Концепция развития использования местных видов топлива является одним из средств реализации государственной энергетической политики в области обеспечении потребности субъектов РФ в топливно-энергетических ресурсах, поддержания цен на приемлемых уровне, в соблюдении баланса интересов между производителями и потребителями энергии [49].
В настоящее время многие торфообеспеченные регионы России используют для обеспечения функционирования энергетического сектора традиционные привозные топлива (мазут, уголь, газ). Известно, что энергетическая составляющая занимает до трети всего объема российских грузовых перевозок. Снижение этой доли может быть достигнуто путем освоения и использования местных источников энергии и в частности топлива на основе торфа. В пользу увеличения доли торфа в топливно-энергетическом комплексе свидетельствует и наличие на территории нашей страны огромного количества малых населенных пунктов, котельные которых в подавляющем большинстве работают на привозном угле и мазуте, что приводит к удорожанию тепловой энергии.
Энергетическая стратегия России на период до 2030 года предполагает поэтапное внедрение современных технологий добычи топливного торфа и оснащение предприятий отрасли современной высокопроизводительной техникой, отвечающей мировым экологическим нормам с целью повышения эффективности функционирования торфяной промышленности [53,96,113].
Топливный торф является общераспространенным полезным ископаемым, из которого можно получать как традиционные (местное топливо, удобрения, теплои звукоизолирующие материалы), так и новые виды продукции (металлургическое топливо, активные угли, сорбенты, строительные материалы, стабилизаторы и разжижители природных материалов, лекарственные средства и др.). Это обстоятельство делает российские запасы торфа стратегическими для будущих поколений [68].
Отличительной особенностью торфяной отрасли горнодобывающего комплекса, является высокая степень зависимости производства от метеоусловий региона добычи, и, учитывая, прекращение серийного производства специализированных торфяных машин, стало экономически неэффективным восстановление крупномасштабных торфяных производств на известной технической и технологической базе.
Задачи, стоящие перед торфяной отраслью на современном этапе, требуют создания новых высокоэффективных и универсальных машин, обеспечивающих качественное и производительное выполнение технологических процессов добычи и переработки торфяного сырья.
Большой вклад в исследование и создание средств механизации торфяного производства внесли такие ученые, как Гревцев Н. В., Журавлев A.B., Зюзин Б. Ф., Кислов Н. В., Кондратьев A.B., Лукьянчиков А. Н., Михайлов A.B., Мурашов М. В., Опейко Ф. А., Самсонов JI.H., Синицын В. Ф., Солопов С. Г., Фомин В. К., Фомин К. В и другие.
Разработка и внедрение универсальных средств механизации, обеспечивающих в технологическом процессе добычи торфяного сырья погрузку, сепарацию и дробление, позволит обеспечить малые торфодобывающие компании высокоэффективной техникой при снижении себестоимости добычи торфа и производства торфяной продукции с гарантированными качественными характеристиками.
Поэтому целью диссертационной работы является установление закономерностей процесса дробления, сепарации и аэрации торфяного сырья на заключительных операциях добычи и полевом обогащении для обоснования рациональных параметров ковшевой дробилки торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата, что способствует сокращению парка машин и механизмов и ведёт к концентрации производства при экскаваторном способе добычи.
Идея работы заключалась в использование ковша с активным днищем, в виде ковшевой дробилки, агрегатираванной с фронтальным погрузчиком для сокращения количества технологического оборудования на участке добычи и полевой переработки торфяного сырья, увеличению коэффициента использования, повышению эксплуатационной производительности оборудования.
В результате выполнения проведённых аналитических исследований обоснован состав торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата на основе технических характеристик агрегатируемости фронтального погрузчика и ковшевой дробилки.
Разработана экспериментальная установка для исследования процесса переработки торфяного сырья, добытого экскаваторным способом, с целью оценки производительности и эффективности процесса полевой переработки.
Проведён комплекс лабораторных и полевых исследований, по определению рациональных режимов работы и энергоёмкости процесса переработки торфяного сырья в ковшевой дробилке торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата.
Определена производительность ковшевой дробилки, как активного навесного оборудования торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата, при выполнении совмещенных операций по переработке и погрузке торфяного сырья.
Защищаемые научные положения:
1. Энергоемкость переработки торфа ковшевой дробилкой с роторно-дисковой просеивающей поверхностью описывается степенной зависимостью от радиусов элементов роторов и прямо пропорциональна углу контакта роторов с материалом, количеству дисков, силе сопротивления протаскивания торфяного сырья между поверхностями роторов с учётом ширины элементов просеивающей поверхности.
2. Экспериментально установлено, что энергоёмкость процесса измельчения торфяного сырья зависит от угла наклона активной просеивающей поверхности ковшевой дробилки в противоположную сторону от направления вращения роторов, при этом рекомендуемое значение угла наклона соответствует углу внутреннего трения торфа и составляет 20°, что обеспечивает переработку до значения средневзвешенного диаметра частиц 10−12 мм, снижение энергоемкости, без изменения геометрических и кинематических параметров рабочего органа, на 34% и отсутствие потерь торфяного сырья.
При решении поставленных задач использован комплексный метод исследований на основе анализа механико-технологической системы «торфяное сырье-рабочий орган машины», математического моделирования и экспериментальных исследований, проведённых в полевых и лабораторных условиях. Основные теоретические результаты получены с использованием подходов, базирующихся на методах расчета деталей машин, теории механизмов и машин, теории упругости, трибологии и триботехники Полученные в работе экспериментальные данные обрабатывались методами математической статистики в соответствии с ГОСТ 8.207−76.
Научная новизна данной работы заключается:
— в установлении степенной зависимость между удельными энергозатратами на переработку торфяного сырья и радиусами элементов роторов, углом контакта роторов с материалом, количеством дисков, силой сопротивления протаскивания торфяного сырья между поверхностями роторов с учётом ширины элементов просеивающей поверхности;
— в установлении влияния угла наклона активной просеивающей поверхности дробилки (в противоположную сторону от направления вращения роторов, образующих эту поверхность), на энергоёмкость процесса измельчения торфяного сырья;
— в определении рационального угла наклона просеивающей поверхности ковшевой дробилки при работе в составе торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата, обеспечивающий увеличение производительности агрегата на 34%.
Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается: корректным обобщением передового производственного опыта и анализом предыдущих результатов научных исследованийиспользованием аттестованных методик при проведении лабораторных исследований, достаточным объемом экспериментальных данных и использованием современных математических методов их обработки с удовлетворительной сходимостью результатов (расхождение не превышает 5% при доверительной вероятности 0,95).
Основные результаты работы докладывались на XLX Студенческой научной конференции Краковской горно-металлургической академии (Краков, Польша, 2009) — Восьмой международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута-Сыктывкар-Ухта, 2010) — Первом Международном научно-техническом конгрессе «Энергетика в глобальном мире» (Красноярск, 2010) — Третьей Международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (Тула, 2010) — Восьмой и Девятой Международной научно-технической конференции «Наука — образованию, производству, экономике» (Минск, Беларусь, 2010, 2011) — Шестой Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (Тула, 2010) — Шестой Международной научной конференции «Проблемы освоения георесурсов российского Дальнего Востока и стран АТР и Восьмом Международном симпозиуме «Снижение опасных геологических проявлений в АТР» (Владивосток, 2010) — На Всероссийском Торфяном форуме (Тверь, 2011) — На Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учёных по нескольким междисциплинарным направлениям (Новочеркасск, 2011) Международном научном симпозиуме «Неделя Горняка» (Москва, 2010, 2011,2012).
Результаты диссертации, были использованы компанией Нагггёес Оу (Финляндия) при адаптации валково-дисковых рабочих органов ковшевых просеивающих дробилок для добычи торфа. Предложенные конструктивные решения позволили повысить энергоэффективность работы оборудования, за счёт снижения эффекта налипания влажного торфяного сырья на рабочий орган машины (Приложение 1).
В рамках диссертационной работы под руководством автора выполнены научно-исследовательские работы по государственному контракту № 14.740.11.0519 от 01 октября 2010 г. «Снижение сроков восстановления промышленных запасов региональных торфяных энергоресурсов применением новых технологий добычи». При непосредственном участии автора выполнены научно-исследовательские работы: «Расширение использования торфа в малой энергетике в рамках реализации ЭС 2030, как перспективного местного вида топлива для развития систем теплоснабжения изолированных потребителей на уровне муниципальных образований в торфообеспеченных регионах РФ» (Государственный контракт № П641 от 19 мая 2010 г.) — «Технологическое обеспечение круглогодового производства качественного торфяного топлива для региональных кластеров малой энергетики» (Государственный контракт № П1017 от 27 мая 2010 г.) — «Научное обеспечение использования местных торфяных топливно-энергетических ресурсов и органических отходов для производства окускованных твердых топлив» (Государственный контракт № 16.740.11.0682 от 07 июня 2011 г.).
Результаты проведенных научных исследований и опытно-конструкторских работ, включенные в образовательный процесс в Санкт-Петербургском горном университете, отмечены дипломом победителя конкурса на соискание премий Правительства Санкт-Петербурга в области научно-педагогической деятельности в 2010 году (НПР № 10 039) (Приложение 2).
2.7 Выводы к главе 2.
Энергетическая составляющая процесса переработки носит случайный характер из-за неоднородности свойств перерабатываемого материала, неравномерности загрузки ковша и размерно-массовых характеристик исходного торфяного сырья. Выполненный теоретический анализ энергетических параметров ковшевой дробилки произведен с допущением постоянства характеристик перерабатываемого торфяного сырья, неразрывности потока материала через перерабатывающую поверхность активного ковша и равенства угла контакта на всех поверхностях. В этом случае теоретические выражения получены для расчета энергии, расходуемой на преодоление сил сопротивления протаскиванию торфа между поверхностями вращающихся роторов в установившемся режиме.
Энергоемкость процесса переработки торфа ковшевой дробилкой с роторно-дисковой просеивающей поверхностью описывается степенной зависимостью от радиусов элементов роторов и прямо пропорциональна углу контакта роторов с материалом, количеству дисков, силе сопротивления протаскивания торфяного сырья между поверхностями роторов с учётом ширины элементов просеивающей поверхности.
3. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ.
ИССЛЕДОВАНИЙ.
3.1 Методы и оборудование для проведения полевого этапа исследований.
Первый этап экспериментальных исследований и натурных наблюдений был проведён на полях торфяных месторождений Приозерского района ленинградской области: «Исо-Сур-Суо» и «Саккала».
Спутниковый снимок торфяного месторождения «Исо-Сур-Суо» Приозерского района Ленинградской области представлен на рисунке 3.1.1 (дата съемки 19.05.2010). Прием данных осуществлялся на космическую станцию приема и обработки данных ДЗЗ, расположенную в Горном университете.
Данные по ранее выпущенному проекту на разработку указанного месторождения. Год выпуска 1963. Площадь участка, га брутто 229. Способ осушения: открытая сеть самотеком выше отметки подпора от трубы-переезда под автодорогой Санкт-Петербург-Приозерск, ниже этой отметкимеханическим водопонижением насосной станцией. Водоприемник — ручей без названия, впадающий в озеро Отрадное. Тип торфа — низинный, переходный, верховой торф, подстилаемый суглинками, супесями, песками.
Тип водного питания — атмосферные осадки, поверхностные воды внешнего водосбора. Данные строительства: строительная организация-«Приозерская ПМК-5».
Рисунок 3.1.1 Торфяные месторождения Приозерского района: «Исо-Сур-Суо» слева,.
Саккала" справа.
Спутниковый снимок торфяного месторождение «Саккала» Приозерского района Ленинградской области (дата съемки 01.06.2010) представлен на рисунке 3.1.1. Прием данных осуществлялся на космическую станцию приема и обработки данных ДЗЗ, расположенную в Горном университете.
Данные по ранее выпущенному проекту на разработку месторождения. Год выпуска 1966. Площадь участка, га брутто 904. Способ осушения: открытая сеть самотеком выше отметки подпора. Водоприемник — ручей без названия, впадающий в озеро Суходольское. Тип торфа — низинный, переходный, верховой торф, подстилаемый суглинками, супесями, песками.
Тип водного питания — атмосферные осадки, поверхностные воды внешнего водосбора.
Полевые экспериментальные исследования проводились в мае-июне 2011 года с целью определения физических характеристик торфяной залежи и торфяного сырья, требуемых для оценки проходимости 111 1А и перерабатывающей способности его рабочего органа.
На картах производились измерения влажности, плотности и сопротивления сдвигу с целью оценки несущей способности залежи и ее физико-механических характеристик для работы погрузочноперерабатывающего агрегата. Схема измерения представлена на рисунке 3.1.2.
123 456 789 10 11.
Рисунок 3.1.2 Схема измерения при проведении полевых испытаний: (1−11) — точки проведения испытаний. При проведении полевых экспериментальных исследований задействовались следующие измерительные приборы и оборудование рисунок 3.1.3): измеритель влажности BWK LANZEпенетрометр
Eijkelkamp Р 1.50- зондовый сдвигомер-крыльчатка СК-8.
Рисунок 3. 1.3 Комплект полевого исследовательского оборудования.
Порядок действий при измерении влажности залежи.
Измеритель влажности BWK LANZE позволяет экспресс методом оценить влажность торфяной залежи на глубинах от 50 до 800 мм. Фотография процесса полевых исследований в реальных условиях месторождения представлена на рисунке 3.1.4.
При измерении влажности первоначально производят калибровку прибора. Прибор измерительным наконечников опускается в воду картового канала, нажимается кнопка «TEST» и с помощью калибровочного потенциометра устанавливается показание по шкале 100%. После этой операции положение калибровочного потенциометра фиксируется стопорным винтом и прибор считается откалиброванным.
Рисунок 3.1.4 Измерение влажности торфяной залежи на месторождении Саккала.
Измерения производят следующим образом. Измерительный наконечник внедряется в исследуемый грунт на необходимую глубину (при проведении исследований на торфяном месторождении Саккала наконечник внедрялся на глубину 100 мм). После внедрения нажимают кнопку «TEST» и считываю показания по шкале прибора. Данные измерений заносят в таблицу с указанием места и времени измерения.
Порядок действий при измерении удельного сопротивления грунта при статическом зондировании.
Пенетрометр Еуке1кашр Р 1.50 позволяет оценить сопротивляемость грунта проникновению. В набор входят измерительные наконечники (конусы) с различной площадью поверхности основания конуса 1 см², 2 см², см, 3 1/3 см, 5 см, 10 см, 20 см. В соответствии с [29] измерения следует производить наконечником диаметром 35,7 мм, т. е. наконечником с площадью основания конуса 10 см .
Измерения производят следующим образом [29]. Пенетрометр в собранном виде (измерительный манометр в сборе со штангой и измерительным конусом) устанавливают на поверхность залежи. Измерительный наконечник равномерно вдавливается в грунт. Красная стрелка на шкале манометра указывает максимальное давление, соответствующее максимальному сопротивлению грунта внедрению в него наконечника. Черная стрелка указывает текущее значение сопротивления внедрению (рисунок 3.1.5).
Рисунок 3.1.5 Измерение удельного сопротивления грунта при статическом зондировании.
Измерение на торфяной залежи рекомендуется производить до глубины 400 мм, поскольку при дальнейшем внедрении (на полную мощность торфяной залежи) изменение сопротивляемости внедрению незначительно ввиду значительной обводненности подстилающих слоев.
Результаты измерений сводят в таблицу с указанием места и времени измерения.
Порядок действий при определении сопротивления сдвигу слабых грунтов с помощью сдвигомера-крыльчатки.
Зондовый сдвигомер-крыльчатка СК-8, относится к числу полевых портативных приборов и предназначен для измерения сопротивления сдвигу слабых и неплотных грунтов естественной структуры. При отсутствии бытового давления или внешней нагрузки измеряемая величина представляет собой значение суммарного сцепления (структурная и коллоидная), а при их наличии — суммарное значение сопротивления сдвигу с учетом сцепления и угла внутреннего трения. Внешний вид и конструктивная схема прибора представлены на рисунке 3.1.6.
Рисунок 3.1.6 Внешний вид и конструктивная схема сдвигомера-крыльчатки СК-8: 1-четырехлопастная крыльчатка- 2- устройство для учета трения штанг о грунт- 3,6- штанги- 5- измерительная головка с рукояткой- 11- упор- 10- упругая пластина- 13- индикатор
102 часового типа- 7- стопорный винт. При повторном повороте крыльчатки, после первичного среза, определяется значение сопротивления грунта сдвигу нарушенной структуры.
Конструкция прибора позволяет также использовать его в качестве устройства для определения характера распределения неоднородностей и механических включений в зондируемых основаниях. Измеряемые при сдвиге величины являются лучшими показателями оценки категории основания.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи по обоснованию рациональных параметров работы ковшевой дробилки в составе универсального торфяного погрузочно-просеивающего агрегата.
Основные научные и практические выводы:
1. Разработана математическая модель, позволяющая на основе геометрических параметров просеивающей поверхности ковшевой дробилки, оценить степень переработки торфяного сырья при прохождении через механизм.
2. Разработан алгоритм оценки мощности привода ковшевой просеивающей дробилки торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата.
3. Экспериментально установлено, что установка дробилки под углом равным углу внутреннего трения торфяного сырья позволяет снизить удельные энергозатраты на его переработку до 34%.
4. Обоснована возможность создания универсального средства механизации торфяного производства, обеспечивающего технологический процесс добычи торфяного сырья на операциях погрузки, дробления и сепарации. При работе ковшевой дробилки «трудные» частицы (древесные включения, крупные минеральные включения), средний диаметр которых от 0,9 до 1,0 размера задающего проходного отверстия, остаются внутри ковша и при его опрокидывании высыпаются в отвал.
5. Применение ковшевой дробилки в составе погрузочно-перерабатывающего агрегата обеспечивает переработку торфяного сырья до значения средневзвешенного диаметра частиц 10−12 мм.
6. В результате проведенных научных исследований разработана конструкция и создан опытно промышленный образец установки по переработке торфяного сырья УПТ-3/6−0,35 с просеивающей поверхностью идентичной просеивающей поверхности торфяного погрузочно-сепарирующего агрегата.
7. Результаты проведенных научных исследований и опытно-конструкторских работ включены в образовательный процесс в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» при подготовке бакалавров и магистров по направлению 150 400 «Технологические машины и оборудование» по профилю подготовки «Технологические машины и комплексы для разработки торфяных месторождений».
8. Результаты диссертации, были использованы компанией ООО «КБ Прок» при производстве опытного образца установки УПТ-3/6−0,35 и ООО «Карьер А-Тех» официального дистрибьютора компании КагЩес Оу (Финляндия) при адаптации валково-дисковых рабочих органов ковшевых просеивающих дробилок для добычи торфа [Приложение 3].
