Содержание к диссертации
Введение
1. Принципы получения и использования гидрофобных модификаторов на основе торфа для минеральных дисперсных материалов 9
1.1. Исследования в области термического разложения органического вещества торфа 9
1.2. Аналитический обзор традиционных методов гидрофобной модификации минеральных дисперсных материалов 18
1.3. Промышленно-адаптированный механохимический способ применения гидрофобных модификаторов 28
2. Технологические подходы к интенсификации процессов полевой сушки торфа 52
2.1. Водно-физические свойства торфа 52
2.2. Основные положения теории сушки 60
2.3. Особенности полевой сушки фрезерного торфа 66
2.4. Анализ научно-исследовательских работ по интенсификации сушки фрезерного торфа 75
2.5. Экспертная оценка направлений интенсификации сушки фрезерного торфа 89
3. Разработка основ технологии добычи фрезерного торфа для получения гидрофобных модификаторов минеральных дисперсных материалов 99
3.1. Технологии добычи фрезерного торфа 99
3.2. Технологические основы добычи фрезерного торфа для получения гидрофобных модификаторов минеральных дисперсных материалов 107
4. Оценка эффективности добычи фрезерного торфа с пониженной уборочной влажностью 119
4.1. Обоснование проектных показателей по цикловым сборам 119
4.2. Экономическое обоснование технологии добычи фрезерного торфа 126
Общие выводы и заключение 132
Библиографический список
- Аналитический обзор традиционных методов гидрофобной модификации минеральных дисперсных материалов
- Промышленно-адаптированный механохимический способ применения гидрофобных модификаторов
- Особенности полевой сушки фрезерного торфа
- Технологические основы добычи фрезерного торфа для получения гидрофобных модификаторов минеральных дисперсных материалов
Аналитический обзор традиционных методов гидрофобной модификации минеральных дисперсных материалов
Так как состав торфа, равно как и других твердых горючих ископаемых, достаточно сложен, проблематично конкретизировать процессы, протекающие при термическом воздействии на них. Поэтому принято идти по более простому пути - процесс термолиза сложной смеси рассматривается при поведения термического воздействия на ее отдельные составляющие. Вещества, выделяемые из торфа горячими органическими растворителями при температуре около 353 К при атмосферном давлении называют битумами А. Если оставшуюся массу торфа обработать соляной или серной кислотой, с последующей экстракцией битума органическим растворителем, получается битум С. Битум В выделяется органическими растворителями под давлением больше атмосферного и при температуре 473…493 К [10, 11].
Необходимо отметить, что на настоящий момент хорошо изучена структура нефтяных битумов. Нефтяные битумы определяются как олеофильные дисперсные системы с элементарной структурной единицей - мицеллой. Последняя состоит из конденсированного асфальтенового ядра со стабилизирующей пленкой смол [12]. Дисперсионная среда битумов - масла – вследствие чего в них развита коагуляционная структура, состоящая из глобулярных мицелл. Смолы придают битуму вязкость и пластичность. Молекулярная масса смол при удалении от асфальтенового ядра уменьшается и в пределе приближается к маслам. Четкой границы раздела между мицеллой и средой нет, и она обнаруживается лишь при удалении масел и части смол из битума селективным растворителем [4].
В битумах твердых топлив достаточно хорошо развита кристаллическая структура, состоящая из восков и парафинов. Такие битумы жесткосткие, имеют небольшую эластичность и хрупкость. Таким образом, торфяные битумы рассматриваются как кристаллизационные структуры, проявляющие пластические свойства. Причем структуры битумов могут быть различными и очень сильно зависят от состава торфа и применяемого экстрагента [14].
При термическом разложении битумов наблюдается наименьший выход твердых [3, 15] и наибольший – жидких продуктов (60 % и более). Это происходит вследствие большого количества в битумах химических соединений, богатых водородом. В работах отечественной научной школы (Б.К. Климов, В.Е. Раков-ский и Б.И. Иванов) [2, 3] установлена следующая последовательность процессов, происходящих при сухой перегонке битумов. Первые признаки выделения легкоподвижных битумных комонентов (буроокрашенные капли легкоподвижного дегтя) начинают проявляться в температурном интервале Т = 448…453 К. Затем при температуре Т = 498 К они заменяются лимонно-желтыми продуктами дистилляции воска. При Т = 498…523 К наблюдается максимума образования пирогенети-ческой воды и началом выхода непредельных газов. Дальнейшее увеличение температуры до Т = 573…623 К приводит к максимальному выходу дегтя [2, 3]. В газообразных компонентах во всех вышеуказанных интервалах преобладают оксиды углерода. Битумы при термическом разложении дают относительно других составных частей торфа малые тепловые эффекты [1, 2].
Гуминовые кислоты неустойчивы к термическому воздействию и поэтому способные подвергаться различным изменениям в короткий срок при относительно небольшом повышении температуры. Также изменения возможны при более низкой температуре в течение длительного времени. Например [16], уже при Т = 373 К, они разлагаются с выделением воды и углекислого газа. Но наиболее энергичное выделение газа происходит в интервале температур Т = 498…548 К (Тропш и Шелленберг [3]), причем до Т = 573 К образуется главным образом углекислый газ (Б.К. Климов). Раковским В.Е. и другими исследователями было установлено, что кривые распада гуминовых кислот торфа имеют экстремумы, что объясняется разнообразием в строении компонентов, входящих в состав гумино-вых кислот. Они способны распадаться в различных температурных интервалах, или распад молекул этих кислот носит ступенчатостый характер [1]. Гуминовые кислоты из всех компонентов органического вещества дают наибольший выход твердого остатка и газа (М.М. Журавлева, Б.И. Иванов, В.Е. Раковский и др.) [1, 7]. По содержанию дегтя в продуктах пиролиза, данные отечественных и зарубежных ученых крайне противоречивы: 1,4 % (Б.И. Иванов) [17], 4 % (М.М. Журавлева) [3], 8…9 % (Е.И. Казаков) [3], 10 % (В.Е. Раковский) [2]. Другихе исследователи [7, 18] выход дегтя ограничивают диапазоном 0,5…0,8 %. Различия в их результатах В.Е. Раковский объясняет окислительными процессами в гуминовых кислотах при попадании кислорода воздуха, а Е.И. Казаков – каталитическими процессами в их молекулах в присутствии ионов железа и кальция.
Рис. 1.1. Схема образования химических соединений при температуре 523 К [3]
Интересно, что при термолизе ГК сапропелей [19, 20] наблюдается повы Высокое содержание твердого остатка при термолизе гуминовых кислот свидетельствует об отщеплении боковых функциональных групп [2]. Основное ядро молекулы при этом сохраненяется и даже укрупняется (рис. 1.1). При нагреве торфа до 523 К образуется окись и двуокись углерода, пирогенетическая вода, одноатомные фенолы, смолообразные азот- и кислородсодержащие вещества, а также твердый остаток.
14 шенный (по сравнению с ГК торфа) выход смолы. Однако в этой смоле меньше содержится фенольных соединений по сравнению с торфом.
Сухая перегонка водорастворимых (ВР) и легкогидролизуемых (ЛГ) соединений рассматривается в работах [1-3, 7]. В них, в частности, приводятся следующие данные о последовательности протекания процессов. Эти соединения интенсивно разлагаются при сравнительно небольших температурах нагрева. В диапазоне 423…448 К выделяется пятая часть воды разложения от ее общего количества, которое получается до 773 К.
Ряд авторов отмечают [1-4, 17], что ВР и ЛГ характеризуются максимально высоким из всех групповых составляющих (около 30 %) выходом воды разложения. При 523 К выделение пирогенетической воды значительно уменьшается. Одновременно, в интервале Т = 523…573 К увеличивается выход газа, но он, как и при более низких температурах, состоит из оксидов углерода. Температурный диапазон Т = 648…723 К является третьим этапом значительного газовыделения. Однако здесь в составе газа заметно увеличивается доля водорода и предельных углеводородов.
Под действием тепловой энергии, согласно [21] целлюлоза подвергается следующим превращениям (Танг, Басон): выделение адсорбированной влаги (298…423 К); отщепление связанной воды (423…513 К); разрыв связи С-С и С-О, сопровождающийся, выделением пирогенетической воды и оксидов углерода (513…573 К). В некоторых работах [3, 21-23] обращается внимание на большое содержание оксида углерода в газе, полученном до 553 К (38 %). При дальнейшем повышении температуры происходит интенсивный и глубокий распад целлюлозы.
В ряде работ [7, 18, 24, 25] показано, что, несмотря на то, что выделение газов при сухой перегонке лигнина наблюдается уже при 403 К, он является более термически стойким по сравнению с другими составными частями органичесако-го вещества торфа. Это связано с ароматической структурой его строения, поэтому интенсивное его разложение начинается в температурном диапазоне 523…573 К. В этом случае происходит распад молекул лигнина на фенилпропа-новые звенья. При этом также образуются трехатомные фенолы, гваякол, ортоди 15 окси-бензол и его производные. В целом выделяются следующие этапы низкотемпературного пиролиза лигнина: высокий выход твердого остатка (50 %); увеличенное содержание в смоле кислых эфиров, фенолов и метилового спирта; очень малый выход углекислого газа (9,6 %); увеличенный выход углеводородов метанового ряда (37,5 %) и угарного газа (51 %).
Анализ приведенных данных свидетельствует о том, что каждая составная часть органического вещества торфа имеет свои особенности при термическом разложении, определяемые их природой, и накладывает в зависимости от содержания в органическом веществе вполне определенный отпечаток на ход его термического разложения.
Рядом исследователей [26] отмечалось, что при нагревании торфа до температур низкотемпературного пиролиза (порядка 573 К) и саморазогревании его в штабелях [26-28] при хранении происходит изменение группового состава остатка по сравнению с групповым составом исходного торфа. Эти результаты, несколько противоречивы, однако они показывают, что при нагревании торфа в твердом продукте увеличивается выход веществ, извлекаемых органическими растворителями и гуминовых кислот, и падает содержание остальных групповых составляющих (табл. 1.3).
В этом контексте, особенно интересно изменение выхода группы веществ, извлекаемых органическими растворителями - пиробитумов (термобитумов), что показывает их связь с тепловым воздействием. Причина их образования связывается с увеличением выхода экстракта, а также в деполимеризации битумов, находящихся в исходном сырье [3]. Основная же гипотеза на настоящий момент следующая: пиробитумы - это продукты деструкции всех компонентов группового химического состава органического вещества торфа. Например, при перераспределении водорода в макромолекулы средней величины, они приобретают способность растворяться в органических растворителях (В.С. Веселовский) [18]. Эти процессы протекают при нагреве до 573 К и, как правило, являются причиной образования пиробитумов.
Промышленно-адаптированный механохимический способ применения гидрофобных модификаторов
Задача гидрофобизации в первую очередь актуальна для гидрофильных минеральных дисперсных материалов, так как ее решение позволяет создавать изолирующие покрытия на их частицах препятствуя образованию между ними коагу-ляционных контактов и последующего процесса слеживания. Традиционно эта проблема решалась для минеральных вяжущих строительных материалов, так как после осуществления первичного процесса сорбции водяного пара, происходит конденсация с образованием жидкой фазы и последующая несанкционированная гидратация, приводящая к потери их физико-химических характеристик.
На настоящий момент отмечается несколько подходов к решению задач повышения водоотталкивающих свойств минеральных вяжущих, сухих смесей и строительных материалов на их основе. Добавки в минеральные материалы подразделяются на две основные группы. К первой группе относятся добавки, которые обладают гидрофобными свойствами - «гидрофобные добавки». Их производят из органического биогенного сырья, а также из некоторых полезных ископаемых. Ко второй группе - «гидрофобизующие добавки» - относятся материалы которые не обладают гидрофобными свойствами, а прибретают их в процессе взаимодействия с минеральными вяжущими веществами.
Обладающие гидрофобными свойствами различные виды жиров, масел и других органических соединений, распространенных в животном и растительном мире, применялись в строительном производстве [34]. Например, для гидрофоби-зации воздушной извести в древнем Риме применяли животный жир, молочную сыворотку или кровь животных. На Руси для этих же целей использовали творожную массу, мякину зерновых культур, льняную сечку вместе с семенем, отвары коры хвойных деревьев [35]. В первой половине XX века в некоторых странах на цементных заводах получали гидрофобный цемент с добавкой жира китов. Для этих же целей во Вьетнаме применялось техническое арахисовое масло [34-38].
Гидрофобизирование цемента с использованием водоотталкивающих свойств битумов применялось в Германии [36]. Суть этого метода заключалась в том, что сжатым воздухом предварительно расплавленный битум распылялся на частицы цемента и осаждался на них в виде тонкой пленки. «Битуминизирован-ный цемент», получаемый по такой технологии не получил широкого распространения из-за приблем, связанных с затруднением гидратационных процессов, приводящих в конечном итоге, к значительным потерям прочности строительных материалов.
Нативные гидрофные свойства высокодиспергированных углей и горючих сланцев в 40-х годах XX века предлагалось использовать для обработки минеральных вяжущих. В одной из таких работ [39] для увеличения сроков хранения цемента предлагалось вносить в него раздробленный богхед, являющийся одной из разновидностей сапропелитов, в количестве около 10 % от общей массы вяжущего. Основным недостатком такого способа является необходимость удаления добавки из цемента перед его использованием по прямому назначению. В противном случае такая концентрация вносимого органического компонента будет заметно замелдять сроки схватывания и существенно снижать прочность строительного материала.
Тем не менее, несмотря на недостатки, использование богхеда в качестве сырья для получения гидрофобизующих добавок имеет большие перспективы, так как сапропелитовые угли образовывались из остатков водорослей, богатых жирами (другое название сапропелитовых углей – жировые). Характерной особенностью таких углей является очень малая гигроскопичность (2…5 % влаги). Поэтому, при экстракции органическими растворителями богхедов выделяется до 10…12 % извлекаемых веществ, которые состоят из жирных кислот, ангидридов, кетонов и углеводородов. Кроме того, эти угли отличаются слабой термической стойкостью органического вещества, о чем свидетельствует высокий выход летучих соединений в образцах сапропелитов с Бугадовского месторождения Иркутской области, для примера представленный в таблице1.4 [10].
Кислород в входит в состав карбоксильной, гидроксильной и карбонильной функциональных групп (табл. 1.5). Данные инфракрасной спектроскопии свидетельствуют о наличии в богхедах парафиновых цепочек и ненасыщенных цикли 20 ческих структур. Углеродные цепочки в макромолекулах соединены между собой гетероатомными связями, среди которых наибольшее значение имеют простые эфирные связи [10].
В результате этого можно сделать вывод о том, что органическое вещество сапропелитов является высокомолекулярным соединением, с линейно конденсированным строением (типа полиэфиров). Кроме того оно включает связанные между собой длинные метиленовые цепочки и циклы. Причем за счет большого содержания гидроксильных и карбонильных функциональных групп в богхедах имеются предпосылки для образования водородных связей, которые в рассматриваемых процессах гидрофобизации минеральных дисперсных материалов играют важнейщую роль (см. раздел 1.3).
Рассмотренные выше способы гидрофобизирования дисперсных материалов имеют два взаимосвязанных недостатка - низкую эффективность, и, соответственно, необходимость внесения высоких концентраций добавок. Поэтому, с середины прошлого столетия стали развиваться различные методы глубокой переработки органического сырья с получением гидрофобно-пластифицирующих материалов. Отдельным направлением является использование отходов переработки в различных отраслях промышленности. Например, это массовые продукты, получаемые при очистке льняного, конопляного, подсолнечного, хлопкового и других масел – соапстоки. В работах, проведенных А.Л. Томашпольским [41] с сотруд 21 никами, была обоснована целесообразность применения эмульгированных соап-стоков в качестве добавок для гидрофобизации цемента. В настоящее время в работе, проводимой в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова, отмечается, что модифицированный соапстоком цемент проявляет устойчивые гидрофобные свойства. В тоже время авторы не раскрывают механизма увеличения кинетики набора прочности модифицированного строительного материала.
В настоящее время значительное распространение для обработки цементов и бетонов получили добавки из продуктов переработки нефтяного сырья и сопутствующих промышленных отходов. Этот класс гидрофобно-пластифицирующиих поверхностно-активных веществ (ПАВ) по способу получения разделяют на синтетические жирные кислоты и их кубовые остатки; модифицированные кубовые остатки синтетических жирных кислот; окисленный петролатум, а также нафтеновые кислоты и их соли [36, 38]. Общим в строении молекул гидрофобизирую-щих ПАВ является из резкая асимметрия, обеспечивающая их ярко выраженную дифильность. Она состоит из полярной гидрофильной части (СООН, СООNa) и длинного углеводородного радикала. При ее взаимодействии с частицей минерального вяжущего, гидрофильная часть прочно фиксируется на поверхности твердой фазы за счет связей с молекулами кальция. А углеводородная неполярная гидрофобизирующая часть молекулы оказывается обращенной наружу. Гидрофобные «хвосты» водой не смачиваются и, более того, между их метильными концами образуются коагуляционные связи [34, 36, 37]. Таким образом обеспечивается водоотталкивающий эффект и в обрабатываемых ими материалах.
К распространенным в технологиях строительного производства гидрофо-бизирующим добавкам относятся также битумы, вводимые в виде эмульсий «масло в воде», кремнийорганические жидкости [42-45] (полиэтилгидросилоксаны и их модификации, водорастворимые метил- и этилсиликонаты натрия), древесный пек [14], неомыленная и омыленная нейтрализованная абиетиновая смола и ряд других продуктов химической переработки древесины [21, 34].
Особенности полевой сушки фрезерного торфа
Полевая сушка торфа является одним из важных этапов технологического процесса добычи фрезерного торфа. Под термином «полевая сушка» принято понимать процесс удаления воды из торфа за счет радиационной энергии Солнца и энергии окружающего воздуха. Сушка в естественных условиях зависит от метеорологических, гидрогеологических, физических и технологических факторов [96, 97-99].
К метеорологическим факторам относятся такие показатели, как солнечная радиация, облачность, относительная влажность и температура воздуха, осадки, сила и направление ветра и другие.
Гидрогеологические факторы – это условия водного питания, геоморфологическое строение и способы осушения торфяной залежи, уровень грунтовых вод.
К физическим факторам относятся ботанический состав, влагоемкость, степень разложения и другие.
Технологические факторы – начальное и конечное влагосодержание, степень переработки, количество и характер операций сушки, фракционный состав, толщина сушимого слоя и другие.
Указанные факторы взаимно связаны, влияют друг на друга и в целом определяют режим сушки. Гидрогеологические факторы и свойства торфа очень изменчивы, а прогнозирование метеорологических условий невозможно с достаточной точностью (в особенности по осадкам).
Во ВНИИТП М.Р. Степанов подробно исследовал влияние комплекса показателей на сушку фрезерного торфа: уровня стояния грунтовых вод, количество ворошений, метеорологических условий и др. [100, 101]. В результате этих исследований было установлено, что сушка фрезерного торфа в производственных ус 67 ловиях в значительной мере зависит от метеорологических и гидрологических факторов. Также установлено, что у изолированной от солнечных лучей крошки интенсивность испарение в 2…2,5 раза меньше по сравнению с сушкой фрезерной крошки при естественном облучении. Тепловые лучи в капиллярах верхнего слоя торфяной крошки в результате многочисленного отражения от стенок рассеиваются и почти полностью поглощаются. Поэтому верхний слой торфа в течение 1…1,5 ч достигает низкого влагосодержания. К этому времени наблюдается перепад во влагосодержании и за счет градиента влагосодержания происходит перемещение влаги из внутренних слоев к зоне испарения. После достижения низкого влагосодержания верхними прослойками вследствие уменьшения теплопроводности подвод тепла в нижние зоны снижается, и сушка торфа резко замедляется. В результате неравномерности в распределении температуры в слое фрезерного торфа с самого начала сушки возникает температурные градиенты. Вследствие термотока влага движется от мест с более высокой температурой к местам с более низкой [100, 101].
Термин «интенсификация сушки торфа» использовал В.Я. Антонов [96, 114]. Интенсивность сушки – это масса воды, удаленной из слоя торфа с единицы площади поверхности в единицу времени и определяемой по формуле [66, 67] ответственно начальное и конечное влагосодержание, кг/кг; Рс -удельная загрузка торфяной крошки после фрезерования в пересчете на абсолютно сухое вещество, кг/м2; т - длительность сушки, ч; Кн - коэффициент снижения интенсивности сушки из-за неравномерности расстила фрезерной крошки; /и -средняя многолетняя эффективная испаряемость с поверхности почвенного испарителя за сутки, кг/м2; d- средневзвешенный диаметр частиц фрезерного торфа, м; М - коэффициент, учитывающий тип залежи и степень разложения торфа, равновесное, начальное и конечное влагосодержание, число ворошений и сроки их выполнения, а также увлажнение слоя торфяной крошки при ворошениях; Но -начальная толщина слоя, м.
Как следует из формулы, интенсивность сушки зависит от начального и конечного влагосодержаний, средневзвешенного диаметра частиц, неравномерности слоя и других показателей.
Расчёт продолжительности сушки фрезерного торфа выполняется по различным формулам. В.С. Варенцовым предложен метод расчета, который получил в 1950… 1960 гг. большое распространение в промышленности [208]: где Аф - глубина фрезерования, м; - плотность фрезеруемого слоя залежи, кг/м3; wн, wк- начальная и конечная влажность фрезерной крошки, %; К 1, К2, К3К4, К5 -коэффициенты, зависящие от степени разложения, длительности цикла, количества ворошений, начальной и конечной влажности фрезерного торфа.
Во ВНИИТП была предложена формула зависимости продолжительности сушки фрезерного торфа от удельной загрузки [109] тc=а Рbc , где а - эмпирический коэффициент, учитывающий влияние на продолжительность сушки всех факторов, кроме удельной загрузки; Рc - удельная загрузка
фрезерного торфа по абсолютно сухому веществу, кг/м2; Ъ = 1,2… 1,67 - показатель степени, зависящий от удельной загрузки, начального влагосодержания, режима сушки, влагообмена с подстилающей залежью. В интенсивности влагообмена играет роль и размер частиц - чем меньше частицы, тем больше контакт с подстилающей залежью и тем быстрее восстанавливается капиллярная связь [105].
Исследованиями В.Я Антонова, В.Г. Горячкина, В.Н. Евсеева и другими учеными установлено [103], что длительность сушки зависит от фракционного состава фрезерной крошки, который в свою очередь зависит от ряда природных и технологических факторов - вида торфа, ботанического состава, степени разложения, влажности, зольности, типа механизма фрезерования, рабочих скоростей. Ими был установлен оптимальный размер фрезерной крошки, который подтверждается современными исследованиями и составляет 10…25 мм. Уменьшение или увеличение размеров частиц ухудшает их сушку, что подтверждено исследованиями Калининского политехнического института (КПИ) [70].
Технологические основы добычи фрезерного торфа для получения гидрофобных модификаторов минеральных дисперсных материалов
Полевая сушка торфа является одним из важных этапов технологического процесса добычи фрезерного торфа. Под термином «полевая сушка» принято понимать процесс удаления воды из торфа за счет радиационной энергии Солнца и энергии окружающего воздуха. Сушка в естественных условиях зависит от метеорологических, гидрогеологических, физических и технологических факторов [96, 97-99].
К метеорологическим факторам относятся такие показатели, как солнечная радиация, облачность, относительная влажность и температура воздуха, осадки, сила и направление ветра и другие.
Гидрогеологические факторы – это условия водного питания, геоморфологическое строение и способы осушения торфяной залежи, уровень грунтовых вод.
К физическим факторам относятся ботанический состав, влагоемкость, степень разложения и другие.
Технологические факторы – начальное и конечное влагосодержание, степень переработки, количество и характер операций сушки, фракционный состав, толщина сушимого слоя и другие.
Указанные факторы взаимно связаны, влияют друг на друга и в целом определяют режим сушки. Гидрогеологические факторы и свойства торфа очень изменчивы, а прогнозирование метеорологических условий невозможно с достаточной точностью (в особенности по осадкам).
Во ВНИИТП М.Р. Степанов подробно исследовал влияние комплекса показателей на сушку фрезерного торфа: уровня стояния грунтовых вод, количество ворошений, метеорологических условий и др. [100, 101]. В результате этих исследований было установлено, что сушка фрезерного торфа в производственных ус 67 ловиях в значительной мере зависит от метеорологических и гидрологических факторов. Также установлено, что у изолированной от солнечных лучей крошки интенсивность испарение в 2…2,5 раза меньше по сравнению с сушкой фрезерной крошки при естественном облучении. Тепловые лучи в капиллярах верхнего слоя торфяной крошки в результате многочисленного отражения от стенок рассеиваются и почти полностью поглощаются. Поэтому верхний слой торфа в течение 1…1,5 ч достигает низкого влагосодержания. К этому времени наблюдается перепад во влагосодержании и за счет градиента влагосодержания происходит перемещение влаги из внутренних слоев к зоне испарения. После достижения низкого влагосодержания верхними прослойками вследствие уменьшения теплопроводности подвод тепла в нижние зоны снижается, и сушка торфа резко замедляется. В результате неравномерности в распределении температуры в слое фрезерного торфа с самого начала сушки возникает температурные градиенты. Вследствие термотока влага движется от мест с более высокой температурой к местам с более низкой [100, 101].
Термин «интенсификация сушки торфа» использовал В.Я. Антонов [96, 114]. Интенсивность сушки – это масса воды, удаленной из слоя торфа с единицы площади поверхности в единицу времени и определяемой по формуле [66, 67] соответственно начальное и конечное влагосодержание, кг/кг; Рс -удельная загрузка торфяной крошки после фрезерования в пересчете на абсолютно сухое вещество, кг/м2; т - длительность сушки, ч; Кн - коэффициент снижения интенсивности сушки из-за неравномерности расстила фрезерной крошки; /и -средняя многолетняя эффективная испаряемость с поверхности почвенного испарителя за сутки, кг/м2; d- средневзвешенный диаметр частиц фрезерного торфа, м; М - коэффициент, учитывающий тип залежи и степень разложения торфа, равновесное, начальное и конечное влагосодержание, число ворошений и сроки их выполнения, а также увлажнение слоя торфяной крошки при ворошениях; Но -начальная толщина слоя, м.
Как следует из формулы, интенсивность сушки зависит от начального и конечного влагосодержаний, средневзвешенного диаметра частиц, неравномерности слоя и других показателей.
Расчёт продолжительности сушки фрезерного торфа выполняется по различным формулам. В.С. Варенцовым предложен метод расчета, который получил в 1950… 1960 гг. большое распространение в промышленности [208]: где Аф - глубина фрезерования, м; - плотность фрезеруемого слоя залежи, кг/м3; wн, wк- начальная и конечная влажность фрезерной крошки, %; К 1, К2, К3К4, К5 -коэффициенты, зависящие от степени разложения, длительности цикла, количества ворошений, начальной и конечной влажности фрезерного торфа.
Во ВНИИТП была предложена формула зависимости продолжительности сушки фрезерного торфа от удельной загрузки [109] эмпирический коэффициент, учитывающий влияние на продолжительность сушки всех факторов, кроме удельной загрузки; Рc - удельная загрузка фрезерного торфа по абсолютно сухому веществу, кг/м2; Ъ = 1,2… 1,67 - показатель степени, зависящий от удельной загрузки, начального влагосодержания, режима сушки, влагообмена с подстилающей залежью. В интенсивности влагообмена играет роль и размер частиц - чем меньше частицы, тем больше контакт с подстилающей залежью и тем быстрее восстанавливается капиллярная связь [105].
Исследованиями В.Я Антонова, В.Г. Горячкина, В.Н. Евсеева и другими учеными установлено [103], что длительность сушки зависит от фракционного состава фрезерной крошки, который в свою очередь зависит от ряда природных и технологических факторов - вида торфа, ботанического состава, степени разложения, влажности, зольности, типа механизма фрезерования, рабочих скоростей. Ими был установлен оптимальный размер фрезерной крошки, который подтверждается современными исследованиями и составляет 10…25 мм. Уменьшение или увеличение размеров частиц ухудшает их сушку, что подтверждено исследованиями Калининского политехнического института (КПИ) [70].
