Инновационные технологии в гидромеханизации горных и строительных работ

© С.М. Штин, 2012

УДК 622.331:622.271.6 С.М. Штин

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ГИДРОМЕХАНИЗАЦИИ ГОРНЫХ И СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ

Внедрение гидромеханизированных технологий для разработки обводненных месторождений торфа с одновременным производством формованной продукции энергетического назначения послужит резким толчком в развитии малой энергетики в муниципальных образованиях и развитию торфяной промышленности в целом.

Ключевые слова: инновации, гидромеханизация, технология, торф, возобновляемые ресурсы, обводненные месторождения торфа, непрерывность, качество, экология, торфяная продукция энергетического назначения, малая энергетика.

Горф относится к числу местных и широко распространенных возобновляемых энергетических биоресурсов, ценность которого обусловлена, в том числе и как фактора повышающего энергобезопасность регионов. А расширение использования торфа в энергетических целях направлено на обеспечение энергетической и экологической безопасности многих регионов РФ и будет способствовать повышению энергоэффективности в условиях стабильного роста спроса и цен на невозобновляемое углеводородное сырье, а также уменьшение тарифов на тепло и энергию. Это также соответствует целям энергетической политики Российской Федерации, направленной на максимально эффективное использование природных энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора страны для обеспечения устойчивого развития экономики, а также на создание на инновационной основе инвестиционного привлекательного, эффективного энергетического сектора, отвечающего потребностям экономике в энергоресурсах и внешнеэкономическим интересам государства.

Возвращение к использованию в распределительной энергетике регионов топлива на основе торфа позволит, в перспективе, сократить объемы потребления завозного топлива, повысить энергоэффективность предприятий жилищно-ком-мунальной сферы, снизить тарифы на тепловую энергию для населения, обеспечить

развитие негазифицированных, а также малонаселенных муниципальных образований, провести модернизацию их систем теплоснабжения путем строительства энергетических объектов малой и средней мощности, повысить качество и количество собираемых налогов всех уровней, создать в регионах рабочие дополнительные места.

Но расширение добычи, переработки и использования торфа в энергетических целях невозможно без развития новых инновационных технологий. Расширение добычи должно также сочетаться с эффективной экономической моделью устойчивого развития муниципальных образований, внедрения и обеспечения функционирования современных технологий конгенерации на региональных и муниципальном уровнях. Внедрение таких проектов, как создание системы энергетических кластеров муниципального уровня на основе эффективного использования местных топливных ресурсов является актуальной научной задачей.

Анализ причин, по которым дешевый местный торф до сих пор не стал серьезным конкурентом привозным и дорогим углю, нефти и газу указывает на отсутствие экологически и экономически сбалансированных, ресурсосберегающих, пожаробезопасных технологий добычи и переработки торфа. Это, в свою очередь указывает, на необходимость продолжения дальнейшего изучения природы торфа, его состава, физико-химических и других свойств, совместно с детальным исследованием процессов существования естественных торфоболотных систем с учетом их развития и функционирования [10, 11].

Эта актуальность прозвучала и 27-28 апреля 2011 года в Эм-маусе, где прошел Всероссийский торфяной форум, и получила продолжение на расширенном заседании НТС НП "Росторф" 14 октября 2011 года в г. Тверь.

Переход к рыночным отношениям в топливно-энергетичес-ком комплексе оказался болезненным ввиду неучтенной специфики её отраслей дотационности и длительного производственного цикла в торфяной промышленности, высокой капиталоемкости электроэнергетики и централизацией управления энергетикой, что способствовало развитию кризисного состояния торфяной промышленности [5].

На сегодняшний день производство фрезерованного торфа является основным способом разработки торфяных месторождений.

Основой технологических операцией, при производстве фрезерованного торфа, является его сушка от эксплуатационной влаги со э = 82-89 % до уборочной со э = 40-45 % на открытых поверхностях в естественных природных условиях [4]. Этот способ имеет ряд существенных недостатков, препятствующих его дальнейшему развитию: необходимость применения большого количества различных энергонасыщенных машин; зависимость производительности добычного и технологического оборудования от качественной характеристики залежи и погодных условий; короткой продолжительности сезона добычных работ; негативных экологических последствия на окружающую среду за счет осушительных мероприятий и нарушения водного баланса, прилегающих территорий. Происходит изменение условий развития флоры и фауны, загрязнение атмосферы мелкодисперсными частицами (торфяной пылью, выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания), все технологические операции пожароопасны и могут служить источником возникновения торфяных пожаров [8].

Значительно сократить ряд этих недостатков и дать новое направление в развитии торфяной промышленности можно за счет внедрения в производство инновационных, экологически и экономически сбалансированных, ресурсосберегающих, пожаробезопасных, гидромеханизированных технологий, позволяющих разрабатывать обводненные месторождения торфа с производством торфяной продукции энергетического назначения в едином непрерывном технологическом цикле [7].

Научно обоснованные методические рекомендации по выбору рациональных технологических схем управления процессами разрушения обводненной торфяной массы должны учитывать физико-механические свойства торфа, оценку изменения его технологических и энергетических характеристик.

Изучение этих закономерностей позволяет обосновать технологические параметры землесосных снарядов, которые за счет непрерывного технологического процесса разрушения многокомпонентной, гетерогенной системы торфа способны понизить уровень структуры капиллярно пористых макротел в двухфазное состояние, обладающее физико-химическими свойствами твердой и жидкой фаз.

В результате механического разрушения торфа, находящегося в естественном состоянии, землесосным снарядом, происходит изменение его физико-механических характеристик (прочность, вла-госодержание, плотность, температура, размер частиц) и переход торфа из твердого эластичного состояния в область течения вязко-пластичных структурированных материалов, что обеспечивает возможность гидротранспорта торфяной пульпы и дальнейшее управление структурообразовательными процессами при механическом обезвоживании и сушке коллоидных капиллярно-пористых тел с целью получения твердой формованной продукции высокого качества в едином технологическом процессе [2, 3].

Таким образом, направлением преобразования производственного фонда торфяной промышленности, обеспечивающим высокую производительность и безопасность разработки торфяных месторождений, должно являться их объектно-ориентированное интегрирование в единый торфодобывающий комплекс по добыче обводненного торфа в его естественном состоянии на основе средств гидромеханизации, со строительством гидротранспортной системы и выдачей горной массы для переработки непосредственно на технологические лини фабрики по производству торфяной продукции.

При этом необходимо отметить, что при всей технологической сложности разработки обводненных месторождений торфа способом гидромеханизации - это единственная технология, которая при минимальном экологическом вмешательстве максимально сохраняет положительные биогеосферные функции болот как естественных экологических ниш для сохранения и развития биоразнообразия. Создает объективные возможности для процесса аккумуляции воды и ее опреснения.

В обводненных торфяных системах коагуляционные структуры образуются из обломков структур переплетения, состоящих из остатков волокон растений-торфообразователей, а также из надмолекулярных образований продуктов распада. Взаимодействие между элементами пространственной сетки осуществляется непосредственно через функциональные группы за счет водородных связей, а также через молекулы воды и ионы многовалентных металлов. В естественном обводненном торфе деформационные явления и прочностные характеристики во многом зависят от степени развития структур переплетения. Структуры переплетения придают торфу упругость и высокоэластичность. И при свободном всасывании

деформировании растление этих структур на отдельные элементы маловероятно. Торф необходимо разрушать необратимо механическим путем. В дальнейшем природа необратимо разрушившихся структур зависит от механических свойств отдельных волокон [4].

При механическом разрушении торфяной залежи землесосным снарядом в условиях естественного предельно набухшего состояния, происходит начальный процесс механического диспергирования торфа - раздробление его твёрдой фазы и распределением торфяной массы по размерам частиц. Разрушение первоначальной структуры, зависит от свойств торфа, давления на торф разрушающего механизма, геометрии резца и толщины стружки, скорости резания и перерабатывающей способности механизма, т.е. скорости подачи срезанного торфа во всасывающее устройство землесосного снаряда. Предельное состояние, при котором происходит разрушение торфяной структуры, изменяется от 5 до 30 кПа, угол внутреннего трения находится в пределах 25-40°. С увеличением влажности и пористости торфа уменьшается сцепление и угол внутреннего трения. При механическом воздействии в первую очередь интенсивно разрушаются грубодисперсные растительные остатки торфа, это служит началом необратимых процессов в его коллоидно-высокомолекулярной составляющей. Торф разрушается на фракции, которые имеют преимущественно удлиненную форму и характеризуются коэффициентом удлинения (отношением размеров длиной и короткой осей частицы), равным 1,59-1,74. Коэффициент вариации средних размеров частиц в отдельных фракциях составляет 28-34 %. Разрушение твердой составляющей торфа приводит к высвобождению значительного количества прочносвязанной воды, образующей в выработанном пространстве водоем [14].

В процессе грунтозабора (перемешивания отфрезерованной торфяной массы с водой) образуется торфяная пульпа. Практически все гидросмеси на основе торфов являются неньютоновскими жидкостями, относящимися к вязкопластичным системам, которые обладают реологическими характеристиками: предельное напряжение сдвига 6, Па, Г}о, Па-с - пластическая или структурная (кажущаяся) вязкость жидкости. При течении таких гидросмесей наблюдаются различные режимы: от структурного, псевдоламинарного до турбулентного и автомодельного (рис. 1) [5].

у/ у// уIII у/У д у

Рис. 1. Различные режимы течения вязкопластичных гидросмесей

Реологические характеристики для каждого типа торфов находятся экспериментально и могут изменяться для одного и того же типа в значительном диапазоне. Как видно из графика (рис. 1), наибольшее отличие в удельных потерях наблюдается при малых скоростях течения (соответственно и малых расходах) - этот режим течения называется структурным (или бингамовским). При увеличении скорости более V наступает переходный режим называемый псевдоламинарным. Скорость, соответствующую переходу структурного режима в псевдоламинарный назовем критической. При дальнейшем повышении скорости течения отличие в удельных потерях напора для ньютоновской жидкости (например, воды) достаточно мал при наступлении автомодельного режима ЛP

-у- =/(У) уже равен для гидросмеси и воды. Однако другая картина

наблюдается при обтекании лопастей рабочего колеса на входе потоком нененьтоновской жидкостью - торфяной гидросмесью. Полное давление на входе в насос снижается, что способствует более раннему возникновению кавитации по сравнению с работой насоса на ньютоновской жидкости (например, вода).

Прослеживается прямая связь между ухудшением всасывающей способности насоса, перекачивающего вязко-пластичные смеси, со следующими параметрами - скоростью потока на входе в колесо С1, относительной скоростью обтекания лопасти на входном

участке Wl и критической скоростью Укр, соответствующей переходу режима с ненарушенной структурой в псевдоламинарный. Так как показателем всасывающей способности насоса является значение его допустимого кавитационного запаса 1\кдоп, то можно записать, что &кдоп=№кр£1№1).

Установлено, что диапазон изменения параметров торфяной гидросмеси - плотность, начальное сопротивление сдвига, структурная вязкость, значения (Re * ) изменяются в достаточно узких

пределах. Поэтому при исследовании торфяных гидросмесей критическую скорость перехода от структурного режима течения к псевдоламинарному при определении критической скорости (Укр), которая зависит от диаметра трубы, реологических характеристик и плотности гидросмеси рекомендуется определять из выражения для (Re*) [5]:

V = ^+ КР 4Rpгc \

М RpJ 6ргс

где Reкр* — обобщенное число Рейнольдса, характеризующее переход структурного режима в псевдоламинарный; для торфов

—екр =3500- 4000, г - структурная вязкость гидросмеси 0.1140.385 Пас, ргс - плотность гидросмеси от 1000 до 100 к/м3, 6 - предельное или начальное напряжение сдвига от 1.05 до 9.5 Па, при котором суспензия выводится из состояния равновесия и начинает двигаться (течь). При изменении влажности торфа от 97 % до 90 % критическая скорость (Укр) изменяется в пределах 1,1-2,5 м/с.

На основании результатов кавитационных испытаний насосов перекачивающих торфяные массы, и сопоставления их с другими данными кавитационных испытаний суспензионных насосов получена следующая эмпирическая зависимость

У  С

Мдопс =^допо

"1

где ЛЬдопс и &Ьдопо - допустимые кавитационные запасы при работе насоса на суспензии и воде соответственно. В формуле (2) вы-

ражение в скобках при дальнейших исследованиях обозначим через коэффициент К .

На основании приведенных выше соотношений допустимую статическую высоту всасывания Hs при работе на суспензии можно определить из следующей зависимости:

НV = Н а Ро-АИ = Н аРо-АИ . к = Н аРо - (н - НV ) • К =

11Лдопс Ш1допс Ш1допоЛ У11 а 11Адопс> Л

ргс Р гс Ргс /О \

V С V С

= КШдопо - На (К - ) = (1 + 24 )^допо - На [(1 + 24) - ~], Рс Рс

где На - напор, соответствующий нормальному атмосферному давлению при температуре 20 °С; На~10 м; ро, ргс - плотность воды и

торфяной и сапропелевой гидросмеси. Указанная формула (3) для определения допустимой статической высоты всасывания при транспортировании торфяных и сапропелевых гидросмесей выведена впервые и ее можно рекомендовать для подсчета Ндоп насосов, перекачивающих различные суспензии.

Для количественной оценки возможной глубины разработки Ир приведен пример расчета работы грунтового насоса ГрУ1600/25 на торфе - подача С=1600 м3/ч; частота вращения п=590 об/мин. Откуда скорости в формуле (2): С = 3,54 м/с; Жг=12, 84 м/с; АИдо-по=4.7 м; Ндопо=5.3 м; Ио1=1.5; плотности гидросмеси: ргс=1.06; 1,08; 1,1 т/м3 и четырех значений критической скорости УКр=1,1; 1,22; 1,4; 1,6 м/с; местные потери во всасывающем грунтозаборном устройстве приняты равными ~ 5м.

Результаты подсчетов приведены в виде графических зависимостей глубин разработки Ир от значения плотности гидросмеси и критической скорости на прилагаемом рисунке (рис. 2).

Как видно из приведенных графиков, повышение плотности гидросмеси и критической скорости существенно снижают возможную глубину разработки торфяных и сапропелевых месторождений.

Глубина разработки обводненных торфяных месторождений зависит не только от плотности торфяной пульпы, но и критической скорости потока, характеризующей переход структурного режима в псевдоламинарный.

Рис. 2. Зависимость максимально возможной глубины разработки торфов и сапропелей hр от плотности р и критической скорости Укр

* - расчетные точки.

Но по мере продвижения добычных работ на торфяном месторождении образуется водоем, в котором будут развиваться следующие процессы: рост содержания кислорода в воде; изменение температурного режима водоемa; изменение рельефа дна; образование и изменение численности биомассы бентоносных организмов; развитие планктонового сообщества; развитие биохимического воздействия. После окончания добычных работ донные отложения торфяных карьеров представляют собой осевшие торфяные илы, образование которых происходило по мере разработки месторождения и обрушения бортов карьера. По истечении 2-3 лет происходит стабилизация нарушенного экологического равновесия донных биотопов [9].

Для выполнения добычных работ на обводненном месторождении торфа землесосный снаряд должен быть оснащен фрезерно-шнековым разрыхлителем прямого вращения (по ходу движения земснаряда), работающий с низкими окружными скоростями и большими подачами на фрезы. Всасывающая линия оснащается погружным грунтовым насосом осевого типа,

"шитрг

Рис. 3. Грунтозаборное устройство фрезерно-шнекового типа для разработки торфа

работающим в одной линии с центробежным насосом палубного размещения, напорным свайным ходом, папильонажными и становыми лебедками.

В процессе грунтозабора и всасывания рабочие элементы фре-зерно-шнекового рыхлителя должны врезаться в торф, а их плоская рабочая поверхность контактировать с достаточной площадью забоя и подобно лопате выгребать торф из залежи на шнек для принудительной подачи его во всасывающее устройство. Оптимальный шаг резания торфа зависит от ширины режущей кромки фрез, глубины и усилия резания. При глубине резания 4-5см разрушение торфяного пласта происходит с наименьшей возможной энергоемкостью и наивысшей производительностью по торфу. Эскиз общего вида грунтозаборного устройства фрезерно-шнекового типа показан на (рис. 3).

Удельная работа транспортирования торфа вдоль шнека зависит от ширины захвата шнека (В), коэффициента трения торфа о торф (¡лх =0,8); коэффициента наполнения шнека (ф=0,6) (рис. 3). Скорость движения землесосного снаряда задается сравнением производительности землесосного снаряда по гидросмеси с производительностью шнека. Оптимальную скорость всасывания (Рвс) на

входе во всасывающий наконечник для торфяной гидросмеси рекомендуется назначать в пределах 3-4 м/с. Необходимая скорость папильонирования (Уп) на земснаряде назначается из условия обеспечения потребной производительности фрезерно-шнекового рабочего органа по торфу и подачи земснаряда вперед при работе с фрезерно-шнековым рыхлителем, с учетом коэффициента просора торфа (Кпр=0,9). При работе на торфе рекомендуется принимать Уп=4-5 м/мин. Мощность привода папильонажных лебедок для торфяных грунтов Ып.л. =0,8-1,0 кВт. Таким образом, основные технологические параметры землесосных снарядов для добычи торфа: скорость вращения режущих фрез У=20-30 об/мин, глубина фрезерования И < 50 мм, скорость перемещения землесосного снаряда в забое У=0.03-0.05 м/с и скорость всасывания У=1.5-2.5 м/сек [10].

Система разработки обводненного торфяного месторождения и, при необходимости, начальное осушение участка гидромеханизированных работ для снятия очеса, определяются проектом. Определяющим фактором при выборе системы разработки является геологическое строение торфяного месторождения и его тип. Основными вариантами системы разработки по направлению выемки в плане (по В.В. Ржевскому) для добычи торфа являются: продольная, поперечная, кольцевая и веерная. Схема сплошной системы разработки показана на (рис. 4) [11].

Разработка карьера производится путем последовательной выработки отдельных проходок фрезерно-шнековым рыхлителем или послойно, или на всю мощность залежи. Минимальная глубина разработки от горизонта воды 1,5 м. При разбивке прорезей в плане и назначении последовательности их разработки необходимо исходить из условия выработки максимальной площади месторождения с одного подключения землесосного снаряда к магистральному пульпопроводу. На (рис. 5) показаны виды технологических работ на обводненном месторождении торфа.

Отработка обводненных торфяных месторождений, в условиях отрицательных температур имеет ряд преимуществ перед гидромеханизацией горных и строительных работ, так как она значительно облегчается в виду отсутствия надводной части разрабатываемого уступа, возможности укладки магистрального пульпопровода на глубину промерзания и наличия утепленного

Рис. 4. Схема сплошной системы разработки карьерного поля: 1 — землесосный снаряд; 2 — магистральный пульпопровод; 3 — плавучий пульпопровод; 4 — береговое подключение плавучего пульпопровода; 1-20 — последовательность проведения добычных работ при сплошной системе разработки; В — ширина за-ходки; L — расстояние между пунктами подключения плавучего пульпопровода к магистральному

помещения (цеха) переработки торфа. Возникает только необходимость создания майны вокруг землесосного снаряда и плавучего пульпопровода. Поддержание незамерзающей майны возможно постоянной циркуляцией воды в забое потокообразователями - агрегатами, устроенными по принципу осевых насосов производительностью 1200, 2000, 3500 м3/ч. Минимальная допустимая температура воздуха определяется технологией производства работ, применяемым оборудованием, местными условиями и составляет, как правило, не ниже -15 °С.

Землесосный снаряд осуществляет подачу торфяной гидросмеси по магистральному пульпопроводу в цех, который представляет собой технологический комплекс взаимосвязанных машин и механизмов, осуществляющих механическое обезвоживание тор-

фяной пульпы, термическую сушку торфа и производство торфяного топлива методом прессования.

Рис. 5. Виды технологических работ на обводненном месторождении торфа:

1 — землесосный снаряд фрезерно-шнекового типа; 2 — плавучий пульпопровод; 3 — экскаватор типа обратная лопата; 4 — транспортное средство для перемещения очеса; 5 — участок проведения подготовительных работ (лесосводка, строительство временных проездов, осушительные работы; Нр.з.— глубина разработки земснарядом; Ночеса.— мощность очеса;; Нт — мощность торфа; Нз.с- мощность защитного слоя

Технология разработки обводненного месторождения торфа и производства торфяной продукции выстраивается с замкнутой системой водоснабжения, что позволяет исключить сброс загрязненных сточных вод в природные водоприемники (рис. 6) [14]. Технологический комплекс переработки торфяной гидросмеси на входе оснащается инерционным грохотом для отделения неразрушенных органических включений (корни, щепа от фрезерования пней, волокна неразложившихся растений торфообразователей - пушица, осока, тростник и др., представляющих в торфяной залежи структуру переплетения - удаляются за пределы цеха). После процесса грохочения торфяная пульпа поступает в накопительную генерирующую емкость, представляющую собой вертикальный отстойник. В отстойнике начинается процесс первичного обезвоживания торфа за счет его осаждения. Одновременно устраивается горизонтальный отстойник. Наличие горизонтального отстойника обеспечивает сбор торфяной массы, которая может всплывать из вертикального отстойника и при сливе фугата из горизонтальной центрифуги. Из горизонтального отстойника осевший торф

Наиболее эффективное осаждение торфа в вертикальном отстойнике происходит в сочетании с физико-химическим модифицированием торфа, например с помощью электролитов.

100 м

Рис. 6. Технологическая схема гидромеханизированной добычи торфа и производства торфяного топлива: 1 - землесосный снаряд; 2 - плавучий пульпопровод; 3 - добычной забой; 4 - магистральный пульпопровод; 5 - горизонтальный отстойник для сбора перелива из генерирующей емкости и фугата из центрифуги; 6 - водосбросная система для возврата осветленной воды в выработанное пространство (карьер); 7 - шламовый плавучий насос для подачи активного ила в генерирующую емкость; 8

- грохот легкий инерционный для отбора органических негабаритных включений; 9 - цеховой трубопровод; 10 - конвейеер; 11 -склад органических включений; 12 - шламовые насосы; 13 - генерирующая емкость(вертикальный отстойник); 15 - приготовление и подача флокулянта в генерирующую емкость; 16 - шнековы насосы; 17 - горизонтальные центрифуги; 18 - дозатор-питатель; 19 - уловитель металла; 20 - транспортеры; 21 - измельчитель и сушка кинетической энергией; 22 - гранулятор; 23, 24

- прямая подача и возврат некондиции; 25 - вибрационное сито для гранул; 26 - склад готовой продукции и фасовка; 27 - автомобильная дорога; 28 - ленточный конвейер возвращается в генерирующую емкость, а осветленная естественным путем технологическая вода возвращается по водосбросной системе в выработанное пространство

Химическое воздействие вызывает существенную перестройку в структуре торфа, и способствует изменению водных и физико-механических свойств торфа.

Высокая чувствительность надмолекулярных структур торфа к химическому составу среды приводит к тому, что компактность агрегатов (а вместе с ней и прочность) у одного и того же торфа может изменяться в зависимости от концентрации вводимого реагента. Перелившийся и осевший естественным путем в горизонтальном отстойнике торф собирается и подается снова в вертикальный отстойник в качестве активного ила и выполняет функцию флоку-лянта для ускорения процесса осаждения торфа в вертикальном отстойнике. На выходе из вертикального отстойника торф имеет влажность 95 %. Вертикальные отстойники через распределительный насос соединяются по трубопроводу с центрифугой, вращающуюся со скоростью (V). Из центрифуги на выходе образуется два направления: торф влажностью 60-70 %; фугат, поступающий в горизонтальный отстойник и после осаждения в вертикальный. После центрифуги торф поступает на систему "KDS Мюгопех" (Канада), работа которой основана на использовании кинетической энергии доизмельчения и сушки торфа за одну операцию. При использовании системы "KDS Мюгопех" нет необходимости в использовании дополнительного теплоносителя для сушки и две операции - доизмельчение и сушка объединены в одну. Технология доизмельчения торфа и его сушки кинетической энергией за одну операцию позволяет высушивать торф с 70 % до 5 % влажности и измельчать частицы торфа до 0,05 мм. Система имеет низкие затраты электроэнергии при сушке, не требует охлаждающего оборудования, добавления в сырье связующего материала и смазки. "KDS Мюгопех" создает из загружаемого торфа с влажностью 70 % вращающийся вихрь с окружной скоростью частиц до 620 км/час, при этом частицы сырья, проходят сквозь ударники и отбойные пластины, измельчаются и высушиваются за счет выделяющейся внутренней энергии частиц и передаваемой кинетической энергии. Весь процесс происходит при большой подаче воздуха. Устранение с помощью кинетической энергии потребления дополнительного энергоносителя (топлива) для сушки торфа, в отличие от барабанных сушилок, работающих на биомассе, натуральном газе или другом топливе для сушки многих материалов, существенно снижают-

ся энергетические затраты на тонну готовой продукции. Высушенная торфяная масса поступает на гранулятор "PSI".

Принцип работы гранулятора "PSI" основан в объединении двух матриц. Обе матрицы работают одновременно и являются офсетными. Каждая камера гранулирования оснащена толкателем противоположного пресса. Такое устройство уменьшает зоны непродуктивной компрессии между отверстиями в матрице. Технология двойного сжатия использует все зоны давления для производства гранул. В результате такой конфигурации потребление электроэнергии сводится приблизительно к 80 кВт на тонну гранул (обычные прессы имеют расход электроэнергии 100-120 кВт на тонну).

Матрицы и толкатель сконструированы таким образом, что материал сжимается в предкомпрессионной камере, выполненной в виде вентиляционной трубы. В этой камере материал нагревается до температуры 150°С прежде чем попасть в камеру гранулирования. Такое сжатие в результате дает сильный нагрев и выпаривание жидкости из материала. В этом процессе материал гранулы сжимается, лигнин размягчается и жидкость высвобождается. При продолжении вращения жидкость продолжает выпариваться из предварительно сжатого материала. Затем накладывается новый слой влажного торфа, и валики предварительного сжатия выводят воздух. Так как материал двигается сквозь матрицу, жидкость продолжает отделяться от торфяного волокна и испаряться, до тех пор, пока гранула не достигает выхода из матрицы. Еще закрепленная на матрице гранула по достижении заданной длины обрезается, в то время как жидкость продолжает выпариваться. На этой стадии гранула достигает температуры примерно 50°C. Сразу после срезки гранула подхватывается вакуумной системой и подвергается проверке качества. В ходе обработки в поворотном барабане и благодаря контролю качества удаляются все мелкие частицы и острые концы гранулы. Выведенные мелкие частицы снова направляются на гранулирование. Все эти шаги в результате обеспечивают влажность гранулы 7-8 % и особенную плотностью до 1500 кг/ м3. После того, как гранулы изготовлены их вынимают из устройства вакуумом. Гранулы выгружаются в центрифугу и далее подаются на вибрационное сито, где из гранул будет удалена вся пыль, а из торцов незакрепленные частицы.

Готовая продукция фасуется и отправляется на склад готовой продукции и далее потребителю. Вода, удаленная из торфяной пульпы после фракционирования и центрифугирования торфа, пройдя через горизонтальный отстойник, возвращается по трубопроводу самотеком на участок добычи торфа, реализуя при этом полностью замкнутый цикл водооборотной системы.

Торфо-пеллеты на выходе соответствуют стандартам Института Гранулированного Топлива (ИГТ). Рекомендованные стандарты гарантируют максимально возможное единообразие конечного продукта. Полученное топливо соответствует требованиям ИГТ и представляют собой цилиндры диаметром 6-8 мм, длина от 20 до 50 мм, плотность — 1200 -1500 кг/м3, т. е. топливные торфяные гранулы тонут в воде, влажность 15-25%; зольность 2-15 %; теплотворная способность 4,9-5,0 кВт/ч, 4200-4500 ккал/ч, 17600 кДж/кг, что сопоставимо с каменным углем. Одна тонна гранул эквивалентна 485 м3 газа, 500 л дизельного топлива или 775 л мазута.

Торфо-пеллетное топливо можно использовать во всех видах отопления. Калорийность и теплота сгорания различных видов топлива показана в табл. 1 [4]. Хранение и транспортировка топлива может быть как россыпью, так и в мешках. Экологические параметры торфо-пеллетного топлива в сравнении с другими видами топлива (табл. 2) [4] имеют преимущества по ряду показателей. Зольность: при сгорании бурого угля возникает 40 % золы; при сгорании черного угля возникает 20 % золы; при сгорании торфо-пеллет возникает 0,5-1,5 % золы, что соответствует европейскому стандарту. Выделение СО2: кокс - в 30 раз выше; уголь - в 50 раз выше. Торфяные пеллеты: являются возобновляемым видом топлива; зола может использоваться как удобрение; инертны к окружающей среде; при случайном рассыпании не происходит загрязнения грунта; сжигание торфяных гранул входит в естественный природный круговорот веществ; выбросы вредных веществ в атмосферу минимальны; не требуют особых условий; выбросы диоксида серы и оксида азота практически отсутствуют; отсутствует неприятный запах при хранении и в процессе сгорания. Таблица 1

Калорийность и теплота сгорания различных видов топлива

Вид топлива Теплота сгорания, Калорийность, Содержание, %

МДж/кг ккал золы серы

Каменный уголь 15-25 4500-5200 10-35 1-3

Бурый уголь 14-22 4000-4300 10-35 1-3

Дрова 10 2000 2 0

Торфо-пеллеты 18,0 4500-4800 6 0,7

Гранулы древесные 18,4 4800-5000 2,5 0,1

Торфобрикеты 14,9 3200 23 1-3

Природный газ 35-38 МДж/м3 0 0 0

Таблица 2

Выбросы в атмосферу при сжигании в различных видов топлива

Вид топлива Выбросы вредных веществ

Зола SO2 ГО NO2

Торф 10-40 3,4-8,5 4,0 1,2

Каменный уголь 20-50 5-133 7,5-19,5 1,8-4,8

Мазут (топочный) 0,2 10-80 12,5 2,6

Газ - - 11,0 2,9

Разработанная структура комплексной механизации сочетает в себе традиционные методы подготовки болота к проведению добычных работ (вскрытие месторождения) и ведение добычных работ специальными землесосными снарядами, предназначенными для разработки торфяных месторождений, с гидротранспортом торфяной пульпы на фабрику по производству биотоплива и сжигание торфо-пеллет на водогрейных колах для нужд населения. Предусматривается следующая технологическая последовательность подготовительных, вскрышных и добычных работ с одновременной переработкой торфо-сапропелевой пульпы для получения торфо-пеллет:

Мелиоративная подготовка торфяной залежи. На торфяном месторождении, подлежащем разработке, проводят подготовительные работы и мероприятия по предварительному осушению залежи, ле-сосводке, строительству временных дорог, обеспечивающих прохождение торфодобывающих и транспортных машин (рис. 7.1). Далее подготовленную торфяную залежь делят на забои, размер которых равен размаху поворота стрелы экскаватора. Экскавато-

ром срезают верхний породообразующий (торфогенный) слой, толщина которого колеблется 0,3-0,5 м в зависимости от вида залежи, и сохраняют его на отдельно выделенной площадке для проведения последующих рекультивационных работ (рис. 7. 2). На подготовленном забое проводят экскавацию торфа с возможными древесными включениями на глубину не более 1 м ниже уровня грунтовых вод с вывозкой на поля сушки и переработки. В основном это торфа со степенью разложения до 15-20%, залегающие на глубине 0,5-1,5 м.

Экскавированный торф и древесные включения доставляют саморазгружающимися тракторными прицепами или автомашинами по временным дорогам на стационарную технологическую площадку, где проводят сортировку и разделение торфа от древесных включений. Погрузочным краном из добытого сырья извлекают крупные древесные включения и складируют их в отдельный навал. В другой навал складывают малоразложившийся торф, а в третий навал складывают торф со степенью разложения не менее 20 %. Отсепарированный от крупных древесных включений торф с целью понижения его влагосодержания до рациональных значений выдерживают в навале 6-8 месяцев. За это время под действием сил гравитации влагосодержание торфа снижается от 810 до 4-6 кг воды/кг сухого торфа. Подготовленный таким образом торф служит сырьём для переработки в массу, пригодную для формования.

Проведение добычных работ способом гидромеханизации. После вскрытия торфяной залежи ведется послойная, траншейная разработка специальным землесосным снарядом, оснащенным широкозахватным грунтозаборным устройством фрезерно-шнекового типа, с подачей торфо-сапропелевой пульпы по магистральному пульпопроводу на обогатительный цех по переработке торфо-сапропелевой пульпы (рис. 7.3), где в едином непрерывном технологическом цикле производится обезвоживание торфяной пульпы и получение конечного продукта торфяной продукции энергетического назначения (рис.7.4, 5, 6). Проведение специальных мероприятий по утеплению забоя, магистральному и водосбросных трубопроводов

Рис. 7. Структура комплексной механизации топливно-энергетического комплекса для нужд ЖКХ

обеспечит проведение добычных работ круглогодично и вне зависимости от погодных условий зима-лето.

Сжигание топлива. Торфо-пеллеты любым видом транспорта в кратчайшие сроки подается на объект котельного комплекса (рис. 7.8, 9) оснащенного котлами с "кипящим слоем". Происходит процесс сжигания торфо-пеллетного топлива в полуавтоматическом режиме с выработкой тепловой энергии, которая по магистральным трубопроводам поступает в жилые дома потребителей (рис. 7.10).

Выводы

Гидромеханизированная технология разработки обводненных месторождений торфа с использованием плавучих землесосных снарядов обеспечивает: уменьшение объема работ, связанного с водоотливом, влажность и плотность торфяной залежи сохраняется в естественном состоянии, энергетические затраты на отделение торфа от массива на 12 % ниже фрезерного торфа, что в целом снижает себестоимость подготовительных и добычных работ до 25-30 %; значительное увеличение добычного сезона с существующих 3-х месяцев до 10-12 месяцев в году; снимает зависимость добычных работ от климатических погодных условий; снижение пожаробезопасности торфопред-приятий; за счет уменьшения объемов подготовительных работ сокращается себестоимость готовой продукции; высокую степень автоматизации и контроля технологических операций; обеспечивает управление технологическими и энергетическими характеристиками торфа, что влияет на качество производимой орфяной продукции энергетического назначения; расширение возможности освоения сложных в горно-геологическом отношении обводненных месторождений торфа; возрастание экологической безопасности близлежащих территорий и района торфоразработок; максимальное сохранение положительных био-геосферных функций болот как естественных экологических ниш для сохранения и развития биоразнообразия; создание объективных возможностей для процесса аккумуляции воды и ее опреснения; максимальное снижение пожаробезопасности района торфоразработок. На месте торфяного месторождения образуется водоем хозяйственного назначения.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Указ Президента российской Федерации Д. Медведева "О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики" от 4.06.2008 года №889.

2. Решения Совета Безопасности РФ от 30.01.2008 года "По необходимости создания в стране индустрии переработки отходов и местного углеводородного сырья", 2008.

3. Итоговое решение по Всероссийскому торфяному форуму. 27-28 апреля. Тверская область, 2011 года

4. Афанасьев А.Е., Малков Л.М., Смирнов В.И. и др. Технология и комплексная механизация разработки торфяных месторождений: Учебное пособие для вузов. - М.: Недра, 1987.

5. Афанасьев А.Е. Структурообразование коллоидных и капиллярно-пористых тел при сушке. - Тверь: Издательство ТГТУ, 2003.

6. Животовский Л.С., Смайловская Л.А. Техническая механика гидросмесей и грунтовые насосы. - М. Машиностроение, 1986.

7. Орлов И.И. Работа наоса на жидкостях переменной вязкости при гидромеханизированных работах. М, ЦНИИЭПРОМ, 1963.

8. Slepoy Yu., Shtin S. Improved Equipmeht For Mihihq ahd Deliverinq Raw Material to Dead Sea Works. Geological Survey of Israel, Jerusalem. 2-3. 12. 2002.

9. Штин С.М. Оценка глубин разработки земснарядами сапропелей в зависимости от их характеристик. Горный информационно-аналитический бюллетень МГГУ "Гидромеханизация -2006", 2006.

10. Штин С.М. Роль гидромеханизации в сохранении и улучшении состояния окружающей природной среды / Горный информационно аналитический бюллетень. -М.: МГГУ, 2000.

11. Штин А.М., Штин С.М. Патент Российской федерации на полезную модель № 103819. от 27 апреля 2011 г. Широкозахватное фрезерно-шнековое грунтозаборное устройство землесосного снаряда для разработки торфяных грунтов.

12. Ялтанец И.М. Гидромеханизированные и подводные горные работы. Книга 1, 2.Учебники -М.: Мир горной книги, 2006.

13. Ялтанец И.М. Справочник по гидромеханизации. -М.: Мир горной книги, изд. МГГУ, Горная книга, 2010.

14. Ялтанец И.М., Штин С.М. Производство продукции энергетического назначения на основе гидромеханизированной технологии добычи торфа. Горный журнал №4, 2011г.

15. Ялтанец И.М., Штин А.М., Штин СМ., Мишуков А.С. Производство торфяной продукции энергетического назначения на основе гидромеханизированных технологий - надежный поставщик тепла и электроэнергии для местных нужд производства и нужд ЖКХ. ГИАБ, №1, -М.: "Горная книга", 2011. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Штин Сергей Михайлович - кандидат технических наук, доцент Московского государственного горного университета, технический директор ООО "НПО Гольфстрим", E-mail: shtin@golfstrim.org