Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

При изучении влагопроводности переувлажненной торфяной залежи нарушенной структуры под действием гравитационных и капиллярно-осмотических сил создаются условия, когда , при которых интенсивность потока влаги стремится к нулю (), а высота слоя торфа стремится к предельной (минимальной) при соответствующем значении эффективного радиуса пор . После достижения навалом торфа критической высоты обезвоживание прекращается, и для дальнейшего удаления влаги требуется механический отжим сырья или проведение операций по сушке торфа (полевая сушка или сушка в заводских условиях).

Данная работа выполняется в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы, и является продолжением статьи [5], где были представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований влагопроводности нарушенного торфяного массива без учета потери влаги в результате испарения.

В результате выполненных исследований выявлено, что при мкм , т.е. водопоглощение стремится к минимальной величине. В нашем случае этому соответствует высота навала торфа 0,692 м при температуре К. При этом полагаем, что обезвоживание и водопоглощение для модели пористого тела отличаются только направлением потока влаги. Более надежными будут результаты, полученные при использовании реальных сред. В этой связи в формулу для , полученную из условия , необходимо ввести коэффициент , учитывающий особенности структуры и косвенно отражающий сопротивление переноса влаги:

. (1)

где , – экспериментальные и теоретические значения критической толщины слоя торфа. Выражение (1) можно записать и для текущих значений высоты слоя, подверженного осадке,.

Поэтому формула для интенсивности потока влаги в торфе принимает вид:

, (2)

где – эффективный коэффициент влагопереноса; – коэффициент влагопроводности; – эмпирический коэффициент, зависящий от характеристик торфяного сырья, уточняющийся из результатов конкретных экспериментальных исследований: , таким образом, для реальных сред значения и интенсивность влагопереноса будут меньше по сравнению с теоретическими значениями, полученными для капиллярной модели:

(3)

Теоретическая оценка коэффициента влагопроводности осуществляется на основе использования следующего уравнения:

, (4)

где при заданных постоянных значениях и , и определяется из углового коэффициента зависимости .

Использование преобразованного уравнения (4) сводится к теоретической оценке , а вычисляется через максимальное значение коэффициента фильтрации (м/с), , для начального состояния нарушенной, переувлажненной торфяной залежи или экспериментально определяется для различных условий обезвоживания. Величина в уравнении будет отражать максимальное значение потока влаги. Следовательно, возможно получить максимальную величину коэффициента влагопроводности .

. (5)

После преобразования получаем дифференциальное уравнение вида:

, (6)

где , м2с/кг(в). – характеризует обратную величину интенсивности влагопереноса.

Разделим переменные и проинтегрируем (6), в результате окончательно получим, что

, (7)

где индексы 1 и 2 соответственно отражают минимальную (начальную) и максимальную (текущую) величину параметра.

Зависимость (7) подобна уравнению связи коэффициента фильтрации с коэффициентом пористости , которая для малых перепадов давления в торфяной залежи имеет вид [2]:

, (8)

где (, ) – начальные, а (, ) – текущие значения параметров.

Коэффициент пористости связан с общей пористостью .

Коэффициент – характеризует уменьшение водопроницаемости (в нашем случае влагопроводности) торфа при его уплотнении (уменьшении эффективного радиуса пор), и в зависимости от состава и структуры торфа принимает значения в диапазоне от 1 до 3. С ростом степени разложения и уменьшением значения возрастают [3]: , .

В нашем случае последнее уравнение отличается коэффициентами . Это вызвано меньшей выборкой данных (таблица 1) по сравнению с [3].

Таблица 1 – Изменение характеристик влагопереноса различных типов и видов торфа

Примечания: плотность жидкости принята по [6] для , кг/м3.

Следовательно, коэффициенты и подобны, т.к. оба в конечном счете связаны с интенсивностью влагопереноса и его изменением из-за варьирования эффективных радиусов пор и критической высоты слоя , создающего давление на структуру торфа. Как правило, с ростом (а, следовательно, и давления) размер пор уменьшается (рис. 1) [4].

Рис. 1. Зависимость осадки и критической толщины от высоты слоя обезвоживания и радиуса пор без испарения и с его учетом для верхового шейцериево-сфагнового торфа, %, , .

Выражение (8) можно записать через интенсивность влагопереноса :

, (9)

где , . Этот подход позволяет оценить коэффициенты влагопроводности для нарушенной структуры торфа без учета испарения влаги.

Анализ формулы (4) показывает, что для , , , . Тогда будет связан одновременно и с радиусом пор (таблица 1 [4]). Оценим взаимосвязь коэффициента влагопроводности с фильтрационными свойствами торфа. Для этого решим уравнение (7) относительно , приравняем его к уравнению (9) и упростим полученные выражения, разложив экспоненциальную функцию в ряд и воспользовавшись ее первыми двумя слагаемыми. С учетом того, что получим:

, (10)

. (11)

Таким образом, можно оценить влагопроводность и через изменение коэффициентов фильтрации на начальном и конечном этапах обезвоживания при условии:

, , (12)

где – интенсивность испарения с влажной поверхности торфа.

С учетом формул (3) и (10) следует, что максимальный коэффициент влагопроводности можно записать как:

, . (13)

Таким образом, коэффициент влагопроводности должен иметь минимум (рис. 2) с ростом (степени разложения, рис. 1) и уменьшением коэффициента пористости . Изменение показано в таблице 1 в зависимости от типа, вида и степени разложения торфа, коэффициента пористости , полной влагоемкости и интенсивности влагопереноса .

Анализ таблицы 1 показывает, что максимальное значение коэффициента влагопроводности для верхового типа торфа принимает наименьшие значения (с) по сравнению с переходным (с) и низинным (с) и убывает с ростом степени разложения (рисунок 2).

В пределах каждой группы торфов (табл. 1, рис. 2) растет при . При меньших значениях степени разложения величина коэффициента влагопроводности убывает с ростом степени разложения . В частности, для сосново-пушициевого торфа значение (), а для магелланикума () при соответствующих коэффициентах пористости , равных 11,2 и 13,5, т.е. укладываются в те пределы, которые даны в [3] для различных групп водопроницаемости (высокой , средней , низкой ). Поэтому для одного типа торфа характеристики влагопроводности будут так же изменяться, как и фильтрационные характеристики (), т.е. будут иметь минимум (рис. 2).

Следовательно, основными факторами, влияющими на влагоперенос, являются степень разложения, изменяющаяся 2,43 раза, коэффициент пористости, изменяющийся в 1,2 раза и коэффициент влагопроводности, изменяющийся в 36,5 раза (таблица 1, позиции № 12, 13). Таким образом, верховой тип торфа составляет исключение в связи с резко выраженной неоднородностью структуры из-за возможного наличия пограничного горизонта повышенной степени разложения, чередующегося с обычной структурой пониженной . Даже при одинаковой (например, позиции 5 и 12 таблицы 1), но разного типа и вида значения отличаются в 100 раз, что имеет место и в отношении коэффициентов фильтрации и интенсивности при мало изменяющихся и . Это обстоятельство обусловлено уменьшением градиента перепада давлений [4] за счет снижения капиллярного давления вследствие гидрофобизации твердой фазы, обладающей повышенным содержанием битумов [2; 4]. В воде торфа верхового типа содержатся также различные растворенные органические вещества: моносахариды, пентозы, уроновые и гуминовые кислоты, битумы, высоко- и низкомолекулярные органические и минеральные вещества. Последние могут находиться в коллоидном, молекулярном и ионном состояниях [6]. Эти особенности структуры твердой и жидкой фаз приводят к уплотнению торфа, который относится к легкодеформируемым системам. Даже при давлении кПа [3] происходит осадка торфа, что приводит к повышению сопротивления (формула (5)) потоку влаги.

Следовательно, с ростом степени разложения уменьшается размер капилляров (пор). Это обстоятельство способствует проявлению капиллярно-осмотических и поверхностных сил, что приводит к вариации значений. Данные обстоятельства приводят к вариации значений (рис. 2). По аналогии с коэффициентом фильтрации [3] она составляет от 10 до 60%.

Для переходного и низинного типов торфяной залежи граничные величины при максимальной и минимальной степени разложения показаны в таблице 1. Значения показателя укладываются в те же пределы, что и для верхового типа при возросших коэффициентах влагопроводности (10….100 раз) и незначительно отличающихся коэффициентах пористости ( для переходного типа; для низинного типа) по сравнению с верховым (). Значит, за влагопроводность в большей степени несет ответственность состав переносимой влаги, при мало изменяющихся характеристиках твердой фазы. Это обстоятельство подтверждается физико-химическими свойствами дисперсионной среды переходного и низинного типов [2; 4].

Так, минерализация воды верховых торфяных залежей составляет 40-70 мг/л, а для переходного и низинного она соответственно возрастает в 1,8-2,6 раза и 4,2-10 раз. Преобладающим в минеральной части является кальций и его водорастворимые соединения. Кальций относится к основным структурообразователям торфа, обеспечивающим изменения размеров пор. Катионы кальция определяют и биохимический процесс. Они нейтрализуют кислотность. Причем ионообменные процессы протекают в основном в кислой среде, так как pH<7. Значения pH болотных вод возрастают от верховых к переходным и низинным типам торфяных залежей, т.е. с уменьшением их кислотности, что соответствует и большему содержанию кальция (до 15-85 мг/л) в низинных по сравнению с верховыми болотными водами (до 15 мг/л).

Рис. 2. Зависимость максимальной интенсивности влагопереноса и коэффициента влагопроводности от степени разложения торфяной залежи нарушенной структуры без учета испарения для верхового, низинного и переходного типов торфа при .

Особенностью интенсивности влагопереноса служат зависимости (рис. 2). Для верхового типа залежи она линейная

, (14)

где кг/м2с, – угловой коэффициент зависимости (14), кг/м2с%. Для переходного и низинного типов торфа эта зависимость имеет минимум при . Минимум имеет роль обобщенной точки при . Назовем ее средней эффективной связующей степенью разложения , исходя из которой можно выйти на любой тип торфа: , кг/м2с. При этом для верхового типа при , кг/м2с (экстраполированное значение), а для переходного и низинного типа оно значительно больше (рис. 2). С увеличением для верхового типа , из-за проявления реологических свойств воды: роста предельного напряжения сдвига и плотности связанной воды [1] с уменьшением размеров пор. Для переходного и низинного типов стремится к константе с неявным проявлением границы, из-за роста коэффициента сопротивления переноса влаги.

В связи с изложенным можно отметить, что при фильтрационном равновесии (, , ) количество оставшейся влаги в навале и будут коррелировать с коэффициентами влагопроводности, пористости, размеров пор, высоты навала торфа, т.е. в верховом типе торфяного сырья масса оставшейся влаги будет больше переходного и низинного . Эта особенность изменения влагопроводности подтверждается экспериментальными данными по оценке осадки, критической толщины навала в зависимости от начальной толщины шейхцериево-сфагнового торфа и изменения , что соответствует теоретическим данным, рассмотренным выше.

Это обстоятельство и определяет дальнейший набор технологических приёмов по обезвоживанию торфа при непрерывном производстве разнообразной качественной продукции.

Удовлетворительная сходимость экспериментальных данных с результатами проведенных теоретических исследований позволяет рекомендовать используемые теоретические подходы при выборе и оценке эффективности вновь предлагаемых технологических решений по полевому обогащению торфяного сырья, что обеспечит значительную экономию временных и материальных ресурсов при проектировании торфяных предприятий с расширенным сезоном добычи торфа, осуществляющих добычу торфяного сырья повышенной влажности.

Автор выражает искреннюю признательность профессору ТГТУ Афанасьеву Алексею Егоровичу за оказанную методическую помощь и ценные консультации при проведении теоретического этапа исследований.

Рецензенты:

Пашкевич Мария Анатольевна, профессор, директор ЦКП, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург.

Михайлов Александр Викторович, профессор кафедры машиностроения, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», г. Санкт-Петербург.