Оперативное определение дисперсности формованного торфа Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

© В.А. Канченков, О.В. Пухова, Е.Ю. Черткова, 2012

УЛК 662.641.004.14:622.732:517.958

В.А. Канченков, О.В. Пухова, Е.Ю. Черткова

ОПЕРАТИВНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ ФОРМОВАННОГО ТОРФА

Проведены исследования торфяного сырья в процессе механической переработки при производстве формованной торфяной продукции для энергетического использования. Дано объяснение процессов, происходящих в процессе механической переработке торфяного сырья. Получены уравнения, связывающие предельное напряжение сдвига с влагосодержанием и степенью переработки, которые позволяют оперативно в процессе переработке торфяного сырья управлять физико-механическими свойствами готовой продукции за счет оперативной переналадки перерабатывающего оборудования.

Ключевые слова: торф, сырье, переработка, дисперсность, условная удельная поверхность сушка, предельное напряжение сдвига, влагоемкость.

В связи с расширением применения торфяного сырья для производства формованной торфяной продукции для энергетического использования важным является ускорение и усовершенствование методов исследований и испытаний торфяного сырья [1]. Изменение предельного напряжения сдвига торфяного сырья в процессе диспергирования широко используется для оценки степени переработки формованного торфа.

Существуют разнообразные методы и приборы для определения дисперсности торфа [2]. Они характеризуются сложностью аппаратурного оформления и длительностью анализа, нарушением целостности структуры формованного торфа (до начала определения) и не позволяют получать абсолютные значения дисперсности. Поэтому разработка нового метода, позволяющего устранить эти недостатки весьма актуальна.

В технологических процессах производства различных видов продукции из торфа важная роль принадле-

жит его дисперсности. Причем, чем мельче размеры самих частиц, тем больше дисперсность и выше переработка торфа. Изменяя дисперсность торфа (например, механическими приспособлениями), можно в известной степени влиять на течение технологических процессов и конечные свойства готовой продукции. Дисперсность торфа может быть, выражена при помощи различных показателей. В научной и технической литературе по торфу используют, введенный С. Г. Солоповым, показатель условной удельной поверхности Б0 частиц. Отнесенный к единице массы сухого вещества он характеризует собой физическую сущность процесса диспергирования.

В проводимых экспериментах степень переработки оценивали показателем условной удельной поверхности. Ее вычисляли по результатам сокращенного ситового анализа. Подготовка проб к сокращенному ситовому анализу состоит в суточном замачивании навески торфа массой 15 г в стеклянном стакане с дистиллирован-

ной водой. Сухое вещество пробы определяли по параллельно взятой навеске такой же массы. Перед началом опыта содержимое стакана переносили в литровую колбу, заливали до половины объема водопроводной водой. Затем колбу закрывали резиновой пробкой и встряхивали в течение 10 мин до получения однородной суспензии на механическом встряхивающем устройстве. После встряхивания суспензию сливали из колбы через сито с ячейками 0,25 Ч 0,25 мм в раковину. Остаток на сите промывали вертикальными колебательными движениями в течение 6-10 мин в кристаллизаторе с водопроводной водой, заменяя ее с периодичностью 1 мин. Отсутствие мути в воде являлось признаком хорошей отмывки фракций размером меньше 250 мкм. Перед тем как остаток на сите перенести в чашку Петри, его промывали в кристаллизаторе с дистиллированной водой. Выпаривание и сушку содержимого чашки Петри велось в сушильном шкафу при температуре 145-150°С. Показатель содержания фракций размером менее 250 мкм Р<250 (%) рассчитывали по формуле: Р<250 = 100 ( — то) / шс где тс — масса сухого вещества, г; т0 — остаток на сите, г. По показателю Р<250 вычисляется условная удельная поверхность [3].

Для оценки структурно-механических свойств переработки торфа используется величина предельного напряжения сдвига 0. Она достаточно чувствительна к изменению состава и структуры дисперсных материалов. Предельное напряжение сдвига несет информацию о процессах происходящих в торфяных системах, как в естественном состоянии, так и на различных стадиях производства, в том числе под влия-

нием технологических воздействий. Величина предельного напряжения сдвига отображает особенности структуры торфа, физико-механических свойств торфяных систем в широком диапазоне влаго-содержаний. Одним из наиболее простых способов определения предельного напряжения сдвига является метод статической микропенет-рации с применением пенетрометра ПАГ-2 [3], который позволяет быстро определять локальные значения предельного напряжения сдвига в вязкопластичном и в твердообразном состояниях. ПАГ-2 имеет небольшие размеры, сравнительно прост в изготовлении и использовании.

—т

N

Рис. 1. Схема пенетрометра

Прибор (рис. 1) представляет собой металлический цилиндр 7, внутри которого находится шток 6, а между ними пружина 5. Пружина одним концом упирается в расширении штока, а другим в пробку 4, которую ввинчивают в цилиндр. На выдвижной части штока находится измерительная линейка 2 длиной 40 мм и кольцевой индикатор 3. В нижней части штока закреплен конический наконечник 1 высотой 10 мм. В качестве упругого элемента прибора использован набор пружин с жесткостью 0,1-3,0 Н/м. Плавным нажатием на цилиндр наконечник погружают в исследуемый материал на всю рабочую длину (10 мм). При этом происходит перемещение цилиндра и индикаторного кольца относительно штока. После снятия нагрузки и извлечения наконечника из материала фиксируют перемещение кольца относительно измерительной линейки. Усилие сопротивления проникновению наконечника в материал, оказываемое структурой торфа, в соответствии с законом Гука, равно произведению жесткости пружины на величину ее сжатия.

В пенетрометре устанавливали пружину с жесткостью 0,1 кН/м и наконечник в виде конуса с константой 0,214. Конус внедряли в куски торфа на всю высоту (10 мм). Величину предельного напряжения сдвига в МПа рассчитывали по формуле:

0 = 0,1 4,

где 1и — показания индикатора, мм.

Переработку торфяного сырья осуществляли лабораторным шнеко-вым механизмом. Изменение дисперсности достигали за счет многократного пропускания торфяного сырья через перерабатывающее устройство, а также применением разных

режущих элементов и приспособлений. Дисперсность оценивали показателем условной удельной поверхности 50 [3], который вычисляли по результатам ситового анализа [2]. При исследовании начальное влагосодержа-ние торфяного сырья изменялось в диапазоне 3,5-5,7 кг/кг.

В процессе механического диспергирования происходит уменьшение содержания в торфе грубодис-персных волокнистых и грубодис-персных фракций и увеличивается количество тонкодисперсных. Изменения в содержании коллоидных фракций практически не наблюдается. При этом повышается однородность торфа по фракционному составу. С уменьшением размера частиц растет их концентрация в единице объема, что приводит к росту числа связей между частицами через молекулы воды. Торф переходит из упругопластичного в вязко-пластичное состояние с образованием новых поверхностей раздела фаз и переходом части энергии в тепло. При механической переработке торфа на одном и том же механизме с различными значениями влагосо-держания дисперсность получаемой массы различна (рис. 2) из-за проявления сил различной природы [3] и, соответственно, условий разрушения структуры.

При низком влагосодержании происходит большее измельчение частиц, чем при высоких значениях влагосо-держания, что вызвано ростом внутреннего трения. При увеличении вла-госодержания торфяной массы предельное напряжение сдвига уменьшается (рис. 2). Это происходит из-за малого сопротивления при движении торфа в перерабатывающем устройстве. Однократная переработка торфа шнеком без противодавления незначительно

s

550

450

350

liiO

Г

1,5

3,5

4,5

5,5

W

Рис. 2. Зависимость условной удельной поверхности Б (1, 2) (м /кг) и предельного напряжения сдвига в (1', 2' (кПа) от влагосодержания торфа: верховой магелланикум К = 20 (1, 1') %; низинный осоковый К = 30 (2, 2') %

1|10

1,5

i

350

450

550

S

Рис. 3. Изменение предельного напряжения сдвига в (кПа) от удельной поверхности Б (м2/кг) верхового магелланикум торфа К = 20 %, при различных значениях влагосодержания формования Ш = 3,5 (1), 3,9 (2), 4,6 (3) и 5,7 (4) кг/кг

ботки (So = 490-550 м /кг) приводит к значительному снижению предельного напряжения сдвига. Это обстоятельство вызвано разрушением растительных остатков и высвобождением внутриклеточной и иммобилизованной воды. Система становится более подвижной и пластичной, что приводит к уменьшению числа дефектов структуры и росту прочности формованной продукции.

Анализ исследований показал, что предельное напряжение сдвига, в основном, зависит от степени переработки, влагосодер-жания и температуры. Если принять, что в полевых условиях температура меняется незначительно, то в результате обработки экспериментальных данных методом математической статистики можно получить уравнения, связывающие предельное напряжение сдвига 0 (кПа) с влагосо-держанием W (кг/кг) и степенью переработки So (м2/кг). Уравнения с коэффициентом корреляции 0,97 принимают вид:

• для верхового торфа

So = 100 (9 - 2 ln0 -

- 0,1 W) ± 5, (1)

• для низинного торфа

So = 100 (15 - 1,5 ln0

2 W ± 5,

(2)

изменяет значения предельного напряжения сдвига (рис. 3), так как разрушается только его макроструктура. Увеличение механической перера-

при изменении влагосодержания в пределах от 3,5 до 5,7 кг/кг; предельного напряжения сдвига — от

2,04 до 10,7 кПа. На основе уравнений разработан метод оперативного контроля дисперсности в процессе формовании торфяного сырья для получения различной продукции для энергетического использования. Он заключается в определении предельного напряжения сдвига на образце формованного торфа с помощью пенетрометра ПАГ-2 с последующим определением его влагосо-держания (стандартным методам) и расчетом дисперсности по уравнениям (1) и (2).

Зависимость 0 = / (5, М), на основе обработки данных (рис. 2, 3), может

быть выражена через экспоненциальную функцию:

0 = 00^ ехр[- Св (50 - 5),

где 00^, Св — константы структуро-образования.

Таким образом, метод позволяет достаточно легко и оперативно контролировать степень переработки при производстве формованной продукции из торфа. В конечном итоге это дает возможность управлять физико-механическими свойствами готовой продукции за счет оперативной переналадки перерабатывающего оборудования.

1. Мисников О.С., Тимофеев А.Е. О рациональном использовании энергетических и минеральных ресурсов торфяных месторождений. — Горный журнал, 2008. — № 11. — с. 59 — 63.

2. Технический анализ торфа / Е. Т. Ба-зин, В.Д. Копенкин, В.И. Косов и др. — М.: Недра, 1992. — 431 с.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

3. Пухова, О. В. Закономерности изменения физических свойств торфа при его переработке и сушке: автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.15.05 / О.В. Пухова; Тверской государственный технический университет. — Тверь, 1998. — 20 с. ИШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Канченков В.А. — магистрант,

Пухова О.В. — кандидат технических наук, доцент, owpuhova.mail.ru Черткова Е.Ю. — аспирант,

Тверской государственный технический университет, [email protected]

А

РАЗМЫШЛЕНИЯ И ДИАЛОГИ

■ Сколько хороших идей пропадает зря.

■ Жаль, но исполнение и сложнее, и важнее замысла.