РОЗДІЛ 2
ОБГРУНТУВАННЯ НАПРЯМКУ, МЕТОДОЛОГІЇ ТА МЕТОДИКИДОСЛІДЖЕНЬ
2.1. Теоретичні засади інтенсифікації видалення води з торфу в перебігу технологічного процесу його видобування
При застосуванні торфу як палива вода є баластною складовою, яка знижує його якість, зменшуючи значення нижчої теплоти згорання (Q). Це ілюструє формула (2.1), з якої видно, що зі зростанням вологості робочого палива w нижча теплота згорання зменшується[19]:
Q = Q ? [6(9HP+w )]?4,19, кДж/кг, (2.1)
де Q - вища теплота згоряння торфу, кДж/кг;
HP - вміст водню в робочому паливі, %;
w - вологість робочого палива, %.
Значення вищої теплоти згорання визначається виключно елементним складом палива. Вміст різних елементів у горючій масі торфу приблизно такий [29]:
Таблиця 2.1
Приблизний вміст елементів у горючій масі торфу
Елемент і його позначенняВміст, %Вуглець (Карбон, СГ)53,6?63,7Водень ( Гідроген, НГ)5,1?6,6Кисень (Оксиген, ОГ)В середньому 33,4Азот (Нітроген, NГ)1,6?3,7Сірка (Сульфур, SГ)В середньому 0,3 Для розрахунку значення вищої теплоти згорання можна використати формулу проф. Д.І.Мендєлєєва * [29]:
Q = [81CP + 300HP - 26(OP - SP)]?4,19 кДж/кг (2.2)
Оскільки жоден з технологічних процесів виробництва торфових палив не передбачає зміни елементного складу торфу, єдиним реальним засобом підвищення теплоти згорання торфового палива залишається зниження його вологості. Якраз інтенсивність видалення надлишкової вологи з торфу і визначає в цілому динаміку технологічного процесу виробництва торфової сировини для брикетування.
Процеси збагачення торфу паливного призначення, починаються ще у покладі і є, перш за все, наслідком осушувальних робіт. Відведення води з території торфового родовища дозволяє суттєво понизити вологість покладу, нерідко - на десятки відсотків. Торфовий поклад, віддаючи воду, втрачає й своєрідну "опору", зумовлену Архімедовими силами. Скелет покладу за цих умов не в змозі витримати масу торфу і починає деформуватися. Відбувається так звана осадка торфового покладу, в процесі якої зменшуються пористість і вологість торфу, зростає міцність. Вологість фрезерованого шару приймається для перших двох років експлуатації на низинному покладі 78%, на верховому, перехідному і змішаному - 82%, для наступних років експлуатації - відповідно 75 та 79% [23].
Після досягнення торфовим покладом нормативної вологості подальше зниження вмісту вологи в торфі здійснюється в процесі його видобування, головним чином - у перебігу операції природного сушіння сфрезерованого торфу в розстилі.
Наочне уявлення про етапи зневоднювання торфу дає табл. 2.2.
Розглядаючи етап польового сушіння, доцільно згадати так звану криву сушіння, яка ілюструє зв'язок між вологовмістом матеріалу й інтенсивністю процесу видалення вологи з нього.
Таблиця 2.2.
Основні етапи зневоднювання торфу [30]
Найменування етапів виробництваВоло-гість торфу, %Середній волого-вміст, кг/кг До осушення (у природному стані)90-92 10 Після осушення При кар'єрному способі видобування86-88 7 При пошарово-поверхневому (фрезерному) способі виробництва75-82 4 Після польового сушіння30-50 0,8 Після штучного сушіння10-20 0,2
Рис. 2.1. Крива інтенсивності сушіння фрезерного торфу без ворушіння [17]
Як видно з кривої сушіння (рис. 2.1), інтенсивність видалення води з розстилу фрезерного торфу по мірі зниження вологовмісту зменшується. Справедливим і більш евристичним є й обернене тлумачення: із зростанням вологовмісту інтенсивність випаровування води зростає [25,31,32]. Спираючись на останнє твердження, логічно припустити, що інтенсивність випаровування вологи з розстилу фрезерного торфу може бути збільшена шляхом організації процесу таким чином, щоб вологі частинки концентрувались в найбільш активній зоні випаровування, тобто на поверхні (розстилу чи валка). Цей умоглядний висновок потребує теоретичного і експериментального підтвердження, а також розгляду питання зв'язку води з торфом.
2.1.1. Зв'язок води з торфом. Для того, щоб керувати процесом сушіння матеріалу, необхідно знати форми і енергію зв'язку вологи з речовиною цього матеріалу. Це повною мірою стосується й торфу. Ще у 1930 році Г.Л.Стадниковим [33] було запропоновано розділити воду, що міститься в торфі, на дві категорії: таку, що віджимається без значних втрат речовини, і таку, що не віджимається і є колоїдно-зв'язаною.
Більш деталізовану класифікацію води торфу запропонував О.В.Думанський [34]. В цій класифікації вода розділяється на вільну, що заповнює пори різних розмірів (гравітаційна, капілярна, вода ультрапор) і зв'язану (осмотично, фізично і хімічно). І в подальшому форми зв'язку води з матеріалом уточнювались в роботах С.В.Курдюмова, О.В.Ликова, І.І.Ліштвана та інших вчених.
Розуміння різноманітності форм зв'язку вологи з матеріалом дозволяє більш усвідомлено розглядати енергетику процесу зневоднювання. Такий "енергетичний" підхід вперше запропонував П.А.Ребіндер [35]. Він поклав в основу класифікації енергію зв'язку вологи з матеріалом, еквівалентну тій кількості вільної енергії, яку необхідно надати системі в ізотермічних умовах, щоб перевести зв'язану воду в стані вільної. Енергію зв'язку вологи з матеріалом (Е) запропоновано визначати за формулою
Е = - Ro•T•ln ? (2.3)
де Ro - універсальна газова стала, Дж/кмоль;
T - температура (по шкалі Кельвіна), Ко;
? - відносна вологість повітря.
За П.А.Ребіндером, усі форми зв'язку води з матеріалом розділені на три групи: хімічний зв'язок (стехиометричний), фізико-хімічний (зв'язок у різних, але чітко визначених співвідношеннях), механічний (утримання води у невизначених співвідношеннях). Кожна форма зв'язку характеризується наступними головними ознаками: характером зв'язку; умовами утворення; причиною, що зумовлює дану форму зв'язку; прикладами р