Одной из составляющих процесса заготовки торфяного сырья перед полевой сушкой, при отказе от поверхностно-послойной сработки торфяной залежи, может являться карьерная добыча торфа выемочно-погрузочными машинами агрегатированными с активными ковшами (ковшевыми просеивающими дробилками) (рис. 1). Именно на этой стадии целесообразно оптимизировать гранулометрический состав сырья, обеспечивая тем самым повышение интенсивности гравитационного обезвоживания торфяного сырья и рациональный размер частиц с позиции последующей полевой сушки. Высоту навала торфа в зоне промежуточного обезвоживания также необходимо выбирать из условия максимального потока влаги, обеспечивающего эффективность гравитационного обезвоживания.
Рис. 1. Схема участка карьерной добычи торфа: 1 – штабель промежуточного обезвоживания; 2 – карьер; 3 – выемочно-погрузочная машина агрегатированная с ковшевой просеивающей дробилкой; 4 – торфяная залежь ненарушенной структуры
Теоретическое обоснование и экспериментальная проверка
Если сравнить с искусственным обезвоживанием торфа, то для создания давления в 2,0 МПа (ω = 90÷80%) потребовалась бы высота навала около 200 м водного столба [2]. При влаге ωк < 80% требуются еще более высокие давления прессования из-за повышения энергии связи воды с торфом (табл. 1). Эта энергия связи тем больше, чем меньше W и размер пор (табл. 2). Это взаимосвязь была проверена при обезвоживании торфа при Pk ≥ Pg, и ωк ≤ 84%, что и служит подтверждением границ периодов обезвоживания: до 2,0 МПа (ωн = 90÷80%) и после 2,0 МПа (ωк < 80%). В нашем случае они подобны по величине содержания влаги при условии Pk = Pg:
1-й период – гравитационное обезвоживание, ω = (90÷93)% ÷(80÷84)%;
2-й период – полевая или искусственная сушка, ωк < (80÷84)%.
Таблица 1
Форма и энергия связи влаги с твердой фазой торфа
|
Категория влаги |
Обозначение |
Энергия связи E, кДж/моль |
|
Химически связанная |
Wх |
41,9 - 419 |
|
Физико-химически связанная |
Wфх |
21- 63 |
|
В том числе прочносвязанная вода моносорбции |
Wм |
<63 |
|
Осмотическая |
Wосм |
<2,1 |
|
Вода механического удерживания |
Wмех |
- |
|
В том числе: |
|
|
|
капиллярная |
Wкап |
0,84 |
|
внутриклеточная |
Wвнк |
- |
|
иммобилизованная |
Wим |
- |
|
структурно захваченная |
Wстр |
- |
Таблица 2
Зависимость высоты навала торфа от средних размеров пор
|
Диаметр пор D·106, м |
Энергия связи влаги Е, кДж/моль |
Вид влаги, W, кг(в)/кг(с) |
Высота навала при средних размерах пор, м |
||
|
максимальная |
наиболее вероятная |
минимальная |
|||
|
12,0 |
0,44 |
Wвнк |
- |
2,48 |
- |
|
6,0 |
0,88 |
Wкап |
- |
4,96 |
- |
|
50,0 |
0,10 |
Wмех |
0,3 |
- |
- |
|
25,0 |
0,21 |
Wим |
0,6 |
- |
- |
|
0,9 |
5,84 |
Wосм |
|
- |
10,90 |
|
0,5 |
10,51 |
Wфх |
|
- |
29,76 |
Примечание: 1. Т = 293 К, σ = 73·10-3 Н/м, g = 9,81 м/с2, Θ = 00; CosΘ = 1, торф верхового типа.
2. Е = 2s ·CosΘ·Vж/r, Vж = m/rж.
3. W* - наименование влаги (табл. 1).
4. Эффективный размер пор при φ ≈ 0,7 составляет Dэф = 56·10-10 м [1].
Состояние торфа, при котором Pk = Pg , нами названо критическим, при этом критическое состояние для разной влажности торфяного сырья наблюдается при различных высотах навала. В критическом состоянии торфяного навала его высота равна критической для данных условий hнав = Hкр. С этого критического состояния и начинается второй этап обезвоживания: сушка торфа. Характерно, что каждому значению ω соответствует свое значение диаметра пор (табл. 2) и высоты навала hнав. Поэтому высоту штабеля (навала) промежуточного обезвоживания необходимо уточнять (с учетом табл. 2 и рис. 2 а, б). Оценка высоты навала, в первом приближении (без учета испарения влаги), определяется из соотношения:
, (1)
Значения hнав , для различных групп порового пространства торфа (максимальное, наиболее вероятное, минимальное), показаны в таблице 2. Значения hнав сравниваются с учетом вида влагосодержания (по табл. 1) и энергией связи влаги с торфом для разных размеров пор. Таким образом, для наиболее вероятных средних размеров пор высота навала торфа меняется от 2,48 до 4,96 м, что в технологическом плане может быть обеспечено большой гаммой выемочно-погрузочных и погрузочных машин, нашедших применение в торфяной промышленности [6].
а 
б
Рис. 2. Зависимости: а - Hкр /hi = f(hi); б - Hкр /hi = f(1/hi) для верхового пушицево-сфагнового торфа, RT = (20÷25)%
Исследования показали [1; 5; 7-9], что испарение влаги в полевых условиях (<φ> = 0,7, T = 295÷303 К) позволяет удалять воду из торфа с размерами эффективных диаметров пор Dэф ≥ 56·10-10 м. Значения эффективных диаметров вычислялись с использованием формулы Кельвина: D = 4σvm/(R*Tln(1/φ)) по десорбционной ветви изотермы.
Следовательно, при средних погодных условиях влага максимально испаряется из большинства обозначенных пор, кроме максимальных (табл. 2). Как было показано ранее, роль испарения в процессе обезвоживания торфа невелика в первом периоде (гравитационном hн > Hкр), но является определяющей для второго (hн ≤ Hкр).
Для расчета можно использовать эмпирический подход, основанный на анализе экспериментальных данных (рис. 2 а, б), полученных нами и опубликованных в работе [4]. С учетом коэффициента масштабного эффекта ξh формула для расчета отношения Hкр /hi принимает вид:
, (2)
где kкр = d(Hкр /hi )/d(1/hi) - угловой коэффициент зависимости Hкр /hi = f(1/hi), (kкр = 6 м, рис. 2б), A0 - начальное значение аргумента (A0 = 0,67 б/р) принимается из графика (рис. 2б).
Из уравнения (2) следует, что значение высоты навала торфа:
. (3)
Трудности использования уравнения (3) сводятся к нахождению коэффициента ξh , показывающего изменение размеров частиц торфа при его сушке (лабораторные и полевые условия) в расстиле постоянной высоты. Причем высота пропорциональна диаметру частиц. Оценить значение ξh можно из уравнения (2). Представим искомый коэффициент в виде уравнения:
. (4)
Значения коэффициента для лабораторных условий сушки показаны в таблице 3. Значения ξh изменяются незначительно, от 1,22 до 4,30%. Таким образом, при инженерных расчетах можно принимать средние значения коэффициента масштабного эффекта ξh→1. Для более жестких полевых условий и искусственной сушки торфа значения ξh будут расти с увеличением отношения Hкр /hi и коэффициента kкр.
Таблица 3
Зависимость экспериментальных значений Hкр /hi в функции высоты навала торфа hi
|
hн·10-3, м (факт) |
Hкр·10-3, м |
Hкр /hi , б/р |
r·106, м (по форм. 1) |
1/hi, м-1 |
ξh, б/р |
hi·103, м (по форм. 3) |
(hФ - hр) ·103, м |
|
100 |
74 |
0,74 |
135,8 |
10 |
0,0122 |
97,9 |
+2,1 |
|
150 |
110 |
0,73 |
90,5 |
6,7 |
0,0180 |
166,7 |
-16,7 |
|
200 |
142 |
0,71 |
67,9 |
5,0 |
0,0232 |
181,0 |
+19,0 |
|
300 |
210 |
0,70 |
45,3 |
3,3 |
0,0340 |
265,0 |
+35,0 |
|
400 |
270 |
0,68 |
33,9 |
2,5 |
0,0430 |
416,0 |
-16,0 |
Примечание: торф верховой пушицево-сфагновый, RT = (20÷25)%, T = 293 К.
Оценка высоты навала по формуле (3) дает сопоставимые результаты с экспериментальными данными с относительной погрешностью, не превышающей 5%.
Например: Hкр = 74·10-3 м, kкр = 6 м, A0 = 0,67, ξh = 0,0122, подставляем данные для пушицево-сфагнового торфа RT = (20÷25)% в формулу (3) (данные табл. 3),
м.
Полученное значение мало отличается от экспериментального hi = 100·10-3 м (первая строка табл. 3). В этой связи можно оценить средний радиус пор (1), из которых удаляется влага при hi = hнав ≥ Hкр.
Основные выводы
Анализ данных, приведенных в таблице 3, показывает, что с уменьшением высоты навала за гравитационное обезвоживание отвечают преимущественно крупные поры [3; 4].
Причем полученные размеры пор оказались несколько выше (r = (135,8÷33,9)·10-6 м) диаметров пор (табл. 2). При этом размеры навалов торфа (при исследованиях в лабораторных условиях) в обоих случаях были в сравнимых перекрывающихся диапазонах. В первом случае высота навала составляла от 100 до 400 мм (табл. 3), во втором случае от 300 до 600 мм (табл. 2).
Следовательно, оценка высоты навалов торфа по среднестатистическим размерам пор и данные экспериментальных исследований (рис. 2 а, б) отличаются незначительно и могут быть использованы при решении инженерных задач оценки и прогноза высоты навала торфа hнав для одинаковых типа и вида торфа нарушенной структуры, выкладываемого в расстил сушки или в штабель промежуточного обезвоживания.
Рецензенты:
Пашкевич М.А., д.т.н., профессор, директор ЦКП, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург;
Иванов С.Л., д.т.н., профессор кафедры машиностроения, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург.