоянном п и убывающем у периодах. Для органоминеральных материалов показатели, используемые для расчета п и у зависят от содержания минеральных компонентов, в связи с чем было получено выражение при Wн Wi Wкп ; Wкп – влагосодержание, соответствующее окончанию постоянного периода сушки, кг/кг; С = 0… 0,4.

Аналогичное выражение было получено для убывающего периода:

при Wкп Wi Wр, где Wр – равновесное влагосодержание, кг/кг; tiп и tiу – коэффициенты, полученные путем преобразования постоянных величин (ai, bi, сi, di), входящих в F = a3C + b3W + c3CW + d3, Wн = a4C + b4 ), С = 0… 0, Подстановка численных значений коэффициентов и расчет продолжительности сушки при различных С и Wi позволили получить следующие графики зависимостей (рис. 5).

в постоянном п, ч (а) и убывающем у, ч (б) периодах от содержания С глинистых добавок а: 1 – влагосодержание Wкп, соответствующего окончанию постоянного периода; 2 – 1;

3 – 1,25; 4 – 1,5; 5 – 2; 6 – 2,5 кг/кг; б: 1 – 0,2; 2 – 0,3; 3 – 0,4; 4 – 0,5; 5 – 0,6; 6 – 0,7; 7 – 0,8 кг/кг.

Анализ графиков позволяет сделать следующие выводы:

– продолжительность сушки в постоянном периоде (от Wн до Wкп) для органоминеральных образцов повышается по мере роста содержания добавки, что свидетельствует об увеличении длительности стабильного переноса влаги, снижающей опасность трещинообразования гранул;

– интенсивное снижение п наблюдается при содержании глинистых компонентов в интервале 0,2…0,4, на основании чего с позиции процесса сушки данный диапазон рекомендуется как наиболее эффективный;

– время обезвоживания в убывающем периоде снижается по мере увеличения содержания глинистых компонентов.

Для определения оптимального содержания минеральных добавок кривые сушки гранулированной продукции были обработаны по методу оценки нелинейных процессов. Установлено, что функционал K1 = XY принимает наибольшее значение при содержании глинистого компонента 0,4, которое входит в ране установленный оптимальный диапазон.

Исследование процессов структурообразования показало, что коэффициенты усадки для формованных и окатанных композиционных образцов линейно возрастают с повышением содержания глинистых добавок, что связано с различием механизмов усадки органических и минеральных материалов.

Торфяное сырье при сушке частично гидрофобизуется, а глина обладает гидрофильными свойствами. При внесении глинистых добавок в торфяную матрицу наблюдается повышение водопоглощения B48 по сравнению с исходным торфом. Причем оптимальное соотношение компонентов соответствует содержанию каолиновой глины в пушицево-сфагновом торфе С = 0,4 и кембрийской каолиновой глины в комплексном верховом торфе низкой степени разложения С = 0,1 (рис. 6). В соответствии с моделью dB / dt = k ( B48 Bi ) значения Vmax позволили сделать заключение, что оптимальное значение содержания каолиновой глины по скорости поглощения в начальный момент составляет 0,4 (рис. 7).

Рис. 6. Зависимость водопоглощения B48, кг/кг, Рис. 7. Зависимость значений скорости вокомпозиций от содержания С каолиновой кембрий- допоглощения в начальный момент ской глины в верховом пушицево-сфагновом торфе Vmax, кг/(кг·мин), от содержания каолиновой (1-3) и каолиновой глин в комплексном верховом глины С для гранул различных размеров:

торфе (4-6) для гранул различных размеров: 1 – 5, 2 – 7,5, 3 – 11 мм 1, 4 – 11, 2, 5 – 7,5, 3, 6 – 5 мм произведен расчет коэффициента эффективности композиций. Анализ показал, что совместное использование органических и минеральных материалов повышает водопоглощение от 1,2 до 1,7 раз по сравнению с позволила установить, что величины оптиРис. 8. Удельная пористость материала, выра- мальных содержаний глинистых компоненженная через количество поглощенной влаги, и гранул (средний диаметр 11 мм) при различном – приращение пористости (водопоглощевыражение для расчета угла смачивания ния), возникающее при набухании материала, – начальная пористость материала, (над столбцами указаны величины отношений водопоглощения к начальной пористости) где т – угол смачивания твердой фазы торфа; гл – угол смачивания твердой фазы глины; a, b – постоянные, полученные из уравнения для плотности композиций Анализ данного выражения показал, что при увеличении доли глинистых компонентов угол смачивания композиций уменьшается более чем на 10 % от начального значения угла смачивания твердой фазы торфа при изменении С от 0 до 0,4, что приводит к лучшему смачиванию материала из-за уменьшения объема пор.

В связи с тем, что режим сушки в значительной степени определяет воднофизические свойства торфяных материалов, были проведены исследования влияние температуры сушки на водопоглощение. Анализ экспериментальных данных показал, что при изменении температуры сушки в интервале от 45 до 80С значение водопоглощения B48 и скорости dB/dt снижаются, на основании чего рекомендуется осуществлять сушку в мягком режиме.

На основании анализа полученных зависимостей предложено направление использования композиционного торфяного материала с глинистыми добавками – гранулированный поглотитель загрязнений на водной основе. Кроме того, полученные закономерности позволяют разрабатывать основы технологий производства органоминеральной продукции с заданными водно-физическими характеристиками.

Четвертая глава «Исследование процесса пиролиза композиционных смесей на основе торфа» посвящена исследованию свойств органоминеральных материалов при термической конверсии. Здесь, как и в предыдущей главе, применяется критериальный метод оценки характеристик термодеструкции органического вещества, определяющий вид и оптимальное содержание минеральных добавок.

Термическая переработка органических материалов (торф, древесина, органические отходы и др.) с целью получения газа, жидких продуктов и твердого остатка является одним из перспективных методов повышения эффективности их использования.

Пиролиз представляет собой разложение или другие превращения химических соединений при нагревании в условиях полного отсутствия или ограниченного доступа окисляющего агента. При исследовании процессов термической переработки торфа в работах В.Е. Раковского было установлено, что значительное влияние на свойства твердого остатка и газов оказывают минеральные добавки. В соответствии с этим были выполнены экспериментальные исследования процессов пиролиза композиций торфа с глинистыми добавками.

Было установлено, что глинистые компоненты выступают в роли катализаторов, которые увеличивают выход газа и скорость термического разложения органического вещества торфа.

На основании анализа выхода пиролизных газов при термическом разложении торфяного сырья в присутствии различного количества минеральных материалов было установлено, что оптимальное содержание глинистого компонента – 0,23.

Расчет критерия эффективности композиций по объему выделившихся газов показал, что каталитический пиролиз позволяет более полно использовать потенциальные возможности торфяного сырья (критерий составляет 1,1…1,2), регулируя термодеструкцию органического вещества.

Обработка данных по кинетике выделения пиролизных газов с использованием метода дистортности позволила установить, что значение функционала K1 при наличии Было установлено, что при внесении глинистых материалов изменяются не только параметры процесса пиролиза, но и компонентный состав выделившихся газов – увеличивается содержание углеводородов, оксида и диоксида углерода. В отношении остальных компонентов Рис. 9. Значение функционала K1 кривых Одним из наиболее важных показателей с кинетики выделения пиролизных газов для позиции практического использования пиролизторфа и композиций с добавками глинистых материалов: 1 – торф без добавок; ных газообразных продуктов является их теплокаолиновая глина; 3 – кембрийская та сгорания. Расчеты критерия эффективности каолиновая глина; 4 – глинистый мергель; композиций по теплоте сгорания показали, что 5 – бентонитовая глина Kэк составляет для смеси с бентонитовой глиной – 2,8, глинистым мергелем – 2,34, каолиновой глиной – 2,34, кембрийской каолиновой глиной – 2,25. Из анализа значений Kэк следует, что внесение глинистых добавок позволяет увеличить эффективность использования торфяного сырья более чем в 2 раза.

В пятой главе «Технологические аспекты добычи торфяных и сопутствующих минеральных ресурсов» рассмотрена добыча дополнительного торфяного и минерального сырья, применяемого в композиционных смесях, находящегося в непосредственной близости от торфяной залежи, при одновременном формировании условий для увлажнения поверхности выработанного месторождения, а также рассматриваются экономические подходы для предлагаемой технологической схемы.

Большое внимание уделяется способу расчета толщины сработки минерального слоя, учитывающего условия для увлажнения поверхности торфяного месторождения.

Свойства подстилающих материалов, находящихся под слоем торфяного сырья, рассмотрены в работах Р.А. Крупнова. Их анализ показывает, что при контакте с органическим веществом минеральное сырье изменяет свои свойства, что проявляется в уменьшении пористости на 20-30 %, плотности на 15-25 % и других свойств по сравнению с минеральным сырьем, залегающем в обычных условиях, что свидетельствует о взаимном влиянии органического и минерального сырья в природных условиях.

Анализ геологических карт и разрезов (разрез торфяного месторождения «Терелесовское-Грядское», рис. 16, и фрагмент геологической карты месторождения «Озерецкое-Неплюевское») показал, что под торфяной залежью присутствуют минеральные отложения, которые потенциально пригодны для извлечения после окончания добычи торфяного сырья.

Рис. 16. Стратиграфический разрез торфяного месторождения «Терелесовское-Грядское»

Из опыта известно, что полезные ископаемые иногда могут находиться под слоем торфяного сырья, которое в добычных технологических процессах рассматривается как вскрышная порода. С подобными особенностями ведения горных работ сталкивались на «Саткинском» месторождении магнезита (г. Сатка, Челябинская обл.), на месторождениях песчано-гравийных смесей в Калининградской области. В отношении извлечения глинистых материалов известно, что на верховом торфяном месторождении «Blantyre Muir» (расположено в 10 км к югу от г. Глазго, Великобритания) была произведена добыча подстилающих отложений, включающих прослойки глин, пригодных для использования в кирпичном производстве. Приведенные факты подтверждают целесообразность предлагаемой технологии.

Расчет основного параметра добычи (толщины снимаемого слоя подстилающего минерального сырья) был произведен в соответствии с предпосылками, что технология освоения торфяных месторождений должна обеспечить извлечение максимального количества сырья и создать условия для увлажнения поверхности выработанных площадей (достижение заданного влагосодержания верхнего слоя минерального грунта Wпов).

В качестве одного из основных факторов повышения влажности верхних слоев минеральных отложений рассматривается капиллярное поднятие влаги. Значение высоты капиллярного поднятия в минеральных грунтах изменяется от 20 до 400 см.

Величина извлекаемого минерального слоя определяется из выражения где Hугв – глубина уровня грунтовых вод, м; Hпгкк – толщина пограничного горизонта капиллярной каймы, м; Wпов – влагосодержание поверхностного слоя; Wmax – максимальное влагосодержание минерального грунта; Wmin – минимальное влагосодержание на верхней границе капиллярной каймы.

В случае наличия особо ценных видов минеральных отложений возможна добыча на большую глубину, однако при этом должно рассматриваться водохозяйственное направление рекультивации выработанных площадей.

Оценка технологических параметров добычи минерального подстилающего сырья показывает, что при производстве органоминеральных композиций для пиролиза с программой Pкомп = 50 тыс.т. (содержание добавок составляет 0,23), при величине срабатываемого слоя Hм = 0,5 м, значение площади добычи составляет 1,8 га.

Экономический анализ технологических решений показал, что при добыче попутно залегающих минеральных отложений рост экономической эффективности может быть достигнут за счет привлечения дополнительного сырья, а также за счет их совместного использования с торфом и получения новых видов продукции (диверсификации производства). Теоретический анализ жизненного цикла торфяного предприятия свидетельствует о том, что производство композиционной продукции позволяет продлить время стабильной работы предприятия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований изложены технологические разработки, имеющие существенное значение для торфяной отрасли, сущность которых заключается в обосновании физико-технических и технологических параметров добычи и переработки торфяных и сопутствующих минеральных ресурсов при производстве различной композиционной продукции.

По диссертационным исследованиям сделаны следующие основные выводы:

1. Глинистые компоненты в органоминеральных композициях улучшают характеристики процессов их формования и сушки. Это выражается в снижении начального влагосодержания (с 2,5…2,7 до 1…1,7 кг/кг при изменении С в интервале 0…0,4), уменьшении внутренних неоднородностей (W снижается в 3 раза при увеличении содержания минерального компонента от 0,09 до 0,23) и времени обезвоживания исследуемых материалов. Получены аналитические и экспериментальные зависимости градиента влагосодержания, плотности и пористости, угла смачивания от содержания глинистых добавок.

2. Проведена комплексная оценка влияния минеральных глинистых материалов на процесс удаления влаги из формованных композиций. Предложена новая методика определения продолжительности сушки композиций, связывающая время удаления влаги в постоянном и убывающем периодах с содержанием глинистых добавок и конечным влагосодержанием. Анализ выражений позволил установить большую продолжительность постоянного периода сушки и определить по данному показателю оптимальный интервал содержания глинистых материалов С = 0,2…0,4.

3. Разработанный критерий эффективности использования композиций и расчет его числовых значений по показателям, связанным с водопоглощением и термодеструкцией, свидетельствует о том, что при совместном использовании торфа и глинистых материалов эффективность использования добываемого сырья возрастает. По показателю водопоглощения К эк достигает значений 1,7; по объему выделившихся газов – 1,2; по теплоте сгорания газовой смеси – 2,8.

4. Анализ геологического материала, разрезов торфяных месторождений и свойств минеральных ресурсов, попутно залегающих с торфяным сырьем, свидетельствует о наличии значительных объемов дополнительных ресурсов, пригодных для производства композиционных материалов, добыча и переработка которых в настоящее время не производится.

5. Предложен способ расчета величины добываемого минерального сырья с обоснованием создания условий для повышения влажности верхних слоев выработанных территорий, основанный на снижении уровня поверхности при сработке части минеральных отложений и капиллярном подъеме грунтовой влаги.

Основные научные и практические результаты диссертации изложены в следующих публикациях.

1. Тимофеев А.Е., Былинкин А.В., Иванов Д.В. Изучение характеристик торфоминеральных композиций // Перспективы развития Волжского региона: Материалы Всероссийской заочной конференции. Тверь: ТГТУ, 2002. С. 58-59.

2. Афанасьев А.Е., Мисников О.С., Иванов Д.В., Тимофеев А.Е. Использование минеральных добавок для повышения гидрофильности торфяной продукции // Физика и химия торфа в решении проблем экологии: Тезисы докладов Международного симпозиума, Минск, 3-7 ноября 2002. С. 83-84.

3. Бойков Д.И., Тимофеев А.Е Исследование влияния минеральных компонентов на свойства композиционных материалов. // Перспективы развития Волжского региона: Материалы Всерос. заочн. конф. Тверь: ТГТУ, 2003. С. 6-8.

4. Тимофеев А.Е., Бойков Д.И.,. Ковальчук Ю.Л. Процессы структурообразования в торфяных и композиционных материалах // Научные проблемы устойчивого развития Тверской области: экономика, экология и социология / Материалы научн. техн. конф. Тверь, 2003. С. 54.

5. Тимофеев А.Е, Бойков Д.И. Исследование влияния неорганических добавок на свойства органоминеральных композиций // Вестник Тверского государственного технического университета: Научный журнал. Тверь: ТГТУ, 2004. Выпуск 5. С. 63-66.

6. Бойков Д.И., Тимофеев А.Е., Ковальчук Ю.Л. Оценка первичных элементов структуры с использованием представлений физико-химической механики коллоидных капиллярнопористых тел // Вестник Тверского государственного технического университета: Научный журнал. Тверь: ТГТУ, 2004. Выпуск 5. С. 66-69.

7. Тимофеев А.Е., Ефремов А.С. Процессы структурообразования и сорбции в композиционных системах // Вестник Тверского государственного технического университета: Научный журнал. Тверь: ТГТУ, 2005. Выпуск 7. С. 60-63.

8. Мисников О.С., Тимофеев А.Е. Новые технологии получения и использования материалов на основе торфоминеральных композиций // Болота и биосфера / Материалы 4 научной школы. Томск: ЦНТИ, 2005. С. 240-247.

9. Мисников О.С., Тимофеев А.Е. Исследование водно-физических свойств гранул на основе торфоминеральных смесей // Горный информационно-аналитический бюллетень. М.:

МГГУ, 2006. – № 11. – С. 219-225.

10. Тимофеев А.Е., Исаева Е.Ю. Исследование водно-физических и структурных свойств композиционных сорбентов на основе торфа // Материалы 5 научной школы. Томск: ЦНТИ, 2006. – С. 250-255.

11. Тимофеев А.Е. Изучение свойств гранулированных композиционных сорбентов из торфоминеральных смесей // Проблемы рационального природопользования (Записки горного института Т.170. Часть 2): С.-Петербург: СПбГГИ (ТУ), 2007 г. С. 82-85.

12. Тимофеев А.Е., Яконовская Т.Б. Комплексное использование запасов торфяных месторождений как стратегия повышения экономической и экологической эффективности торфопредприятий / Болота и биосфера: Сборник материалов шестой Всероссийской научной школы (10-14 сентября 2007 г.). Томск: Изд-во ФГУ «Томский ЦНТИ», 2007. С. 275-279.

13. Макаренко Г.Л., Тимофеев А.Е. О геотехнологии комплексного освоения торфяных месторождений / Ресурсы недр России: экономика и геополитика, геотехнологии и геоэкология, литосфера и геотехника: сборник статей Международной научно-практической конференции. – Пенза: РИО ПГСХА, 2007. С. 98-101.

14. Мисников О.С., Тимофеев А.Е. Анализ разнообразных подходов к получению и применению сорбентов на основе торфа / Торф и бизнес, № 3 (9) 2007 г. С. 22-27.

15. Афанасьев А.Е., Тимофеев А.Е., Ефремов А.С. Оценка намокания коллоидных капиллярно-пористых тел / Торф и бизнес, № 2 (8) 2007 г. С. 27-31.

16. Алферов В.В., Тимофеев А.Е. Термическое разложение торфа и композиций на его основе как метод получения газообразного сырья и гидрофобного твердого остатка / Вестник Тверского государственного технического университета: научный журнал. Тверь: ТГТУ, 2007.

Вып. 11. С. 126-130.

17. Тимофеев А.Е., Петрунина Н.А., Савельева Е.О. Разработка обобщенной схемы создания сорбционных материалов на основе торфа / Вестник Тверского государственного технического университета: научный журнал. Тверь: ТГТУ, 2007. Вып. 10. С. 178-183.

18. Макаренко Г.Л., Яконовская Т.Б., Тимофеев А.Е., Макаренко А.Г. Технология комплексного использования органических и минеральных запасов торфяных месторождений с последующим восстановлением болотообразовательного процесса / Проблемы природопользования и инженерной экологии: сборник трудов ученых и преподавателей факультета природопользования и инженерной экологии ТГТУ. Тверь: ТГТУ, 2007. С. 47-59.

19. Макаренко Г.Л., Тимофеев А.Е. Рассмотрение технологий комплексного освоения торфяных месторождений и восстановления торфообразовательного процесса с позиций рационального природопользования / «География и смежные науки. LXI Герценовские чтения (Материалы межвузовской конференции. Факультет географии РГПУ им. А.Н. Герцена 24- апреля 2008 г.)».–Спб.: Тесса, 2008. – С. 294-300.

20. Макаренко Г.Л., Тимофеев А.Е. Технология рационального освоения торфяных месторождений / Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах: Материалы III Международной науч. конф. 20-24 октября 2008.

– С. 129-131.

21. Тимофеев А.Е. Технология комплексной добычи и переработки торфа и подстилающего минерального сырья / Горный информационно-аналитический бюллетень. М.: МГГУ, 2008. – № 11. – С. 382-385.

22. Мисников О.С., Тимофеев А.Е. О рациональном использовании энергетических и минеральных ресурсов торфяных месторождений / Горный журнал, 2008. – № 11. – С. 59-63.

23. Патент РФ № 2335891. Композиционный влагопоглощающий материал на основе торфа / Мисников О.С., Тимофеев А.Е.

24. Патент РФ № 2334783. Способ получения горючего газа/ Алферов В.В., Сульман Э.М., Мисников О.С., Тимофеев А.Е. и др.

25. Патент РФ № 2330876. Гранулированное топливо для пиролиза / Алферов В.В., Сульман Э.М., Мисников О.С., Тимофеев А.Е. и др.

Работы №№ 9, 11, 21, 22 опубликованы в рецензируемых научных изданиях, включенных в перечень ВАК.

Подписано в печать 5.05.09 Объем 1 печ. л. Заказ № 51 Тираж 100 экз.

Издательство ТГТУ, 170026, г. Тверь, наб. А. Никитина,