Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование физико-технических параметров добычи и переработки торфяных и сопутствующих минеральных ресурсов

ВАК РФ 25.00.22, Геотехнология(подземная, открытая и строительная)

Автореферат диссертации по теме "Обоснование физико-технических параметров добычи и переработки торфяных и сопутствующих минеральных ресурсов"

00347129Э

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

003471299

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

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

Научный руководитель:

Доктор технических наук, д , А „ Е

, г Афанасьев Алексеи Егорович

профессор

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, „ „

, г Суворов Владимир Иванович

профессор г

Кандидат технических наук Дубовиков Сергей Львович

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

Защита диссертации состоится «¿б}> и/-СНЛ-_ 2009 г. в ^часов на заседании 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

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 влага 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 (влагосодержа-ние, 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 болото-образовательного 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 органоминералышх 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 характерисгик исходного сырья (ботанический состав, степень разложения, зольность и др.), а также методики определения показателей сушки, усадки, струюгурообразования, водопоглощения и влагоемкости композиций, теплотворной способности и состава пиролгоного газа. Обработка результатов экспериментов проводилась методами математической статистики и методом оценю» нелинейных процессов (дистортности) с применением компьютерной техники.

Научная новизна работы состоит разработке подходов к способам получения ор-ганоминеральных 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 физико-химические 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 торфоминераль-ных материалов;

- метод критериальной оценки свойств композиций, примененный для водно-физических 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 эксперимещ-альных 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 торфоми-неральных 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 торфоми-

неральных 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» ГОУВПО «Тверской государственный технический университет» для реализации профессиональных образовательных программ при многоуровневой подготовке специалистов по направлению 130400 «Горное дело». Практические испытания проводились в ООО «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. (МГТУ, г. Москва); Научные школы «Болота и биосфера», 2005-2007 (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. ЬХ1 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. (Бел-ГУ, 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. Богатое, В.В. Борисейко, Г.П. Вирясов, С.Н. Гамаюнов, Н.В. Греецев, JI.C. Гремнов, В.И. Косое, И.И. Лиштван, H.H. Марук, О.С. Мисников, A.B. Михайлов, A.B. Огурцов, В.И. Суворов, A.A. 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 торфоглини-стых 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 /? = 25...30%, зольность

Ас- 1,8 %, (торфопредприятие «Васильевский Мох», Тверская обл.);

2. Комплексный верховой торф, степень разложения R = 10 %, зольность /1е- 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 гли-

на (месторождение «Сарипохское», 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, етруктурообразования и водопоглощения органоми-неральных 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 < У < 1), в случае, если ХпУ имеют граничные условия в точках М\ и Мг (рис. 1).

Критериями оценки процессов являются функционалы {К\... К4). Определение функционала К\ (для функции 1 вида) проиллюстрировано на рис. 1. Максимальное значение функционала позволяет разбить криволинейные геотехнологические процессы на стадии возрастающего и убывающего 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 координатах и может быть рекомендован для использования на практике как наиболее эффективный.

Для оценки эффективности использования исходных компонентов в композиционных смесях в отношении кого-либо свойства был введен критерий эффективности композиций

(1)

(=1

где Х0 - величина свойства композиционной смеси; X] - величина свойства у исходных компонентов; С,■ - содержание компонентов смсси (здесь и далее в массовых долях), к - 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, +со), для свойств группы (-) - в пределах (0, 1). При Кэк ~ 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

параметров нелинейных функций в приведенных координатах

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 влагосодержа-ния 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 па 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 смссь 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

Т=(«-6С)/рв+(1-С)/рт+С/ргл' (2)

где С - содержание глинистых компонентов; рв, рт и ргл - плотности воды, торфа и глины соответственно, кг/м3; а, Ъ - 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 И7,,, при котором возможно формирование гранул.

Величина И',, экструзионных и окатанных материалов значительно снижается при увеличении содержания глинистых компонентов (рис. 2). При экстраполяции зависи-0 02 04 о.б 08 мости для процесса формования на значение

Рис. 2. Зависимость' начального влагосодержа- содержания глинистых добавок С= 1 было ни* Г„, кг/кг, при формовании установлено, что значение влагосодержания (/, Ч'„= 2,76-2,46 С, К = -0,98) и окатывании соответствует значению начальной влаги (2, IV,, 2,58-3,32 с, /{ ~ - 0,98) от содержания формования высокоминерализованных ма-различных глинистых компонентов С териалов IV —03 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 Ж (рис. 3). При преобразовании зависимостей А.Е. Афанасьева было получено соотношение прочности контактирующих слоев торфа Я, и Лм, которые связаны соотношением

aVfK

Рис. 3. Зависимость кг/(кг м) от среднего влагосодержания по объему образца кг/кг, при различном содержании кембрийской каолиновой глины: I — 0,09,2 — 0,16,3 — 0,23

0,035

0,03-

0,025

0,015

Рис. 4. Зависимость интенсивности испарения /„, кг/(м2 ч) в постоянном периоде от содержания минеральной добавки С : I - каолиновая липа (г„= 0,0337 - 0,02 С , Л = - 0,98), 2 - гли-

Л,.=Я,ч,ехр| —, (3)

V * )т~ Const где Rj и К,,] - прочность на одноосное сжатие контактирующих слоев, МПа, а - коэффициент структурообразования, Дж/(моль-кг/кг); VfV - градиент влагосодержания, кг/(кг-м); R' - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); Г-темнели- ратура, К.

Анализ экспериментальных зависимостей с учетом данного теоретического уравнения позволил сделать вывод о формировании более однородной структуры в орга-номинеральных материалах при сушке. Смещение максимума VW свидетельствует о возникновении наибольших неравно-мерностей в материале при меньших IV, что позволяет производить сушку без изменения режима до этих влагосодержаний с невысокой вероятностью нарушения целостности композиций.

Из теории тепломассопереноса А.В.Лыкова известно, что при Т-Const градиент концентрации влаги VC = V(yJV) определяет интенсивность переноса в соответствии с уравнением i=-am-yc-VW, (в пределах зоны испарения i можно приравнять интенсивности испарения г„сп), где ат -коэффициент диффузии, м2/с; ус - плотность

сухого вещества торфа, кг/м . Экспериментально подтверждено, что при повышении

нистый мергель (;'„ +0,0259-0,02 С, содержания минеральных компонентов ин-Л = - 0,98), 3 - кембрийская каолиновая глина (/„=0,0213-0,01 С , Я — — 0,99)

тенсивность испарения линейно снижается (рис. 6), что согласуется с теоретическими предпосылками.

Методика расчета времени сушки х формованного торфа заключается в том, что данный показатель складывается из продолжительности сушки в постоянном т п и убывающем т у периодах. Для органоминеральных материалов показатели, используемые для расчета тп и ту зависят от содержания минеральных компонентов, в связи с чем было получено выражение

т„ =-

1,Сг +UC~t,CWi-LW,+L

t С +t С +t C + t CW +t C W+t W+t

'бп1- 7n ^i I lln ( 12n

(4)

при 1Ккп; - влагосодержание, соответствующее окончанию постоянного

периода сушки, кг/кг; С = 0... 0,4.

Аналогичное выражение было получено для убывающего периода:

10

',уС2+г2уС+г3у

+ /5уС2 + Г6уС + ^СЩ + кус% +

-1п

^щС + '|2у

И'+А

(5)

пу ;

при > И' > №'р, где - равновесное влагосодержание, юг/кг; и (1у - коэффициенты, полученные путем преобразования постоянных величин (а„ Ъ» сь входящих в установленные эмпирические зависимости (/„ -цС + Л,, тс=а2С+Ь2, F=я3C+6зr + c:iC^Г + £^J, =а4С + 64), С= 0... 0,4

Подстановка численных значений коэффициентов и расчет продолжительности сушки при различных С и Ж,- позволили получить следующие графики зависимостей (рис. 5).

0,1 ОД 0,3

Зависимость продолжительности

0,1 0,2 0,3 органоминеральных

материалов

сушки

в постоянном т„, ч (а) и убывающем ту, ч (б) периодах от содержания С глинистых добавок при различных влагосодержаниях Щ кг/кг, до которых производится сушка а: 1 - влагосодержание 1К„, соответствующего окончанию постоянного периода; 2-1; 3 - 1,25; 4 - 1,5; 5 - 2; 6 - 2,5 кг/кг; 6:1- 0,2; 2-0,3;3- 0,4; 4 - 0,5; 5 - 0,6; б - 0,7; 7- 0,8 кг/кг.

Анализ графиков позволяет сделать следующие выводы:

- продолжительность сушки в постоянном периоде (от Щ, до ¡¥т) для органоминеральных образцов повышается по мере роста содержания добавки, что свидетельствует об увеличении длительности стабильного переноса влаги, снижающей опасность тре-щинообразования гранул;

- интенсивное снижение т„ 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 но 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 К] = XV 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 г линистых добавок в торфяную матрицу наблюдается повышение водопоглощения 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 сНЗ/Л = к(В^~В,) значения Гшах позволили сделать заключение, что оптимальное значение содержания каолиновой глины по скорости поглощения в начальный момент

композиций от содержания С каолиновой кембрий- допоглощения в начальный момент ской глины в верховом пушицево-сфагновом торфе кг/(кгмин), 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 2,5-7,5,3,6-5 мм

На основании полученных данных был произведен расчет коэффициента эффективности композиций. Анализ показал, что совместное использование органических и минеральных материалов повышает водопо-глощение от 1,2 до 1,7 раз по сравнению с водоноглощением исходных компонентов.

Композиционный материал характеризуется повышенным набуханием по сравнению с исходным торфом. Оценка степени набухания органоминералышх материалов относительно начальной пористости (рис. 8) позволила установить, что величины оптимальных содержаний глинистых компонентов соответствуют значениям, установленным по показателю водопоглощения.

Для оценки гидрофильности в соответствии с формулой Кассъе было получено выражение для расчета угла смачивания композиционного материала:

0 0.1 0,2 0,3 0,4 0,5 С

Рис. 8. Удельная пористость материала, выра-| женная через количество поглощенной влаги, и приращение объема пор при водопоглощении гранул (средний диаметр 11 мм) при различном содержании С каолиновой глины

111 приращение пористости (водопоглощения), возникающее при набухании материала,

— начальная пористость материала, (над столбцами указаны величины отношений водопоглощения к начальной пористости)

соэ 0 =-----(1 + С05©т) +---(1 + со$0Г1)-1, (6)

Рт Ргл

где 0Т - угол смачивания твердой фазы торфа; 0П, - угол смачивания твердой фазы глины; а, Ь ~ постоянные, полученные из уравнения для плотности композиций у-аС+Ь.

Анализ данного выражения показал, что при увеличении доли глинистых компонентов угол смачивания композиций уменьшается более чем иа 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 водно-физические 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 80°С значение водопо-глощения В,п и скорости сй?/сй 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 органомине-ральной продукции с заданными водно-физическими характеристиками.

Четвертая глава «Исследование процесса пиролиза композиционных смесей на основе торфа» посвящена исследованию свойств органоминералышх 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 К\ при наличии

глинистых компонентов (рис. 9, кривые 2-5) возрастает по сравнению со значением для исходного торфа (кривая 1).

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 (азот, водород) содержание варьируется без явных закономерностей.

Одним из наиболее важных показателей с позиции практического использования пиролиз-ных газообразных продуктов является их теплота сгорания. Расчеты критерия эффективности композиций по теплоте сгорания показали, что Кж составляет для смеси с бентонитовой глиной - 2,8, глинистым мергелем - 2,34, каолиновой глиной - 2,34, кембрийской каолиновой глиной - 2,25. Из анализа значений Кж 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 сработай минерального слоя, учитывающего условия для увлажнения поверхности торфяного месторождения.

Свойства подстилающих материалов, находящихся под слоем торфяного сырья, рассмотрены в работах P.A. 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 «Тереле-совское-Грядское», рис. 16, и фрагмент геологической карты месторождения «Озерец-кое-Неплюевское») показал, что под торфяной залежью присутствуют минеральные отложения, которые потенциально пригодны для извлечения после окончания добычи

Рис. 16. Стратиграфический разрез торфяного месторождения «Терелесовское-Грядское» (обозначения по ГОСТ 21302-96)

Рис. 9. Значение функционала К\ кривых кинетики выделения пиролизных газов для торфа и композиций с добавками глинистых материалов: 1 - торф без добавок; 2 - каолиновая глина; 5 - кембрийская каолиновая глина; 4 - глинистый мергель; 5- бентонитовая глина

Н - II -Н —^-' (1\

"мс уп) ПГКК ^ /„, ,„, ч2 J V;

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 ÍFnoB).

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

HKoJW^f

где ЯугЕ - глубина уровня грунтовых вод, м; Япгкк - толщина пограничного горизонта капиллярной каймы, м; (У„оя - влагосодержание поверхностного слоя; Wmax - максимальное влагосодержание минерального грунта; fFmin - 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 .Ркомп= 50тыс.т. (содержание добавок составляет 0,23), при величине срабатываемого слоя #м= 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 (VИ7 снижается в 3 раза при увеличении со-

держания 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 влага 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 Кзк 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 A.B., Иванов Д.В. Изучение характеристик торфоминераль-ных 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 струхтурообразования в торфяных и композиционных материалах // Научные проблемы устойчивого развития Тверской области: экономика, экология и социология / Материалы научи, техн. конф. Тверь, 2003. С. 54.

5. Тимофеев А.Е, Бойков Д.И. Исследование влияния неорганических добавок на свойства органоминеральпых 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 капиллярно-пористых тел // Вестник Тверского государственного технического университета: Научный журнал. Тверь: ТГТУ, 2004. Выпуск 5. С. 66-69.

7. Тимофеев А.Е., Ефремов A.C. 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 E.IO. 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.Е. Комплексное использование запасов торфяных месторождений как стратегия повышения экономической и экологической эффективности тор-фопредприятий / 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 A.C. 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 техническою университета: научный журнал. Тверь: ТГТУ, 2007. Вып. 11. С. 126-130.

17. Тимофеев А.Е., Петрунина H.A., 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.JI., 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. LX1 Герценовские чтения (Материалы межвузовской конференции. Факультет географии РПТУ им. А.Н. Герцена 24-25 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. Мнсников O.G., 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., Суль-ман Э.М., Мисников О.С., Тимофеев А.Е. и др.

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

Работы Х»№ 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, 22

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Тимофеев, Александр Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ТОРФА.

1.1. Физико-химические основы получения композиционных материалов.

1.2. Теоретические основы получения композиционных материалов на основе1 торфа:.

1.3. Органоминеральные материалы на основе торфа с глинистыми добавками.".

1.4. Процессы взаимодействия органического вещества торфа с минеральными добавками.

2 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМ ЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.!.

2:1. Сырье и экспериментальные образцы;.;. 22. Условия проведения экспериментов по сушке композиций;.33 2.31 Определение основных показателей сушки;.

2.4. Оценка-структурообразования композиционных образцов

2.5. Методика определения водно-физических свойств композиций.:.

2.6. Измерение капиллярно-осмотического давления в композициях при сушке :.'.

2.7. Методика проведения пиролиза композиционного сырья.

2.8. Оценка нелинейных процессов в композиционных смесях с позиции метода дистортности.

2.9: Критериальный подход к оценке эффективности использования композиционных материалов.;.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОРФЯНЫХ

КОМПОЗИЦИЙ С ГЛИНИСТЫМИ ДОБАВКАМИ.

311. Процессы гранулирования торфяных композиционных материалов с глинистыми добавками.

3.2. Исследование процессов сушки композиций с глинистыми добавками.

3.3. Структурообразование композиционных материалов с глинистыми добавками.

3.4. Водно-физические свойства композиционных материалов

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПИРОЛИЗА КОМПОЗИЦИОННЫХ СМЕСЕЙ НА ОСНОВЕ ТОРФА.

4.1 Термическая переработка торфа как способ повышения эффективности использования сырья.

4.2. Исследование влияния глинистых добавок на процесс пиролиза торфяного сырья.

4.3. Исследование свойств твердого остатка пиролиза композиционных смесей.

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ДОБЫЧИ ТОРФЯНЫХ И СОПУТСТВУЮЩИХ МИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ.

5.1. Оценка возможности добычи дополнительного торфяного сырья и минеральных материалов, сопутствующих торфяным месторождениям.

5.2. Экологические аспекты добычи дополнительных торфяных и сопутствующих торфяным месторождениям минеральных ресурсов.

5.3. Обоснование геотехнологических параметров добычи минеральных отложений, подстилающих торфяные месторождения.

5.4. Анализ экономических аспектов добычи минерального сырья, сопутствующего торфяным месторождениям.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Обоснование физико-технических параметров добычи и переработки торфяных и сопутствующих минеральных ресурсов"

Актуальность и общая характеристика работы. Российская Федерация располагает значительными запасами торфа (235 млрд. т, что составляет 37,2 % от мировых) [1]. Его ежегодный прирост составляет более 60 млн. т (в пересчете на содержание влаги 40 %) при скорости накопления 0,2 - 2,5 мм в год, что позволяет рассматривать его как возобновляемый ресурс. Разнообразие свойств и сложность компонентного состава торфяного сырья обуславливает 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 пересчете на условное топливо его энергетическая ценность (68 млрд. т у. т.) уступает только каменному углю (97 млрд. т у. т.) и превышает такие традиционно используемые источники энергии как нефть (31 млрд. т у. т.) и природный газ (22 млрд. т у. т.) вместе взятые. Но несмотря на то, что в структуре топливно-энергетического баланса нашей страны в настоящее время1 наблюдается явная диспропорция с увеличением доли природного газа (482 млн. т у. т. в год) и нефти (205 млн. т у. т.), работы по разработке новых технологий использования торфа (в том числе и в энергетических целях) особенно актуальны, поскольку они позволяют создать научную базу для инновационного развития торфяной отрасли и укрепить важнейшие отрасли промышленности РФ.

В связи с этим важными и требующими скорейшего решения проблемами являются разработка инновационных видов продукции, позволяющих наиболее полно извлекать и эффективно использовать торфяные ресурсы, и комплексных экологически сбалансированных технологий добычи различных видов сырья, находящихся на территории и в непосредст

1 Представлены данные за 2007 год. венной близости от торфяных месторождений. В современных экономических условиях новые технологии должны соответствовать строгим критериям, обеспечивающим их малозатратность, высокую эффективность и качество получаемой продукции.

Анализ современных мировых экономических, экологических и социальных условий показывает, что все аспекты человеческой деятельности должны быть ориентированы на концепцию устойчивого развития {sustainable development). Она рассматривается как процесс изменений, в котором эксплуатация ресурсов, направление инвестиций, ориентация научно-технического развития и институциональные изменения согласованы друг с другом и укрепляют нынешний и будущий потенциал для удовлетворения человеческих потребностей и устремлений [2]. Суть ее заключается не в немедленном прекращении экономического роста, а в прекращении, на первом этапе, нерационального роста использования ресурсов окружающей среды. Данная концепция подразумевает оптимальное использование ограниченных ресурсов и использование экологичных природо-, энерго-, и материало-сберегающих технологий, включая добычу и переработку сырья, создание экологически приемлемой продукции, минимизацию, переработку и уничтожение отходов.

В связи с этим при разработке технологий добычи полезных ископаемых важное место занимает система рационального природопользования [3], в соответствии с которой применительно к торфяному производству могут быть выдвинуты следующие требования:

1. Снижение количества потерь сырья (остаточный слой торфа, отходы добычи, органоминеральное сырье и сопутствующие минеральные отложения) [4];

2. Наиболее эффективное-использование извлеченных полезных ископаемых и, соответственно, снижение требуемых объемов добычи;

3. Заболачивание выработанных площадей [5].

Анализ существующих технологий освоения торфяных месторождений показывает, что отмечается недоиспользование органического сырья в количественном и качественном отношении. Так при добыче фрезерного и кускового торфа коэффициент использования балансовых запасов торфяного сырья обычно не превышает 0,6.0,65, что обусловлено потерями на придонный слой (величина регламентируется нормами рекультивации), сырье повышенной зольности, по условиям конфигурации и т.д. Изменение требований к технологиям добычи и к сырью позволит вовлечь дополнительные виды торфяных ресурсов в процессы добычи и переработки.

Также существует большое количество ценных минеральных ресурсов сопутствующих торфяным месторождениям, которые могут быть использованы для получения продукции (например, сапропели, глины, суглинки и др.). Следует отметить, что минеральные отложения с позиции современных технологий освоения торфяных месторождений не рассматриваются как сырье, пригодное для добычи и последующей переработки.

Вопросам более полного использования торфяного сырья и добычи дополнительных ресурсов торфяных месторождений были посвящены работы А.П. Гавршъчика, Е. Т. Базина, Е. С. Демьянова, P.A. Крупнова, М.В. Попова, О.С. Мисникова и др. [4, 6, 7, 8, 9].

В соответствии с устоявшимися требованиями к разработке торфяных месторождений необходимо выдерживать толщину придонного слоя, которая в зависимости от направления рекультивации может изменяться от 0,15 до 0,5 м [6]. В настоящее время в связи с ориентированием на восстановление выработанных площадей, необходимость в наличии остаточного слоя отсутствует. Имеются следующие факты, свидетельствующие о целесообразности полного извлечения торфа:

Остаточный слой торфа на поверхности выработанных торфяников подвержен ветровой эрозии (дефляции);

При существующих технологиях добычи 20-30% выработанных полей не имеют установленного защитного слоя торфа и обнажены до минеральных отложений [9], что свидетельствует о несоблюдении норм рекультивации в реальных производственных условиях; Целесообразно добывать торфяное сырье полностью с целью получения наибольшей выгоды.

Верхний горизонт остаточного слоя, представленный остаточным слоем торфа различной степени разложения, может быть: торфяным — Ат при степени разложения Я менее 25%, перегнойно-торфяным — Ат при Я = 25 -45% и перегнойным — Ап при Я > 45%. Мощность этих горизонтов колеблется в больших пределах — от нескольких сантиметров (чаще в центре технологических карт) до 1—1,5 м (на бывших подштабельных полосах) [9].

По данным экспериментальных исследований свойств верхней зоны остаточного слоя [6] возрастание зольности в среднем составляет 0,3.5,5 %, поэтому это сырье может быть рассмотрено как пригодное для использования в традиционных направлениях.

Переходными между торфяным сырьем и минеральными породами отложениями является органоминеральные отложения (ОМО). Они могут быть представлены сапропелями, илами и другими видами отложений. На основании оценки возможности их использования в работе [3] было сделано заключение, что дополнительные ресурсы торфяных месторождений могут в значительной степени повысить эффективность производства за счет выпуска новых видов продукции.

Сопутствующее торфяным месторождениям минеральное сырье представляет собой такие осадочные горные породы как пески, супеси, суглинки, глины и др. Свойства подстилающих минеральных отложений, изменившихся вследствие контакта с торфяной залежью, рассмотрены в работе [10]. Анализ показывает, что при контакте с органическим веществом минеральные материалы изменяют свои свойства, что проявляется в уменьшении пористости на 20-30 %, плотности на 15-25 % и варьировании других свойств по сравнению с минеральным сырьем, залегающем в обычных условиях. Кроме того, изменяются химический состав и формы существования элементов [11].

В качестве одного из наиболее перспективных направлений повышения полноты использования потенциала торфяного сырья, при котором выполняются требования системы рационального природопользования, может рассматриваться производство композиционной продукции. Это обусловлено следующими основными преимуществами:

• композиционные материалы характеризуются свойствами, значительно отличающимися от свойств исходных компонентов;

• существует возможность утилизации отходов торфяного производства путем производства продукции на основе композиционных смесей [12].

Указанные преимущества позволяю повысить эффективность использования торфяного сырья (получать продукцию с более высокими качественными характеристиками) и, следовательно, перейти к меньшей программе добычи.

Вопросам получения композиционных материалов на основе торфа были посвящены работы А.Е. Афанасьева, В.И. Боброва, Б.А. Богатова, В.В. Борисейко, Г.П. Вирясова, Н.И. Гамаюнова, С.Н. Гамаюнова, Н.В. Гревцева, В.И. Косова, И.И. Лиштвана, О. С. Мисникова, 77.77. Марука, A.B. Огурцова, В.И. Суворова, A.A. Терентъева и др. [12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21]. Анализ этих работ показывает, что виды материалов, относимые к композиционным, характеризуются более высокими качественными характеристиками по сравнению с продукцией из «чистого» торфа.

В соответствии с одним из заключительных этапов системы рационального природопользования, после окончания добычи территория выработанного торфяника должна быть подготовлена для повторного заболачивания. В настоящее время эта тенденция носит общемировой характер [5]. Однако возобновление болотообразовательного процесса не связано с добычей2 и выполняется после ее окончания, причем промышленные предприятия не заинтересованы в ее выполнении. В связи с этим, в работе выдвигается гипотеза, в соответствии с которой повышение влажности после окончания добычи может достигаться посредством снижения уровня по

2 Не направлена на извлечение прибыли. верхности выработанной территории (ее приближение к уровню грунтовых вод) и создания увлажнения за счет капиллярного поднятия влаги.

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 формирования повышенного обводнения по- верхности 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 композиционI ных материалов.

В соответствии с поставленной целью в диссертации были 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;

- с применением критериального метода выполнена оценка водно-физических свойств органоминеральных материалов и характеристик термической конверсии органического вещества композиций;

- выполнено обоснование необходимости максимально возможного извлечения торфа и подстилающих минеральных материалов с разработкой способа расчета толщины извлекаемого минерального слоя;

- рассмотрены технологические аспекты добычи торфяных и сопутствующих минеральных ресурсов.

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, структурообра-зования, водопоглощения и влагоемкости композиций, теплотворной способности и состава пиролизного газа. Обработка результатов экспериментов проводилась методами математической статистики и методами оценки нелинейных процессов (дистортности) с применением компьютерной техники.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней разработаны подходы 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 обводнения поверхности после окончания добычи.

Научные положения, выносимые на защиту:

- взаимное влияние органических и минеральных компонентов на физико-химические и технологические параметры композиций при их формовании и обезвоживании, обосновывающее снижение начального вла-госодержания и изменение интенсивности сушки;

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

- критериальный метод оценки свойств композиций, примененный для водно-физических показателей органоминеральных материалов и характеристик термодеструкции органического вещества, определяющий вид и оптимальное содержание минеральных добавок в диапазоне от 0,2 до 0,4 в зависимости от процесса;

- способ расчета толщины сработки минерального слоя, учитывающий условия для повышения влажности поверхности торфяного месторождения.

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).

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректной постановкой задач исследований; значительным объемом экспериментальных данных, полученных в результате пятилетних исследований в ТГТУ; незначительным расхождением результатов от ранее полученных другими авторами и опубликованными в научной и справочной литературе.

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 ООО «Т-Инвест Тверь» (г. Тверь). Внедрение результатов научно-исследовательской работы осуществлено в технологические процессы получения торфяной сельскохозяйственной продукции на предприятии ОАО «Васильевский Мох».

Заключение Диссертация по теме "Геотехнология(подземная, открытая и строительная)", Тимофеев, Александр Евгеньевич

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.Д4), уменьшении внутренних неоднородностей (УЖ 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 водопоглощени-ем и термодеструкцией, свидетельствует о том, что при совместном использовании торфа и глинистых материалов эффективность использования добываемого сырья возрастает. По показателю водопоглощения Кж 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.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Тимофеев, Александр Евгеньевич, Тверь

1. Практическое руководство по организации добычи фрезерного торфа: учебное пособие / В.И. Смирнов и др.; под ред. В.И. Смирнова. 1-е изд. Тверь: ТГТУ, 2007. - 392 с.

2. Устойчивое развитие Электронный ресурс. / Свободная энциклопедия «Википедия». — http://ru.wikipedia.org/wiki/yстойчивое развитие

3. Шабанов В.В. Введение в рациональное природопользование Электронный ресурс. / В.В. Шабанов. М.: ГОУВПО «МГУП». - Режим доступа: http://www.msuee.ru/html2/books/vvedenie/oglavlenye.htm

4. Мисников О. С. Разработка научных принципов утилизации промышленных отходов с комплексным использованием ресурсов торфяных месторождений: дисс. . д-ра техн. наук / О.С. Мисников ТГТУ: Тверь, 2007 - 337 с.

5. Панов В.В. Болотообразовательный процесс и торфяные ресурсы. Восстановление торфяных болот: учебное пособие / В.В. Панов. — Томск: издательство Томского государственного педагогического университета, 2007. 80 с.

6. Демьянов Е. С. Исследование основных технологических характеристик придонных слоев торфяной залежи, оставшихся после выработки торфяного месторождения: дис. . канд. техн. наук / Е. С. Демьянов КПИ: Калинин, 1974. - 180 С.

7. Базин Е.Т. Физические и технологические основы осушения и комплексного использования торфяных месторождений: дис. . д-ра техн. наук в форме науч. доклада / Е.Т. Базин КПИ: Калинин, 1988. - 51 с.

8. Крупное РА. Рекультивация выработанных торфяных' месторождений: учебное пособие / P.A. Крупное, М.В. Попов. — Тверь, 1995. — 80 с.

9. Гревцев Н.В. Научные основы технологии торфяных композиционных материалов: дис. д-ратехн: наук/Н.В- Гревцев—Тверь, 1998. 459 с.

10. Огурцов A.B. Получение углеродистых адсорбентов из композиций на основе торфа и отхода производства / A.B. Огурцов, В.И. Боброва, Л.П. Королева ИТорф; пром-сть. 1985;- №10. - С. 21-24. . '

11. Гремнов JI.C. Перспективы получения гранулированного топлива из композиционных биогенных материалов / JI.C. Гремнов, В.В. Борисей-ко, Н.П. Марук и др. // Торф, пром-сть. 1989. - №7. - С. 12-13.

12. Богатое Б.А. Топливные брикеты из смеси органогенных материалов / Б.А. Богатое, Г.А. Куптелъ, А.Н. Яковец и др. // Торф, пром-сть. — 1989. -№3.- С. 24-26.

13. Патент RU 2255955 С1 Способ получения кускового коммунально-бытового биотоплива / Косое В.И., Беляков A.C. — 2004.

14. Кербер M.JI. Композиционные материалы / M.JI. Кербер // Соросов-ский Образовательный Журнал. 1999. — № 5. - С. 33-41.

15. Лысенко A.A. Что такое композит? Электронный ресурс. / Издательский дом «Мир композитов». — Режим доступа: http://kompomir.ru/files/whatiskomposite.zip

16. Бардзокас Д.И. Математическое моделирование физических процессов в композиционных материалах периодической структуры / Д.И Бардзокас, А.И. Зобннн. М.: Едиториал УРСС, 2003 - 376 с.

17. Туманов А.Т. Композиционные материалы / А.Т. Туманов, К.И.Портной //БСЭ. — 3-е изд. — М., 1973.-Т. 12.26ЛипатовЮ.С. Будущее полимерных композиций / Ю.С.Липатов. -Киев: Наукова думка, 1984. 135 с.

18. Осипъян Ю.А. Металлофизика / Ю.А. Оснпъян, А.Л. Ройтбурд //БСЭ. — 3-е изд.-М., 1973.-Т. 14.

19. Ъ2Дрожалина Н.Д. Углеродные молекулярные сита на- основе" торфа / Н.Д. Дрожалина. — Мн.: Наука и техника, 1984: 150*с.

20. ЪЪ.Белькевич П.И: Торф« и. проблемы защиты окружающей среды / П.И. Белъкевич; Л.Р. Чистова II Тверь: ТГТУ, 1979: 64'с.

21. Патент. 1Ш №2157401, С1. Состав для, брикетированного топлива / Кнатъко В.М. и др.

22. Патент 1Ш № 2160047, С1. Топливный,брикет и способ его получения / ЛурийВ.Г.

23. Патент ГШ №2091429, С1. Состав для топливных брикетов и способ его изготовления*/ Васильев В. Ф: и др.

24. Патент БШ № 2006136857, А. Тепло-строительныи материал "Торфо-лит"/ Ховрин Г.И.

25. Патент 1Ш № 2136624, С1. Бетонная смесь / Белов В.В: и др.

26. А2.Лиштван И.И. Физика и химия торфа / И.И. Лиштван, Е.Т. Базин, Н.И. Гамаюнов и др.- М.: Недра, 1989. 304 с.

27. Возбуцкая А.Е. Химия почвы / А.Е. Возбуцкая. М.: Высшая школа, 1968.-427 с.

28. Почвоведение. учеб. для ун-тов. в 2 ч. / под ред. В.А. Ковды, Б.Г. Розанова. Ч. 1. Почва и почвообразование / Г.Д. Белицина, В.Д. Васильевская, Л.А.Гришина и др. — М.: Высшая школа, 1988. — 400 с.

29. Попов С.Ю. Методы изучения структуры и динамики растительности Электронный ресурс. / Биология. Издательский дом «Первое сентября» — Режим доступа: http://bio. 1 september.ru/viewarticle.php?ID=2001023 06

30. Технический анализ торфа / Под общ. ред. Е.Т. Базина. — М.: Недра, 1992.-431 с.

31. Лиштван И.И. Физико-химические основы технологии торфяного производства / И.И. Лиштван и др. Мн.: Наука и техника, 1983. - 232 с.

32. Мисников О.С. Физические процессы структурообразования при сушке погребенных сапропелей: дис.канд. техн. наук / О.С. Мисников. -Тверь, 1997. 155 с.

33. Афанасьев А.Е. Изучение структурообразования при сушке крошкооб-разного торфа/ А.Е. Афанасьев// Коллоидный журнал. 1978. - Т. 40. -№5.-С. 848-857.

34. Алферов В.В. Физико-химические основы процесса пиролиза торфа в присутствии природных и искусственных алюмосиликатных материалов: дис. . канд. хим. наук / В.В. Алферов — Иваново, 2008. 146 с.

35. Миронов В.А. Дистортность в природных системах / В.А. Миронов и др. — Мн.: Беларусская навука, 1997. 415 с.

36. Богатое Б.А. Прогнозирование предельных состояний в нелинейной геомеханике / Б.А. Богатое и др. Мн.: ОО «Белорусская горная академия», 2000.-340 с.

37. ПебалкВ.Л. Гранулирование / В.Л. Пебалк II БСЭ.-З-е изд.-М., 1972.-Т.7.

38. Непша В.Г. Исследование процесса гранулирования торфа методом окатывания в тарельчатом грануляторе: дис. канд. техн. наук / В.Г. Непша — Тверь, 1981. 175 с.

39. Классен A.B. Основы техники гранулирования / A.B. Классен; Н.Г. Гришаев. М.: Химия, 1982. - 272 с.

40. Коротич В.И. Теоретические основы окомкования железнорудных материалов / В.И. Коротич. — М.: Металлургия, 1966. — 151 с.

41. Каменов А.Д. Комплексное моделирование агломерации и окомкования руд / А.Д. Каменов. М.: Металлургия, 1978. - 256 с.

42. Лазарев A.B. Новый способ гранулирования торфа / А.В.Лазарев, В.Г. Непша, В.В. Русаков //Торф, пром-сть. 1980. - № 5. - С. 21-23

43. Малков Л.М. Результаты исследования процесса сушки гранулированного торфа сферической формы / Л.М. Малков, A.B. Лазарев, В.Г. Непша II Торф, пром-сть. 1981. -№ 1. - С. 7-10

44. Rumpf Н. Chem. Ing. Techn. / Я Rumpf. 1974. - Bd. 46. -N 1. - S. 1-11; 1958, Bd. 30. -N 5. - S. 329-342.

45. Менковский M.A. Связующие вещества в процессах окускования горных пород / М.А. Менковский, Б.М. Равич, В.П. Окладников. — М.: Недра, 1977. 183 с.

46. Афанасьев AlE. Физические процессы торфяного производства: Практикум. 1-еизд. / А.Е. Афанасьев. Тверь: ТГТУ, 2005.-208 с.6%.Лыков А:В1 Теориясушки/ А.В-.Лыков. -Ш.: Энергия, 1968.-470 с.

47. И.БылинкинА.В. Физико-химические основы технологии торфоминеральных сорбентов : дисс. . магистра техники и технологии / Ä.B: Былинкин — ТГТУ:;Тверь, 2002. — 130 с.

48. Т&.Раковский В.Е. Общая химическая технология / В.Е. Раковский. — М.-Л: Госэнергоиздат, 1949. -363 с.

49. Богданов H.H. Коксование торфа / H.H. Богданов. М.-Л.: Государственное научно-техническое издательство, 1931. -35 с.

50. Рыбин С.И. Изучение влияния зольных элементов на процесс термического разложения типовых торфов. Отчет о НИР / Калининский торфяной институт; отв. исполн. С.И. Рыбин. — Калинин: КПИ, 1940. тема №9.-105 с.

51. Конторов М.В. Сжигание и газификации многозольных торфов / М.В. Конторов, И.Д. Букшпун. Киев: Гостехиздат Украины, 1935 -246 с.

52. Коксование торфа и применение торфяное кокса в промышленности / Под ред. И.И. Радченко. М.: Трест «Торфпродукт», 1931. -37 с.

53. ЪЪ.Мягков A.A. Торфяной кокс / под ред. H.H. Богданова. М.-Л.: Главная редакция горно-топливной литературы, 1931. - 224 с.

54. Теплопроводности материалов Электронный ресурс. / Термодинами-ка.ру http://w\\w.teirnodynamika.ru/ref/teploprovodnostimaterialov.html

55. Jlunaee A.A. Лабораторная установка для исследования тепловых свойств пород нефтяных и битумных месторождений / A.A. Jlunaee, Р.Г. Миннахметов, И.И. Маинанов, О.М. Мирсаетов, Р.Б. Абашев II Вестник УДГУ Науки о земле. 2005. №11. - С. 211-220.

56. Кузнецов Б.Н. Синтез и применение углеродных сорбентов / Б.Н. Кузнецов /I Соросовский Образовательный Журнал. 1999. -№ 12. - С. 29-34.

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

58. Гогин Д.Ю. Торф- экологический вид топлива, наиболее отвечающий требованиям Киотского протокола / Д.Ю. Гогин П Торф и бизнес. — 2008.-№ 1(11).-С. 6-8.

59. Макаренко Г.Л. Изучение геологической природы торфяных месторождений на основе степени трофности среды торфонакопления / Г.Л. Макаренко II Изв. вузов. Геология и разведка. — М.: РГТРУ, 2006. — №4.-С. 35-39.

60. Романов А.Н. Дистанционный мониторинг гидрологического режима переувлажненных почв / А.Н. Романов, И.А. Суторихин II География и природные ресурсы, 2006, № 1, с. 137-140

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

62. Диверсификация производства и обоснование ее эффективности, 2002. 139 с. http://planetadisser.com/see/dis227589.html

63. Пилипчук В.В. Антикризисное управление / В.В. Пилипчук. Владивосток: Дальневосточный государственный университет, 2003 г. — 105 с.