В наcтoящее время вcлед за рядoм развитых cтран мира в Рoccии пoдгoтoвлена закoнoдательная база для coздания в cтране нoвoй oтраcли — малoй энергетики, в тoм чиcле c иcпoльзoванием дo 20-25 % тoрфа в тoпливнoм баланcе регионов Роccии, обладающих его реcурcами. Созданы наблюдательный и координационный cоветы по решению этих задач, в cоcтав которых вошли предcтавители федеральной и региональных органов власти, исследовательских и проектных организаций.
Наиболее распространенным во второй половине XX в. способом добычи торфа был фрезерный. При высокой степени механизации работ и большом разнообразии парка торфяных машин технологический процесс подготовки месторождения, добычи торфа и производства готового продукта отличается многочисленностью операций и сезонностью работ, сложностью доставки крупногабаритных машин к местам работ. За длительный период развития и совершенствования техники и технологии фрезерного способа добычи торфов его потенциальные возможности практически исчерпаны. Использование экскаваторной техники для добычи торфа из обводненных месторождений малоэффективно из-за плохо контролируемой полноты выемки и больших потерь торфа.
Торфяные месторождения, являясь лабильными природными экосистемами, требуют особого подхода к их освоению и соответствующих сбалансированных технологий на конкретном водном объекте, обеспечивающих минимальное вмешательство в экосферу. Выбор наиболее эффективного способа добычи торфа прежде всего должен максимально учитывать все положительные биогеосферные функции болотных систем.
Добыча и производство торфяной продукции сопровождаются сложными физико-химическими процессами механики дисперсных материалов. При удалении влаги из торфа протекают процессы тепломассопереноса и структурообразования с изменением его энергетических, физико-механических и технологических характеристик, определяющих качество производимой торфяной продукции (влагосодержание W, зольность А°, прочность Ri, крошимость, засоренность), в связи с чем новые технологии должны управлять параметрами торфа в процессах добычных работ и получения торфяной продукции.
Так, при производстве торфяной продукции энергетического назначения необходимо добиваться, чтобы структура торфа становилась более однородной и тонкопористой. Это достигается за счет агрегации мелких частиц и разрушения крупных. Сочетание механического уплотнения созданной тонко пористой структуры торфа с термическим воздействием на его поверхностный (объемный) слой позволяет повысить прочность, которая сохраняется не только после прессования, но и при хранении, перевозке и использовании продукции по своему назначению. Этим условиям соответствует гидромеханизированный способ добычи и производства формованной торфяной продукции на основе непрерывных поточных технологий.
Гидромеханизированный технологический комплекс для разработки обводненных месторождений торфа и производства из него продукции энергетического назначения представляет собой единую систему машин и механизмов, осуществляющих разработку обводненной торфяной толщи, гидротранспортирование массы в виде торфяной гидросмеси, разделение пульпы на воду и торф, механическое обезвоживание торфа на центрифуге до влажности 70 %, измельчение и термическую сушку торфа с применением системы KDS Micronex (Канада) до влажности 10%, прессование торфа с получением на грануляторе PSI торфяных пеллет, автоматизированную фасовку готовой продукции и возврат осветленной воды в карьер (котлован) (рис.1).
Рис. 1. Технологическая схема гидромеханической добычи торфа и производства торфопеллет
Торфяной землесосный снаряд, оснащенный специальным разрыхлителем, в сочетании с напорным свайным ходом осуществляет первичное разрушение торфяной массы, ее дис-пергацию, приготовление торфяной гидросмеси и ее гидротранспортирование на приемный грохот берегового технологического комплекса. На грохоте отделяют в отвал крупные включения — корни растений, щепу от фрезерования пней, волокна неразложившихся растений-торфообразователей (пушицу, осоку, тростник и др.), представляющих в торфяной залежи структуру переплетения. После грохочения торфяная гидросмесь поступает в накопительную генерирующую емкость — вертикальный отстойник, в котором начинается процесс первичного обезвоживания торфа за счет его осаждения. Перелив и случайные плавающие включения из вертикального отстойника направляют в горизонтальный, где происходит процесс естественного осветления воды и осаждения твердых включений. Туда же направляют и фугат из горизонтальной центрифуги. Осевший в горизонтальном отстойнике торф собирают и возвращают в вертикальный отстойник в качестве
активного ила, выполняющего функцию флокулянта для ускорения процесса осаждения торфа в вертикальном отстойнике.
На выходе из вертикального отстойника торф имеет влажность до 95 %. Вертикальные отстойники через распределительный насос соединены трубопроводом с горизонтальной центрифугой. На выходе из центрифуги влажность торфа снижается до 60-70 %. Далее торф поступает на систему KDS Micronex. В основу работы этой системы заложено использование кинетической энергии, обеспечивающей одновременно доизмельчение частиц торфа до 0,05 мм и его высушивание до 5-10 %. При низких затратах электроэнергии на сушку торфа система не требует дополнительного охлаждающего оборудования и добавления в сырье при прессовании связующих материалов. Ресурс матриц для прессования составляет 2-4 тыс. часов. Получаемые на выходе торфяные пеллеты соответствуют стандартам Института гранулированного топлива (ИГТ), рекомендованные требования которого гарантируют максимально возможное единообразие конечного продукта.
Система KDS Micronex создает из загружаемой торфяной массы вращающийся вихрь с окружной скоростью частиц до 620 км/ч; при этом частицы торфа, проходя сквозь ударники и отбойные пластины, измельчаются и высушиваются за счет выделяющейся внутренней энергии частиц и передаваемой кинетической энергии. Весь процесс происходит при большой подаче воздуха. Благодаря передаче кинетической энергии KDS Micronex не требует дополнительного энергоносителя (топлива) для сушки и снижает энергетические затраты на тонну готовой продукции в сравнении с барабанной сушкой.
Высушенный и измельченный торф поступает на гранулятор PSI, принцип работы которого заключается в объединении двух, одновременно работающих офсетных матриц. Каждая камера гранулирования оснащена толкателем противоположного пресса. Такое устройство уменьшает зоны непродуктивной компрессии между отверстиями в матрице. Технология двойного сжатия использует все зоны давления для производства гранул. При такой конфигурации потребление электроэнергии на прессование составляет примерно 80 кВт-ч/т гранул, тогда как обычные прессы расходуют 100-120 кВт-ч/т.
Матрицы и толкатель сконструированы таким образом, что материал сжимается в предкомпрессионной камере, выполненной в виде вентиляционной трубы. В этой камере материал нагревается до температуры 150 °С, прежде чем попасть в камеру гранулирования, в результате чего происходит выпаривание жидкости, материал гранулы сжимается, лигнин размягчается и жидкость высвобождается. При продолжении вращения накладывается новый слой материала, и валики предварительного сжатия выводят воздух. Так как материал двигается сквозь матрицу, жидкость продолжает отделяться от торфяного волокна и испаряться, как только гранула достигает выхода из матрицы.
На выходе температура гранулы составляет примерно 50 °С, она образуется по заданной длине, подхватывается вакуумной системой и подается на обработку в поворотном барабане, где удаляются (выводятся) все мелкие частицы и острые концы гранулы. Выведенные мелкие частицы снова направляются
на гранулирование, а гранулы торфа (пеллеты) влажностью 7-8 % и плотностью до 1200-1500 кг/м3 выгружают в центрифугу и далее подают на вибрационное сито для удаления пыли и незакрепленных частиц. Готовую продукцию фасуют и отправляют на склад и потребителям.
Рис. 2. Топливно-энергетический комплекс малой энергетики на основе гидромеханической добычи торфа и его переработки в торфопеллеты:
1,2 — вскрышные (подготовительные) работы (уборка леса и кустарника, снятие почвенно-растительного слоя); 3 — гидромеханизированная добыча торфа и гидротранспортирование к месту его переработки; 4,5 — производство торфопеллетного топлива; 6 — фасовка и складирование готовой продукции; 7 — доставка топлива потребителю; 8 и 9 — сжигание торфяного топлива и получение тепловой энергии (котельная); 10 — обеспечение тепловой энергией населения
Таким образом, весь комплексный технологический процесс гидромеханизированной добычи торфа и получения из него готового топливного продукта в виде гранул (пеллет) имеет следующие несомненные преимущества в сравнении с фрезерным способом:
• реализуя гидромеханизированную разработку естественно обводненных месторождений торфа, технологический процесс исключает необходимость трудоемкого, сложного и длительного по времени (до 3-4 лет) осушения залежей, сохраняет тем самым водную систему на отработанных и смежных площадях в виде водоемов с чистой водой, которая не только пригодна для использования в хозяйственных целях, но и, главное, защищает большие площади распространения торфяников от самовозгорания и пожаров;
• подготовительные работы к освоению торфяной залежи сводятся к опережающей зачистке поверхности от леса, кустарника и почвенно-растительного слоя обычными техническими средствами (в практике торфодобычи эти работы называют вскрышными);
• подача торфа из забоя в виде гидросмеси (пульпы) исключает его пылевое воздействие на окружаю-
щую среду и сохраняет естественную обводненность торфяников;
• переработка торфяной пульпы в готовый топливный гранулированный продукт в виде пеллет представляет собой комплексно-механизированный и автоматизированно управляемый технологический процесс, реализуемый при низких энергозатратах;
• выемка запасов торфа без осушения месторождения сохраняет условия их естественного быстрого самовосстановления.
В целом представленный комплекс гидромеханизированной добычи торфа и его переработки в топливные пеллеты обеспечивает существенное снижение капитальных и эксплуатационных затрат, полноту выемки запасов, минимизацию негативного воздействия технологического процесса на окружающую природную среду, защиту лесных угодий и селитебных территорий от самовозгорания торфов.
Важным преимуществом является возможность практически автономного использования технологического комплекса на любых торфяных болотах, в том числе на территориях, удаленных от централизованной энергетической инфраструктуры, что позволяет создавать эффективные объекты малой энергетики для нужд населения и производства в самых отдаленных поселениях России (рис. 2).
Более того, строительство новых и перевод действующих муниципальных и частных котельных и теплогенерирующих установок на местное торфяное топливо является, по мнению авторов, реальным потен-
циалом сдерживания роста тарифов на тепловую и электрическую энергию в России за счет сокращения громадных транспортных расходов на доставку традиционных энергоносителей в отдаленные регионы и поселения их потребления.
Помимо явных экономических преимуществ торфа в качестве местного топлива, развитие его добычи и использования позволит резко снизить негативное экологическое воздействие теплоэнергетического комплекса на окружающую среду за счет низкого содержания в торфе золы и практически отсутствия серы. Высокая реакционная способность торфа при горении позволяет сократить вредные выбросы с дымовыми газами, организовать полное сгорание топлива при минимальной эмиссии в атмосферу оксидов углерода и азота. Следует также подчеркнуть, что разработка одного гектара торфяной залежи позволяет экономить более 100 га леса при его использовании на энергетические нужды.
