Исследование влияния пленочного покрытия на торможение термогенных процессов и изменение физико-механических свойств фрезерного торфа

УДК 632.232

© М.А. Жигульский, В.А. Кузьмин, В.М. Шпынев, 2014

М.А. Жигульский, В.А. Кузьмин, В.М. Шпынев

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛЕНОЧНОГО ПОКРЫТИЯ НА ТОРМОЖЕНИЕ ТЕРМОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ И ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ФРЕЗЕРНОГО ТОРФА

Рассмотрены исследовательские работы по изучению влияния пленочного покрытия из битумно-щелочной эмульсии на развитие и торможение термогенных процессов в складочных единицах.

Ключевые слова: фрезерный торф, саморазогревание, битумно-щелочная эмульсия.

Многие материалы растительного и минерального происхождения при хранении в условиях газообмена с окружающей средой саморазогреваются, причем интенсивность экзотермических процессов зависит от внутренних и внешних факторов воздействия. Анализ результатов наблюдений за хранением фрезерного торфа в производственных условиях показывает, что добытый на одних и тех же полях, с примерно одинаково геоботанической характеристикой и сходный по химическому составу торф, в различные годы ведет себя по разному. В один сезон он интенсивно разогревается, а другой - интенсивность подъема температуры выражена слабо.

Рассматривая фрезерный торф как трехфазную дисперсную систему с развитой поверхностью раздела фаз, в которой твердая фаза занимает 15-30%, жидкая - 10-20%, газообразная - 50-80% от всего объема, и учитывая, что саморазогревание возможно только в аэробных условиях, можно предположить, что окисление органической части торфа происходит в основном за счет дополнительно притекающего кислорода воздуха. Кислород воздуха способствует активной жизнедеятельности

микроорганизмов (на начальной стадии хранения торфа) и интенсификации окислительных процессов при протекании химических и физических (на второй стадии хранения). Свободный кислород воздуха, присутствующий в структуре торфа при изоляции поверхности штабеля от окружающей среды, замещается на азот и углекислоту в результате протекания биохимических процессов. В аэробных условиях окисление составляющих компонентов торфа происходит и за счет отщепления молекулярного кислорода от кислородосодержащих органических соединений, в результате которых образуются неокисленные продукты распада.

Саморазогревание фрезерного торфа в складочных единицах приводит к значительным изменениям ботанического состава торфа: зольности, влаги, фракционного состава, дисперсности и влагопоглащаемомсти. Величина среднегодовых потерь органического вещества при хранении торфа (с учетом различных сроков его вывозки), по данным исследований, могут достичь от 9 до 12,6%, при степени разложения торфа равной 15%.

Значительные потери органического вещества и ухудшение физико-механических свойств подвержен-

ного саморазогреванию фрезерного торфа малой степени разложения, вызывают необходимость изыскания путей замедления процесса саморазогревания и самовозгорания. Из анализа опубликованных работ по исследованию процессов саморазогревания фрезерного торфа в процессе хранения, можно сделать вывод, что в настоящее время отсутствует надежное и эффективное покрытие, позволяющее предотвратить развитие термогенных процессов. В связи с этим и были проведены исследования по влиянию пленочного покрытия из битумно-щелочной эмульсии на торможение термогенных процессов в штабелях и изменение физико-механических свойств торфа в условиях длительного хранения торфа.

Для проведения исследований в производственных условиях по влиянию погодно-климатических факторов воздействия на изменение качественных показателей пленочного покрытия из битумно-щелочной эмульсии проведены работы по получению покрытия на поверхности складочных единиц фрезерного торфа на торфопредпри-ятии «Мезиновском».

Формирование исследуемых и контрольных штабелей осуществлялось по действующей производственной схеме уборки в течение сезона добычи торфа. Расположение штабелей на поле № 6 и их условные номера показаны на рис. 1.

Штабели торфа производственного участка ориентированы относительно сторон света таким образом, что их откосы обращены на северо-восток и юго-запад, а торцевые поверхности - на северо-запад и юго-восток. Пленочное покрытие на поверхности штабелей получено в результате однократного напыления битумно-щелочной эмульсии. Количество изолированных штабелей - 10. Общая площадь изолированной поверхности - 8650 м2. В среднем исходная толщина пленочного покрытия, после высыхания эмульсии на исследуемых штабелях составила 1,3 мм. Данные по воздухопроницаемости образцов пленочного покрытия, полученные в производственных условиях, приведены в таблице.

Замеры воздухопроницаемости покрытия осуществлялись путем вырезания образцов пленки с поверхности

Рис. 1. Схема расположения штабелей фрезерного торфа. Поле № 6. Участок 2. Т/ пр. Мезиновское

Поверхность штабеля Воздухопроницаемость покрытия, дм3/м2

Через 2-8 суток.

1 Номер штабеля

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Откос северно-восточный 7 10 8 17 12 2 18 4 12 16

Торец северно-западный 24 16 17 30 19 24 20 28 14 16

Откос юго-западный 97 111 90 85 113 126 78 169 93 154

Торец юго-восточный 133 140 113 154 96 96 140 134 126 152

Средняя по штабелю 65 69 57 71 60 62 64 83 61 84

Через 81-100 суток

Откос северо-восточный 34 36 17 39 18 31 38 31 36 39

Торец северо-западный 37 36 40 42 37 38 33 38 29 31

Откос юго-западный 140 252 148 152 134 226 110 282 140 290

Торец юго-восточный 250 267 136 266 141 138 264 251 230 260

Средняя по штабелю 115 147 85 125 82 108 111 150 107 155

штабеля и последующим замером на приборе ИТ-7М.

По результатам исследований можно сделать выводы, что однократное напыление битумно-щелочной эмульсии, при средней концентрации вяжущего 48-53%, позволяет создать на поверхности складочной единицы пленочное покрытие толщиной 1,01,5 мм. Конечная воздухопроницаемость пленочного покрытия зависит от расположения штабелей относительно сторон света и влияния теплового и светового потоков. Воздухопроницаемость пленочного покрытия за период наблюдения (100 дней) увеличилась по откосам и торцам исследуемых штабелей в среднем на 70% от первоначального значения.

Исследовательские работы по изучению влияния пленочного покрытия из битумно-щелочной эмульсии на развитие и торможение термогенных процессов в складочных единицах осуществлялись на 2-ом производственном участке, поле № 6, торфо-предприятия «Мезиновское». Форми-

рование исследуемых и контрольных штабелей производилось в течение сезона добычи торфа по принятой в торфяной промышленности технологической схеме, с использованием машины типа МТФ-55.

Известно, что интенсивное саморазогревание фрезерного торфа происходит в верхних аэрируемых зонах штабеля на глубине 1,0-1,8 м от поверхности. Во внутренних, слабо аэрируемых зонах саморазогревание, в начальной стадии развития процесса, почти отсутствует. С усилением теплоотдачи при понижении температуры окружающей среды, в зимний период хранения, температурный максимум смещается с верхних слоев в глубину до 2 м от поверхности штабеля. Также известно, что чем выше интенсивность саморазогревания, которая определяется по температурному режиму в штабеле, тем вероятнее появление очагов самовозгорания и увеличение потерь готовой продукции.

В соответствии с действующей инструкцией по хранению торфа в скла-

дочных единицах, в июне месяце 1981 года в исследуемые штабеля № 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 (по схеме на рис. 1) и контрольные № 6 и № 9 заложены термосхемы. Термосхемы, разработанные В.Н. Федоровым, закладывались в полутраншею, отрытую с помощью штабелюющей машины МТФ-71. Разработанная конструкция термосхемы (рис. 2) позволяет постоянно контролировать температуру в заданных точках по сечению штабеля. Схема расположения термосхем по сечению штабеля показана на рис. 3.

Контроль температурного режима начал производится после 8-ми технологических циклов уборки и далее осуществлялся через каждые 15 суток в соответствии с рекомендациями. После закладки термосхем и до момента нанесения эмульсии уборка торфа проводилась по используемой на торфопред-приятии технологической схеме. Температура торфа в штабеле, на уровне сечения, составляла от + 20 до +32 °С, температура воздуха от +29 до +37 °С.

В соответствии с положениями, складочные единицы, температура в которых достигла 65 °С, считаются разогревшимися. Анализ литературных данных показывает, что эффективность применения изоляционных покрытий в виде полиэтиленовой пленки или слоя сырой фрезерной крошки,

Рис. 2. Схема измерительного прибора для контроля температуры

Рис. 3. Схема расположения датчиков термосхемы в сечении штабеля фрезерного торфа

Рис. 4. Изменение температуры торфа в штабелях в период хранения: 1 - штабель № 3,6; 2 - штабель № 5,8; 3 - штабель № 2,4; 4 - штабель № 7,9; 5 - штабель № 10,11; 6 - контрольные штабели № 6 и № 9

зависит от срока их нанесения. Изоляция штабелей наиболее эффективна в начальной стадии саморазогревания < 35-40 °С), когда химические процессы протекают слабо и потери органического вещества невелики. В то же время особенности технологии хранения торфа, обеспечивающей оптимальные сроки проведения работ по изоляции, исследованы недостаточно.

С целью приближения к экстремальным условиям, нанесение пленочного покрытия из битумно-ще-лочной эмульсии на поверхность исследуемых складочных единиц осуществлялось при достижении температуры торфа 53-60 °С. Пленочное покрытие использовалось, в качестве окончательной изоляции и дальнейшая уборка торфа в данные штабели не производилась.

Результаты исследований изменения температурного режима исследуемых и контрольных штабелей показаны на рис. 4.

Температурные кривые указывают, что процесс саморазогревания происходил во всех исследуемых и

контрольных штабелях. До нанесения пленочного покрытия интенсивность подъема температуры во всех штабелях составлял +0,86 °С в сутки за период хранения равный 38 суток. В штабелях, изолированных пленочным покрытием, развитие температуры в процессе хранения, за период равный 200 суток, происходит в три стадии: а) инкубационный период. Длительность составила 65 суток. Интенсивность подъема температуры +0,58 °С в сутки; б) период пульсации. Длительность - 45 суток. Интенсивность подъема температуры +0,06 °С в сутки; в) период охлаждения. Снижение температуры характерно для всех штабелей изолированных эмульсионным покрытием. Интенсивность снижения температуры составила 0,07 °С в сутки. Период наблюдения 90 суток.

В неизолированных контрольных штабелях наблюдалось постоянное повышение температуры за весь период хранения в течение 200 суток: а) инкубационный период. Длительность - 65 суток. Интенсивность подъема температуры составила +0,7 °С

в сутки; б) период пульсации. Длительность - 45 суток. Интенсивность подъема +0,19 °С в сутки. Период охлаждения отсутствует. Происходит постоянное повышение температуры с интенсивностью + 0,14 °С в сутки в течение 90 суток наблюдения.

По окончании наблюдения, конечное значение температуры в штабелях

составило: в изолированных штабелях - 58-61 °С; в контрольных неизолированных - 90-93 °С.

Результаты температурного контроля зафиксированы работниками предприятия и позже были представлены Государственной комиссии по приемки данного изоляционного покрытия.

_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шпынев В.М. О саморазогревании фрезерного торфа: монография. 1-е изд. - Тверь: ТвГТУ, 2012. - 111 с. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_

Жигульский Максим Александрович - аспирант, e-mail: maxim.zhigulsky@yandex.ru, Кузьмин Владимир Александрович - аспирант, e-mail: ttmo@mail.ru, Шпынев Вадим Михайлович - профессор, e-mail: ttmo@mail.ru, Тверской государственный технический университет.

UDC 632.232

INFLUENCE FILM COATINGS BRAKING THERMOGENIC PROCESSES AND CHANGES PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF MILLED PEAT

Zhigulskiy M.A., Graduate Student, e-mail: maxim.zhigulsky@yandex.ru, Kuzmin V.A., Graduate Student, e-mail: ttmo@mail.ru, Shpynev V.M., Professor, e-mail: ttmo@mail.ru, Tver State Technical University.

Examined research on the effect of film coating of bitumen emulsion-base for the development and inhibition of the thermogenic processes in stacked units

Key words: milled peat, self-heating, bitumen-base emulsion.

REFERENCES

1. Shpynev V.M. O samorazogrevanii frezernogo torfa: monografiya. 1-e izd. (Self-heating of milled peat: Monograph. 1st edition), Tver, TvGTU, 2012, 111 p.

A