CC BY
18
© А.В. Волков, О.В. Пухова, Ю.Л. Ковальчук, 2004
УДК 662.641.034
А.В. Волков, О.В. Пухова, Ю.Л. Ковальчук
ПРЕДПОСЫЛКИ ПРОИЗВОДСТВА МЕЛКОКУСКОВОГО ТОРФА ДЛЯ МЕСТНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Семинар № 12
~П опросы совершенствования и разра-
-Я-М ботки новых технологий производства местного топлива для коммунальнобытовых нужд, поднимающих конкурентную способность торфа по сравнению привозными видами топлива (природный газ, уголь, мазут) возникают в связи с изменением топливной политики в данной области. Важным отличием торфа от других видов твердых топлив является то, что в естественном состоянии при залегании в залежи не может быть топливом из-за сильной обводенности (до 90 % воды) при малом содержании серы и золы.
В настоящее время торф для энергетических целей добывается в основном фрезерным способом, стоимость которого в несколько раз меньше кускового. Наиболее существенными недостатками фрезерного торфа является большая зависимость от погодных условий и высокая влажность готового торфа (40-45 %), а так же большие потери при хранении.
Кусковой торф в достаточной степени не пользуется спросом из-за плохого качества кусков, и как следствие большое содержание мелочи в готовой продукции.
Такое ухудшение качества происходит вследствие того, что при фрезформовочном способе экскавация производится с небольшой глубины одинакового по составу торфа, имеющего низкую влажность, который недостаточно перемешивается при формовании, из-за чего не происходит достаточного склеивания между частицами торфа гумусом. Несмотря на это кусковой торф является достаточно перспективным видом топлива, так как обладает большой плотностью кусков и меньшей влажностью (33 %) готовой продукции по сравнению с фрезерным торфом, а также высокой объемной теплоплот-ностью.
Для превращения торфа в топливо необходимо удалить максимальное количество воды.
Процесс сушки является одним из способов повышения концентрации твердой фазы.
Перспективным путем улучшения качества топливного кускового торфа считается изменение начальной структуры торфа, и тем самым получить конечный продукт требуемого качества. Основным методом воздействия на исходное сырье является механическое диспергирование. Оно приводит к изменению его физико-механических свойств (5, Ясж), в результате которых снижается способность торфа к во-допоглощению В, тем самым уменьшается зависимость и длительность сушки в полевых условиях от погодных условий (табл. 1). В опытах сушка велась при конвективном тепло-подводе при Т = 295 К, ф = 0,6.
Для верхового магелланикум торфа Я = 25 % с начальной дисперсностью 5 = 309 м 2/кг характерно относительно невысокое значение прочности кусков при Ш = 0,49 кг/кг определяется характером распределения усадочных давлений, которые в центре куска выше, чем на поверхности. Это вызывает изменение прочности формованного торфа. С увеличением дисперсности до 5 = 450 м 2/кг распределение усадочных давлений равномернее, что приводит к более однородной упаковке частиц по всему объему куска и росту прочности. При дальнейшем увеличении степени дисперсности до 5 = 580 м 2/кг растет плотность упаковки частиц и поэтому прочность возрастает и достигает Я = 9,3 МПа (Ш = 0,49 кг/кг), то есть повышение степени дисперсности торфа приводит к увеличению прочности формованного торф. При низком влагосодержаниив большой степени проявляются водородные связи, рекомбинация которых затруднена, т. к. они относятся к короткодействующим и проявляются на расстоянии атомных размеров при взаимодействии через функциональные группы (ОН, СООН и др.). Таким образом, повышение степени
дисперсности торфа S приводит к увеличению прочности формованного торфа (табл. 1), так как помимо измельчения торфа при переработке происходит равномерное распределение грубодисперсных и высокодисперсных фракций в объеме формуемой массы и высокодисперсная фракция склеивает крупные отдельные частицы в одно целое, что способствует уменьшению дефектов структуры [1].
Это вызвано тем, что в начале процесса структурообразования в торфе число водородных связей невелико, хотя наряду с силами Ван-дер-Ваальса они обеспечивают рост прочности в постоянном периоде сушки, соединяя элементы структуры материала через молекулы воды. В убывающем периоде сушки в торфяной системе начинают преобладать непосредственные точечные контакты. Эти контакты соответствуют площадкам в один или несколько атомов, или в одну ячейку кристаллической решетки. Но хотя по сравнению с коагуляционными контактами они обладают более высокой прочностью, величина последней у всей системы невелика. Это происходит потому, что при равновесном и близком к нему влагосо-держании из-за отсутствия влаги исчезают предпосылки для формирования межмолеку-лярных водородных связей [4]. Кроме того, между частицами остаются открытые пространства, которые не способствуют повышению прочности формованного мелкокускового торфа.
Дальнейшее повышение степени дисперсности S 0 = 630 м 2/кг приводит к росту плотности упаковки частиц в образцах и внутреннего давления в поверхностных слоях куска по сравнению с центральными. Что вызывает перераспределение частиц торфа при высоком влагосодержании, образование пустот в середине куска, снижению прочности торфяных кусков и увеличению крошимости.
Анализ данных табл. 1 показывает, что мелкокусковой торф и верхового и низинного типов обладает меньшей почти в два раза во-
допоглототельной способностью по сравнению с фрезерным. Уменьшение водопоглощения также происходит с увеличением степени дисперсности кусков, так как при этом увеличивается содержание более мелких фракций в торфяном куске за счет значительного измельчения грубодисперсных фракций. Увеличение степени переработки сокращает длительность сушки.
К снижению конечной прочности готовой продукции при неизменном значении степени дисперсности приводит уменьшение начальной влаги формования. Это происходит из-за возникающих дефектов структуры в процессе формования и сушки торфа. Определяющим фактором является количество контактов между частицами в торфяном куске. Связывая величины потенциала Ф влаги при сушке с прочностью Яг торфяного куска можно проследить, как энергия связи с материалом влияет на формирование структуры последнего. Поэтому он представляет собой комплексный показатель энергии связи влаги. Связь между воднофизическими и прочностными Я1 свойствами формованного торфа можно представить в виде:
Яг = Я 0Ш(Ф/Фо) къ
где к-К - угловой коэффициент, к-к = Х/Х ф, г = 1, 2 - периоды структурообразования (табл. 2) [3], Я0Ш - условное максимальное значение прочности при Ш ^ 0, Ф 0 - начальное значение потенциала влаги.
Однако изменение влагосодержания материала не дает достаточной информации о характере его физико-механических превращений, а служит только фазой передающей системе перепады капиллярно-осмоти-ческих давлений через цепочку взаимодействий функциональных групп с молекулами воды, которые также выступают в роли «залечивающего» фактора дефектов структуры тела. Поэтому с позиции термодинамики влага рассматривается как одна из фаз торфяных систем, находящихся в физико-химическом взаимодействии. При
Таблица 1
Физико-механические свойства торфа при конвективной сушке
Тип и вид торфа Вид продукции S , м 2/кг В, кг/кг Дсж, МПа т, ч
фрезерный - 7,1 - 39,5
верховой магеллани- 309 3,9 4,3 73
кум Я = 25 % мелкокусковой 450 2,7 7,8 65
580 2,3 9,3 57
фрезерный - 5,6 - 41
низинный осоковый 310 2,9 5,9 79
Я = 25 % мелкокусковой 460 2,4 10,8 64
575 2,1 14,5 59
Значения коэффициентов структурообразования
Торф И, % й он МПа Ф о, кДж X і X 2 X ф ки кХ2
верховой 10 8,2 1,65 0,92 2,4 1,49 0,62 1,61
магелланикум 25 13,5 1,47 0,81 2,01 0,98 0,81 2,01
низинный 15 7,4 1,08 0,81 2,15 0,99 0,82 2,17
осоковый 25 11,2 1,11 0,88 2,03 0,83 1,06 2,45
этом из-за нестабильности протекающих процессов обезвоживания может оказаться так, что элементы структуры внутри частиц будут находиться в случайных положениях относительно друг друга, создающих градиенты капиллярно-осмотических давлений. Это обстоятельство и приводит к возникновению объемно-напряженного состояния, способствующее образованию дополнительных дефектов структуры и дальнейшему растрескиванию формованных кусков [1].
Диспергированный торф представляет собой своеобразную систему, постепенно приближающуюся с увеличением дисперсности к коллоидным растворам [5]. Поскольку поверхностные явления наиболее резко проявляются в коллоидно-дисперсных системах, поэтому
нужно рассматривать торф как гетерогенную систему на всех стадиях диспергирования. Работа, затраченная на диспергирование, то есть на увеличение поверхностной энергии, составляет, хотя и малую долю всей израсходованной энергии представляется возможным установить закономерности связанные с диспергированием и получением прочного торфяного куска. Зависимости прочности от дисперсности и от давления в торфяной системе при различных значениях влагосодержания:
К = К об ехр(А, х 5),
где X Б - коэффициент, характеризующий изменение прочности при колебании дисперсности
на 1 м2/кг, Коб - условное максимальное значение прочности при Б ^ 0 - значение коэффициента в формованном торфе растет с уменьшением температуры сушки и увеличением энергии взаимодействия между частицами Е0 и соответственно потенциала влаги
К0Б=К0Жехр[Л^1д(Ф0/Ф) + Хб5], Ео - потенциальная энергия взаимодействия между элементами структуры (потенциальный барьер, снижаемый влагосодержанием до Е = Е0- аЖ -энергия активации процесса разрушения (для кускового торфа 6,2-9,9 кДж/моль большие величины относятся к меньшему влагосодержа-нию [3], аЖ, - энергия затрачиваемая на разрушение системы, а - удельная энергия активации процесса разрушения,
< а >= 2,7 • 103-----------------------------^- - кусковой
моль•кг/кг торф, X - коэффициент упрочнения структуры, впервые введенный [1], X = 0,81-2,4 1/(кг/кг).
В табл. 3 представлены значения коэффициента уравнения.
Изменение степени переработки позволило установить, что с ростом Б понижается оптимальное влагосодержание формования Ж табл. 4.
Это предложение нашло отражение в разработке новой технологии производства формованного кускового торфа, позволившей уменьшить за счет переработки торфяной массы влажности формования 75-76 % сократить тем самым продолжительность сушки, повысить
прочность готовой продукции, за счет снижения интенсивности и числа дефектов структуры при одном уплотняющем давлении формования.
Таким образом, уменьшение размера куска приводит к увеличению периода постоянной скорости сушки при общем уменьшении времени сушки и росте прочности готовой продукции. Управление процессами структурообра-
Таблица 3
Значения структурного коэффициента
Тип и вид торфа Влагосодержание Ш, кг/кг
,0 2, ,0 ,5 0,
X *
верховой магелланикум Я = 25 % 0,0049 0,0058 0,0031
низинный осоковый Я = 25 % 0,0053 0,0061 0,0032
Таблица 4
Зависимость влагосодержание формования от дисперсности
Тип и вид торфа Верховой магелланикум И = 25 % Низинный осоковый И = 25 %
Б, м /кг 309 450 580 310 460 575
Ж, кг/кг 5,45 4,29 3,2 5,3 4,05 3,0
зования возможно на ранней стадии сушки, когда влагосодержание торфяной системы максимально и выше ее степень переработки. Изменения влажность формования и степень переработки исходного торфяного сырья можно производить формованное торфяное топливо
1. Афанасьев А.Е., Чураев Н.В. Оптимизация процессов сушки и структурообразования в технологии торфяного производства. - М.: Недра, 1992. 288 с.
2. Коагуляционные контакты в дисперсных системах / В.В. Яминский, В.А. Пчелин, Е.А. Амелина, Е.Д. Щукин. - М., 1985. 185 с.
3. Пухова О.В. Закономерности изменения физических свойств торфа при его переработке и сушке.
необходимого качества, устойчивое к внешним воздействиям и с наименьшей крошимостью продукции, и тем самым создать конкурентоспособный вид местного топлива для коммунально-бытовых нужд населения и малых ТЭК.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Тверь. ТГТУ, 1998. 20 с.
4. Регелъ В.Р, Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. - М. : Наука, 1974. 560 с.
5. Физико-химические основы технологии торфяного производства / И.И. Лиштван, A.A. Терентьев, Е.Т. Базин, A.A. Головач. - М.: Наука и техника, 1983. 232 с.
— Коротко об авторах ----------------------------------------------------------
Волков A.B., Пухова О.В., Ковальчук Ю.Л. - Тверской государственный технический университет.
------------------------------------ © В.Е. Харламов, И.К. Морозихина,
2004
УДК 622.331.002.5
В.Е. Харламов, И.К. Морозихина
СТЕНД ДЛЯ ОЦЕНКИ ИЗНАШИВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ РЕДУКТОРОВ ТОРФЯНЫХ МАШИН ТОРФОМИНЕРАЛЬНОЙ СМЕСЬЮ
Семинар № 12
Для назначения режима ускоренных стендовых испытаний редукторов торфяных машин необходимо определить характер изменения и значение переменных нагрузок в эксплуатационном режиме.
Нагрузочный режим привода фрезера, редуктора которого использованы в стенде, определяется на основе анализа данных обработки полученных осциллограмм. В качестве показателя для предварительного выбора закона
распределения нагрузки (М кр на приводном валу) можно принимать коэффициент вариации - V. По величине коэффициента вариации принимают решение о выравнивающем теоретическом распределении: если значение V > 0,33, то эмпирическое распределение следует закону распределения Вейбулла; если V < 0,33, то опытное распределение соответствует закону нормального распределения [1].
