misnikov_o_s_tehnologiya_i_kompleksnaya_mehanizaciya_otkryty (1)
.pdfФедеральное агентство по образованию
Тверской государственный технический университет
О.С. Мисников, В.А. Беляков, О.В. Шамбер
Технология и комплексная механизация открытых горных работ
Добыча кускового торфа и сапропеля
Учебное пособие
Издание первое
Тверь 2008
2
УДК 622.331:622.271 (075.8)
ББК 33.35я7
Мисников О.С. Технология и комплексная механизация открытых горных работ. Добыча кускового торфа и сапропеля : учебное пособие /
О.С. Мисников, В.А. Беляков, О.В. Шамбер. 1-е изд. Тверь: ТГТУ, 2008. 160 с.
Рассматриваются технологические процессы добычи кускового торфа фрезформовочным и экскаваторным способом, которые используются в настоящее время в Российской Федерации, Финляндии и Ирландии. Приводится методика расчета производительности фрезформовочных машин, агрегатов по сушке и уборке кускового торфа циклического и непрерывного действия. В связи с практически полным отсутствием отечественного торфяного машиностроения основное внимание уделяется технологическому процессу с использованием зарубежного оборудования концернов
VAPO OY, SUOKONE OY и фирмы HERBST.
Перспективные технологии производства кускового торфа, которые разрабатывались научно-исследовательскими организациями в течение последних тридцати лет, выделены авторами в отдельную главу.
Значительная часть учебного пособия посвящена анализу технологий разработки сапропелевых месторождений. Здесь приводятся данные об образовании и свойствах сапропелей, рассматриваются основные классификации и направления использования сапропелей, добыча сапропеля гидромеханизированным способом, с применением зимнего намыва и экскаваторным способом.
Обширный информационный материал, приведенный в приложениях, позволяет студентам самостоятельно проводить расчет технологических показателей при добыче кускового торфа и сапропеля в различных экономических районах Российской Федерации.
Может быть рекомендовано студентам, обучающимся по направлению 130400 «Горное дело», а также специалистам, работающим в области торфяного и сапропелевого производства.
Рецензенты: директор по развитию ОАО «Селигер-Холдинг» доктор технических наук С.Н. Гамаюнов; заведующий кафедрой «Торфяные машины и оборудование» доктор технических наук профессор В.Ф. Синицын.
ISBN 978-5-7995-0426-7 |
© Тверской государственный |
|
технический университет, 2008 |
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
В топливно-энергетическом балансе Российской Федерации примерно с середины 70-х годов XX века доля использования природного газа и жидкого топлива начала превышать потребление твердых горючих ископаемых – углей, сланцев и торфа. В настоящее время на долю торфа, используемого в качестве топлива, приходится всего около 0,05 %. Однако при всех преимуществах природного газа достаточно проблематично продолжать ориентировать все энергопотребляющие отрасли РФ на этот вид топлива. В первую очередь это связано с постоянно увеличивающимися объемами экспорта и ростом мировых цен на газ.
По прогнозам отечественных и зарубежных экспертов, роль различных видов биотоплива и прежде всего торфа будет возрастать. Уже сейчас в отдельных районах нашей страны торф, используемый на более высоком технологическом уровне, является рентабельным местным топливом, способным конкурировать с лучшими марками привозного угля, мазутом, а в некоторых случаях и с природным газом.
Более того, такие высококачественные ресурсы, как природный газ и нефть, целесообразно использовать в первую очередь для глубокой химической переработки, коммунально-бытового потребления, а также для генерации электрической энергии. В этих случаях будет достигаться наибольший технико-экономический эффект.
Сжигание местных видов топлив вместо более качественных дальнепривозных углей также рентабельно в связи с меньшими расходами на транспортировку и перегрузку, если плечо доставки не превышает 80…100 км для фрезерного и 100…150 км для кускового торфа.
Всвязи с этим в учебном пособии рассматриваются технологии получения кускового торфа фрезформовочным и экскаваторным способом, в том числе с учетом зарубежного опыта производства этих видов топлива. Значительное внимание уделяется методикам расчета основных технологических показателей при добыче кускового торфа и перспективным технологиях его производства.
Вотличие от знаменитых российских черноземов в почвах Центрального экономического района РФ содержится сравнительно небольшое количество гумуса. Без применения органических удобрений решить эту проблему практически невозможно. В начале 90-х гг. XX века потребность сельскохозяйственных земель в органических удобрениях была удовлетворена только наполовину. В настоящее время положение еще более усугубилось. На сельскохозяйственных предприятиях Российской Федерации органические удобрения вносятся в количестве примерно 420…450 миллионов тонн в год (3,6…4,0 тонны на гектар пашни), что составляет 30…35 % от научно обоснованной нормы. Во
4
многих регионах нашей страны происходит резкое снижение содержания гумуса в почве, являющегося основным показателем ее плодородия.
По мнению многих ученых, органическим удобрениям из торфа и сапропеля должна отводиться важнейшая роль в регуляции энергетики почвенного покрова и баланса гумуса, в улучшении физических и химических свойств почвы, повышении эффективности действия минеральных удобрений, а также в регулировании состояния почвенного биоценоза. Правильное и своевременное использование биогенных материалов для приготовления удобрений и регулярное внесение органических компостов позволяет значительно повысить урожайность многих сельскохозяйственных культур. Одним из наиболее перспективных путей использования торфа и сапропеля является приготовление на их основе различных видов продукции как для сельского хозяйства в целом, так и для более мелких потребителей: парниковых хозяйств, дачных кооперативов и т.п.
В связи с тем что изучение гидромеханизированного способа разработки месторождений полезных ископаемых включено в государственный образовательный стандарт по направлению 130400 «Горное дело», в книге большое внимание уделяется этому способу при добыче сапропелевых ресурсов из открытых водоемов (озер). Предварительно рассматриваются вопросы образования, классификации и основных направлений использования сапропелей.
Материал, представленный в издании, базируется на работах ученых и специалистов отечественных научных школ, занимавшихся проблемами добычи и переработки кускового торфа, ведущих исследователей, работавших в области сапропелевого производства, а также результатах научно-исследовательских работ авторов учебного пособия. В разделах 1, 2, 3 и 4 в основном использовались результаты работ
Л.С. Амаряна, А.Е. Афанасьева (раздел 1.6), В.Д. Копенкина, В.Я. Антонова, С.Г. Солопова, В.К. Фомина, О.В. Шамбера, В.И. Суворова,
Н.В. Гревцева и других ученых. В раздел 5 включены исследования
М.З. Лопотко, А.И. Фомина, И.Ф. Ларгина, А.С. Тарантова, И.И. Лиштвана, В.И. Косова, А.В. Смирнова, В.И. Хохлова, С.М. Штина и других известных сапропелеведов.
5
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОИЗВОДСТВЕ КУСКОВОГО ТОРФА 1.1. Основные характеристики кускового торфа
Кусковой торф является твердым энергетическим и коммунальнобытовым топливом, а также сырьем для газификации и химической переработки. Его получают методом выдавливания пластичной торфяной массы через формующие насадки с последующей сушкой до уборочной влажности в полевых условиях.
Кусковой торф, являясь твердым топливом, удобен для сжигания в топках колосникового типа. Сгорая, он выделяет в среднем 11,3 МДж/кг тепловой энергии. Это несколько больше, чем выделяют дрова, и немного меньше, чем торфяной брикет. По тепловой эффективности он вполне сопоставим с низкосортными углями, но не имеет их недостатков – большого содержания золы и сернистых соединений. В ряде европейских стран кусковой торф наравне с торфяным брикетом используется как каминное топливо, так как не содержит вредных примесей.
Как правило, кусковой торф представляет собой смесь из крупных кусков (80…90 %) и мелочи (обломков) размером менее 25 мм в поперечнике (10…20 %). Содержание мелочи ограничено стандартом (ГОСТ 917271) и не может превышать 10 % для кускового торфа, сформованного на залежи верхового типа, и 20 % – на низинной залежи. При большем содержании мелочи сортность топлива снижается, а при превышении 30 % топливо бракуется.
Для производства кускового торфа пригодны торфяные месторождения верхового, переходного и низинного типов со степенью разложения более 15 % и зольностью менее 23 %. Технологические расчеты с кусковым торфом ведутся при условной влажности 33 %. Убирается кусковой торф при влажности 45…50 %, а в процессе хранения его влажность может снижаться.
Водопоглотительная способность кускового торфа зависит от свойств исходного сырья. В табл. 1 приведены значения влажности торфяных кусков (начальная влажность 30 %) после нахождения их в воде в течение 48 часов (В 48 , %).
Таблица 1. Зависимость величины В 48 от степени разложения торфа
Степень разложения, % |
Влажность кусков, % |
20 |
64 |
30 |
57 |
40 |
52 |
50 |
48 |
Важной характеристикой кускового торфа является прочность отдельных кусков, обусловливающая содержание в нем мелочи и регламен-
6
тирующая проведение технологических операций. Прочность зависит от влажности, свойств торфяного сырья, параметров формования, режима сушки и прочих факторов.
Среднестатистические значения прочности торфяных кусков на изгиб, сформованных из верхового и низинного торфа от влажности и степени разложения, приведены в табл. 2 и 3.
Таблица 2. Зависимость прочности торфяных кусков на изгиб от влажности (степень разложения 30…35 %)
Прочность |
|
Тип |
|
|
|
|
|
Влажность кусков, % |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
торфа |
10 |
|
|
20 |
|
30 |
|
40 |
|
50 |
|
|
60 |
|
|
|
70 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
изг , МПа |
Верховой |
4,5 |
|
|
6,0 |
|
5,0 |
|
3,5 |
|
1,8 |
|
0,6 |
|
|
0,35 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Низинный |
1,1 |
|
|
1,35 |
|
1,75 |
|
1,35 |
|
1,1 |
|
0,65 |
|
0,4 |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
Таблица 3. Зависимость прочности торфяных кусков на изгиб |
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
от степени разложения при влажности 35 % |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Прочность |
Тип |
|
|
|
|
|
Степень разложения, % |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
торфа |
|
|
10 |
|
20 |
|
30 |
|
40 |
|
|
50 |
|
60 |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
изг , МПа |
Верховой |
|
3,0 |
|
7,5 |
|
4,0 |
|
3,8 |
|
|
3,5 |
|
3,0 |
|
|
||||||||
|
Низинный |
|
2,5 |
|
2,1 |
|
1,9 |
|
1,6 |
|
|
1,4 |
|
1,0 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Эффективность добычи, перевозок и использования кускового торфа во многом зависит от его насыпной плотности, которая изменяется в зависимости от плотности куска и содержания мелочи. Насыпную плотность ориентировочно можно вычислить по формуле
нас = К пл кус , |
(1.1) |
где К пл – коэффициент плотности кладки; кус – плотность отдельных кусков, кг/м 3 .
Коэффициент плотности кладки зависит от типа торфа и влажности кусков. Для верхового торфа он принимает следующие значения (табл. 4).
Таблица 4. Зависимость коэффициента плотности кладки от влажности
Влажность, % |
Коэффициент К пл |
20 |
0,47 |
|
|
30 |
0,5 |
|
|
40 |
0,52 |
|
|
50 |
0,57 |
|
|
Для низинного торфа, независимо от влажности, К пл = 0,57. Это связано с меньшей прочностью кусков и, следовательно, большим содержанием мелочи. Плотность кусков изменяется от 600 до 1000 кг/м 3 .
7
Кусковой торф в настоящее время добывается двумя основными способами: фрезформовочным и экскаваторным. Ведутся эксперименты по добыче торфа резным механизированным способом.
По сравнению с фрезерным способом добычи торфа производство кускового торфа меньше зависит от климатических условий, что позволяет получать качественную продукцию и хорошие сборы при неблагоприятных погодных условиях. Это связано с тем, что работы по добыче (экскавация, переработка, формование и стилка), не прекращаются при осадках менее 10 кг/м 2 . Операции, связанные с сушкой и уборкой, не прекращаются при осадках менее 5 кг/м 2 . В результате этого число рабочих дней в сезоне – 80…100, то есть примерно в два раза больше, чем при добыче фрезерного торфа. Меньшая зависимость от климатических условий позволяет значительно расширить географию добычи кускового торфа (эксперименты проводились в Нарьян-Маре, на Сахалине, Камчатке).
Кусковой торф можно высушить в полевых условиях до влажности 35 %, причем сушка продолжается и после уборки (за счет большой пористости штабелей). Кусковой торф не подвержен саморазогреванию, в то время как саморазогревание штабелей фрезерного торфа является серьезной проблемой для его производителей. Таким образом, он не изменяет своего химического состава при хранении, и поэтому является особенно ценным сырьем для химической промышленности.
Насыпная плотность кускового торфа примерно в полтора раза выше, чем у фрезерного. Это свойство позволяет значительно снижать транспортные расходы при доставке его потребителю.
Вследствие более низкой влажности и высокой плотности тепловая ценность у кускового торфа значительно выше.
Производство фрезерного торфа вследствие невысоких цикловых сборов и больших потерь (низкий коэффициент циклового сбора) требует значительных эксплуатационных площадей. Цикловые сборы при добыче кускового торфа гораздо выше, что позволяет добывать его на небольших площадях и соответственно на малых торфяных месторождениях.
Отсутствие пыли, больших вибраций в кабинах технологических машин, невысокие скорости их передвижения делают условия по производству кускового торфа более комфортными.
К отрицательным моментам при добыче кускового торфа можно отнести:
необходимость испарения большего количества воды, так как начальная влажность торфомассы составляет 80…88 %;
большие затраты энергии при механической переработке торфомассы;
сложность и сравнительно небольшая производительность применяемого технологического оборудования;
8
наличие карьеров после добычи кускового торфа экскаваторным способом.
Технологический процесс производства кускового торфа требует выполнения следующих операций:
экскавация торфа из залежи при помощи различных типов фрез или ковшей;
переработка извлеченного торфа путем перемешивания и диспергирования твердой фазы с целью получения пластичной торфомассы, состоящей из частиц оптимального фракционного состава и воды;
формование кусков из этой массы методом выдавливания под давлением через формующие насадки (экструзия);
стилка кусков в определенном порядке на поле сушки;
сушка, предусматривающая выполнение двух или трех механизированных операций;
уборка высушенного торфа, совмещенная с очисткой его от мелочи и крошек размером менее 0,025 м;
укладка готовой продукции в полевые штабеля, где он накапливается и хранится до реализации.
1.2. Экскавация торфа из залежи
Экскавацией называется процесс выемки торфа из залежи, осуществляемый внедрением исполнительного органа машины, наполнением его и передачей массы в транспортирующее или диспергирующее устройство.
При экскавации торфа дисковыми фрезами выполняются щелевое фрезерование залежи и подача торфяной массы в приемное устройство перерабатывающего механизма фрезформовочной машины. Дисковая фреза, показанная на рис. 1, представляет собой стальной диск с установленными на его наружной окружности держателями с режущими ножами. Ножи закрепляются на держателях болтами и легко заменяются в случае поломки или износа. Конструкция ножей может быть различной. Чаще применяются ножи с прямоугольной режущей кромкой и тарельчатого типа. Ножи с прямоугольной режущей кромкой имеют двустороннюю заточку и при износе режущей кромки могут переворачиваться. У ножа тарельчатого типа режущая кромка круглая. Она изнашивается на дуге 120°, и такой нож можно поворачивать три раза. Сверху фреза закрывается направляющим кожухом. Нижний конец кожуха скользит по поверхности залежи и играет роль отбойного устройства.
Дисковые фрезы на фрезформовочных машинах устанавливаются вертикально или с небольшим наклоном. Наклон фрез обеспечивает лучшее закрытие щелей после прохода фрезформовочной машины. Закрытие
9
щелей осуществляется задавливанием их гусеницами трактора и катками машин при последующих проходах.
Рис. 1. Схема дисковой фрезы: 1 – |
диск; 2 – отбойная плита; 3 – кожух; |
4 – шнек; 5 – держатели ножей; 6 – ножи |
|
Площадь поперечного сечения щели, образующейся после прохода фрезформовочной машины, определяется из выражения
f щ h ш b щ К щ или |
fщ/ |
h ш b щ К щ |
, |
(1.2) |
|
cos α |
|||||
|
|
|
|
где h щ , b щ – глубина и ширина щели, м; К щ – коэффициент уширения щели из-за биения фрезы (К щ 1,1); f щ – сечение щели, образуемое фрезой, имеющей наклон на угол , м 2 ; ( = 15 , машина МТК-12А).
При вычислениях, не требующих большой точности, наклоном фрезы можно пренебречь.
Производительность дисковой фрезы определяется ее параметрами и режимом работы. Техническая производительность фрезы определяется по формуле
Qфр |
|
3600Vф n Кн |
, |
(1.3) |
|
||||
|
|
Кр |
|
|
где Q фр – производительность фрезы, м 3/ч; V ф – |
максимальный объем |
торфа, экскавируемый фрезой за 1 оборот, м 3 ; n – частота вращения фрезы, 1/с; К н , К р – коэффициенты фактического наполнения торфом объема фрезы и разрыхления торфа (К н = 0,2…0,3; К р = 1,2).
V ф = F н l ср , |
(1.4) |
10
где F н – площадь рабочей поверхности ножа: F н = d 2 /4 (для круглых ножей, d – диаметр ножа, м) или F н = b h (для прямоугольных ножей), м 2 ; b – ширина ножа, м; l ср = 2 R ср – длина окружности фрезы, проходящей по средним точкам поверхности ножей, (м), R ср – средний радиус фрезы, м.
Rср 0,5( Д h), |
(1.5) |
где Д – диаметр фрезы, м; h – высота ножа, м.
Максимально возможная скорость машины исходя из производительности фрезы, м/ч
|
υмакс |
|
|
Qфр |
. |
|
|
(1.6) |
|||||
|
|
fщ |
Кυ |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
макс уменьшается в зависимости от пнистости фрезеруемой залежи |
|||||||||||||
введением в расчет коэффициента К пн : |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пнистость слоя |
|
0 |
|
|
0,5 |
|
1,0 |
1,5 |
|
|||
|
(П с , %) |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К пн |
|
1 |
|
|
0,95 |
|
0,9 |
0,8 |
|
|||
|
Пс |
|
Пз |
|
1,5 % , |
|
(1.7) |
||||||
|
|
К ос |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
если П с > 1,5 % , то залежь корчуется и в расчет принимают остаточную пнистость П ост = П с (1 – К кач ), К кач – коэффициент качества корчевания
(К кач = 0,6…0,7).
Кроме дисковых фрез для экскавации торфа из залежи используются винтовые фрезы. Они применяются в качестве экскавирующего органа при глубокой щелевой экскавации торфяной залежи. Винтовые фрезы обеспечивают хорошее перемешивание торфа, и поэтому их целесообразно применять при фрезеровании верховых торфяных залежей, имеющих верхний слой слаборазложившегося торфа.
Винтовая фреза выполняется в виде цилиндра с установленными на нем по спирали съемными ленточными ножами (рис. 2). Фреза монтируется в сварном корпусе. Верхний конец ее входит в редуктор, от которого получает вращение. Нижний конец у нее съемный, в нем размещается нижняя подшипниковая опора. Фрезы могут иметь постоянный диаметр и быть с утолщением в нижней части. Они могут быть одновальными и двухвальными. Если фреза одновальная, то ее ножи кроме резания выполняют операцию транспортирования торфомассы снизу вверх в приемное устройство перерабатывающего аппарата. Это возможно, так как ножи представляют собой шнек, работающий в замкнутом пространстве. Если фреза двухвальная, то функцию транспорта торфа выполняет вторая (задняя) фреза, которая конструктивно изготавливается как транспортирующий шнек.