misnikov_o_s_tehnologiya_i_kompleksnaya_mehanizaciya_otkryty (1)

71

го сцепления, поверхностного трения и прилипания торфа. Влияние термообработки тем заметнее, чем ниже влажность формуемого торфа.

Технически осуществить объемный нагрев торфяной массы перед формованием достаточно сложно, поэтому рекомендуется поверхностный нагрев в слое, примыкающем к формующим насадкам. При этом слой толщиной до 0,5 мм нагревается до температуры 85…100 С. Этого достаточно для существенного снижения трения и прилипания торфа. При таком нагреве в зоне контакта торфа с горячей поверхностью формующей насадки протекает активный процесс деструкции органического вещества и испарения влаги. Вокруг торфяного куска образуется пароводяная оболочка, которая способствует облегчению выдавливания его из насадки. При этом появляется возможность формования торфа при влажности 76…78 %. Кроме того, на поверхности куска образуется слой гидрофобизированной тонкодисперсной пленки из термообработанного торфа. Водопоглощение кусков при этом уменьшается в 2…3 раза. Снижение числа поверхностных дефектов на кусках и «залечивание» образовавшихся при формовании микротрещин высокодисперсным торфом из прогретого слоя способствует увеличению прочности кусков на 18…26 %. Удельные энергозатраты на поверхностный нагрев составляют 0,7…1,3 кВт ч/м 3 торфа. Вместе с тем затраты окупаются, так как основной эффект термообработки проявляется в технологическом аспекте. Снижение исходной влажности торфа с 83 до 78 % уменьшает массу подлежащей испарению воды с 650 до 500 кг из одного кубического метра торфомассы.

Технически нагрев осуществляется установкой дополнительного генератора на тракторе и нагревательной спирали на мундштуках фрезформовочной машины. Можно использовать и другие источники тепла, например выхлопные газы двигателя трактора.

4.6. Получение композиций на основе кускового торфа для металлургических процессов

Опыты по применению торфа в доменном процессе были начаты в России еще в 1897 г. и продолжались до 30-х гг. XX столетия. Использование торфа в литейных процессах представляет особый интерес по многим причинам:

1.Большинство районов с развитой металлургической промышленностью работают на привозном сырье, хотя обладают собственными значительными запасами торфа.

2.Торф по сравнению с другими твердыми топливами имеет низкое содержание серы и фосфора и малую зольность. Из торфа получают кокс и полукокс, который может частично заменить каменноугольный кокс в доменных печах.

3.На основе торфа и термобрикетов возможно производство топливоплавильных материалов для доменных процессов и торфорудных

72

брикетов для внедоменного получения стали, также для производства губчатого железа2 с последующей переплавкой в сталь в индукционных печах.

В настоящее время сложились определенные предпосылки к началу нового этапа использования в металлургии торфа, связанные с удорожанием добычи и переработки топлива и возрастанием транспортных расходов.

На протяжении ряда лет в Уральском горно-геологическом университете (Н.В. Гревцев) проводились исследования по созданию нового вида углеродистого восстановителя для выплавки кристаллического кремния на Уральском алюминиевом заводе. По химическому составу и физикохимическим свойствам наиболее полно отвечают требованиям получения кремния верховой и переходный виды торфа моховой, травяно-моховой, травяной группы с зольностью до 5 %.

Анализ полученных технико-экономических показателей свидетельствует о целесообразности использования кускового торфа при выплавке кремния. При постоянной производительности печи наблюдается снижение расходных коэффициентов на 1 т кремния: расход кварцита снизился на 3,4 %, древесного угля – на 11,5 %, нефтяного кокса – на 5,8 %, электроэнергии – на 2,3 %. Соотношение окиси кремния к твердому углероду возросло на 8 %, и сортность кремния не ухудшилась.

Основными сдерживающими факторами широкого применения кускового торфа для выплавки кремния являются низкое содержание твердого углерода до 20 % и высокая влажность до 50 %.

Для устранения этих недостатков был предложен способ углеродистого восстановителя торфоуглеродистых композиций (табл. 14).

Таблица 14. Свойства торфоуглеродистых композиций (по Н.В. Гревцеву)

						Тепло-		Прочность
	Отношение	Содержа-	Влаго-			твор-
						ная	Водопо-
	сухого	ние углеро-	содер-	Плот-				на	на ис-
						способ	глоще-
	торфа к уг-	да, % на	жание,	ность,				сжа-	тира-
						ность,	ние,
	леродному	рабочую	кг/кг	кг/м	3			тие,	ние,
						МДж/
	материалу	массу					кг/кг	МПа	%
						кг
	1 : 0,3	46,5	0,52	400		13,5	4,75	0,8	98,6
	1 : 0,6	50,9	0,42	430		15,6	4,2	0,5	98,5
	1 : 0,9	54,6	0,35	465		16,3	3,5	–	97,7
	1 : 1,2	57,4	0,3	500		17,2	3,3	–	97,3
	1 : 2,0	62,5	0,23	550		18,91	2,65	–	95,9
		ТУК с оболочкой из высокодисперсного торфа
	1 : 1,82	60,5	0,21	500		18,35	3,3	0,8	96,2

2 Губчатое железо – продукт, получаемый из железной руды путем прямого восстановления содержащихся оксидов углеродом или его окисью с обогащением кислородом.

73

1 : 2,78

64,5

0,22

560

19,64

2,49

–

93,2

Вэтой технологии в торфяную массу вводят отсевы углеродистого материала с последующими формованием и сушкой полученных кусков. Формование композиционной смеси осуществляется как обычным способом (путем продавливания через цилиндрические насадки), так и созданием вокруг куска поверхностной упрочняющей оболочки из высокодиспергированного торфа.

Вкачестве углеродосодержащих материалов могут быть использованы отсевы торфяного кокса, а также графитсодержащие материалы: теплоизоляционная шихта (75…80 % графита), отходы силицированного графита, пыль, улавливаемая при обточке графитовых изделий на электродных

заводах. Наиболее чистым из указанных материалов является нефтяной кокс (А с до 20 %). Он был выбран в качестве углеродосодержащего компонента при производстве торфоуглеродистых композиций (ТУК).

Анализ табл. 14 показывает, что при увеличении содержания отсева торфяного кокса с 30 до 200 % практически на 40 % увеличивается плотность, на 40 % теплотворная способность, снижается водопоглощение на 44 %, при этом механическая прочность падает незначительно.

Положительным моментом является еще и то, что предлагаемый технологический процесс предусматривает многовариантность технологической схемы, возможность адаптации к конкретной ситуации на торфопредприятии. Здесь возможна организация производства в полевых и заводских условиях.

Вполевых условиях перспективна организация производства ТУК на базе фрезформовочного способа добычи кускового торфа с применением машины МТК-16 (табл. 15).

Однако в полевых условиях экономически нецелесообразно увеличивать содержание углеродного компонента в ТУК больше 30 % по абсолютно сухой массе из-за удорожания транспортных расходов.

Таблица 15. Характеристика технологии производства торфоуглеродистых композиций в полевых условиях Р = 10000 т (Н.В. Гревцев)

	Технологическая операция		Характеристика применяе-	Кол-
			мого оборудования	во
	Транспортировка	углеродистого	Транспортный погрузчик	1
	материала на	поле добычи	Трактор с прицепом	1
	(6 т/см)
	Экскавация, механическая пере-		Машина МТК-16, оборудо-	2
	работка, перемешивание, формо-		ванная бункером-дозатором
	вание, стилка
	Валкование, переукладка валков		Машина МТК-22	1
	Уборка		Машина МТК-33	1

74

Взаводских условиях наиболее целесообразно производство ТУК

сповышенным содержанием твердого углерода. Опыты по брикетированию смесей торфа с углеродистым материалом проводились на Широкореченском брикетном заводе. В результате экспериментов получались качественные композиционные брикеты. Однако углеродистый материал обладает абразивными свойствами, и при его прессовании наблюдается повышенный износ стенок матричного канала штемпельного пресса. Кроме того, организация брикетного производства требует значительных затрат.

Всвязи с этим был предложен технологический процесс, в котором брикетирование заменяется формованием влажной композиционной смеси. Формование может осуществляться с организацией поверхностной оболочки из высокодисперсного торфа, которая снижает износ формующих насадок, упрочняет структуру сформованных брикетов.

Взаводских условиях наиболее дорогостоящей технологической операцией является искусственная сушка, которая в предлагаемой технологии разбивается на два этапа:

1. Высокоинтенсивная сушка в туннельной сушилке. На этом этапе удаляется 25…35 % от общего количества влаги и достигается прочность для выполнения дальнейших технологических операций по складированию и хранению готовой продукции.

2. Досушка продукции в вентилируемых складских помещениях. Количество влаги, удаляемой на первом и втором этапах сушки, зависит от времени года, условий сбыта и требований потребителя к готовой продукции. Такая технологическая схема сушки обеспечивает высокое качество продукции за счет создания мягкого режима на заключительной стадии, благоприятного для прохождения структурообразовательных процессов в ТУК.

Потребителями такой продукции являются предприятия цветной и черной металлургии. По оценкам ученых УГГУ, общая потребность на Урале в новом восстановителе составляет 50…75 тыс. тонн.

Получение ТУК складывается из следующих операций:

доставка верхового малозольного торфа с влажностью 82…86 % и отсева нефтекокса фракциями до 6 мм и влажностью 7…9 % в приемное отделение;

сепарация торфа;

добавление отходов нефтекокса;

смешивание составляющих компонентов;

дозированная подача смеси в формователь;

формование и сушка (в два этапа);

складирование.

75

Готовая продукция представляет собой цилиндрические куски диаметром 0,06 м, длиной 0,1…0,12 м, плотностью 600 кг/м 3 , зольностью менее 5 % и влажностью 10…15 %. Производительность технологической линии при выпуске ТУК составила 16 т в сутки при двухсменной работе.

76

5. ТЕХНОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ САПРОПЕЛЕВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

5.1. Основные сведения об образовании и свойствах сапропелей

Сапропелем называются тонкоструйные коллоидальные отложения пресноводных водоемов с содержанием органического вещества в пересчете на сухую массу не более 15 %. В некоторых литературных источниках (Л.С. Амарян) указывается, что предел содержания органических компонентов может быть снижен до 10 %. Впервые термин «сапропель», что в переводе означает «гниющий ил», был предложен немецким болотоведом Лаутерборном в 1901 г. для обозначения темных, пахнущих сероводородом отложений мелких водоемов с восстановительными условиями у дна и со значительным содержанием в воде кальция. В 1904 г. Г. Потонье употребил этот термин для обозначения всех иловых отложений пресноводных водоемов. Сапропелем он назвал отложения мелководной или глубинной части водоема, богатые жирами и белками отмирающего планктона, претерпевающие процесс битуминизации в придонной анаэробной среде.

Противопоставляя наиболее общие свойства сапропелей свойствам торфа и минералогенных озерных осадков, Н.В. Кордэ предлагает следующее понятие сапропеля: «Сапропель – это современные, тонкоструйные коллоидальные отложения континентальных водоемов, содержащие значительное количество органического вещества и оформленных остатков микроскопических водных организмов, некоторое количество неорганических компонентов биогенного происхождения и минеральных примесей проносного характера».

Основной состав органического вещества сапропелей формируется из остатков растительных и животных организмов, обитающих в водоеме. Состав минеральных компонентов зависит от условий питания, химического состава питающих водоемы вод и эрозивных процессов. В результате физических, химических и биологических реакций, протекающих в осадке, сапропели обогащаются многими микроэлементами и биологически активными веществами.

По условиям залегания разделяют открытые и погребенные сапропелевые отложения. Открытые отложения залегают в современных водоемах, процесс их накапливания протекает до настоящего времени. Это развивающиеся сапропелевые месторождения, над которыми имеется лишь слой воды, из которого на поверхность залежи поступают новые порции органического и минерального материала, что ведет к увеличению мощности отложений.

Погребенные сапропели находятся под торфяной залежью, редко под минеральными наносами, для которых стадия седиментогенеза уже закончилась. По мере обмеления и зарастания озер совершается постепенный

77

переход от открытых сапропелевых месторождений к погребенным. Однако часто в почти совершенно заросших озерах остаются небольшие просветы воды, так называемые «окна», приуроченные к наиболее глубоким участкам озера. Хотя в пополнении сапропелевых запасов они уже не играют существенной роли, однако служат косвенным указателем месторождений сапропелей с наибольшей глубиной. Если суммарная площадь остаточных озер невелика по сравнению с общей площадью сапропелевых отложений, то такие месторождения нужно относить к погребенным.

Определенные формы рельефа часто формируют размеры и форму месторождения, условия водного и минерального питания, характер минерализации и строения залежи, мощность сапропелевых отложений и их развитие. На территории Восточно-Европейской равнины А.Я. Рубинштейн выделяет четыре основных группы месторождений: 1) поймы; 2) высокие террасы и зандровые равнины; 3) холмисто-моренный ландшафт; 4) возвышенные (сглаженные) равнины.

Сапропели, погребенные под торфом, практически не изучены. Средняя мощность их слоя составляет 0,9…1,3 м, достигая в отдельных месторождениях 2,8 м. Зольность залегающих под торфом сапропелей выше, чем у озерных, отмечается и большее содержание микроэлементов.

Внешне сапропель имеет вид желеобразной однородной массы, консистенция которой в верхних слоях приближается к сметанообразной, а в нижних становится более плотной. Часто сапропель имеет мелкозернистую структуру. На его консистенцию сильно влияют минеральные примеси, придающие сапропелям характер глинистых, песчаных или известковистых образований.

Окраска сапропелей очень разнообразна, причем цвет играет большую роль при глазомерной оценке отложений, так как указывает на присутствие некоторых органических и неорганических компонентов: оливковый – хлорофилла, розовый – каротина или марганца, голубоватый – вивианита, черный – железа, серый – глины или извести. Следует отметить, что естественную окраску имеют сапропели непосредственно после извлечения из залежи. Даже кратковременное воздействие воздуха существенным образом изменяет окраску последнего.

В процессе образования сапропеля огромное значение имеет поверхностный слой пелоген (илород). Именно в нем происходят важнейшие биохимические процессы. Характером и интенсивностью этих процессов в пелогенном слое в значительной мере определяются свойства образующихся отложений. Являясь своего рода геохимическим барьером и аккумулятором растворенных минеральных веществ, переносимых поверхностными и подземными водами, отложения сапропелей за тысячи и десятки тысяч лет накапливают значительное количество ценных биоэлементов и некоторых редких элементов.

78

Непосредственно в образовании сапропелей главную роль играют растворенное органическое вещество, детрит и микроорганизмы. Источником растворенного органического вещества служат прижизненные выделения населяющих водоем растительных и животных организмов, а также «водный гумус», состоящий из трудноразлагаемых веществ типа гуминовых кислот. Для эвтрофных водоемов количество его колеблется в пределах 77…83 % от общего количества органического вещества в воде.

Процессы окисления, комплексообразования приводят к формированию инертного трудноокисляемого и трудноусваиваемого живыми организмами «водного гумуса». Здесь наряду с химическими процессами в водной фазе играют роль коллоидно-химические процессы, связанные с сорбцией органического вещества на детрите, а также биохимические процессы жизнедеятельности бактерий. Детрит – это взвешенные, медленно оседающие частицы вещества, которое образовано как органическими, так и минеральными компонентами. Органическая и минеральная части детрита часто составляют одно целое, так как в процессе его образования играют роль сорбция и коагуляция минеральных и органических коллоидов. Минеральную часть образуют в основном глинистые минералы, частицы кремнезема, обломочные минералы, карбонаты и фосфаты кальция, гидроокись железа. Органическую часть детрита составляют сорбированное органическое вещество и живые бактерии. Главный источник органического вещества – фитопланктон. Живые клетки его выделяют растворенное вещество, а разлагающиеся образуют основную часть детрита.

Последним замыкающим звеном в накоплении сапропеля являются микроорганизмы (бактерии, грибы, актиномицеты). Процессы окисления в живых организмах происходят одинаково, но микроорганизмы отличаются от высших исключительным разнообразием способов получения энергии, диссимиляции. Это разнообразие и служит основой того, что микроорганизмы – универсальный редуцент. При соответствующих условиях они потребляют все органические вещества – от углеводов, белков, жиров до углеводородов нефти. Более того, имеются бактерии, которые используют в качестве источника энергии и неорганические вещества: окисление сероводорода, аммиачных соединений азота, фосфора, калия. Такие бактерии также вносят вклад в общий процесс редукции, преобразуя минеральные компоненты в окисленную, доступную форму.

Сапропели образуются при недостатке или полном отсутствии кислорода. При этом происходят восстановительные реакции, ведущие к образованию битуминозных веществ – органических соединений, обогащенных водородом. Биохимические процессы с глубиной затухают, количество микроорганизмов резко уменьшается, а с глубины 0,5…1 м наступает консервация сапропелей, и в дальнейшем они мало меняются.

Исторический путь развития озер совершенно не укладывается в ка- кую-либо прямолинейную схему. Стадии обмеления сменяются неодно-

79

кратно стадиями обводнения, что сказывается на формировании сапропелей. Характер озерных отложений связан с колебаниями климата, что более или менее четко прослеживается во всех озерах. По данным Б.В. Шостаковича, средний многолетний годичный прирост ила составляет для небольших озер без заметных притоков – 1,05 мм, в небольших озерах с притоками – 3,65 мм, в больших озерах с многочисленными притоками –

6,64 мм.

В естественном состоянии сапропель представляет собой сложную многокомпонентную полидисперсную коллоидную систему. Согласно ин- женерно-геологической классификации горных пород (по В.Л. Саваренскому с изменениями и дополнениями В.Д. Ломтадзе), их можно отнести к пятой группе осадочных пород, т.е. к группе пород особого состава, состояния и свойств. Горные породы этой группы характеризуются специфическими свойствами, требуют специальных методов исследований и индивидуальной оценки.

Для сапропеля характерны следующие стадии естественного залегания.

Суспензия. Это верхний слой формируемого ила. Данная неустойчивая система характеризуется высоким влагосодержанием, большой подвижностью ионов, активно протекающими биохимическими процессами.

Текучее состояние. В результате седиментации частицы образуют структурный осадок, который характеризуется высокой естественной влажностью. В зависимости от плотности частиц и состава возможны различные формы коагуляции: гидрофобная с относительно плотным осадком или гидрофильная, дающая рыхлую структуру, вследствие чего влажность на этой стадии физического состояния бывает различной.

Пластическое состояние. На этой стадии сказывается уплотнение осадка, вызванное гравитационными силами. Минерализация нижних слоев отложений, дальнейшее их уплотнение приводят к тому, что осадок переходит в полутвердое состояние, характеризующееся значительной потерей слабосвязанной воды.

Особенности коллоидно-химического состава и физического состояния отложений сапропелей обуславливаются наличием различных по энергии связи с веществом категорий воды. Анализ имеющихся данных свидетельствует, что основную категорию, удерживаемую сапропелями (до 70…80 % от полной влагоемкости), составляет слабосвязанная вода макропор, которая удерживается в материале механически и не обладает сколько-нибудь заметной энергией связи; 12…15 % – вода, иммобилизованная внутри рыхлых структур, агрегатов частиц гидрофильных коллоидов и биологически иммобилизованная вода; 8…15 % приходится на долю физико-химически связанной воды, в том числе 3…5 % прочносвязанной. Количественные соотношения различных категорий воды в значительной степени зависят от физического состояния материала. Если верхний слой

80

характеризуется высокой гидратированностью, рыхлостью структуры, весьма слабым межчастичным сцеплением или даже его отсутствием, то нижележащие слои, как правило, имеют более плотную коагуляционную структуру. Естественная их влажность в ряде случаев близка к максимальной молекулярной влагоемкости. С другой стороны, по мере увеличения глубины слоя залежи, возрастает степень минерализации сапропеля, что в свою очередь вызывает изменение содержания гидрофильных веществ, окислительно-восстановительного потенциала среды, концентрации и состава электролитов и других показателей. Отмеченные категории воды, их количественные соотношения оказывают значительное влияние на механические свойства материала. В соответствии с представлениями физикохимической механики прочносвязанная вода (т.е. полимолекулярный слой адсорбционно-связанной воды) не сообщает материалу пластичных свойств и, обладая свойствами, близкими к свойствам твердого тела, препятствует перемещению частиц друг относительно друга.

Рыхлосвязанная и иммобилизованная вода влияет на пластические свойства, определяет тиксотропность материала, проявляющуюся в частичном восстановлении структуры после ее разрушения. Роль свободной воды проявляется в дальнейшем понижении взаимосвязи между частицами. Но более значительна роль свободной воды как растворителя и среды для развития бактериального мира. В результате активно протекающих микробиологических и связанных с ними физико-химических процессов сапропели накапливают многие вещества, которые затем могут быть извлечены водой. С другой стороны, сильно развитая удельная поверхность сапропелей, а значит, и большая поверхностная энергия дисперсной фазы способствуют развитию процессов химического взаимодействия воды с твердой фазой, из которой она тоже способна извлечь определенные вещества.

Сапропели являются концентраторами большого количества органического вещества, биологически ценных минеральных компонентов и различных микроэлементов. Многие химические элементы находятся в них в форме слабоустойчивых соединений или в растворенном виде.

Сапропели различных месторождений значительно отличаются по составу элементов золы и органической части. Значительное различие наблюдается и в отложениях, отобранных с разной глубины одного месторождения. Нижние слои имеют, как правило, большую зольность по сравнению с вышележащими. Под зольностью сапропелей понимается суммарное процентное содержание несгораемой минеральной части и карбонатного углекислого газа.

В зависимости от содержания зольных элементов сапропели разделяются на три группы: малозольные (А с 30 %), среднезольные (А с 30…50 %) и высокозольные (А с 50…90 %). Величина зольности и состав компонентов золы зависят от условий формирования и накопления