Обоснование физико-технических параметров добычи и переработки торфяных и сопутствующих минеральных ресурсов

Актуальность и общая характеристика работы. Российская Федерация располагает значительными запасами торфа (235 млрд. т, что составляет 37,2% от мировых) [1]. Его ежегодный прирост составляет более 60 млн. т (в пересчете на содержание влаги 40%) при скорости накопления 0,2 — 2,5 мм в год, что позволяет рассматривать его как возобновляемый ресурс. Разнообразие свойств и сложность компонентного состава торфяного сырья обуславливает возможность его использования в различных направлениях промышленного производства (наиболее полный перечень продукции на основе торфа включает более 70 наименований). Основными из них являются такие стратегически важные для экономики РФ отрасли промышленности, как энергетика (в частности коммунально-бытовой сектор), сельское хозяйство и строительство.

В пересчете на условное топливо его энергетическая ценность (68 млрд. т у. т.) уступает только каменному углю (97 млрд. т у. т.) и превышает такие традиционно используемые источники энергии как нефть (31 млрд. т у. т.) и природный газ (22 млрд. т у. т.) вместе взятые. Но несмотря на то, что в структуре топливно-энергетического баланса нашей страны в настоящее время1 наблюдается явная диспропорция с увеличением доли природного газа (482 млн. т у. т. в год) и нефти (205 млн. т у. т.), работы по разработке новых технологий использования торфа (в том числе и в энергетических целях) особенно актуальны, поскольку они позволяют создать научную базу для инновационного развития торфяной отрасли и укрепить важнейшие отрасли промышленности РФ.

В связи с этим важными и требующими скорейшего решения проблемами являются разработка инновационных видов продукции, позволяющих наиболее полно извлекать и эффективно использовать торфяные ресурсы, и комплексных экологически сбалансированных технологий добычи различных видов сырья, находящихся на территории и в непосредст.

1 Представлены данные за 2007 год. венной близости от торфяных месторождений. В современных экономических условиях новые технологии должны соответствовать строгим критериям, обеспечивающим их малозатратность, высокую эффективность и качество получаемой продукции.

Анализ современных мировых экономических, экологических и социальных условий показывает, что все аспекты человеческой деятельности должны быть ориентированы на концепцию устойчивого развития {sustainable development). Она рассматривается как процесс изменений, в котором эксплуатация ресурсов, направление инвестиций, ориентация научно-технического развития и институциональные изменения согласованы друг с другом и укрепляют нынешний и будущий потенциал для удовлетворения человеческих потребностей и устремлений [2]. Суть ее заключается не в немедленном прекращении экономического роста, а в прекращении, на первом этапе, нерационального роста использования ресурсов окружающей среды. Данная концепция подразумевает оптимальное использование ограниченных ресурсов и использование экологичных природо-, энерго-, и материало-сберегающих технологий, включая добычу и переработку сырья, создание экологически приемлемой продукции, минимизацию, переработку и уничтожение отходов.

В связи с этим при разработке технологий добычи полезных ископаемых важное место занимает система рационального природопользования [3], в соответствии с которой применительно к торфяному производству могут быть выдвинуты следующие требования:

1. Снижение количества потерь сырья (остаточный слой торфа, отходы добычи, органоминеральное сырье и сопутствующие минеральные отложения) [4];

2. Наиболее эффективное-использование извлеченных полезных ископаемых и, соответственно, снижение требуемых объемов добычи;

3. Заболачивание выработанных площадей [5].

Анализ существующих технологий освоения торфяных месторождений показывает, что отмечается недоиспользование органического сырья в количественном и качественном отношении. Так при добыче фрезерного и кускового торфа коэффициент использования балансовых запасов торфяного сырья обычно не превышает 0,6.0,65, что обусловлено потерями на придонный слой (величина регламентируется нормами рекультивации), сырье повышенной зольности, по условиям конфигурации и т. д. Изменение требований к технологиям добычи и к сырью позволит вовлечь дополнительные виды торфяных ресурсов в процессы добычи и переработки.

Также существует большое количество ценных минеральных ресурсов сопутствующих торфяным месторождениям, которые могут быть использованы для получения продукции (например, сапропели, глины, суглинки и др.). Следует отметить, что минеральные отложения с позиции современных технологий освоения торфяных месторождений не рассматриваются как сырье, пригодное для добычи и последующей переработки.

Вопросам более полного использования торфяного сырья и добычи дополнительных ресурсов торфяных месторождений были посвящены работы А. П. Гавршъчика, Е. Т. Базина, Е. С. Демьянова, P.A. Крупнова, М. В. Попова, О. С. Мисникова и др. [4, 6, 7, 8, 9].

В соответствии с устоявшимися требованиями к разработке торфяных месторождений необходимо выдерживать толщину придонного слоя, которая в зависимости от направления рекультивации может изменяться от 0,15 до 0,5 м [6]. В настоящее время в связи с ориентированием на восстановление выработанных площадей, необходимость в наличии остаточного слоя отсутствует. Имеются следующие факты, свидетельствующие о целесообразности полного извлечения торфа:

Остаточный слой торфа на поверхности выработанных торфяников подвержен ветровой эрозии (дефляции);

При существующих технологиях добычи 20−30% выработанных полей не имеют установленного защитного слоя торфа и обнажены до минеральных отложений [9], что свидетельствует о несоблюдении норм рекультивации в реальных производственных условияхЦелесообразно добывать торфяное сырье полностью с целью получения наибольшей выгоды.

Верхний горизонт остаточного слоя, представленный остаточным слоем торфа различной степени разложения, может быть: торфяным — Ат при степени разложения Я менее 25%, перегнойно-торфяным — Ат при Я = 25 -45% и перегнойным — Ап при Я > 45%. Мощность этих горизонтов колеблется в больших пределах — от нескольких сантиметров (чаще в центре технологических карт) до 1—1,5 м (на бывших подштабельных полосах) [9].

По данным экспериментальных исследований свойств верхней зоны остаточного слоя [6] возрастание зольности в среднем составляет 0,3.5,5%, поэтому это сырье может быть рассмотрено как пригодное для использования в традиционных направлениях.

Переходными между торфяным сырьем и минеральными породами отложениями является органоминеральные отложения (ОМО). Они могут быть представлены сапропелями, илами и другими видами отложений. На основании оценки возможности их использования в работе [3] было сделано заключение, что дополнительные ресурсы торфяных месторождений могут в значительной степени повысить эффективность производства за счет выпуска новых видов продукции.

Сопутствующее торфяным месторождениям минеральное сырье представляет собой такие осадочные горные породы как пески, супеси, суглинки, глины и др. Свойства подстилающих минеральных отложений, изменившихся вследствие контакта с торфяной залежью, рассмотрены в работе [10]. Анализ показывает, что при контакте с органическим веществом минеральные материалы изменяют свои свойства, что проявляется в уменьшении пористости на 20−30%, плотности на 15−25% и варьировании других свойств по сравнению с минеральным сырьем, залегающем в обычных условиях. Кроме того, изменяются химический состав и формы существования элементов [11].

В качестве одного из наиболее перспективных направлений повышения полноты использования потенциала торфяного сырья, при котором выполняются требования системы рационального природопользования, может рассматриваться производство композиционной продукции. Это обусловлено следующими основными преимуществами:

• композиционные материалы характеризуются свойствами, значительно отличающимися от свойств исходных компонентов;

• существует возможность утилизации отходов торфяного производства путем производства продукции на основе композиционных смесей [12].

Указанные преимущества позволяю повысить эффективность использования торфяного сырья (получать продукцию с более высокими качественными характеристиками) и, следовательно, перейти к меньшей программе добычи.

Вопросам получения композиционных материалов на основе торфа были посвящены работы А. Е. Афанасьева, В. И. Боброва, Б. А. Богатова, В. В. Борисейко, Г. П. Вирясова, Н. И. Гамаюнова, С. Н. Гамаюнова, Н. В. Гревцева, В. И. Косова, И. И. Лиштвана, О. С. Мисникова, 77.77. Марука, A.B. Огурцова, В. И. Суворова, A.A. Терентъева и др. [12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21]. Анализ этих работ показывает, что виды материалов, относимые к композиционным, характеризуются более высокими качественными характеристиками по сравнению с продукцией из «чистого» торфа.

В соответствии с одним из заключительных этапов системы рационального природопользования, после окончания добычи территория выработанного торфяника должна быть подготовлена для повторного заболачивания. В настоящее время эта тенденция носит общемировой характер [5]. Однако возобновление болотообразовательного процесса не связано с добычей2 и выполняется после ее окончания, причем промышленные предприятия не заинтересованы в ее выполнении. В связи с этим, в работе выдвигается гипотеза, в соответствии с которой повышение влажности после окончания добычи может достигаться посредством снижения уровня по.

2 Не направлена на извлечение прибыли. верхности выработанной территории (ее приближение к уровню грунтовых вод) и создания увлажнения за счет капиллярного поднятия влаги.

Идея диссертационной работы заключается в установлении закономерностей новых направлений переработки органических ресурсов торфяных месторождений и сопутствующих минеральных отложений, обосновывающих необходимость их наиболее полного извлечения с одновременным созданием условий для формирования повышенного обводнения поверхности выработанных площадей.

Целью диссертационной, работы является обоснование физико-технических параметров добычи и переработки торфяных и сопутствующих им минеральных ресурсов для вовлечения в производственные процессы дополнительного сырья с получением на его основе композиционI ных материалов.

В соответствии с поставленной целью в диссертации были решены следующие задачи:

— проведено исследование свойств смесей на основе торфа с глинистыми добавками в процессах, связанных с получением композиционной продукции;

— разработана методика расчета продолжительности сушки при получении формованных материалов на основе торфоминеральных композиций;

— с применением критериального метода выполнена оценка водно-физических свойств органоминеральных материалов и характеристик термической конверсии органического вещества композиций;

— выполнено обоснование необходимости максимально возможного извлечения торфа и подстилающих минеральных материалов с разработкой способа расчета толщины извлекаемого минерального слоя;

— рассмотрены технологические аспекты добычи торфяных и сопутствующих минеральных ресурсов.

Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе были использованы стандартные методы определения характеристик исходного сырья (ботанический состав, степень разложения, зольность и др.), а также методики определения показателей сушки, усадки, структурообра-зования, водопоглощения и влагоемкости композиций, теплотворной способности и состава пиролизного газа. Обработка результатов экспериментов проводилась методами математической статистики и методами оценки нелинейных процессов (дистортности) с применением компьютерной техники.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней разработаны подходы к способам получения органоминеральных материалов на основе торфа во взаимосвязи с направлениями их дальнейшего использования, позволяющие повысить количество используемого сырья в торфяном производстве при создании условия для обводнения поверхности после окончания добычи.

Научные положения, выносимые на защиту:

— взаимное влияние органических и минеральных компонентов на физико-химические и технологические параметры композиций при их формовании и обезвоживании, обосновывающее снижение начального вла-госодержания и изменение интенсивности сушки;

— методика расчета основного параметра геотехнологии торфяного производства — продолжительности сушки, заключающаяся в установлении воздействия минеральных глинистых компонентов на процесс обезвоживания формованных торфоминеральных материалов;

— критериальный метод оценки свойств композиций, примененный для водно-физических показателей органоминеральных материалов и характеристик термодеструкции органического вещества, определяющий вид и оптимальное содержание минеральных добавок в диапазоне от 0,2 до 0,4 в зависимости от процесса;

— способ расчета толщины сработки минерального слоя, учитывающий условия для повышения влажности поверхности торфяного месторождения.

Практическое значение работы заключается в разработке основ технологических процессов добычи сырья, получения и использования композиционных торфоминеральных материалов в топливной, химической и других отраслях промышленного производства, а также для решения задач, связанных с охраной окружающей среды.

При проведении диссертационных исследований были разработаны:

— способ получения горючего газа высокой теплотворной способности из торфоминеральных композиций;

— состав и способ получения гранулированного топлива для пиролиза;

— состав композиционного влагопоглощающего материала на основе торфа.

Новизна технических решений защищена охранными документами по защите прав интеллектуальной собственности (три патента РФ на изобретения).

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректной постановкой задач исследованийзначительным объемом экспериментальных данных, полученных в результате пятилетних исследований в ТГТУнезначительным расхождением результатов от ранее полученных другими авторами и опубликованными в научной и справочной литературе.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в общую структуру Учебно-методического комплекса кафедры «Технология и комплексная механизация разработки торфяных месторождений» ГОУ ВПО «Тверской государственный технический университет» для реализации профессиональных образовательных программ при многоуровневой подготовке специалистов по направлению 130 400 «Горное дело». Практические испытания проводились в ООО «Т-Инвест Тверь» (г. Тверь). Внедрение результатов научно-исследовательской работы осуществлено в технологические процессы получения торфяной сельскохозяйственной продукции на предприятии ОАО «Васильевский Мох».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований изложены технологические разработки, имеющие существенное значение для торфяной отрасли, сущность которых заключается в обосновании физико-технических и технологических параметров добычи и переработки торфяных и сопутствующих минеральных ресурсов при производстве различной композиционной продукции.

По диссертационным исследованиям сделаны следующие основные выводы:

1. Глинистые компоненты в органоминеральных композициях улучшают характеристики процессов их формования и сушки. Это выражается в снижении начального влагосодержания (с 2,5. .2,7 до 1. 1,7 кг/кг при изменении С в интервале 0. Д4), уменьшении внутренних неоднородностей (УЖ снижается в 3 раза при увеличении содержания минерального компонента от 0,09 до 0,23) и времени обезвоживания исследуемых материалов. Получены аналитические и экспериментальные зависимости градиента влагосодержания, плотности и пористости, угла смачивания от содержания глинистых добавок.

2. Проведена комплексная оценка влияния минеральных глинистых материалов на процесс удаления влаги из формованных композиций. Предложена новая методика определения продолжительности сушки композиций, связывающая время удаления влаги в постоянном и убывающем периодах с содержанием глинистых добавок и конечным влагосодержанием. Анализ выражений позволил установить большую продолжительность постоянного периода сушки и определить по данному показателю оптимальный интервал содержания глинистых материалов С = 0,2. .0,4.

3. Разработанный критерий эффективности использования композиций и расчет его числовых значений по показателям, связанным с водопоглощени-ем и термодеструкцией, свидетельствует о том, что при совместном использовании торфа и глинистых материалов эффективность использования добываемого сырья возрастает. По показателю водопоглощения Кж достигает значений 1,7- по объему выделившихся газов — 1,2- по теплоте сгорания газовой смеси — 2,8.

4. Анализ геологического материала, разрезов торфяных месторождений и свойств минеральных ресурсов, попутно залегающих с торфяным сырьем, свидетельствует о наличии значительных объемов дополнительных ресурсов, пригодных для производства композиционных материалов, добыча и переработка которых в настоящее время не производится.

5. Предложен способ расчета величины добываемого минерального сырья с обоснованием создания условий для повышения влажности верхних слоев выработанных территорий, основанный на снижении уровня поверхности при сработке части минеральных отложений и капиллярном подъеме грунтовой влаги.