WWW.KNIGA.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Онлайн материалы
 

Pages:   || 2 | 3 | 4 |

«Торф: возгорание торфа, тушение торфяников и торфокомпозиты Монография Москва ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) УДК 630*43(470+571) ББК 43.4(2Рос) ...»

-- [ Страница 1 ] --

Торф:

возгорание торфа,

тушение торфяников

и торфокомпозиты

Монография

Москва

ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ)

УДК 630*43(470+571)

ББК 43.4(2Рос)

Т61

Авторы:

Л.Б. Хорошавин, О.А. Медведев, В.А. Беляков, Е.В. Михеева, В.С. Руднов,

Е.А. Байтимирова.

Рецензент:

И.А. Нуруллин, генерал-майор, декан факультета гражданской защиты Уральского государственного горного университета.

Торф: возгорание торфа, тушение торфяников и торфокомпозиты / Т61 МЧС России. М.: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2013. 256 с.

ISBN 978-5-93970-084-9 В книге рассмотрен генезис торфа и торфяников; физико-химические свойства торфа; запасы торфа в Мире, России и на Урале; механизм возгорания торфа и процессы его горения; причины торфяных пожаров и технологии их тушения; легирование торфа наночастицами; объемы пожаров; экологическая и социальная опасность торфяных пожаров; приведены области эффективного применения торфяной продукции — торфокомпозитов.

Книга предназначена для работников МЧС России, торфяной, энергетической, строительной, сельскохозяйственной, химической промышленности, а также для экологов, медицинских работников и студентов университетов.

УДК 630*43(470+571) ББК 43.4(2Рос) © Авторы, 2013 © МЧС России, 2013 © ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2013 ISBN 978-5-93970-084-9 Содержание Глоссарий …………………………

Предисловие …………………………

Введение …………………………



Глава 1 Торф и торфяники

1.1. Классификация торфа

1.2. Генезис торфа и торфяников

1.3. Физико-химические свойства торфа

1.4. Модифицирование структуры и свойств торфа

1.5. Запасы и добыча торфа в мире, России и на Урале — в Свердловской области

1.6. Мировой рынок торфа

Глава 2 Процессы возгорания торфа и тушения торфяников

2.1. Механизм возгорания торфа

2.2. Процессы, происходящие при термодеструкции и горении торфа

2.3. Пирогенные образования в торфяных почвах после пожаров........ 91

2.4. Причины торфяных пожаров

2.5. Существующие технологии тушения торфяников

2.6. Пенообразователи и пены

2.7. Огнетушаший химический состав для торфа «Тофасил»............. 113

2.8. Легирование торфа наночастицами с получением наноторфа...... 116

2.9. Объем торфяных пожаров в мире и России: в Центре, на Урале — в Свердловской области и в Сибири

2.10. Экологическая, социальная и экономическая опасность торфяных пожаров

2.11. Мониторинг торфяных пожаров

Глава 3 Торфокомпозиты и области их эффективного применения

3.1. Необходимость рационального использования торфа

3.2. Композиционное модифицирование торфа — торфокомпозиты

3.3. Для энергетики — топливные торфяные брикеты — торфобрикеты

3.4. Для сельского хозяйства — комплексные торфяные удобрения — торфоудобрения

3.5. Для строительства — теплоизоляционные торфяные бетоны — торфобетоны

3.6. Для металлургии — метобрикеты, метофильтры и теплоупоры

3.7. Прочие области применения торфокомпозитов

Заключение

Список литературы

Приложения

Глоссарий

Болото — избыточно увлажненный участок земли, на котором происходит накопление неразложившихся органических веществ, превращающихся затем в торф. В более узком понимании болота отождествляют с торфяником и определяют как избыточно увлажненный участок земли, покрытый слоем торфа глубиной не менее 30см., а менее 30см.





называют заболоченными залежами.

Основоположником изучения торфяников и болот был наш великий ученый М.В. Ломоносов. Первую классификацию торфа дал И.Г. Леман в 1766 г. Г.Н. Эдельман в 1810 г. Издал книгу по осушению болот. Верхняя часть торфяных залежей болот называется торфяниками, болотноторфяниками или торфяно-болотными почвами.

Возгорание — процесс перехода химической системы из низкотемпературного окисления в состояние горения.

Существуют две формы возгорания: самовозгорание и возгорание от зажигания — в этом случае система при низких температурах химически инертна (в ней не может происходить самонагревание).

Горение — процесс быстрого окисления вещества (топлива) с выделением большого количества тепла, позволяющего поддерживать температуру не ниже температуры возгорания или воспламенения. Различают две формы горения: беспламенное — тление и пламенное горение. Беспламенное горение (тление) происходит непосредственно на поверхности твордых частиц. Если в результате горения образуется пар и газы, то горение сопровождается пламенем. Основной вид горения торфа — тление, которое последовательно проходит стадии: самонагревание или нагревание извне самовозгорание возгорание горение (тление).

Горение торфа — переход торфа из термодинамически нестабильного состояния в термодинамическое равновесное посредством самоускоренной или ускоренной внешним воздействием окислительновосстановительной реакции. Причиной самоускорения реакции обычно является выделение тепла или активных продуктов в процессе самого горения. Роль окислителя обычно отводится кислороду или другим соединениям способным принимать электроны.

В узком смысле под горением понимают окисление кислородом, сопровождающееся выделением большого количества тепла и света.

Горение торфяников — происходит в результате химического реагирования двух компонентов: топлива — относительно сухих органических веществ и кислорода воздуха. Первичным инициатором может быть внешний источник энергии или самовозгорание большой массы торфа в результате окисления или других экзотермических реакций, медленно при низкой температуре и резко возрастающий с повышением температуры.

В зависимости от механизма воспламенения основной причиной инициирования может быть теплопроводность и диффузионная активность центров из зоны горения. В результате образуется волна горения, скорость которой мала вследствие медленности процессов теплопроводности и диффузии.

Самовозгорание — воспламенение горючего материала, происходящее в результате непрерывно развивающихся окислительных реакций в самом веществе. Самовозгоранию всегда предшествует длительный процесс низкотемпературного окисления и самонагревания.

Физические условия для самовозгорания следующие:

наличие скопления материала, способного окисляться при низких температурах;

приток воздуха через пустоты в массиве;

затруднительная отдача тепла в окружающую среду.

В области теории самовозгорания наибольшее распространение получила теория уголекислородного комплекса — взаимодействия углерода с кислородом.

Самонагревание — процесс естественного повышения температуры горючего материала в результате его окисления. Скорость самонагревания определяется химическим составом материала, условиями притока воздуха и возможностью отдачи тепла в окружающую среду.

Если температура достигает криточеского значения, то самонагревание переходит в самовозгорание. Время этого перехода называется инкубационным периодом самовозгорания.

Сапропель — ил, отложенный на дне озер в виде остатков водорослей совместно с минеральными примесями.

Торф — органическая горная порода, образующаяся в результате биохимического процесса разложения (отмирания и неполного распада) болотных растений при повышенной влажности и недостатке кислорода, в ней содержится более 50 % минеральных компонентов на сухое вещество; представляет первую стадию превращения растительного материала в уголь. Скорость образования торфа невелика и составляет около 1мм в год.

Ежегодный прирост, отмирание и неполный распад органической массы приводят к постепенному напластыванию одного или нескольких видов торфа. Вид торфа — низшая таксономическая единица классификации торфа.

Торфяники — природное образование, состоящее из живого слоя современных влаголюбивых растений — торфообразователей. Верхний слой торфяников называется сфагновым. Торфяники являются огромным резервуаром связанного углерода.

Торфяное месторождение — геологическое образование, состоящее из напластованного торфа, содержащее избыточную влагу и специфический болотный покров.

Торфяные залежи — напластования одного или нескольких видов торфа от поверхности месторождения до подстилающих минеральных грунтов или сапропеля, подразделяются на четыре типа: низинный, переходный, смешанный и верховой.

Предисловие Проблема торфа имеет важное, актуальное значение. С каждым годом возрастают масштабы торфяных пожаров, уничтожая природное сырье, нанося существенный вред здоровью населения за счет выделения опасного канцерогена — бензопирена. Поэтому борьба с торфяным пожарами приобретает чрезвычайно важное социальное и экономическое значение в нашей стране.

В данной книге заложены взгляды авторов по проблеме торфа: обобщены и объективно проанализированы процессы генезиса торфа и торфяников, физикохимические свойства торфа, модифицирование его структуры, описаны запасы и добыча торфа в мире, России и на Урале — в Свердловской области.

Основное внимание в книге обращено на процессы возгорания торфа и тушение торфяников: приведен механизм возгорания торфа, термодеструкции и горения торфа, рассмотрены пирогенные образования в торфяных почвах после пожаров. Основные причины торфяных пожаров определяются двумя факторами: внешним — главным — человеческим фактором и внутренним — синергическими, биохимическими и химическими реакциями, происходящими в торфе с выделением тепла. Поэтому торфяники горят круглогодично, с наибольшим объемом в летний период.

Существующие многочисленные технологии тушения торфяных пожаров являются недостаточно эффективными, что подтверждается ежегодным горением торфа.

В книге проанализированы эти технологии и предложено круглогодичное тушение торфяных пожаров экологически чистыми способами:

1) углекислым газом в виде сухого льда, углекислоты и сжиженного газа, 2) легированием торфа природными и техногенными наночастицами по нанотехнологиям с получением нового вида торфа — наноторфа, 3) применением актированной воды и электромагнитной энергии.

Для ускорения решения проблемы торфа приведены данные по объемам торфяных пожаров в мире, России и на Урале — в Свердловской области; экологическая, социальная и экономическая опасность торфяных пожаров. Приведен мониторинг торфяных пожаров и организационные мероприятия по предотвращению возгорании торфа и ликвидации торфяных пожаров.

Проблема торфа заключается не только в ликвидации торфяных пожаров для сохранения торфа, но и в необходимости изготовления из него продукции нового поколения. Поэтому в книге рассмотрена необходимость перехода от монокомпонентной продукции к объединению торфа с различными химическими соединениями и материалами для получения торфокомпозитов по композитным технологиям и области их эффективного применения в энергетике, сельском хозяйстве, строительстве, металлургии и других областях.

На этом основании характерной особенностью книги является комплексный подход к проблеме торфа: от анализа торфа к ликвидации торфяных пожаров и от сохранения торфа к композитным технологиям производства торфокомпозитов — нового, более высокого уровня развития торфяной промышленности.

Комплексное освещение проблемы торфа в данной книге, направленной на ускорение развития торфяной промышленности, является актуальным, своевременным и заслуживает положительной оценки.

–  –  –

Введение Торф является ценнейшим природным сырьем, которое в настоящий период используется крайне неэффективно.

Торфяники горят ежегодно, круглогодично и ежедневно. Торфяные пожары, усиливаясь с каждым годом, уничтожают природное сырье, греют Космос, и наносят существенный вред здоровью населения за счет выделения опасного канцерогена — бензапирена.

Принципиальным решением борьбы с торфяными пожарами является поднятие грунтовых вод и превращение торфяников в озера путем бурения скважин и проведения дренажных работ. Однако это требует больших затрат. Применяемые же в настоящий период технологии тушения торфяных пожаров не обеспечивают сохранность торфа, что подтверждается ежегодным горением торфяников.

Поэтому, борьба с торфяными пожарами имеет чрезвычайно важное экологическое, экономическое и социальное значение.

В книге рассмотрена единая цепочка торфа: от исходного торфа и торфяников (глава 1) к процессам возгорания торфа и тушения торфяников, т.е. к их сохранению (глава 2) и от них — к областям эффективного применения торфяной продукции — торфокомпозитов (глава 3). Следовательно, сохранение торфа не для его сохранения, а для перевода торфяной промышленности на новый уровень развития с выпуском торфяной продукции с наибольшей степенью полезности у потребителей.

Применения торфа известны давно. Еще в 1713г. впервые в России Петр Великий приказал разрабатывать торфяники для получения топлива.

Основоположником изучения торфяников и болот является наш великий ученый М.В. Ломоносов. Первую классификацию торфа дал И.Г. Леман в 1766 г.

Г.Н. Эдельман в 1810 г. издал книгу по осушению болот. В 1851 г.

был учрежден комитет по развитию торфяной промышленности, в задачу которого входило:

«всемерно заботится о развитии торфяной промышленности, наблюдать за правильной разработкой торфяников, вводить торфяное топливо в городских и казенных зданиях и наблюдать за продажей выработанного торфа».

В фундаментальном труде о торфяниках Н.Н. Вихляев в 1914 г. писал: «В последнее время торфяники начинают привлекать к себе все больше и больше внимания. Кроме общего интереса — географического, этнографического и др., торфяники с каждым годом приобретают все больше специальный интерес в смысле использования их в технических и сельскохозяйственных целях»

[1]. Этот труд Н.Н. Вихляева можно назвать энциклопедией по торфяникам. В 1916 г. В своей книге К.Н. Дебу указывал на «важность разработки торфа на топливо и в подстилки» [2].

Прошел почти один век, но высказывания Н.Н.Вихляева и К.Н. Дебу остаются актуальными и по сей день. Сегодня проблема культуры торфяников — их эффективного использования и предотвращения торфяных пожаров, приобретает важное государственное значение.

В Мире запасы торфа составляют 275 млрд т. По запасам торфа Россия занимает первое место в Мире — около 158,3 млрд (58 % от мировых). Прогнозные запасы торфа в России — 4,49 млрд т. Наибольшие запасы торфа находятся в северо-западных районах России, в северной части Урала и в центральных районах Западно-Сибирской равнины; южнее этой зоны запасы торфа снижаются и долее к югу отсутствуют.

Если в 90-е годы в России добывалось свыше 50 млн т. торфа, то в 2011 г.

добыча торфа составила менее 1,4 млн (для сравнения — в Финляндии добыто 12 млн т).

Из торфа изготовляют более 100 видов продукции, главными из которых является топливные торфобрикеты и пеллеты, комплексные торфоудобрения, теплоизоляционные торфоцементные и торфогипсовые бетоны, метобрикеты, теплоупоры, метофильтры, адсорбенты и многие другие торфокомпозиты. Так, у нас в России торфяная энергетика составляет менее 1 % от всего энергетического баланса (для сравнения — за рубежом — до 24 %, в Белоруссии — 32 %).

При этом себестоимость тепловой энергии из торфобрикетов меньше на 17 % по сравнению с углем и на 45 % по сравнению с мазутов; особенно эффективен торф при создании микро ТЭЦ, 1 м3 торфобрикетов заменяет 2,5 м3 дров. За последние годы резко сократилось применение торфоудобрений и теплоизоляционных торфобрикетов.

В связи с этим необходимо возродить торфяную промышленность, переводя ее на новый, более высокий уровень развития по основным направлениям:

главное, первостепенное — ликвидировать торфяные пожары с целью сохранения торфа путем применения эффективных технологий, например, легирования торфа наночастицами, учитывая его высокую адсорбционную способность, с получением нового вида торфа — наноторфа;

обновить машинный парк тушения торфяных пожаров и добычи торфа с переводом машин на колесную тягу;

повысить степень полезности торфяной продукции у потребителей путем объединения торфа с различными химическими соединениями и материалами с получением торфокомпозитов с новыми свойствами и широкой областью эффективного применения;

создать торфяные кластеры с гармоничной планово-рыночной (государственно-частной) экономикой с обязательным снижением налогов для возрождения промышленности и привлечения инвесторов.

Однако проблема торфа — его сохранение и повышение степени полезности торфяной продукции у потребителей до сих пор не решена. Данная работа направлена на оказание содействия в решении этой проблемы. Перевод торфяной промышленности на новый, более высокий уровень развития окажет существенную помощь ГПС, МЧС и предприятиям энергетического сектора в решении торфяной проблемы и тушения торфяных пожаров.

В «Справочнике по торфу» Лазарева А.В. и в БСЭ приведены обобщенные данные по физико-химическим свойствам, видам торфяников и их разработкам [3—7].

Добыча торфа подробно приведена в учебнике В.А. Никифорова «Разработка торфяных месторождений и механическая переработка торфа», а новейшую технику по добыче торфа выпускает финская компания «Райзелифт Оу» (тел. +358-25-444-141). Поэтому эти вопросы в книге не рассматриваются (журнал «Бизнес-навигатор», 2011, май).

Большой вклад в изучение торфа, торфяников и их сохранению внесли:

Б.М. Александров, Л.С. Амарян. В.В. Алферов, А.Е. Афанасьев, Е.Т. Базин, И.И. Беркович, Б.А. Богатов, А.А. Борисов, В.В. Борисейко, В.Р. Бенсман, И.Н.

Барановский, Ю.Л. Воробьев, А.Г. Власов, М.П. Волорович, Г.П. Вирясов, А.М. Гришин, Г.Д. Головацкий, С.В. Гондар, Н.И. Гаманов, С.Н. Гамаюнов, В.И. Горячев, В.Я. Дудко, А.В. Евграфов, Ю.Н. Женихов, Ф.Р. Зайдельман, Б.Ф.

Зюзин, Л.К. Исаева, Р.Р. Исматова, А.В. Иванов, С.С. Корчунов, В.И. Копаница, Н.Г. Ковалев, М.В. Козаков, В.Т. Кузнецов, В.П. Крейтор, В.Д. Копейкин, С.С.

Корчунов, В.П. Круглов, Н.В. Кислов, В.И. Косов, С.М. Лукин, И.И. Лиштван, А.В. Лазарев, К.К. Лебедев, И.Ф. Ларгин, Л.Н. Маскаева, В.Ф. Марков, М.П.

Марук, Р.Г. Матухин, Б.И. Масленников, В.А. Миронов, Л.М. Малков, О.С.

Мисников, А.В. Михайлов, К.М. Никандров, В.М. Наумович, Ю.А. Никитин, В.П. Никитин, В.В. Панов, В.Е. Раковский, В.А. Саркисян, А.С. Сорокин, С.В. Соловьев, Н.Л. Соловьев, С.Г. Солопов, Л.Н. Самсонов, В.И. Суворов, С.В. Салин, С.Н. Тюремнов, А.А. Тереньев, В.П. Удилов, В.К. Фомин, П.Л.

Фалюшин, Ю.Н. Хохлов, Н.В. Чураев, А.Г. Шампаров и др.

Ведущими торфяными институтами являются: Восточно-Европейский институт торфяного дела — ИНСТОРФ, Всероссийский научно-исследовательский институт торфяной промышленности, Сибирский научно-исследовательские институты сельского хозяйства и торфа Российской академии сельскохозяйственных наук, проектный институт «Гипроторф» и «Уралгипроторф», институт природопользования Национальной Академии наук Белоруссии и другие, адреса и телефоны которых приведены в приложении 1.

Для государственной координации работ по дальнейшему изучению и промышленному внедрению торфа и продуктов его переработки необходимо создание региональных отделений, объединенных под общим руководством государственной корпорации «Росторф», возможно с участием Некоммерческого партнерства «Росторф» г. Москва, которое осуществляет свою деятельность на базе «Российского торфяного общества».

Выражаем благодарность В.Б. Болтыреву, В.А. Борисову, С.А. Орлову, С.Г.

Паняк, А.И. Семячкову за содействие в работе.

Замечания и пожелания читателей будут встречены авторами с благодарностью.

Авторы Глава 1 Торф и торфяники

1.1. Классификация торфа

–  –  –

Примечание. Dср — средний размер частиц торфа, Б — битумы, Л — лигносульфонат, ГВ — гуминовые вещества, ФК — фульвовые кислоты, Das (А) — зольность, ПАВ — поверхностноактивные вещества, ПЭ — полиэлектролиты.

Межледниковый торф — пласты торфа, образовавшиеся в межледниковые периоды, перекрытые последующими ледниковыми отложениями и подвергшиеся процессам диагенеза.

Погребной торф — пласты торфяной залежи, перекрытые с поверхности в результате геологических преобразований минеральными отложениями.

Вивианитовый торф — торф, содержащий от 0,5 до 2,5 фосфорного ангидрида (Р2О5).

Торфовивианит — торф, содержащий от 2,51 до 15 % фосфорного ангидрида (Р2О5).

Сопутствующие отложения в торфяной залежи — отложения в торРис. 1. Классификация торфа по вещественному составу Таблица 2 Подробная классификация торфяных месторождений и видов торфа

–  –  –

фяной залежи, которые выделяются при разведке торфяных месторождений в виде линз, прослоек или подстилающих торфяную залежь слоев органоминеральных отложений, сапропеля, вивианита.

Минеральный нанос на торфяной залежи — слой минеральных частиц наносного характера, встречающийся в торфяной залежи.

Растительный покров торфяного месторождения — совокупность болотных фитоценозов на торфяных месторождениях.

Растения торфообразователи — растения, произрастающие в условиях избыточного увлажнения, остатки которых при отмирании образуют торф.

Торфяной очес — поверхностный растительный покров торфяного месторождения из живых и отмерших мхов и трав, еще не затронутый оторфованием и сравнительно легко отделяемый от нижележащего слоя торфа.

Торфяные почвы — это верхняя часть торфяных залежей болот, образованные в условиях избыточного увлажнения атмосферными, застоями пресными или минерализованными грунтовыми водами. Они представляют собой начальную стадию торфообразования.

Различают два типа торфяных почв:

верховые — сильнокислотные с pH=2,5—3,6, низкозольные (2,4—6,5 %), высоковлагоемкие — до 2000 % и низинные — слабокислотные с pH=6—7, зольностью — от 6—12 % до 30—50 %, влагоемкость 500—700 % [14].

Одним из значимых сопутствующих отложений в торфяных залежах является сапропель — высококачественное, универсальное, органическое удобрение в сельском хозяйстве. Вообще, сапропель относится к природным образованиям, к классу ископаемых углей, известных под общим названием «сапропелиты», однако основное назначение сапропелей — удобрение.

Сапропель — (с греческ. — гнилой ил) — это многовековые донные отложения пресноводных водоемов, которые сформировались из отмершей водной растительности, остатков живых организмов, планктона, частиц почвенного перегноя, содержащий большое количество органических веществ, гумуса, углеводородов, лигнина, битума и других соединений в коллоидном состоянии [15—21].

По типу залегания различают пять типов сапропеля: торфяниковый, озерный, трясинный, межледниковый и морской.

В сапропелях выделяют три главных составляющих: вода (от 60 до 97 %), зольная часть (песок, глина, карбониты, фосфаты, кремнезем, ферлиты и др.) и органическое вещество очень сложного и неоднородного состава, содержание которого колеблется от 15 до 90 %.

По содержанию органических веществ различают четыре типа сапропеля:

органический — зольность до 30 %;

органо-минеральный — зольность 30—50 %;

минерально-органический — зольность 50—70 %;

минерализованный — зольность 70—85 %.

Таким образом, приведенная классификация торфа и его составляющих является основой для дальнейшего рассмотрения и анализа его возгорания, торфяных пожаров и совершенствования производства торфяной продукции.

Из торфа изготовляют более 100 видов продукции. Основные виды первичной торфяной продукции приведены в табл. 3.

Таблица 3 Первичные продукты переработки торфа Термин Определение Фрезерный торф Высушенная торфяная крошка, полученная фрезерным способом добычи торфа Торфяная сушенка Фрезерный торф, прошедший механическую переработку и искусственную сушку Пылевидный торф Фрезерный торф с размером частиц до 1 мм, прошедший механическую переработку и искусственную сушку Кусковой торф Сформованный торф, полученный экскаваторным и фрезформовочным способами добычи торфа Топливный торф Фрезерный или кусковой торф, предназначенный для сжигания Торфяная подстилка Торф низкой степени разложения с высокой влагоемкостью, применяемый в животноводстве и птицеводстве в качестве подстилочного материала Питательный торфя- Торфяной брикет с введенными питательными элементами для ной брикет выращивания рассады растений Питательный торфя- Торф, нейтрализованный известковыми материалами ной грунт Различают три типа грунтов: известкованный, теплично-парниковый, биологически активный Торфяной бертинат Обезвоженный торф с частично удаленными из него негорючими продуктами разложения при термической переработке Торфяной горшочек Полый горшочек из торфа и древесной массы с введенными в него питательными элементами для выращивания рассады растений Торфяная плита Плита, установленной формы и размеров, из сформованного и высушенного верхового торфа низкой степени разложения Теплоизоляционная Торфяная плита из верхового сфагнового торфа для тепловой изоторфяная плита ляции промышленных зданий и сооружений Термин Определение Подстилочная торфя- Торфяная плита из торфяной подстилки ная плита Субстратная торфя- Торфяная плита с введенными питательными элементами для выная плита ращивания рассады растений Торфяной микро- Нейтрализованный верховой торф низкой степени разложения с парник добавками минеральных удобрений, упакованный в полиэтиленовый пакет, для выращивания растений в домашних условиях Торфяная кипа Фрезерный торф, спрессованный и упакованный в виде объемной фигуры геометрической формы Торфодерновые Искусственно выращенный травяной дерн на торфяной основе ковры для использования при озеленении Из первичной торфяной продукции, как исходного сырья, изготовляют множество первичной продукции, главными из которой являются торфокомпозиты для областей:

энергетики — торфобрикеты и пеллеты;

сельского хозяйства — комплексные торфоудобрения и сапропель;

строительства — торфоцементные и торфогипсовые бетоны;

металлургии — метобрикеты, метофильтры, теплоупоры и многие другие.

Кроме того, изготовляют множество вторичной продукции для различных областей применения: различных химических соединений, лекарств, косметики, смазок, масел, красок, адсорбентов, фильтров, биодобавок, кормов для животных и др.

Основные достижения в области торфа были представлены в павильоне «Торф» на ВДНХ.

Таким образом, торф является ценнейшим материалом с очень широкой областью эффективного применения. Поэтому торф необходимо тщательно сохранять от возгорания, пожаров и изготовлять из него торфяную продукцию нового поколения.

1.2. Генезис торфа и торфяников Торф — предшественник генетического ряда углей. Он относится к классу твердых горючих ископаемых, основой которых являются болотные растения.

Генетический ряд твердого топлива: растения торф бурый уголь каменный уголь антрацит графит. Торф — самое «молодое» топливо, отличающееся от других высоким влагосодержанием и образующий торфяные залежи.

Место образования торфа — торфяные болота с различным содержанием торфа — это различные торфяники, часть которых при достижении промышленного скопления торфа называются торфяными месторождениями. В работе рассматриваются только торфяные месторождения, которые для сокращения сохраняют название — торфяники.

Торфяники встречаются как в долинах рек (поймы, террасы), так и на водоразделах (рис. 2) [3, 14, 22, 23].

Происхождение торфа связано с накоплением остатков отмершей растительности, надземные части которой гумифицируются и минерализуются в поверхностном слое болот, а подземные части Рис. 2. Схема расположения торфяников по рельефу растений консервируются в ней с образованием структурно — волокнистой части торфа. Отложения органических веществ (ОВ) в поверхностном и наземных слоях и приводит к образованию торфа, который в результате изменения базиса эрозии в течении десятков тысячелетий превращался сначала в так называемый погребенный торф, а затем — в различные угли, нефть и природный газ.

Еще М.В. Ломоносов указывал, что торф образуется из растений. В 1908 г. Г. Потонье определил условия распада растений: «Тление происходит при обильном присутствии воздуха (кислорода) и воды… Процесс сопровождается выделением тепла и образованием СО2 и воды. Большую роль играют микроорганизмы».

В природе протекает два процесса: синтез органического вещества из СО2+Н2ОН2СО +О2 и его распад. Превышение синтеза S над распадом R приводит к накоплению органического вещества (ОВ) и к образованию торфа.

Следовательно, формирование торфа — есть процесс разложения органических веществ во влажной среде с ограниченным доступом кислорода.

При этом, торфяники поглощают атмосферный углерод в форме углекислого газа, но при разложении старого торфа выделяют большое количество другого парникового газа — метана CH4.

Торф + СО2 CH4 Углекислый газ блокирует горение торфа и уменьшает выделение метана.

Торфяники постоянно растут за счет ежегодного прироста отмерающей органической массы. Интенсивность распада растений — торфообразователей в торфогенном слое зависит от вида растений, обводненности, кислотности, температуры среды и состава поступающих минеральных веществ. Поскольку на торфяниках произрастает много видов растений, образующих характерные сочетания (болотные фитоценозы) и условия их произрастания отличаются по минерализации, воды, среды и др., сформировавшийся торф на разных участках торфяных болот обладает различными свойствами. Разрез торфяника подтверждает его неоднородность (рис. 7).

Между ботаническим и химическим составом существует прочная связь, которая уточняется показателями степени разложения R — отношением разложившегося торфа ко всему торфу (табл. 4) [22, 23].

Таблица 4 Зависимость степени разложения торфа от глубины залегания, типа и его вида

–  –  –

Низинный торф, по сравнению с верховым, содержит большее многообразие растительного покрова вследствие лучшего минерального питания, а переходный торф занимает промежуточное положение.

Виды торфа также имеют различную степень разложения: наибольшая степень разложения имеет древесный низинный торф, а наименьшую — верховой, фускум залежь.

Первопричиной, определяющий состав торфа, являются химический состав растений. При этом формирование торфа происходит под влиянием физических и гидрохимических условий обитания и состава болотных вод. Факторы, определяющие формирование торфяных месторождений следующие:

1. Основной фактор — условия обитания растений, т.е. гидрохимия

2. Определенный растительный покров.

3. Ботанический вид торфообразователей имеет свой характерный, присущий виду химический состав.

4. Химический состав торфа определяет уровень интенсивности микробиологического распада.

Процесс гумификации торфа обусловливается факторами, ускоряющими и тормозящими процесс распада. К ускоряющим факторам распада относится высокое содержание целлюлозы, гексозанов, азотсодержащих соединений, Р2О5, СаО и др.

К тормозящим факторам распада относятся содержание в ОВ антисептиков, биохимических соединений, являющиеся ингибиторами (вещества, тормозящие химические реакции), тормозящими развитие микроорганизмов и прекращающими окисление органических веществ путем обрыва цепного окислительного процесса.

Очень большое значение имеют процессы распределения отдельных катионов и анионов в развивающихся залежах торфа, что приводит к смене видов растений в данной конкретной залежи.

А. Степень разложения торфа — R.

Степень разложения торфа R определяется отношением количества бесструктурной части, включающей гуминовые кислоты и мелкие частицы не гуминифицированных остатков растений, к общему количеству торфа. R колеблется в пределах 5—70 %.

Степень разложения R повышается от верховых к низинным торфам. При этом, чем сложнее ботанический и химический составы торфа, тем более растянуты области характерной степени его разложения. R торфа — величина аддитивная, зависимая от комплекса условий, содержания целлюлозы, антисептиков (вещества, уничтожающие микробы) и компонентов, стимулирующих размножение микроорганизмов.

Роль микроорганизмов в процессах разложения торфа сводится не к синтезу, а к разрушению, что обусловлено низким содержанием жизненно важных для микробов элементов фосфора и калия. Содержание в золе микробов калия в 10—50 раз выше, чем натрия.

Неблагоприятные условия микробиологической жизнедеятельности приводят к отсутствию в торфе патогенных микробов, вследствие чего торфяные воды не загнивают.

Поверхностный слой неразложившегося мха содержит золы в 2—4 раза больше, чем пласты разложившегося торфа. Чем больше зольность слоя, тем выше его степень разложения.

Накопление органических веществ в природе является следствием торможения микробиологических процессов. В условиях торфа оно обусловлено наличием в торфообразователях антисептиков и накопление новых фенольных групп. При этом с ростом степени разложения возрастает выход фенолсодержащих групп, т.к. они являются дубителями и антиокислителями.

Поэтому при недостатке воздуха процессы окисления тормозятся ингибиторами и процесс минерализации затухает. Наличие антисептиков в живом торфообразователе способствует сохранению растений в торфяных условиях и угнетению микробов в отмерших растениях. Наличие фенолсодержащих полимеров — гуминовых кислот также тормозит микробиологическую деятельность в торфах, что способствует накоплению органических веществ в торфяниках. Снижение содержания антисептиков увеличивает глубину и скорость распада, что приводит к процессам саморазогревания торфов.

Следовательно, фенольные группы приводят к торможению главной реакции — минерализации органического вещества микробами. Микробы постоянно окисляют, разлагают и минерализуют отдельные компоненты топлива — эти процессы сопровождаются выделением тепла и повышением температуры торфа.

Низинные торфы содержат больше азотсодержащих соединений и зол, чем верховые, что способствует развитию микробиологических процессов.

Если в минеральном грунте минерализуются устойчивые и инертные соединения в короткие сроки как углеводороды нефти, то в торфяниках происходит консервация и сохранение органических веществ из-за уменьшения влияния микробов.

Первый признак распада наблюдается в зернах хлорофилла, заселенных микробами — разрушению подвергается не весь материал торфа, а только участки, заполненные наиболее пригодной для микробов пищей. Целлюлоза лиственных пород распадается на 85—99 %, а мхи - только на 5 — 15 %.

Поэтому, микробиологический распад является важнейшей стадией торфообразовательного процесса, который регулируется двумя группами факторов:

1. Ускоряющими гумификацию при скоплении ОВ с повышенным содержанием минеральных элементов, целлюлозы, азотсодержащих веществ, ауксинов, способствующих развитию микроорганизмов и распаду ОВ;

2. Тормозящих распад при накоплении ОВ с малым содержанием зольных элементов фосфора и калия, защищенных антисептиками растений.

Микроорганизмы имеют размеры от 0,3 до 40 мкм; питающиеся отмершими растениями называются сапрофитами. Воздействие микроорганизмов обусловлено наличием в них органических катализаторов — ферментов. Ферменты поступают в торф с растениями — торфообразователями.

Ферменты играют решающую роль при превращении и разложении микробами полимеров органического вещества торфа.

В торфах доминируют окислительные процессы из-за присутствия оксидазы, которая активизирует водород и приводит к образованию перекиси водорода, которая окисляет ферменты. Все окислительные процессы сопровождаются большим выделением тепла, способствующего самонагреву и самовозгоранию торфа.

Каталитическое действие ферментов в 6—8 раз выше действия минеральных элементов, что зависит от вида торфа: наибольшая у осоковых торфов, а наименьшая — у верховых, древесных.

Отдельным видам торфа присуща своя степень разложения, обусловленная различным ботаническим и химическим составом торфа.

С увеличением степени разложения в торфе увеличивается содержание биологически устойчивых компонентов: воска, гуминовых кислот, лигнина и кутино — суберинового комплекса. Это обусловлено тем, что при распаде органического вещества растений — торфообразователей неустойчивые соединения минерализуются с окислением до СО2 и Н2О; непредельные битумы — хлорофилл и другие пигменты также разрушаются. Содержание битумов растет по мере уменьшения целлюлозы — при разложении сначала исчезает целлюлоза из-за своего рыхлого строения, легко разрушаемого микробами.

Основная масса торфа сложена из органических полимеров, с увеличением степени разложения содержание углеводородов в торфе уменьшается главным образом за счет разрушения гексоз, конденсации пентоз и уроновых кислот, а гуминовых кислот увеличивается в 2,5 раза за счет распада углеводородов, за счет распада битумов — почти в 3 раза.

Образование основной массы гуминовых кислот наступает в первый период разрушения растений микроорганизмами и происходит в дальнейшем за счет разрушения и исчезновении углеводородов.

Б. Групповой состав торфообразователей Различные виды торфа значительно отличаются друг от друга по своему составу и свойствам. Для объяснения этого существуют многочисленные гипотезы: состав торфа зависит от продолжительности прохождения всех химических реакций, микробиологических и физических процессов, от химического состава исходных веществ и последняя гипотеза — объединяет все предыдущие.

Безусловно, химический состав растений определяет влияние на состав и свойства торфа, т.е. связи «растение—торф». Параметры температуры и давления лишь ускоряют процесс формирования торфа.

Химический состав растений — торфообразователей состоит из 50—53 % углерода, 5,5—6,5 % водорода и 0,8—1,9 % азота. Содержание минеральных веществ в растениях — торфообразователях обычно выше, чем в торфах из них образующихся. Зола растений богаче биологически необходимыми элементами — калием и фосфором и, наоборот, обмершие торфообразователи содержат больше кальция, магния, серы и др.

Сфагновые мхи (верхний слой верхового торфа) является главным торфообразователем верховых залежей. Они характеризуются низким содержанием целлюлозы (15—20 %) и негидролизных веществ, большим количеством легкогидролизуемых веществ и высокой биологической активностью. В них также содержится небольшое количество битумов и водорастворяемых веществ.

Сфагновые мхи удерживают до 11 объемов воды на единицу сухого вещества, содержат антисептики и сфагнол, обладают химическим и механическим иммунитетом, что позволяет им сохраняться тысячелетиями.

Травянистые растения — торфообразователи по сравнению с мхами содержат больше целлюлозы — наименее устойчивого компонента при микробиологическом распаде. В их содержании целлюлоза колеблется от 18,5 до 37,6 % (табл. 5). Битуминозность травянистых растений достаточно велика.

Содержание битумов в древесине хвойных и некоторых кустарников достигает 15—17 %. Состав комплекса растений — торфообразователей существенно зависит от типа торфа (табл. 6).

В низинном торфе, по сравнению с верховым, содержание больше битумов, пентозана, целлюлозы и одинаковое количество легкорастворимых и негидролизуемых веществ.

Изменение химического состава растений при отмирании характеризуется наибольшим изменением в составе органических веществ, синтезируемых растений.

Осенью резко изменяется общее содержание и химический состав зольных элементов. Так, в отмирающей хвое снижается содержание P2O5 и H2O; во много раз возрастает количество SiO2, MgO и CaO.

В растениях — торфообразователях уже в первый период отмирания уменьшается содержание битумов и многогидролизуемых соединений, а содержании целлюлозы возрастает. В первую очередь распадаются легко усвояемые микробами углеводы.

Следовательно, различие в составе исходных и отмирающих торфяных растений проявляется в содержании микроэлементов, биологически активных веществах, ферментов и микробов. В отмирающих растениях — торфообразователях увеличивается содержание микроэлементов, уменьшаются биологически активные вещества, ферменты и ингибиторы.

–  –  –

18,15 25,9 16,2 19,5

–  –  –

20,0 24,7 27,6 37,6

–  –  –

10,9 23,5 19,2 22,8

–  –  –

27,1 27,0 26,2 16,8

–  –  –

29,7 27,6 29,4

–  –  –

12,6 10,0 7,8 9,7 5,0 3,8

–  –  –

12,6 22,0 10,4 11,2 7,6 8,7 7,2 9,9

–  –  –

6,7 5,3 7,8 3,8

–  –  –

-

–  –  –

1,7 1,5 2,7 2,6 2,1 2,6 2,1

-

–  –  –

Рис. 3. Петрографический состав торфа

1) растительные остатки различной величины, сохранившее клеточное строение и называемые «форменные элементы»;

2) разложившийся материал — гумиты и лидетрит;

3) обособленные минеральные компоненты, не входящие в первые две части (вторичная зола торфа).

В торфе части растений имеют различную сохранность. Наиболее полному разрушению подвергаются наземные части растений, кроме сфагновых мхов.

Это обусловлено наличием в сфагновых мхах летучих и нелетучих фенолов.

Основные превращения в торфе происходят в основном вследствие самостоятельных процессов, текущих в пределах каждого торфообразования и входящих в его состав полимеров.

Состав компонентов торфа существенно различен. Так, в древесине, лубе, коре и хвои сосны содержание целлюлозы колеблется от 16 до 50 %, лигнина — от 5 до 43 %, битумообразователей — до 12 %. Азотосодержащие соединения концентрируются преимущественно в плазме земной массы, а в древесине стволов содержание азота незначительно — 0,2—0,3 %, т.е. примерно в 10 раз меньше чем в мхах и траве.

Таким образом, многообразие состава органов растений и избирательное микробиологическое разрушение их, усложняет органическое строение торфа.

Так, лигнин (негидролизуемая часть растений) и углеводород оказывают решающее значение в образовании компонентов торфа.

При микробиологическом разложении растительных остатков торфа происходит их механическое диспергирование и параллельно глубокое изменение состава.

Виды растений резко отличаются между собой по содержания гумуса, что приводит к различному содержанию гумуса в торфе, что имеет решающее значение для торфяных удобрений. Источником гуминовых веществ является зеленая масса однолетних побегов.

Все растительные остатки торфа содержат масло серы — 0,04—0,18 %. Количество азота в волокнах увеличивается с повышением стенки разложения; в листьях сфагнов больше, чем в стеблях.

Битумообразователи и битумы. Битумообразователи подразделяются на циклические и ациклические, представленные насыщенными и непредельными соединениями. Среди циклических соединений наибольшее значение имеют ароматические соединения. Непредельные соединения включают в себя углеводороды, спирты, фенолы, кислоты, эфиры кислот. К битумообразователям относятся жиры, масла, воски, бальзамы, стероиды, глицерин, смоляные кислоты, тернены, скипидар.

Циклизация и дегидронизация ациклических изопреноидов являются важными свойствами при углефикации и термолизе топлива.

В растительных веществах (РВ) содержание углерода колеблется от 30 до 90 %. Содержание битумообразователей (битумов) составляет 5—10 % от торфа. В битумах содержание углерода колеблется от 68,5 до 76,3 %, водорода — от 9,3 до 11,4 %, кислорода — от 12,3 до 21,7 %.

Содержание масел в битумах и торфах колеблется от 0,5 до 1,5 % на торф и от 14 до 22 % на битум. Содержание гуминовых кислот достигает 50 %.

Глюкозиды легко окисляются и передают кислород для окисления фенолов до хинонов.

Углеводный комплекс является главной составной частью растений — торфообразователей и состоит из трех групп: 1 — моносахариды, гексозы, пентозы, спирта и др., 2 —полисахариды, пиктиды, крахмал и др., 3 — целлюлоза. Углеводы оказывают основное влияние в процессах синтеза ОВ растений.

Образование сахаров является первой стадией формирования органических веществ. Все остальные компоненты живых растений являются продуктами превращения сахаров. Существенно кислород воздуха оказывает на ОВ в присутствии щелочей.

Различные виды растений — торфообразователей существенно отличаются по содержанию углеродного комплекса и соотношению отдельных групп. Содержание веществ, растворимых в горячей воде, колеблется от 3 до 21 % для различных торфообразователей. Содержание водорастворимых веществ в торфах значительно ниже, чем в травянистых растениях. Наименее устойчивым компонентом торфа является целлюлоза. Содержание урановых кислот составляет от 7 до 23 % и снижается по мере распада и превращения ОВ растений в ископаемое топливо, что подтверждается их переходом в гуминовые кислоты.

Целлюлоза торфообразователей состоит практически из глюкозы. В углеродном комплексе торфообразователей существенное значение имеют малоразложившиеся сфагновые торфы, запасы углеводородов в которых велики, что позволяет широко использовать их для производства кормов, белков и др. продуктов.

Азотосодержащие соединения. Основная часть растений азота растений входит в белок. По содержанию азота отдельные виды растений отличаются в широких пределах. Азотосодержащие соединения растений торфообразователей состоят в основном из белка, нуклеиновых кислот, хлорофилла, витаминов, ферментов и др. веществ. Эти соединения не растворимы в нейтральных средах, но растворимы в воде.

Сфагновые торфа обладают высокой биохимической активностью.

Существенное значение приобретает обогащение торфа, например, разделение фрезерного торфа на волокно и гущу. При этом содержание азота в гумусе больше, чем в волокне; наиболее богат азотом осоковый торф.

Содержание азота в торфообразователях и торфах в пересчете на органическое вещество колеблется от 0,8 до 4,5 %. Недаром торф называют «азотной рудой». Так, вместе с 50 млн т. сухого вещества торфа в почву в виде удобрений вносится около 1 млн т. связанного азота, из которых только 30 % являются негидролизуемыми азотосодержащими веществами. Гумусовая часть содержит в 1,5—2,0 раза больше азота, чем многие форминные компоненты торфа, что может быть использовано для производства торфо-минеральных азотных удобрений (ТМАУ).

Негидролизуемый остаток псевдолигнина образуется в земной массе растений, отличается от лигнина повышенным содержанием азота. Древесные лиственные породы содержат только 50 % лигнина, а остальное — псевдолигнин.

Все растения синтезируют негидролизуемые высокополимеры, часть из которых представлена лигнином, другие содержат повышенное количество азотосодержащих соединение. Содержание азота в негидролизуемом остатке растений — торфообразователей почти в 10 раз больше, чем в лигнине древесины.

Содержание собственного лигнина и псевдолигнина в торфах колеблется от 4 до 30 %. С ростом стенки разложения содержание негидролизуемого остатка в торфах растет.

Интенсивность гумификации петрографических элементов существенно зависит от их размеров: более крупные частицы претерпевают меньшие изменения. С ростом стенки разложения распадается (окисляется) до 60 % диоксанлигнина торфа.

Г. Роль гидрохимических факторов и минеральных элементов в образовании торфа.

Низинные торфы содержат значительное количество минеральных элементов изменяющихся по глубине. Так, общий состав торфяной золы следующий (масс %) 36,6 SiO2; 22 CaO; 16 Fe2O3; 8,3 Al2O3; до 6,7 SO3; 3P2O5; 2,7 MgO; 1 Na2O и 0,5 Mn.

Зола верховых торфов содержит повышенное количество SiO2 и CaO с высокой степенью разложения.

От водоминерального режима существования торфа зависит интенсивность развития растительного покрова и торфонакопления. Водоминеральное снабжение торфа определяется двумя путями: почвенно-грунтовыми, поверхностными водами и атмосферными осадками с минеральной почвой, оседающей на поверхности торфяников (табл. 7).

По сравнению с загрязняющими торф веществами в верховом торфе снижается содержание SiO2 и P2O5 и существенно увеличивается, содержание CaO, MgO, SO3, P2O5.

Таблица 7 Химический состав атмосферной пыли, глины и верхового торфа

Химический состав, % от золы Материал SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 P2O5 K2O Атмосферная пыль 66 13,9 4,2 2,0 1,4 0,1 0,2 2,6 Глина 57 17,2 5,0 2,0 2,0 0,3 0,2 2,3 Верховой торф 50 11,0 9,0 10,0 4,0 2,7 4,0 3,0 В верховых и низинных торфах минерализация воды обычно составляет 70— 180 мг/л, но в верховых торфах достигает 350 мг/л, а в тростниковых 430 мг/л. По сравнению с обычной водой в торфяной воде содержится значительное количество ингибиторов — гуминовых кислот с фенольными группами, азотосодержащие соединения, сахара и эмульсии битумов-восков.

В верховом торфе, по сравнению с низинным, содержится более высокое количество SiO2 и меньшее количество CaO, MgO, Fe2O3, SO3. В золе верхового торфа, по сравнению с низинными, содержится меньше CaO и Fe2O3.

У верховых торфов содержание P2O5 составляет 0,1—0,5 %, а в низинных — 0,11—0,16 %.

Существенную роль в образовании засоленных участков играют торфяные пожары, резко увеличивающие в торфяниках количество золы.

Содержание в торфе микроэлементов Mn, Cu, Zn, Co на 2—4 порядка меньше содержания других микроэлементов.

Большую роль играет корневая система торфообразователей, извлекающая из слоев торфа биологически необходимые минеральные элементы.

После торфяных пожаров, кроме увеличения золы, происходит смена растительности — на поверхности появляются кукушкинилы — торфообразователи с высокой биологической стойкостью, хорошей органической губкой, способствующей влагонакоплению и торфообразованию.

Д. Структура торфа и ее особенности Торф представляет собой многокомпонентную, полифракционную, полуколлоидно-высокомолекулярную систему микромозаичной гетерогенности с наличием полиэлектролитов. Он состоит из разнообразных химических, органических и неорганических соединений, находящихся в сложном взаимодействии с образованием агрегатов различной степени устойчивости [24]. В торфах находятся гидрофильные вещества: целлюлоза, гелиоцеллюлоза, лигнин, гуминовое вещество и др.; гидрофобное вещество: битум, воск, а также минеральные соединения различной степени дискретности.

Размеры агрегатов в торфе составляют от 1000 нм (1мкм) до 100 нм ( 0,1 мкм). В торфе встречаются плотные частицы шарообразной формы — частицы растений — торфообразователей (фрагменты клеточных структур), отдельные минералы, различные гуминовые вещества и микроорганизмы.

В целом в торфе содержатся большое количество высокодисперсных веществ: гуминовое вещество, битумы, остатки целлюлозы породы, органоминеральные комплексы и минералы. Частицы торфа образуют матрицу — пространственные сетки «сшитых» макромолекул, в ячейках которых находятся молекулы воды, низкомолекулярные жидкости и воздух.

В торфе выделяют твердую, жидкую и газообразную фазы. Твердое вещество состоит из не полностью разложившихся растительных остатков, продуктов разложения растительных тканей в виде атмосферного вещества-гумуса и минеральных веществ, оставшихся после сгорания торфа в виде золы. В естественном состоянии торф содержит около 85—95 % воды, а в сухом виде до 50 % минеральных соединений.

Система торфа находится в состоянии динамического равновесия раствор— золь—гель—компонентная коагуляция с различным составом и видом воды [25, 26].

Вода в торфе подразделяется на химически связанную, физико-химическую, связанную воду, а также осмотическую, слабосвязанную механического удержания: капиллярную, внутриклеточную, иммобилизационную и структурнозахваченную. Количество различной воды в торфе следующие: химически связанной — 0,4 %; физико — химической — 4,9 %, осмотической — 7,1 %, механически связанной — 88 %, в т.ч. капиллярной — 67,5 %; внутриклеточной — 15,5 %.В торфе наибольшее количество воды — механически связанной, а наименьшее химически-связанной. Количество воды в торфе уменьшается с ростом стенки его разложения, со снижением естественной влажности и увеличением механической обработки торфа.

Вода в торфе представляет раствор органических и минеральных соединений с основными катионами торфа: Ca2+, Mg2+, Al3+, Fe3+ и др., практически на долю Ca2+ и Mg2+ приходится от 50 до 85 % общего количества всех катионов. Содержание катионов определяется типом торфа: для низинного — 172 мг экв./100 г с.в.;

переходного — 81 мг экв./100 г с.в.; верхового — 31 мг экв./100 г с.в. Наибольшее количество катионов содержится в низинном торфе. Поэтому торф является преимущественно катионообменником с кислой дисперсионной средой.

Торф имеет пористую структуру с размером пор 1,5—30 мкм. Размеры пор в торфе составляют 30—1 мкм, а размеры легирующих торф наночастиц 1 мкм (1000—1 нм), т.е. наночастицы легко и свободно проникают в торф: адсорбируются на поверхности пор и проникают в клетки растений. Максимальное количество пор составляют поры размером 10—6 и 2—1 мкм. Переработка торфа уменьшает размер пор. На основе торфа разработаны молекулярные сита с размером ячеек от 1,0 до 0,3 нм [67].

Кусковой торф имеет непрерывную структуру, ленточное переплетение агрегатов делит пористое пространство на отдельные локальные объемы.

Таким образом, торф представляет собой сложную систему, состояние и свойства которой меняются под воздействием внешних (климатических, технологических и механических) параметров и внутренних физико-химических процессов.

Е. Возраст торфяников Торфяниками называют болота, в которых тысячелетиями образовывался и продолжает образовываться сейчас торф. Поэтому сначала образуются болота, в них начинает формироваться торф с образованием торфяных болот — торфяников.

В России заболочено около 2 млн км2 или 12 % территории. При этом вертикальный прирост торфа составляет до 1 мм/год, а наступившие на сумму до 0,4 мм/год. Торфяники выбрасывают в атмосферу метана в 4—10 раз больше, чем углекислого газа.

После прекращения добычи торфа торфяника относительно быстро восстанавливаются: через 2 года начинают расти берега, а через 10—15 лет полностью восстанавливается весь моховой слой. Но заброшенные торфяники пожароопасны, а разрабатываемые торфяники не горят. Поэтому необходимо возобновить добычу торфа в стране в полном объеме.

Погребные виды торфа содержат повышенное количество углерода по сравнению с ботаническими, и относятся к угольной стадии формирования углей.

Возраст торфа оказывает заметное влияние на его состав.

Процессы изменения состава торфа с возрастом протекают постепенно и непрерывно под воздействием давления и повышения температуры.

В итоге процесс торфообразования сводится к такому изменению состава растений, при котором одна часть вещества исчезает полностью, а другая в результате реакций дегидратации и конденсации превращается в новые продукты, среди которых гуминовая кислота занимает первое место. Поэтому торфяная стадия является обязательной при генезисе твердых горючих ископаемых.

Возраст торфяников определяется степенью разложения растительных остатков: у молодых торфяников цвет торфа светлый, у старых — от бурого до черного.

Торф есть масса отмерших, но еще не совсем разложившихся листьев, стеблей и корней растений. Его химический состав одинаковый с исходными органическими соединениями. Но со временем из торфа улетучиваются газообразные продукты CO2, NH3, H2S и др., часть вымывается, такие как калий и фосфорная кислота, а также образуется большое количество гуминовой кислоты, которая без щелочей не может быть нейтрализована. Кроме того, образуются амины, аминокислоты, лейцит и др. Частицы свежего торфа окружены студенистым веществом — гидроцеллюлозой, связывающей частицы в компактную массу, прочно удерживающую воду. Целлюлоза распадается только при температуре около 150 оС.

В естественном состоянии торф содержит 90—92 % воды, прочно удерживаемой торфом.

Торф обладает кислой реакцией (рН7) за счет гуминовой кислоты, образующей со щелочами соли.

Классифицируется торф по видам: моховой, луговой и смешанный, которые в свою очередь подразделяются на группы.

Химические процессы в торфе происходят при недостаточном количестве кислорода и поэтому носят восстановительный характер.

Наиболее вредным веществом в торфе считается серный колчедан FeS2, который под воздействием кислорода распадается на FeO и серную кислоту H2SO4, которая является ядом для растений. Нейтрализация этих веществ достигается CaO и образованием Fe2O3 и CaSO4.

Ранее существовала «огневая культура болот» — болота осушали, затем поджигали с целью получения золы — удобрения для посева зерновых культур.

Однако повышение урожайности достигалось только в первые годы, а затем урожайность падала. В данное время «огневую культуру болот» используют только с целью получения финансирования для тушения торфяных пожаров, 95 % которых обусловлено человеческим фактором.

Таким образом, возраст торфяников составляет десятки тысяч лет, начиная от простого заболачивания низин до формирования современного торфа из разлагающихся растений в условиях избытка воды и недостатка воздуха.

1.3. Физико-химические свойства торфа Торф имеет сложный химический и фазовый состав, который определяется условиями генезиса, химическим составом растений — торфообразователей и степенью разложения торфа (табл. 8).

Элементный состав торфа (мас. %. на горючую массу):

Углерод — 50—60;

Кислород — 30—40;

Водород — 5—6,5;

Азот — 1—3;

Сера — 0,1—2,5.

Фазовый состав торфа (мас. %.):

Гуминовые кислоты — 15—50;

Легкогидролизуемые соединения — 20—40;

Битумы — 2—10;

Лигнин — 5—20;

Водорастворимые вещества — 1—5.

Химический состав торфа зависит от его типа. Так, низинный торф, по сравнению с верховым, содержит меньше органических веществ и, соответственно, большую зольность: более высокое содержание CaO, Fe2O3, азота, P2O5, K2O. При этом низинный торф по pH обладает слабокислотными свойствами, а верховой характеризуется достаточно высокими кислотными свойствами. Переходный торф занимает промежуточное положение между низинным и верховым торфом.

Элементарный состав торфа — это в основном углерод (50—60 %), кислород (30—40 %) и водород (5—6,5 %). Азот и сера содержатся в незначительном количестве (0,1—3 %).

Фазовый состав торфа — это преимущественно гуминовые кислоты (15—50 %), легкогидролизуемые соединения (20—40 %), лигнин (5—20 %), битумы (2—10 %) и водорастворимые вещества (1—5 %).

Эти данные показывают, что торф обладает хоТаблица 8

–  –  –

1,1—3,7 0,9—3,0 0,9—2,0

–  –  –

NO3-, Cl-, SO42-, Ca2+, Mg2+, Fe3+, Al3+, K+, Na+.

Катионный состав торфа следующий: Ca2+, Mg2+, Fe3+, Al3+, Na+, K+, NH4+, H+ и др. В торфе катионов Ca2+ составляют 50—70 % от общего содержания катионов, Mg2+, Fe3+, Al3+ — до 10 %, K+, Na+ — до 5 %.

Наиболее важный катион в торфе — Ca2+, который обычно замещает H+ в торфе.

В торфе происходят ионно-обменные процессы при использовании ионнообменных материалов: ионитов, ионно-обменных смол, почвы, глины и др.

Торф является природным ионообменником — катионитом [26].

Реакция хемосорбции на этом катионите протекает по схеме:

2RCOOH+CaCl2=(RCOOH)2·Ca+2HCl RCOO+CaCl2 В торфяниках наиболее устойчивые отрицательно заряженные комплексы железа взаимодействуют с гуминовыми кислотами с образованием закисных соединений, вымывающихся из торфяников.

В зависимости от возраста и условий образования торф имеет различную степень разложения, кислотность (pH), влагоемкость, содержание макро- и микроэлементов и др. параметры.

Поэтому физические свойства торфа зависят от степени разложения, дисперсности твердой части, оцениваемой удельной поверхностью.

В естественном залегании торф содержит до 96 мас. % воды, имеет пористость 96—97 %, в сухом виде имеет объемную плотность до 0,3 кг/м3. В процессе добычи влажность торфа изменяется 30—60 %, а после сушки — 10—22 %.

Торф в сухом виде является диэлектриком, но при увлажнении становится полупроводником.

Торф относится к классу полярных диэлектриков, их электрические свойства существенно зависят от влажности. При высоких значениях влажности (40—60 %) они ближе к полупроводникам, при низких (0—40 %) к диэлектрикам. В абсолютно сухом виде торф — хороший изолятор; удельное его сопротивление составляет около 1012 Ом*см. [121].

Обычный торф влажность 70—90 %; электросопротивляемость этого торфа составляет от 0,7*103 до 0,3*103 Ом*см.

Теплофизические свойства компонентов торфа при 25 и 200ОС приведены в табл. 9, где Ср — это теплоемкость, — теплопроводность.

Торф обладает достаточно высокими теплоизоляционными свойствами:

низкой теплопроводностью () и теплоемкостью (Ср). Коэффициент теплопроводности торфа низкий и составляет 1,700—1840 Вт/(м*К). Он существенно возрастает с увеличением плотности торфа (табл. 10):

Теплота сгорания торфа составляет 22—23 МДж/кг (теплота сгорания бурого угля — 29,3 МДж/кг).

В состав горючего вещества в торфе входят пять элементов:

Co+Ho+So+No+Oo=100 %.

Теплотворная способность торфа выше, чем у древесины (табл. 11) [29].

Таблица 9 Теплофизические свойства компонентов торфа при 25 и 200 О С[28]

–  –  –

По составу органического вещества торф занимает промежуточное положение между древесиной и углем. По сравнению с древесиной в торфе содержится больше углерода, меньше кислорода и азота, более высокая теплотворная способность. Поэтому топить печи торфом более выгодно, чем деревом.

По сравнению с углем в торфе содержится значительно больше углерода, меньше кислорода и азота. Теплотворная способность торфа в 1,2—1,7 раз меньше, чем у угля, поэтому точить топить печи выгоднее углем, чем торфом или древесиной.

При этом низинный торф выделяет больше тепла, чем верховой. Повышение стенки разложения торфа на 10 % увеличивает его теплотворную способность на 400—1600 Дж, что обусловлено большим содержанием в низинном торфе битумов и гуминовых кислот. Поэтому, чем больше осушено торфяных залежей, тем более интенсивно развиваются пожары с более высокой температурой и выделением тепла. Чем ниже расположены грунтовые воды, тем больше оказываются слои низинного торфа и горят они с большим выделением тепла. Это относится и к начальной стадии торфяных разработок. Физические свойства торфа зависят от его типа (табл. 12)

–  –  –

От низинного торфа к верховому в нем уменьшается степень разложения R, зольность А, щелочность рН (возрастает кислотность), возрастает влажность W и практически остается постоянной теплота сгорания Q.

Полная влажность торфа определяется его типом (табл. 13).

–  –  –

От низинного к верховому торфу уменьшается степень разложения R и возрастает полная влагоемкость.

Плотность торфа со степенью разложения R=50 % и влажности 90 % составляет 1,0 кг/м3, а плотность твердой фазы торфа с R=50 % и зольностью =6 % равна 1,5 кг/м3. Химические и фазовый состав органической части торфа определяется его типом. (табл. 14) Условные обозначения: Б — битумы, ВР и ЛГ — водорастворители и легкогидролизуемые вещества, РВ — редуцирующие вещества, ГК — гуминовые кислоты, ФК — фульфокислоты, Ц — целлюлоза, Л — лигнин.

Таблица 14 Химический и фазовый состав органической массы торфа

–  –  –

От низинного к верховому торфу в нем уменьшается количество углерода, азота, серы, гуминовых кислот и лигнина, а также возрастает количество кислорода, битумов, водорастворимых и легкогидролизуемых веществ, редуцируемых веществ и целлюлоза.

Химический состав зольной части торфа также определяется его типом (табл. 15).

–  –  –

От низинного к верховому торфу в нем уменьшается содержание SiO2, CaO, Fe2O3, Al2O3, а содержание P2O5 и SO3 остается практически постоянным. Содержание микроэлементов в сухом торфе определяется его типом (табл. 16).

–  –  –

От низинного к верховому торфу в нем уменьшается содержание Cu, Mo, Co и особенно сильно (практически в 10 раз) содержание Mn, а содержание Zn возрастает.

Например, в низинном торфе западной Сибири содержится в большом количестве различных элементов по сравнению с верховым: Fe — в 8 раз; Ca — в 6 раз; Co и Br —5; La, Sm — в 3; Cr, Th, Hf, Sr — в 2 раза. Содержание других элементов в тех и других торфах практически одинаково, кроме Au: в низинном торфе Au не обнаружено, а в верховом содержание Au составляет 0,008 мг/ кг (табл. 17) [30].

При этом, пойменные торфа в большей степени обогащены элементами: Ca —в 3,4 раза; Co — в 3; Cr — в 1,9; Hf — в 1,9 ; Sr — в 1,5; Cl — в 1,2 но меньше содержат Fe — в 2 раза.

Следовательно, в торфах наблюдается неоднородное распределение элементов, что зависит от многих факторов: подстилающих пород, положение торфяного массива в геохимическом ландшафте, кислотно — щелочного и окислительно — восстановительных режимов, степени разложения торфа и др.

Таким образом, торф представляет собой полидисперсную систему, состоящую обычно из трех фаз: твердой (остатки растений с минеральными примесями), жидкой и газообразной и является сложной полидисперсной, многокомпонентной, неоднородной полуколлоидальной волоконно-капиллярной системой, т.е. органической, минеральной и водной.

В золе торфа встречаются до 40 микроэлементов: медь, цинк, кобальт, молибден, марганец, редкие элементы.

В верховом торфе преобладают кремний, а в низинном — кальций, кремний и железо.

По температуре плавления торфяные золы подразделяются:

легкоплавкие — tпл10000C, среднеплавкие — tпл=1000—12000C, тугоплавкие — tпл12000C.

Зола верхового торфа относится с среднеплавким, а низинного — к легкоплавким.

Торф является кислым соединением с pH7. В основе торфа лежат окислительно-восстановительные процессы с существованием элементов различной валентности.

Содержание гуминовых кислот в торфе колеблется от 5 до 52 % и снижается при переходе от низинного торфа к верховому [11, 14]. Гуминовые кислоты являются основными веществами, определяющими свойства торфяных систем. Гумусовые вещества улучшают плодородие почвы. Аммонизация торфа способствует активации гумусовых веществ, стимулирует рост растений.

Гуматы Na увеличивают урожайность на 24 — 109 %.

Гумификация растений может быть резко усилена (катализироваться) минеральными компонентами: глинистыми минералами, катионами кальция и Таблица 17 Средние и медианные значения элементного состава торфов, мг/кг * Содержание в %; «–» — элемент не обнаружен.

железа. Гуминовые вещества — гуматы — это соли гуминовых кислот, в целом — это углеводороды. При нагревании гуматы разлагаются. В торфе гуматы представлены в виде сферических частиц размером 10—3 нм, образующих цепочки.

Таким образом, неоднородный состав торфа определяет его различные физико — химические свойства, которые зависят в итоге от типа и вида торфа.

1.4. Модифицирование структуры и свойств торфа

Модифицирование структуры и свойств торфа подразделяется на виды:

физико-химическое — введение добавок, технологическое — применение технологических параметров, композиционное — введение заполнителей, а также комплексное — совмещение указанных видов. Все они приводят к изменению структуры и свойств исходного торфа в нужном направлении — к уменьшению возгорания торфа, сокращению торфяных пожаров и к повышению качества торфяной продукции.

Физико-химическое модифицирование торфа — изменение структуры и свойств торфа, осуществляется путем введения в состав торфа многочисленных модифицирующих добавок неорганического и органического составов.

Для модифицирования торфа широко используют различные поверхностноактивные вещества-ПАВ (табл. 18, 19) [31—33].

–  –  –

Поверхностное натяжение растворов ПАВ приведено в табл. 20.

Введение растворов ПАВ приводит к уплотнению структуры торфа, повышению его эластичности и к снижению степени его самонагревания и самовозгорания [31].

Для каждого типа и вида торфа существуют свои оптимальные смачиватели ПАВ и их концентрация, определяемые только экспериментальным путем ввиду широкого ассортимента торфа. В табл. 21 приведена только сопоставительная оценка ПАВ между собой.

Добавки полимеров к торфу обладают тем большей структурообразующей способностью, чем выше их молекулярная масса. ПАВ увеличивают смачиваемость торфа и снижают испаряемость воды. Кроме того, торф обладает высокой фильтрующей способностью и водопроницаемостью.

Фильтрационная способность торфа увеличивается путем его химического модифицирования под влиянием химических добавок — модификаторов (коагулянтов, пептизаторов, ПАВ и др.): FeCl3, CaCl2, щелочей NaOH, фенолов, органических соединений и др.

Из растворов высокомолекулярных соединений (ВМС) широко используют технические лигносульфаты (ЛСТ) различных марок, которые являются побочным продуктом производства сульфитной целлюлозы.

Они представляют собой полимеры с широким диапазоном дисперсности с молекулярной массой от 1000 до 20000; содержат многочисленные функциональные группы:

Таблица 20 Поверхностное натяжение растворов ПАВ·103 H/м [31]

–  –  –

сульфогруппы, литоксильные, карбоксильные, гидроксильные, амфатические и фенольные. ЛТС обладают клеящими, вяжущими свойствами, повышают прочность композитов и при взаимодействии с СаО выделяют аммиак. По экологии безопасны, нетоксичны и пожаробезопасны; при сгорании не выделяют вредных веществ. Соответствуют ЛТС-ТУ 13-0281036-029-94, содержит сухое вещество 47,2 % и щелочное варочное основание.

Наибольшее влияние на структуру и свойства торфа оказывают катионы кальция Са2+. Небольшая добавка Са2+ приводит к развитию межагрегатных связей, коагуляционные структуры увеличивают прочность каркаса торфа и обусловливают малую компактность агрегатов. Большая добавка Са2+ более 65 мг (экв/ г с.в.) приводит к контактной коагуляции, максимуму дисперсности, повышает монолитность структуры и прочность торфяной продукции.

Также повышают прочность торфа высокомолекулярные соединения: гидролизованный полиакрилонитрил (ГиПАН), полиметакриловая кислота (ПМАК), лигносульфонаты технические (ЛСТ) и др. При их малых концентрациях (0,01 %) взаимодействие частиц торфа происходит через прослойку адсорбированных молекул полимеров — увеличивается число межагрегатных связей. При более высоких концентрациях взаимодействие частиц происходит уже через сетку полимера. Оптимальная концентрация добавок зависит как от ее свойств, так и от свойств торфа: рН, типа торфа, влажности, дисперсности.

Другим направлением модифицирования торфа является введение в его состав пластифицирующих добавок ПАВ — в объем и на поверхность торфа.

Молекулы ПАВ, адсорбируясь на частицах торфа, увеличивают усадку торфа, повышают его пластичность, улучшают сушку — связывают поливалентные катионы в неподвижные комплексы. Общие требования к таким ПАВ — повышать активность на границе «твердое тело—жидкость» и уменьшать активность на границе «жидкость—газ».

При использовании анионных полиэлектролитов поверхность частиц торфа покрывается слоем полимера с образованием прочного комплекса «торф— полимер—торф». Такая структура связывает значительное количество воды, усиливает энергию связи молекул добавки и взаимодействие между собой частиц торфа.

По адсорбционной скорости на торфе ПАВ располагаются в ряд НПАВ (неионогенные ПАВ) АПАВ (анионные ПАВ) КПАВ (катионные ПАВ). Торф связывает большое количество КПАВ вследствие его высоких ионообменных свойств — обмен находящихся в торфе катионов, т.е. торф — хороший высокомолекулярный ионообменник. Добавки ПАВ обеспечивают совпадение темпов усадки и обезвоживания с максимальной скоростью формирования прочной и плотной структуры торфа.

Наиболее эффективным методом модифицирования торфа является его легирование естественными и техногенными наночастицами, вводимыми в исходный торф и в торфяники по различным нанотехнологиям с получением нового вида торфа — наноторфа.

Наночастицы в твердом, жидком и газообразном виде свободно проникают в клетки растений и микроорганизмов, вызывая в них необратимые процессы, ускоряющие, замедляющие или уничтожающие их развитие и в итоге придающие торфу новые, необходимые свойства.

Свойства торфа существенно зависят от состава наночастиц: замедляют или ускоряют возгорание торфа, повышают его теплотворную способность, увеличивают прочность торфяной продукции, повышают эффективность комплексных торфяных удобрений, позволяют получать новые химические соединения и др.

Наночастицы позволяют широко регулировать свойства наноторфа в необходимом, заданном направлении, учитывая большой ассортимент наночастиц.

Управление процессами формирования структуры торфа возможно в процессе сушки торфа, где происходит его уплотнение и упрочнение.

Выделяют два периода структурообразования торфа:

период постоянной скорости сушки с удалением в основном капиллярной и слабосвязанной влаги, сопровождаемый усадкой торфа;

удаление осмотической и физико-химической влаги в виде пара с увеличением внутренних напряжений, разрыва связей между частицами и возникновением дефектов.

Методы управления процессами формирования структуры торфа следующие:

механические — регулирование дисперсности торфа при его переработке, смешения, введения малоразложившегося торфа, использование различных способов формирования и др.

физические — термообработка при формировании, вакуумирование торфомассы, вибрационное воздействие, промораживание, электромагнитная обработка, ВЧ-излучение, резонансная обработка и др.

технологические — досушка в валках и штабелях, отрыв от подстилающей залежи, использование расшиваемых расстилов, термообдув на закрытых ленточных транспортерах, электрофорез и др;

уменьшение содержания частиц 100 мкм для увеличения капиллярного давления при сушке;

увеличение содержания частиц 5мкм для повышения молекулярного сцепления;

введение естественных и техногенных наночастиц для существенного повышения прочности торфяной продукции.

применение новых торфоуборочных машин изменяет структуру торфа (рис. 6, 7).

–  –  –

1.5. Запасы и добыча торфа в мире, России и на Урале — в Свердловской области 1.5.1. Запасы и добыча торфа в мире Мировые запасы торфа составляют около 500 млрд т., в том числе всех разведанных свыше 235 млрд т. В России — около 47 % мировых запасов торфа, что оборачивается для нас бедствием. Вместо того, чтобы сохранять торф и существенно развивать торфяную промышленность, даже не применяются достаточные усилия для тушения торфяных пожаров. Главные причины — бесхозяйственность, убогое отношение к Природе и отсутствие финансирования торфяной промышленности для ее развития.

Всего на Земле торфяники занимают около 2 % суши, но, распределены они крайне неравномерно: в Евразии — 1,8 %, в Африке — 1,2 %, в Северной Америке — 0,9, в Южной Америке — 7,0, в Австралии — 0,1 % [34—40].

Крупнейшими запасами торфа (млрд т, 40 % влажности) обладают Россия, Индонезия, США (рис. 8).

В настоящее время в мире, согласно данным “U.S. Geological Survey”, добывается около 25 млн т торфа [34]. Пик мировой добычи торфа пришелся на 1984—1985 гг., когда производилось около 380 млн т торфа в год. В последующие годы объемы его мировой добычи постоянно сокращались и уже к 1992 г.

составили всего 29 млн т. В период с 2000 по 2008 гг. производство торфа в мире практически не изменялось, за исключением незначительного всплеска в 2003 г.

Рис 8. Мировые запасы торфа (млрд т) С 2004 по 2008 гг. было добыто около 25 млн т торфа, из которых около 70 % использовалось для производства тепла и электроэнергии, остальные 30 % — для нужд сельского хозяйства.

В США годовая добыча торфа составляет около 1 млн т. Большая часть торфа производится в европейском регионе, доля которого в общем объеме мировой добычи превышает 80 %, а доля США и Канады составляет не более 7 %. Следует отметить, что уровень добычи торфа в Финляндии в период с 2004 по 2008 гг. практически не изменялся, в то время как в Ирландии он упал на 23 %, в России — на 41 %, в Эстонии — на 12 %, в Канаде — на 14 %, а в США — на 11 %. Однако, в некоторых странах мира объемы добычи торфа в этот период возросли: в Латвии — на 68 %, Швеции — на 44 %, а Польше — на 25 %, Белоруссии — на 23 %.

Мировым лидером в производстве торфа в 2008 г. стала Финляндия, где было добыто 9,1 млн т. торфа (36,4 % от общемировой добычи), на втором месте Ирландия — 4,3 млн т. (17,2 %), на третьем месте — Белоруссия — 2,6 млн т (10,4 %). Россия занимает 4-е место по объему добываемого торфа: в 2008 г. было добыто 1,2 млн т. торфа (4,8 %).

Таким образом, освоению торфяных ресурсов уделяется большое внимание во многих странах: США, Канаде, Финляндии, Швеции, Ирландии и др. Так, в Ирландии за счет торфа покрывают 40 % потребляемой энергии, в Финляндии — 3 %, в Швеции ряд районов полностью работает на топливном торфе. Стоимость единицы энергии на электростанции, работающей на торфе, в 3 раза дешевле, чем использование нефти и на 20 % — с углем.

Необходимо и в России существенно увеличить развитие торфяной промышленности.

1.5.2. Запасы и добыча торфа в России

Советский Союз являлся первой страной в мире по учтенным запасам торфа в количестве 200 млрд т, в том числе в России — 154,6 млрд т, это 92,9 % от общего содержания. При этом содержание верхового торфа в России составляет 81,7 млрд т, переходного — 23,4 млрд т, низинного — 44,7 млрд т и смешанного — 4,7 млрд т [35—41].

Россия располагает самыми большими в мире запасами торфа. Суммарные запасы и частично прогнозные ресурсы торфа составляют 162,7 млрд т. На долю России приходится 47 % мировых запасов торфа.

В России торфяные месторождения занимают площадь 64,7 млн га, площадь болот составляет 154,2 млн га, лесов 774,3 млн га, кустарников — 26,8 млн га, пашня — 123 млн га. Эти растительные экосистемы оказывают существенное влияние на состояние биосферы, а торфяные и лесные пожары изменяют ее экологический потенциал [1,2].

Торфяники и торфяные залежи занимают в России около 2 млн км2 или около 12 % территории. На Западно-Сибирской равнине торфяники занимают около 1 млн км2, мощность торфяной залежи достигает 4—6 м, а местами — более 10 м. Это самый заболоченный район Мира, в котором запасы торфа превышают 100 млрд т.

В России заторфованных земель 3,69 млн км2 (21,6 % территории); торфяников с толщиной торфа свыше 30см — 1,32 млн км2 (8,1 % площади страны), а более 50см — 975 тыс. км2 (5,7 %).

В Европейской части (4 млн км2) почти вся территория к северу от центральных черноземных областей заторфована. Общая площадь торфяников к западу от Урала — 1 млн км2, значительная часть их осушена.

Так, северные торфяники представляют собой смесь мертвого органического материала и воды. Они охватывают более 4 км2 в основных субарктических районах России и Канады, поглощая атмосферный углерод в форме углекислого газа, но при разложении и горении торфа выделяется большое количество другого парникового газа — метана CH4. Именно северные торфяники являются главным источником выброса метана.

В России учтено и частично разведано 65868 торфяных месторождений общей площадью 80,5 млн га и запасами около 235 млрд т (или 47 % от всех мировых запасов торфяного сырья). Потенциальные запасы торфяного сырья в стране составляют 68,3 миллиарда т. и уступают лишь углю (97 миллиарда т), но превышают суммарные запасы нефти и газа в России (31 миллиарда и 22 млрд т.

соответственно).

В географическом аспекте торфяные ресурсы России размещены крайне неравномерно. Наибольшие запасы сосредоточены в Западно-Сибирском (119,3 млрд т.), Северном (40,5 млрд т.), Дальневосточном (30,1 млрд т.), Восточно-Сибирском (25,0 млрд т.), Уральском (10,9 млрд т.) и Центральном (5,3 млрд т.) экономических районах.

Ранее по размерам добычи торфа Россия занимала первое место в Мире;

торф широко использовался комплексно как топливо, удобрения, ТВ строительстве, в медицинских целях, химической промышленности и др. Так, в 50-е годы ХХ столетия в России ежегодно добывалось более 50 млн т торфа на топливо, обеспечивающего устойчивую работу 80-ти электростанций, работающих на торфе, а также производство сельскохозяйственных удобрений объемом более 150 млн т в год. В этот период индустриального расцвета торфяной отрасли активно функционировало более 300 торфопредприятий. Такие производственные объединения как «Ленторф», «Калининторф», «Шатураторф» и другие добывали каждое в отдельности более 5 млн т торфа за сезон. Но уже в 2000 году объем добычи торфа в России составлял 13,6 млн т, а в 2005 объемы добычи торфа в пределах 4 млн т.

В настоящее время торфяная промышленность стала не конкурентоспособной по сравнению с угольной в вопросе топлива, с нефтегазовой и химической — в вопросе удобрений и т.д., прежде всего из-за очень затратного механизма добычи и переработки сырья. По данным Федеральной службы государственной статистики, если в 2000 г. в России добывалось около 4,1 млн т. торфа условной влажности, то в 2009 г. его добыча составила всего около 1,2 млн т, то есть, за десять лет объемы добычи торфа сократились почти в 3,5 раза.

Торф в России добывается в Приволжском, Центральном, Северо-Западном, Уральском, Сибирском и Дальневосточном федеральных округах (ФО). В трех из них (Приволжском, Центральном и Северо-Западном) в 2009 г. было добыто 92 % всего годового объема торфа. Приволжский ФО — основной в России по объемам производимого торфа, на его долю приходится 62 % от общероссийского производства торфа. Общие запасы торфа в Приволжском ФО составляют 1 185,9 млн т (3.8 % от общероссийских запасов), однако торф является возобновляемым ресурсом, и в настоящее время объемы добычи торфа не превышают его прирост. Как отмечалось выше, Приволжский ФО занимает лидирующие положение по объемам добычи торфа, где только в 2009 г. было произведено 62 % всего российского торфа (737 тыс. т). Около 93 % объема торфа, добытого в Приволжском ФО, относится к топливному виду. Общие запасы торфа в Центральном ФО составляют 2180 млн т (7.1 % от общероссийских запасов). Центральный ФО — второй по уровню добычи торфа в России.

В 2009 г. в этом округе было произведено 258 тыс. т торфа, что составляет 22 % от общероссийского объема. Около 64 % всего добытого в Центральном ФО торфа составляет топливный торф (рис. 9). В 2009 г. большая часть топливного торфа Центрального ФО (99 тыс. т, или 11 % от всего общероссийского объема топливного торфа) добыто в Костромской области. Костромская область обладает торфяными запасами объемом более 573 млн т, из них промышленной разработке подлежат 193 торфомассива (с общими запасами 515.6 млн т). Мисковская группа торфомассивов находится на территории Костромского и Сусанинского районов Костромской области и занимают площадь около 6000 га (общие запасы торфа в пересчете на влажность 40 %—24.0 млн т). В Тверской области добывается 53 тыс. т топливного торфа, что составляет 32 % всего производства торфа в Центральном ФО. Незначительное количество торфа добывается во Владимирской, Ивановской, Смоленской и Ярославской областях. Доля этих субъектов РФ в производстве торфа в Центральном ФО в 2009 году не превысила 8.5 %. С 2003 г. прекращена добыча торфа в Брянской, а с 2008 г. — и в Курской областях. В 2009 г. остановилось производство торфа в Московской и Рязанской областях. Общие запасы торфа в Северо-Западном ФО составляют более 8.3 млрд т, 27 % от общероссийских запасов. Округ относится к третьему по уровню добычи торфа в России. В Западной Сибири находится 39 % мировых запасов торфа. Однако современный уровень добычи торфа здесь невелик: в 2009 г. — всего 46 тыс. т, что составляет 5 % от всего объема добычи торфа в России.

Торфяное энергонаправление начинает развиваться еще в 20 субъектах РФ, включая, например, Карелию, энергоснабжение которой почти полностью заРис. 9. Распределение торфяных ресурсов по экономическим регионам России висит от привозного энергосырья. При поддержке местного правительства разработана долгосрочная программа использования в энергетике местных «переизбыточных» ресурсов торфа и лесозаготовительных отходов.

В Псковской области, располагающей крупными и качественными запасами, также считают целесообразным развивать торфяную энергетику. Приоритетными в этой связи будут проекты котельных, применяющих высокие технологии при использовании торфа и лесозаготовительных отходов. В областном бюджете на 2010 г. было выделено 100 млн руб. на реализацию данной программы.

Торфяное сырье как топливо можно использовать в нескольких видах:

фрезерный или кусочный торф либо брикеты и гранулы (у которых самое высокое качество). В Псковской области разведано 1,8 млрд т торфа, а добывают пока лишь 34 тыс. т в год.

Лидирует в этой сфере Тверская область. В 2010 г. в Департаменте угольной и торфяной промышленности было рекомендовано срочно разрабатывать региональные программы развития малой и средней энергетики на базе торфа и иных растительных энергоресурсов. Принято решение квалифицировать Тверскую область в качестве «пилотного» региона-полигона. Был поднят вопрос о новых прорывных технологиях по глубокой и комплексной переработке торфа, введении налогового кредитования торфопредприятий (по прямым налогам) на срок от трех до пяти лет включительно по ставке не менее и не превышающей ставки рефинансирования Банка России.

Под эгидой Тверского государственного технического университета в 2009 г. в рамках областной программы «Торф: 2010—2012» разработан проект, в котором обозначены инновационные технологии глубокой переработки торфа.

Предпочтение отдается кусковому торфу — по свойствам он почти идентичен каменному углю, но дешевле в 2,5 раза.

По предварительным оценкам местных экспертов, только в одном Весьенгонском районе области экономия за счет нового торфотоплива может составить 6 млн руб. за год. Причем при добыче 10 тыс. т в год запасов должно хватить на 20 лет. Расчетная мощность Весьегонского торфокомплекса в ближайшие годы должна составить свыше 9 тыс. т кускового торфа в год; затем предполагается нарастить добычу до 20—22 тыс. т и обеспечить топливом до трети территории области. Это адекватно торфоэнергоснабжению Бельгии, Нидерландов или Албании.

Общий объем запасов торфа в тверской области превышает 2 млрд т — это около 80 месторождений, но к 2010 г. разрабатывались лишь 43. Так что торфоресурсные параметры Тверской области способствуют созданию в ней профильного кластера общерегионального значения.

В Кимрском районе Тверской области, открыт современный автоматизированный завод по изготовлению топливных торфяных брикетов — недорогого и эффективного топлива. Их прессуют из измельченного и эффективного топлива. Их прессуют из измельченного высушенного торфа. Пока работает одна линия, на которой за год можно произвести 7500 т брикетов, а к 2012 г. будут запущены пять линий мощностью 35 тыс. т в год.

1.5.3. Запасы и добыча торфа на Урале — в Свердловской области

На территории Свердловской области выделяются 3 орографические зоны:

Восточно-Европейская равнина, Урал и Западно-Сибирская низменность.

Свердловская область расположена в глубине Евразии: большая часть ее находится в азиатской части — в пределах восточного склона Среднего и южной части Северного Урала и на равнинах Западной Сибири (Зауралье) примыкающей к Уралу с востока; Европейской части — западная часть области в пределах западного склона Урала и восточной окраины Восточно-Европейской равнины (Предуралье) [41].

Площадь области — 195 тыс. км, средняя плотность населения — 24,3 человека на 1 км2. По уровню развития Свердловская область самая мощная на Урале: концентрация промышленного производства в 4,6 раз превышает средний показатель по России. В области производилось 22 % национального дохода и 27 % промышленной продукции Урала.

Почвенный покров области разнообразен: наибольшее распространение — около 80 % — составляют подзолистые, дерново-подзолистые, серые лесные, болотные и заболоченные почвы.

Грунтовые воды залегают на глубине от 3 — 5 до 50 — 100 м и по химическому составу преимущественно относятся к гидрокарбонатным, натриевым, натриево-кальциевым и кальциевым водам с минерализацией от 0,4 — 0,5 до 1,0 г/л. С глубиной состав вод изменяется до сульфатного и хлоридного. Водообильность грунтовых вод изменяется от 0,1 до 10 л/с.

Недра Свердловской области располагают огромными торфяными ресурсами, по наличию которых она занимает второе место в Уральском федеральном округе, и четвертое среди областей России. Многочисленные малые и средние торфяные месторождения сосредоточены в центральной и южной частях области (рис. 10).

По данным Геолторфоразведки запасы торфа в Свердловской области 7678 млн т на 1850 торфяных месторождениях [41].

Общие запасы торфа на законсервированных и других природных для разработки, но не эксплуатируемых в настоящее время месторождениях, составляет около 270 млн т.

Безвозвратно потерянные запасы на недоработанных и переданных под коллективные сады и жилищную застройку месторождениях — 1963 тыс. т.

Заторфованность Свердловской области составляет в среднем 12,7 %, при этом 90 % всех запасов торфа сосредоточено на 204 торфяных месторождениях площадью 1000га и более, расположенных в основном в северо-восточных районах области.

Торфяные месторождения, как правило, представляют собой высококачественные торфяные залежи, на базе которых возможно производство самой разнообразной торфяной продукции.

Анализ торфяных ресурсов свердловской области показывает, что большая часть запасов сосредоточена на месторождениях низинного типа, представленных хорошо разложившимся торфом с зольностью до 15—23 %, что делает возможным их использование в качестве базы торфобрикетного производства.

Торфяники — болота, в которых образовался торф, занимают более 18 % территории Свердловской области. Преобладающее развитие болот отмечается в северо-восточной части области в низинных равнинах Зауралья, поскольку сток с этих равнин затруднен [9]. Наиболее заболочены здесь бассейны Тавды и Туры. Заболоченность этих территорий составляет 27 — 29 %, достигая по малым рекам 35 — 55 %. В долинах и междуречьях рек бассейнов Тавды и Туры раскинулись обширные массивы низинных, переходных и верховых болот с преобладанием указанных типов торфа. Заболоченность по бассейнам рек Исети и Пышмы составляет 8 — 12 %. Преобладают здесь низинные болота. Уменьшение количества болот отмечается на юге области. На восточном склоне Среднего Урала и в Зауральской возвышенности. Приурочены они к пониженным участкам рельефа, где развиты преимущественно средние по размерам низинные болота с преобладанием низинного торфа. В пределах горного Урала, на западном склоне и в Предуралье болота сравнительно малочисленны.

По степени освоения запасы (ресурсы) торфа в области существует:

1096 кондиционных торфяных месторождений: разрабатываемые — 11, резервные для добычи — 363, перспективные для последующих стадий разведки — 259, прогнозные рекомендуемые для разведки — 463;

579 некондиционных месторождений: малоконтурные — 389, засоленные — 18, мелкозалесистые — 170, месторождения ОМО (органоминеральные отложения) — 2. Также находятся 156неподлежащих разработке месторождений:

охраняемые — 136, мелиоративные — 5, затопленные и застроенные — 15;

Рис. 10. Торфяники центральной части Свердловской области 96 подлежащие исключению из баланса: выработанные — 24, переоцененные в заболоченности — 72.

На территории области, в Алапаевском районе, находятся два месторождения органоминеральных отложений (ОМО), высокая зольность которых (от 50 до 85 %) обусловлена повышенным вторичным засолением. Объем ОМО — 87 тыс. м3, их целесообразно использовать для эффективных удобрений.

Также на территории области расположена 231 заболоченность с общей площадью 22,1 тыс. га, которые рекомендуется использовать под сельскохозяйственное и лесохозяйственное мелиоративное освоение.

Всего на территории Свердловской области имеется 1853 торфяных месторождений, в том числе подлежащих учету в балансе запасов 1814 торфяных месторождений с общей площадью 2795 тыс. га в нулевой границе и 2107 тыс.

га в границах промышленной глубины торфяной залежи.

Таким образом, суммарные запасы торфа в Свердловской области составляют 7998,2 млн т при 40 % условной влаге, то есть около 8 млрд т торфа.

Торфяные ресурсы на территории области распределены неравномерно:

около 84 % от общих запасов по области сосредоточены в северо-восточном Зауралье, 9 % — в горной части территории, 4 % — в юго-восточной части Зауралья, более 2 % — северо-западной части и менее 0,5 % — в юго-западной части области.

Многочисленную группу составляют торфяные месторождения площадью в границах промышленной глубины торфяной залежи до 100 га — имеется 1028 таких месторождений или 56,6 % от общего количества. Площадь менее 10 га имеют 416 месторождений — 22,9 %. Несмотря на преобладание количества малых торфяников, их запасы торфа составляют 79,4 млн т или 1 % от общих ресурсов области (табл. 19).

Основные запасы торфа сконцентрированы на торфяниках площадью более 1000га каждое — 226 месторождений, 12,5 %. Общая площадь их в границах промышленной глубины торфяной залежи составляет 1878,4 тыс. га с ресурсами торфа в количестве 7148,2 млн т, то есть 89,4 %.

Запасы торфа на территории области представлены всеми типами торфяной залежи (табл. 22). Наибольшее распространение имеют ресурсы торфа, слагающие залежь низинного типа — 4104,7 млн га (51,3 %) на 1416 месторождениях.

Запасы торфа на территории области представлены всеми типами торфяной залежи (табл. 23). Наибольшее распространение имеют ресурсы торфа, слагающие залежь низинного типа — 4104,7 млн га (51,3 %) на 1416 месторождениях.

Большая часть торфа имеет довольно высокую степень разложения R: низинного — 34 %, переходного — 32 %, верхового и смешанного — 23 %.

Торфяные месторождения имеют высокое качество торфа: зольность — Таблица 22 Распределение торфяных месторождений по размерам площадей

–  –  –

Площадь в границах Ресурсы торфа 40% влаги Количество торфяных промышленной глубиТип залежи месторождений ны торфяной залежи, тыс.т % га Верховой 209 568 122,2 2 192 586,7 27,4 Смешанный 9 55 753,6 207 350 2,6 Переходный 180 43 5201,3 1 493 555 18,7 Низинный 1416 1 048 037,2 4 104 662 51,3 Итого по области 1814 2 107 114,3 7 998 153,7 100 наибольшая 23 %. Средние показатели торфа по зольности: низинный — 8,8 %, переходный — 6,6 %, верховой и смешанный — 3,7 %.

Удельный вес разрабатываемых ранее и сейчас месторождений составляет около 4 % от общих ресурсов торфа. Если в середине 60-х — начале 90-х годов ежегодная добыча торфа достигала 3,5 — 4,0 млн т, то в последующем она снизилась более чем в 10 раз и направлена в данное время на получение удобрений и полубрикетов.

В настоящий период на территории области разрабатывается 11 торфяников, общий и площадью в границах промышленной глубины торфяной залежи 19,6 тыс. га с оставшимися балансовыми запасами торфа 17,2 млн Добычу ведут Басьяновское, Монетное, Аятское, Широкореченское торфопредприятия, МУП «Торфомаш», ОАО «Свердловскторф». Общий объем добытого торфа составляет в 2000г — 93,5 тыс.т., в 2001 г. — 45 тыс.т., в 2010 г. —, в 2011 г. — в основном для удобрений и полубрикетов.

Резервные для разработки торфяных месторождений составляют 363 торфяника с общей площадью 271,4 тыс. га и запасом торфа 1096,6 млн т. Перспективные для последующей разведки месторождений — 259 торфяника с общей площадью 628,6 тыс. га и запасом торфа 2366,4 млн т. Рекомендованные месторождения с прогнозными ресурсами составляют 463 с общей площадью 1098,6 тыс. га и запасом 3655,8 млн т.

Некондиционными являются 579 торфяных месторождений с общей площадью 173,6 тыс. га и запасом торфа 394 млн т. К ним относятся малоконтурные месторождения, засоленные с зольностью свыше 35 %, мелкозалежные, неподлежащие к разработке относятся 141 торфяное месторождение: охраняемые, затопленные, застроенные и мелиорированные и выработанные.

Почти 90 % всех запасов торфа в Свердловской области сосредоточено на 204 торфяных месторождениях площадью 1000 гектаров, расположенных, в основном, в северо-восточных районах. Торфяные месторождения на Урале позволяют организовать производство самой разнообразной торфяной продукции, в том числе торфобрикетов.

В Свердловской области добыча и использование торфа практически свернуты. Если в 1987 году его добывалось около 3,6 млн т/год, то в 1999 добыча снизилась до 0,135 млн т.

По имеющимся оценкам запасов торфа, Свердловская область занимает одно из ведущих мест в России. Прогнозируемые запасы торфа превышают 5 миллиарда т, в т.ч. балансовые запасы составляют 1,6 миллиарда т. Запасы торфа Среднего Урала позволяют обеспечить до 1 тысячи мегаватт энергетических мощностей.

Наиболее крупные месторождения Свердловской области: Таборинское месторождение — 1780 млн т., Гаринское месторождение — 1250 млн т., Серовское месторождение — 840 млн т., Туринское месторождение — 470 млн т., Тавдинское месторождение — 460 млн т.

В настоящее время одиннадцать предприятий имеют лицензии на добычу торфа, в 2005 году добыча велась на 6 месторождениях. Добытый торф используется в качестве удобрений и топлива.

Учитывая высокое качество торфа Свердловской области его рекомендуется использовать в различных областях в следующем количестве [41]:

торфяные топливные брикеты — 901,1 млн т.(торфобрикеты и пеллеты);

торфяные брикеты для металлургии — 100 млн т. (метобрикеты);

комплексные торфяные удобрения — 998,3 млн т. (торфоудобрения);

торфяная подстилка в животноводстве — 79,2 млн т.;

теплоизоляционные торфоцементные строительные панели и блоки — 65 млн т. (торфобетоны);

воск, битумы, заполнители пластмасс, торфощелочные реагенты — 0,3 млн т.;

активные угли, кокс — 3,2 млн т.;

гуминовые кислоты, гуминовые удобрения, гексаторф — 711 млн т.;

гидролизное сырье: полисахариды, многоатомные спирты, фурфурол, щавелевая кислота, кормовые дрожжи и др. — 63,5 млн т.;

торфяные вяжущие материалы, выгорающие добавки для фильтров, смазочные материалы с добавками масел, фармацевтика, новые химические соединения и множество других новых, высокоэффективных областей применения — 10 млн т.

Следовательно, на Урале — в Свердловской области находится 1853 торфяных месторождений на общей площади 2795 тыс.га. Торфяные ресурсы области составляют 8 млрд т. высококачественного торфа, который представляет собой все типы торфяной залежи: низинным — 51,3 %, верховым — 27,4, смешанным — 18,7 % и переходным 2,6 %.

Месторождения торфа имеют различные размеры. Основные ресурсы торфа — 89,4 % приурочены к месторождениям площадью свыше 1000 га, в которых 56,4 % составляют месторождения площадью свыше 10000 га. По хозяйственной значимости высококачественный торф Свердловской области, безусловно, пригоден для широких областей его эффективного использования.

1.5.4. Ресурсная база Сибири и ее использование

В Сибири сосредоточено более половины общероссийских запасов торфа, но в регионах торфяная энергетика не развивается и даже не обозначена в больших и малых стратегиях — хотя это самая холодная территория России (табл. 24). По некоторым данным, около 20 млн домов в стране отапливаются дровами — не только в деревнях и селах, но и в городах. Эта составляющая природных богатств Сибири может сделать существенный вклад в многоотраслевую модернизированную экономику России [42, 43].

Заторфованность территории неоднородна: основные запасы — в центральных районах Сибири, а к северу и югу процессы заболачивания и торфонакопления затухают. На юге Сибири (Кемеровская область, алтайский край, юг Новосибирской, Иркутской областей и Красноярского края) преобладают месторождения низинного типа, часто мелкозалежные, с высокозольными торфами. В основном это резерв площадей для сельскохозяйственного освоения и лесоразведения, частично торф этой зоны может быть использован для удобрения.

В центральной части Сибири, наряду с низинными, широко распространены малоразложившиеся верховые сфагновые торфы. Многообразие свойств обусловливает их применение в самых различных отраслях хозяйствования: в качестве подстилки в животноводстве, для получения удобрений, изготовления продукции химической переработки (торфяного грунта и горшочков, питательных брикетов, субстратных торфоблоков и т.д.) и др. Возможно производство топливных торфяных брикетов и сырья для строительных материалов.

Для органо-минеральных удобрений наибольший интерес представляют торфовивианиты — торфы с повышенным содержанием Р2О5. Специальные исследования по выявлению фосфоросодержащих торфов в ПГО «Новосибирскгеология» стали проводиться с 1982 г. Была выполнена детальная разведка трех месторождений болотных фосфатов в Новосибирской и Томской областях, открыт ряд проявлений в кемеровской, новосибирской областях и Алтайском крае (табл. 25).

Освоение запасов торфов и болотных фосфатов необходимо, в первую очередь, для эффективного ведения сельского хозяйства.

В 1986—1990 гг. предполагалось завершить поисковые работы на территории Алтайского края, Новосибирской и южных районов Томской областей;

подготовить к освоению и передать сельскому хозяйству для практического использования ряд месторождений торфа с суммарными запасами по промышленным категориям в объеме не менее 200 млн т. Но в силу известных причин не все удалось сделать.

Широкомасштабное освоение торфяных болот Сибири предполагает:

учитывать охранную роль болот в сохранении экологического равновесия природной среды;

применять на торфопредприятиях самую современную технологию производства, позволяющую экономно и с максимальным эффектом вести комплексное безотходное использование торфа;

использовать выработанные торфяные площади под лесоразведение, сельскохозяйственное производство, организацию рыбного хозяйства.

Перевести торфяную промышленность на новый, более высокий уровень развития путем ее модернизации с выпуском торфяной продукции с наибольшей степенью полезности у потребителей — актуальнейшая задача сегодняшнего дня. Для решения этой задачи необходимо, прежде всего, ликвидировать возгорание торфа и торфяные пожары, наносящих большой ущерб экономике нашей страны и здоровью населения, т.е. в начале необходимо сохранить торф, а затем его эффективно использовать.

Таким образом, торф отТаблица 24

–  –  –

С2 С

-

-

–  –  –

-

-

–  –  –

смотря на то, что в них не ведется добыча торфа (кроме Германии), при этом они являются лидерами по экспорту торфа и торфяных смесей. Эти страны в довольно больших объемах перерабатывают импортированный (в том числе из России) торф в торфяные смеси сельскохозяйственного назначения и затем экспортируют его во многие страны мира.

Из числа стран-лидеров по производству торфа самыми крупными экспортерами торфа и торфяных смесей в натуральном выражении являются: Канада, Латвия, Эстония, Ирландия, Беларусь, Литва.

Крупные торфопроизводящие страны можно разделить на те, которые преимущественно сами потребляют добытый торф, и на те, которые являются экспортно-ориентированными.

Так, крупнейшими мировыми производителями торфа, которые потребляют и перерабатывают сами большую часть добытого ими продукта, являются:

Финляндия, Ирландия, Беларусь, Россия. Финляндия является абсолютным лидером не только по добыче, но и по потреблению торфа с многократным превышением по отношению ко всем другим странам. При этом не только экспорт, но и импорт торфа не имеют для нее большого значения. Экономика этой страны использует и перерабатывает почти полностью весь объем добытого ею торфа, который является самым значительным в мире.

Напротив, Германия является крупнейшим в мире экспортером торфа и торфяных смесей (ее экспорт в 2 раза превышает по объему в натуральных показателях экспорт Канады). При этом объем ее экспорта превышает суммарный объем добычи и импорта в натуральных показателях в 2,6 раза. Объяснить такой значительный дисбаланс можно только тем, что в составе смесей, производимых в Германии весьма высока весовая доля примесей: песка и глины.

Таким образом, крупнейшими экспортерами изделий из торфа являются:

Канада, Великобритания, Венгрия, Дания, Норвегия. Причем все эти страны, кроме Канады и отчасти Дании (300 тыс. тонн торфа в год), не являются значительными производителями торфа. Странами, чье производство торфа является наиболее экспортно-ориентированным, являются Латвия, Эстония, Канада, Литва.

В мировом экспорте торфа и продуктов из торфа Россия ведет успешную торговлю с Японией, Германией, Нидерландами, а также странами, в которых развернуты работы по повышению плодородия почв, предотвращению эрозии земель и осуществлению экологических программ Проанализировав структуру импорта торфа и торфяных смесей стран, которые имеют значительную долю в российском экспорте в натуральном и в денежном выражении специалисты компании ASMARKETING выявили конкурентов на основных рынках сбыта. Соперниками России оказались Латвия, Эстония, Литва, Бельгия, Германия, Нидерланды, Финляндия.

Добыча торфа в Латвии и Эстонии является полностью экспортноориентированной, в Литве — в преобладающей степени. Структура экспорта трех прибалтийских республик обращает на себя внимание в первую очередь большим количеством стран-импортеров по сравнению с Россией (которая экспортирует в 27 стран), причем буквально на всех континентах (что говорит о не только повсеместном спросе на этот товара, но и об экономической целесообразности морских перевозок торфопродуктов на большие расстояния).

Эти факты определенно говорят о высокой международной активности прибалтов в торфяном бизнесе. Однако надо заметить, что эти страны имеют очевидное географическое преимущество — близость мест добычи торфа к морским портам. В аналогичной ситуации в России находится только Калининградская область.

Особенность российского торфяного бизнеса состоит в том, что основные российские регионы-экспортеры торфа и торфяных смесей (Калининградская, Ленинградская области, Сахалин) (рис.12) являются приграничными и обладают, за исключением Карелии, морскими портами. Регионы, удаленные от границ и портов, в экспорте торфа практически не участвуют. Таким образом, экспортные потоки российского торфа направлены из приграничных регионов России преимущественно в соседние страны.

Грунты на основе торфа Россия поставляет в основном в южные страны СНГ, причиной чего, очевидно, является не только близость, но и наличие сложившихся связей еще со времен СССР. Присутствует в этом списке и такие страны, как, например, Бахрейн. Это говорит о перспективности поставок торфопродуктов для сельского хозяйства (с целью повышения плодородия почв) в южные засушливые регионы планеты, в том числе в страны Ближнего Востока.

Приведенные данные по другим странам — экспортерам, причем соседям РФ, подтверждает это наблюдение.

Поэтому помимо описанных выше рынков Бельгии, Нидерландов, Германии, Финляндии, могут быть перспективными для российских производителей Рис. 12. Структура экспорта торфа и торфяных смесей РФ в 2009 г. по субъектам РФ в долях в натуральном выражении Рис. 13. Структура российского экспорта торфа и торфяных смесей в разрезе предприятий-экспортеров в 2010 г. в натуральном выражении торфа и торфопродуктов страны Южной Европы, страны Ближнего Востока, Юго-Восточная Азия.

Очевидно, что существенным объективным фактором, препятствующим развитию российского экспорта торфа, является географическая удаленность мест добычи торфа от морских портов. Для того чтобы, внутренние торфодобывающие регионы страны, например Кировская область (на которую приходится, как известно, около 40 % всей российской добычи торфа), могли участвовать в экспорте торфа, прежде всего необходимо решение на государственном уровне относительно введения льготных тарифов на железнодорожные перевозки торфа, как это имеет место для каменного угля.

Основными игроками на рынке торфа и продуктов из торфа России являются такие компании, как ОАО «Торфопредприятие «Нестеровское» и ООО «Торфо», ТЗ «Агроторф», «Торфпромэкспорт» МНПП «Фарт», «Деметра», «Пельгорское-М» (рис. 13).

Таким образом, необходимо увеличивать российский экспорт торфа, торфяных смесей и торфокомпозитов с обязательным повышением степени их полезности для потребителей.

Глава 2 Процессы возгорания торфа и тушения торфяников

2.1. Механизм возгорания торфа Торф представляет сложную, неоднородную по вещественному и химическому составу систему, в которую входят целлюлоза, битумы, лигнин, фенолы, гумусовые кислоты и другие, состоящие из углерода, водорода, кислорода и азота. Поэтому торф способен и склонен к самонагреванию и к самовозгоранию. В связи с этим торф относится к пожароопасным природным веществам, а при некоторых режимах горения торфяников — к взрывоопасным веществам.

Поэтому проблемы предотвращения возгорания торфа и ликвидации торфяных пожаров относится к важнейшим государственным задачам.

Необходимо отметить — с каждым годом возрастают масштабы торфяных пожаров, уничтожая природное сырье и нанося существенный вред здоровью населения. Торфяные пожары обычно горят на значительно меньших по размеру территориях, чем лесные пожары, однако в них сгорает почти в десять раз больше биологической массы, чем в случае поверхностных пожаров, а также выделяются больше дыма и токсичных газов (метана, углекислого и угарного газов, формальдегида, оксидов азота, ароматических углеводородов, бензапирена и др.). Тяжелые последствия торфяных пожаров требуют особого внимания к вопросам противопожарной охраны торфяников и разработке новых высокоэффективных способов их тушения. Ежегодное и круглогодичное горение торфяников свидетельствует о неэффективности применяемых методов и способов их тушения. Для разработки новых методов тушения торфяных пожаров необходимо понимание механизма возгорания торфа и распространения его горения.

Торфяные пожары характерны для второй половины лета, когда в результате длительной засухи верхний слой торфа просыхает до относительной влажности 25—40 %. При таком содержании влаги он может загораться и поддерживать горение в нижних, менее сухих слоях. Различают одноочаговые и многоочаговые торфяные пожары. Если пожар возник от загорания напочвенного покрова, то возможно заглубление огня в органический слой почвы сразу в нескольких местах. Когда пожар возник от костра, то это, как правило, одноочаговый пожар.

Механизм горения торфа в основном гетерогенный беспламенный. Торфяная масса содержит в порах некоторое количество воздуха, в связи с чем тлеющее горение может протекать в изолированных условиях практически без доступа кислорода. Более 50 % тепла затрачивается на подсушивание торфа [42]. Аккумулирование тепла способствует распространению горения в глубоких слоях даже при влажности более 50 %. Чаще всего заглубление горения происходит не в одном, а в нескольких местах, что обусловливает развитие так называемых многоочаговых пожаров. При достаточной мощности торфяного слоя (не менее 9 см) тление распространяется и в горизонтальном направлении. Обычно торф прогорает на всю глубину залегания до минерального слоя почвы или до уровня грунтовых вод. При прогорании торфа формируются каверны (пещеры) глубиной до 1,5 м. При этом верхний напочвенный слой может оставаться несгоревшим. Это обстоятельство затрудняет определение границы подземного пожара и создает для людей и техники опасность при его ликвидации. Причиной возгораний могут быть тлеющие частицы торфа, разносимые ветром на расстояние до 50 м и более. [42].

Согласно статистике примерно в 10 % случаев причиной торфяных пожаров является его самовозгорание. В результате осушения торфа на торфоразработках или длительной засухи, при понижении влажности ниже 50 %, торф способен самовозгораться или легко возгораться от маломощного источника зажигания (искры, окурка). Особенно опасны в этом плане торфополя и места добычи торфа, где торфяная крошка находится на поверхности и хорошо высушивается. Первоначальное выделение тепла в торфе происходит за счет экзотермического биологического процесса — жизнедеятельности бактерий и микроорганизмов. Развитие их в торфе начинается уже при температуре 8—10 С. Питательной средой для бактерий служат водорастворимые вещества углео водного характера (фульво- и гуминовые кислоты), образующиеся в результате распада растений. В результате жизнедеятельности бактерий и микроорганизмов происходит самонагревание внутренних слоев торфа и скорость этого процесса, в зависимости от характера торфа и условий внешней среды, может достигать 0,5—4,5 оС за сутки. За первые 30—40 суток температура в штабеле торфа повышается обычно на 3—5 оС, в последующие 10—30 дней рост температуры ускоряется от 0,5 до 4,5 оС/сутки и более. На скорость нагрева большое влияние оказывает влажность торфа. В очень сухом и очень влажном торфе развитие микроорганизмов затруднено. Опыты показывают, что торф, содержащий выше 50 % влаги, самовозгораться не способен.

При температуре 40—60 оС в процессе самонагревания начинает приобретать значение тепло, выделяющееся за счет окисления некоторых составных частей торфа, а при температурах 60—70 оС этот источник становится основным. Интенсивность окисления торфа увеличивается при понижении влажности до 35—45 %. Самовозгорание происходит, когда тепла в активной зоне образуется в 3 раза больше, чем из нее отводится. Как правило, это происходит при высоте штабеля более 2м. [43, 44].

При горении торфа его более глубокие слои выделяют больше тепла, чем верхние, менее разложившиеся. Это связано с возрастанием по мере разложения органического вещества в его составе, битумов и гуминовых кислот. Так, повышение степени разложения торфа на 10 % увеличивает его теплотворность на 0,42—1,67 кДж. Поэтому, чем более осушена торфяная залежь, тем более интенсивно, с высокими температурами и выделением большого количества тепла будет развиваться пожар. Но главное — незначительный пожар на торфянике при высоком стоянии грунтовых вод обнажает нижние слои торфа, которые при повторном горении дают более высокие температуры горения и более глубокие последствия. То же самое на начальной стадии разработки торфа, когда обнажаются его более разложившиеся слои.

В процессе самонагревания торфа за счет экзотермических реакций окисления растительных остатков происходит изменение его состава. При температуре превышающей 60 оС, торф в течение нескольких дней превращается в полукокс, способный энергично взаимодействовать с воздухом. Если взять поперечный разрез каравана, то 10—15 % его сечения занимает зона полукокса. Полукокс представляет собой (по сравнению с исходным торфом) сильно обогащенную углеродом пористую массу низкой влажности (2—5 %). Если по трещинам, особенно во время сильного ветра, к полукоксу усиленно приникает воздух, температура быстро поднимается и возникает горние. [44].

Торфяной пожар — это неконтролируемый процесс дымного горения торфа в местах его образования, добычи и хранения.

Торф представляет собой продукт неполного разложения растительной массы в условиях избыточной влажности и недостаточной аэрации. Он является обводненным конгломератом битумов, гуминовых кислот, их солей, других продуктов разложения растительного материала и не успевших еще разложиться элементов растений. Торф обладает самой высокой из всех твердых топлив влагоемкостью. Основными тепловыми характеристиками торфа являются его теплотворная способность, а также коэффициент теплопроводности.

Основными горючими материалами у торфов являются углерод (52—56 % от общей массы) и водород (5—6 % от общей массы), кроме того, в составе торфа имеется от 30 до 40 % атомов кислорода, связанного в молекулах химических веществ, из которых состоит торф. Среднее значение величины теплотворной способности торфа, зависящей от его вида и степени разложения, равно 23 тыс. кДж/кг [23]. Под воздействием температуры, влажности и других причин торф постепенно разлагается. Чем выше степень разложения торфа, тем больше он подвержен возгоранию.

Возгорание торфа возможно в течение всего года, но чаще всего во второй половине лета, когда он высыхает. Происходит самовозгорание торфа в результате саморазогрева, а также возгорание из-за попадания на него искр от источников огня и работающих машин; грозовых разрядов и пр.

По классификации торфа к самовозгоранию он подразделяется на группы:

А — безопасная, Б — среднеопасная и В — опасная. [6].

Самонагревание и самовозгорание начинается с прохождения биохимических процессов под воздействием атмосферных осадков с саморазогревом и повышением температуры примерно на 5 оС, что приводит к дальнейшему повышению температуры торфа. Это обусловлено низкой теплопроводностью торфа.

Процесс самовозгорания торфа является синергическим (самоорганизационным) и проходит четыре стадии развития:

первая — скрытный процесс повышения температуры торфа на 3—5 оС от атмосферной;

вторая — повышение температуры торфа до 30—80 оС;

третья — процесс пульсации с отклонением температуры торфа на 5 — 10 оС %;

четвертая — понижение температуры торфа на 0,2 — 9,5 оС в сутки.

Сначала под влиянием внешних факторов (например, нагрева солнечными лучами) слегка повышается температура внутри торфяного пласта, что создает благоприятные условия для развития некоторых микроорганизмов. Поэтому на первой стадии саморазогрева в торфе размножаются бактерии, грибки, которые питаются продуктами распада торфа.

За счет жизнедеятельности бактерий торф разогревается еще сильнее.

Когда температура достигает 70 оС жизнедеятельность микроорганизмов прекращается и действует только химические реакции. Саморазогрев переходит в третью стадию, которая продолжается от 1 до 8 месяцев и завершается самовозгоранием торфа с постепенным снижением его температуры в четвертой стадии развития. Этот процесс стимулируется высокой температурой воздуха до 30 — 40 оС, при которой пожар вырывается на поверхность.

Влияя на состав бактерий, живущих в торфе, можно заставить бактерии потреблять кислород и ингибировать (подавлять) процесс горения торфа. Вводить бактерии в торф нужно с водой и смачивателями. Но этот процесс может выйти из под контроля.

Процесс самовозгорания торфа сопровождается следующими изменениями:

уменьшением влажности в зонах самовозгорания;

увеличение влажности в верхних слоях торфа;

измельчением торфа с температурой более 60 оС в хрупкую обуглившуюся, пористую и сухую массу типа «полукокса»;

увеличением содержания углерода и золы;

уменьшением содержания водорода и летучих веществ;

повышением температуры в зоне «полукокса».

Саморазогревание торфа приводит к его самовозгоранию под воздействием кислорода воздуха при температуре 35 — 60 оС и влажности ниже 40 %.

Интенсивность самовозгорания торфа зависит от его влажности — чем больше влажность торфа, тем меньше самовозгорание.

Наиболее склонны к самовозгоранию низинный и верховой торф, особенно со второй половины лета.

Для предотвращения самовозгорания наибольшее распространение получила изоляция поверхности слоем торфа с влажностью более 65 %. Это предотвращает поступление кислорода из воздуха, создает среду из азота и углекислоты неприятную для жизнедеятельности микроорганизмов, что приводит к снижению самовозгорания торфа. Слой торфа 15—20 см и влажность 78—85 % на поверхности предотвращает появление очагов самовозгорания.

Перспективным мероприятием от самовозгорания торфа является покрытие полиэтиленовой пленкой.

Намокание поверхности торфа способствует его самовозгоранию вследствие перемещения влаги из разогревшегося слоя в поверхностный слой с конденсацией влаги и с уменьшением его теплопроводности.

Торф горит в беспламенном режиме в свободном состоянии и в режиме тления в торфяниках. Режим горения в виде тления занимает промежуточное положение между сугубо гетерогенным и обычным диффузионным горение.

Это обусловлено недостатком поступающего к горящему материалу кислорода, что приводит к неполному окислению торфа, более низким температурам и меньшей скорости распространения. Все параметры тления определяются только степенью доступа кислорода, которое и определяет технологию пожаротушения.

Торф начинает тлеть уже при температуре около 50 оС.

При температуре 100 оС в торфе происходит испарение свободной, механической и физически связанной воды, то есть процесс сушки торфа, а при температуре 100 оС — процесс пиролиза торфа.[44].

Интенсивный распад торфа начинается при температуре 250 — 300 оС с выделением большого количества газа и воды. При температуре 300 — 400 оС происходит выделение смолы (дегтя), который заканчивается при температуре 550—600 оС. При температуре 900 оС и выше происходит выделение летучих соединений и возрастание зольности.

Механизм возгорания торфа обусловлен поступлением кислорода из трех мест: из окружающего воздуха через высокопористую структуру торфа, содержащего до 40 % кислорода, из свободного кислорода воздуха и воды. При этом кислород вступает в биохимические реакции с органикой (углерод) торфа и в окислительные реакции с его минеральной составляющей — все эти реакции экзотермические, сопровождающиеся выделением тепла и повышением температуры. В результате этих процессов происходит его самовозгорание даже в изолированных условиях, без внешнего поступления кислорода. Только после полного расхода кислорода тление торфа прекращается [42—53].

Торф в естественных условиях содержит до 1200 % влаги и поэтому не самовозгорается. Но при сухой погоде влажность торфа в основном беспламенный, гетерогенный. В порах торфа содержится много воздуха, поэтому торф горит без внешнего доступа воздуха.

Причинами самовозгорания торфа являются тепловые, химические и микробиологические процессы. Основным механизмом самовозгорания торфа являются тепловой. С повышением температуры происходит существенное увеличение внутренней энергии вещества, что сопровождаются превышением скорости выделения тепла над скоростью его теплоотвода. Это указывает на необходимость повышения теплопроводности торфа.

Основным условием зарождения тлеющего возгорания торфа являются его окислительные, экзотермические реакции с образованием углистого остатка, способного к дальнейшему взаимодействию с кислородом. [54,55].

Существует много факторов, ускоряющих самовозгорание и тление торфа.

К ним относятся, прежде всего, внешнее и внутреннее повышение температуры торфа — из окружающей среды (погода и человеческий фактор) и за счет экзотермических реакций с кислородом. Так, при температуре около 20 °С реакция окисления протекает очень медленно, и отток тепла замедляет разогрев торфа. Но повышение температуры резко увеличивает тепловыделение, что и приводит к самовозгоранию торфа. При этом теплообмен отвечает за распространение пожара, а газообмен — как за поддержание, так и за распространение пожара.

Другими факторами, ускоряющими самовозгорание торфа, являются повышение дисперсности и пористости торфа — увеличение площади контакта с кислородом, газообмен, химическая природа торфа, состав продуктов пиролиза, наличие катализаторов, ускоряющих образование углистого остатка, а также уменьшение влажности торфа.

Обычно торф прогорает на всю глубину залегания вплоть до минерального слоя почвы или до уровня грунтовых вод. При выгорании торфа образуются каверны глубиной до 1.5 м с сохранением верхнего слоя почвы. Причиной возгорания могут быть тлеющие частицы торфа, разносимые ветром на большие расстояния.

Скорость распространения торфяных подземных пожаров составляет от нескольких сантиметров до нескольких метров в сутки.

Уменьшающими самовозгорание торфа факторами являются следующие:

снижение температуры поверхности и глубинных слоев торфа, повышение влажности торфа до 500 % и более, увеличение плотности и теплопроводности торфа, снижение диффузии кислорода из окружающей среды и уменьшение скорости биохимических, экзотермических реакций. Существенно снижает самовозгорание торфа применение термолизных веществ, разлагающихся при нагревании с поглощением тепла, т.е. использование эндотермических реакций. Так, температуру самовоспламенения сильно (на 100—200°С) понижает очень малое содержание примесей от 0.01 до 1 об. %.

Температура воспламенения торфа составляет 218—273°С. Наибольшее влияние на снижение температуры воспламенения торфа оказывает добавка CaO [43].

Основным направлением предотвращения самовозгорания торфа является физическое и химическое блокирование его углерода от кислорода путем введения в торф различных антиоксидантов и наночастиц, препятствующих реакции окисления углерода за счет отнятия кислорода и уменьшающих контактную поверхность торфа с кислородом. Такой процесс называется легированием торфа, а сам новый вид торфа — наноторфом.

Чистая вода не смачивает торф. Только после охлаждения торфа большим количеством воды его горение затухает.

Добавки к воде, увеличивающие смачивание торфа — ПАВ, применяли с 1950 г. За этот период установлены многие ПАВ, увеличивающие смачивание торфа в сотни раз и повышающих тем самым эффективность тушения торфяных пожаров. К таким ПАВ относятся, например, отходы производства щелочных, фосфатных, органоминеральных и других веществ.

Таким образом, механизм самовозгорания торфа заключается в синергетических прохождениях внутренних и внешних процессов: внутренних — прохождение биохимических и химических реакций, связанных с выделением тепла и нагревом торфа, и внешних — дополнительным нагревом торфа от внешних факторов (человеческих и природных), приводящих к усилению реакций взаимодействия углерода с кислородом воздуха, воды и самого торфа. В органоминеральном составе торфа содержится до 40 % кислорода. Поэтому основные реакции в торфе экзотермические, окислительные — связанные с выделением тепла и приводящие в итоге к его термодеструкции и изменению свойств.

Для предотвращения самовозгорания торфа:

производят первоочередную вывозку самонагревающегося торфа и изолируют караваны сырой торфокрошкой влажностью не менее 65 % для прекращения поступления в караван воздуха;

сокращают сроки хранения торфа;

охлаждают торф путем периодического послойного перемещения в штабеле;

уплотняют штабели;

изолируют штабели или очаги самонагревания от атмосферы;

изменяют технологию добычи (замена фрезерного торфа гранулированным);

убирают торф в более холодное ночное время или в утренние часы;

Механическое воздействие на торфяники (окапывание торфяников, их уплотнение тракторами в зимнее время, перекапывание с дополнительным увлажнением и др.) также снижает вероятность возникновения торфяных пожаров [57—62].

2.2. Процессы, происходящие при термодеструкции и горении торфа При нагревании торфа в нем происходят различные экзо- и эндотермические процессы, связанные со сложным, многокомпонентным составом торфа [6, 23, 44].

Химический состав исходного торфа следующий (масс %): 54-63-С; 33О; 6-7-Н; 1,5-2,6-N; 0,2-0,5-S и 5-14 — зола (А).

Потеря массы при нагревании исходного торфа происходит в три этапа:

на первом этапе: при tmax=105—108 °С — эндоэффект до 190°С, вызван удалением воды с потерей массы 37,1 %;

на втором этапе: при tmax=268 и 315 °С — два экзоэффекта от 190 °С до 315 °С, вызванные с деструкцией торфа и образованием новых соединений с потерей массы 13,1 %;

на третьем этапе: при tmax=435,490 и 505—510 °С — три экзоэффекта от 315 до 510°С, вызванные деструкцией торфа и образованием новых соединений с потерей массы 19,4 %.

Общая потеря массы составляет около 70 %.

Пиролиз торфа начинается при температуре 140—150 °С без доступа воздуха, при 170—190 °С выделяется газ, при 200—230 °С образуется деготь, при 550 °С пиролиз практически прекращается, хотя выделение газа происходит даже при 900 °С и выше.

Термическая деструкция торфа при нагревании до 550—600 °С происходит поэтапно с прохождением реакций дегидратации, декарбоксилирования, окисления и разрушения углерод-углеродных и других связей, а также с образованием новых химических соединений. При этом только реакции дегидратации сопровождаются эндотермическим эффектом (с поглощением тепла), а все остальные реакции сопровождаются экзотермическими эффектами (с выделением тепла).

Следовательно, основные процессы при нагревании торфа происходят с выделением тепла, кроме реакции дегидратации при низких температурах. Накопление тепла за счет реакций взаимодействия углерода с кислородом самого торфа, воздуха и воды приводит в итоге к самовозгоранию торфа.

В тлеющем торфе потеря массы составляет около 33 % и складывается из двух этапов: около 20 % при нагревании до 210 °С вследствие эндоэффекта удаления влаги при деструкции торфа и 12—13 % при 250—520 °С из-за экзоэффекта образования соединений и деструкции торфа. Второй этап имеет два размытых пика при максимальной температуре 310—355 °С и 406—408 °С.

Торфяная зола поглощает 250 % воды; наибольшее водопоглощение золы обуславливают 3 %-ные растворы солей FeCl3 — 320 %, MgSO4 — 300 %, Na2CO3 и NaHCO3 — по 200 %. Это полностью согласуется с увеличением pH растворов.

Следовательно, щелочные растворы технической соды увеличивают водопоглощение торфа примерно в три раза и не повышают водопоглощение торфяной золы. В итоге тлеющий торф и зола поглощают меньше воды, чем торф до пожара. При этом увеличение концентрации растворов с 3 до 12 % практически не повышает поглощение воды.

Такое поглощение воды обусловлено взаимодействием ее с углеводными структурами (целлюлозы, гемицеллюлозы и др.) и гуминовыми веществами (кислотами и солями) торфа.

Введение в состав воды щелочей позволяет на большую глубину насытить торф водой, что имеет существенное значение при тушении торфяных пожаров.

Растворы больше чем вода разрыхляют структуру торфа, увеличивают размер пор, тем самым увеличивают поглощение воды и изменяют многие свойства торфа.

Существенно увеличивает поглощение воды взаимодействие органических кислот и других соединений торфа с различными катионами: Na+, K+, Mg2+ и других за счет образования ионных пар и комплексов.

Торф обладает слабокислотными свойствами из-за наличия в основном гуминовых кислот. Карбоксильные (-СООН) и гидроксильные (-ОН) группы обуславливают ионный обмен, образование водородных связей и комплексов с ионами металлов, усиливающееся в щелочной среде за счет сорбционных процессов: адсорбции (поверхностного), абсорбции (объемного) и хемосорбции (химического взаимодействия) катионов.

Таким образом, поглощение торфом водных растворов солей зависит от их кислотно-основных свойств: чем больше pH раствора, тем больше его поглощение торфом. При этом в щелочной среде заполнение пор торфа происходит за счет сорбции более эффективно — щелочные соли увеличивают смачивание торфа. Концентрация более 3 % щелочей не повышают смачивание торфа.

Пламенное сжигание торфа происходит при температурах около 1300 °С.

Низкотемпературная деструкция (пиролиз) при температуре около 700 °С возможна при добавке алюмосиликатных материалов. Добавка алюмосиликатных материалов повышает эффективность термической переработки торфа за счет увеличения в 1,3—2 раза выхода горючих газов с высокой температурой сгорания и снижения температуры пиролиза [44].

Глины образуют с водой коллоидные системы с размером частиц около 1,7 нм, которые легко проникают в поры торфа.

Наибольшее количество выделения углеводородов обуславливает бентонитовая глина и искусственный цеолит Fe-H-ZSM-5-1E: количество пропана выделяется в 1,8—2,4 раза больше, а метана, этана, этилена — в 1,4—1,7 раза больше.

Повышение углеводородов при введении алюмосиликатов обусловлено тем, что алюмосиликаты обладают свойствами твердых кислот — гидроксильные группы взаимодействуют с углеводородами с образованием ионов карбония вследствие термодеструкции торфа:

CnH2n + MOH CnH2n+1+ + MO-.

Ионы карбония CnH2n+1+ не устойчивы и распадаются на молекулы углеводородов с более короткой углеродной цепью и новый ион карбония. Такой ион легко отрывает водород в виде гидрид-иона от исходных молекул — развивается цепной процесс расщепления углеводорода. Газ, получаемый при пиролизе торфа, состоит в основном из оксида и диоксида углерода, предельных и непредельных углеводородов и некоторого количества водорода.

Образование СО2 и СО происходит в результате термического распада гуминовых кислот и лигнина.

Наличие Fe2O3 в бентонитовой глине способствует образованию углерода, который восстанавливает фенолы в углеводороды с образованием СО:

CH3 — C6H4 — OH+C = CO + CH3C6H5.

Содержание водорода в смеси газов невелико и составляет 0,2—1,6 % от общего количества газов.

Теплота сгорания газовой смеси в присутствии бентонитовой глины и цеолитов в 2,3—2,9 раза больше по сравнению с процессом без алюмосиликатов.

Наибольшее влияние на пиролиз торфа оказывает 30 % бентонитовой глины — объем газа увеличивается в наибольшей степени.

Содержание 30 % воды в торфе увеличивает теплоту его сгорания в 1,4 раза.

Повышение температуры пиролиза торфа увеличивает количество углеводородов в газовой смеси. Максимальное количество оксида углерода и водорода достигается при температуре 650°С. Однако при повышении температуры количество СО2 уменьшается по реакции СО2+С=2СО. Максимальное количество теплоты сгорания пиролизного газа достигается при температуре 460 °С — при этой температуре выделяется наибольшее количество газа с высокой теплоценностью. При более высокой температуре в пиролизном газе присутствует в основном метан СН4, водород и оксид углерода, что значительно снижает калорийность газовой смеси.

Таким образом, с наибольшей эффективностью процесс пиролиза торфа протекает при температуре 460 °С при содержании 30 % глины, 30 % воды, что позволяет увеличить теплоту сгорания газовой смеси более чем в 2,8 раза. Состав тлеющего и сгоревшего торфа (торфяной золы) приведен в табл. 26.

Содержание органического вещества в торфе вычисляется по формуле:

Морг=Мт(1-W/100)(1-A/100), где: Морг — масса органического вещества, Мт — масса торфа, W — влажность торфа, А — зольность торфа на сухое вещество.

При горении уменьшается органическая часть торфа: в тлеющем торфе органики остается около 20 %, а в золе — менее 2 %. При этом в золе уменьшается содержание бензапирена [27].

В водном экстракте торфяной золы Таблица 26

–  –  –

1,6

–  –  –

16,5 (А)

–  –  –

2,26 1,22

–  –  –

–  –  –

43,50 8,45 0,72

–  –  –

ные материалы;

ГК — гуминовые кислоты;

ГЦ — гемицеллюлоза;

Л — лигнин;

ПВ — пектиновые вещества;

УК — уроновые кислоты;

ФК — фульвокислоты;

Ц — целлюлоза.

Неорганические соединения торфа присутствуют в виде оксидов, гидрооксидов, солей и комплексных соединений, а в сгоревшем торфе — в виде золы (А). В торфяной воде находятся различные кислоты и соли.

а) Изменение органической части торфа при нагревании.

При горении органические соединения образуют предельные и непредельные углеводороды, их окисленные формы и конденсированные циклические структуры типа БаП (бензапирен).

По термической стойкости органические соединения торфа можно расположить в следующей последовательности: ГЦ (гемицеллюлоза) Ц (целлюлоза) ГК (гуминовые кислоты) Л (лигнин) — наиболее термостойкий лигнин. Поэтому потеря массы за счет деструкции с ростом температуры замедляется, а лигнин и гуминовые кислоты при терморазложении превращаются в более сложные конденсированные ароматические структуры, например БаП. При этом температура самонагревания и самовозгорания находятся в области основных экзотермических эффектов.

б) Токсичность торфяной золы из-за наличия бензапирена.

Бензапирен содержится в исходном торфе и дополнительно образуется при его горении. Процессы горения торфа сопровождаются двухэтапным выделением БаП-бензапирена: при 300—350 °С происходит образование низкотемпературного бензапирена, а при 500—800 °С — высокотемпературного БаП.

В результате в окружающую среду (ОС) поступает ежегодно около 1000 т.

бензапирена. Бензапирен химически устойчив, в торфе и торфяной золе содержание БаП превышает ПДК.

ПДК БаП в почве — 20 мкг/кг, в атмосфере воздуха ПДКСС — 0,001 мкг/м3, ПДКР.3. — 0,15мкг/ м3, аэрозоль, класс опасности — 1; в воде ПДК=0,005 мкг/л.

БаП является сильным канцерогенным веществом, он мало растворим в воде и водных растворах [56].

При горении торфа твердые частицы, содержащие БаП выпадают из воздуха, вследствие седиментации и с атмосферными осадками попадают в почву, растения и водоемы: в семена и плоды — из атмосферы, в подземную часть растений — из почвы и отмирающих растений.

На людей воздействие БаП вызывает рак нескольких локализаций: легкие, кишечник, мочевой пузырь. БаП поступает в организм через кожу, органы дыхания, пищевой тракт. При окислении БаП теряет свои канцерогенные свойства, что может быть использовано в лечебных целях. Содержание бензапирена в торфе приведено в табл. 27.

Таблица 27 Содержание бензапирена в исходном, тлеющем и сгоревшем торфе (торфяной золе) [27]

–  –  –

Наибольшее содержание бензапирена содержится в торфяной золе — в 6,5 раз больше, чем в исходном торфе. Поэтому торфяную золу нельзя применять в сельском хозяйстве — она патологически влияет на развитие растений [56, 57].

Для применения торфяной золы в сельском хозяйстве ее необходимо предварительно нейтрализовать, окислять и разлагать бензапирен щелочными и щелочеземельными соединениями, повышать pH 7, добавлять азот- и фосфоросодержащие соединения, наночастицы и др., т.е. необходима комплексная переработка торфяной золы для эффективных сельскохозяйственных удобрений.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
Похожие работы:

«Хоменко О.Е.УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД ИЗ ОХРАННЫХ ЦЕЛИКОВ Министерство образования и науки Украины Национальный горный университет О.Е. Хоменко УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДОБЫЧИ ЖЕЛЕЗНЫХ РУД ИЗ ОХРАННЫХ ЦЕЛИКОВ (Монография) Днепропетровск НГУ УДК 622.831.244 ББК 33.14...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" В.В. КОВАЛЕНКО А.П. РЯЗАНЦЕВ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СПОСОБА БОРЬБЫ С ПУЧЕНИЕМ ПОРОД ПОЧВЫ В УСЛОВИЯХ УГОЛЬНЫХ ШАХТ Монография Днепропетровск НГУ УДК 62...»

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "ТЮМЕНСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" БЕМБЕЛЬ Сергей Робертович ГЕОЛОГИЯ И КАРТИРОВ...»

«И.В. Жежеленко, А.К. Шидловский, Г.Г. Пивняк, Ю.Л. Саенко, Н.А. Нойбергер Электромагнитная совместимость потребителей Монография Москва Машиностроение УДК 537.53 ББК 31.211 Э45 Рецензенти: В. В. Зорін, д-р техн. наук, проф. (Національний технічний університет України "КПІ", м. Київ, Україна); М.А. Коротке...»

«О.А. Бояркина ВОДНЫЕ КОНФЛИКТЫ В МИРОВОЙ ПОЛИТИКЕ: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ Монография Москва УДК 327.56 ББК 66.4 Б86 Рецензенты: З.А. Дадабаева, д-р полит. наук, А.Г. Задохин, д-р полит. наук, проф. Бояркина, Оксана Александровна. Б86 Водные конфликты в мировой политике: проблемы и перспективы : моно...»

«Министерство образования и науки Украины Государственное высшее учебное заведение "НАЦИОНАЛЬНЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" Т.Н. Жужгина-Аллахвердян ФРАНЦУЗСКАЯ РОМАНТИЧЕСКАЯ ЛИТЕРАТУРА 1820-Х ГГ.: СТРУКТУРА МИФОПО...»

«Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова" Актюбинский региональный государственный университет...»

«КОЗЛОВ А.С. УПРАВЛЕНИЕ ПОРТФЕЛЕМ ПРОГРАММ И ПРОЕКТОВ: ПРОЦЕССЫ И ИНСТРУМЕНТАРИЙ (МОНОГРАФИЯ) МОСКВА — 2010 г. УДК 005.8 ББК 65.050 К 592 Козлов А.С. К 592 Управление Портфелем Программ и Проектов: процессы и инструментарий. Монография. – М.: ЗАО "Проектная ПРАКТИКА", 201...»

«Казахстанский институт стратегических исследований при Президенте Республики Казахстан Альмухамедова Н.С., Каримова М.С., Жолдыбалина А.С. ЗЕМЕЛЬНАЯ ДИСКУССИЯ: ХРОНОЛОГИЯ, СОДЕРЖАНИЕ, ИТОГИ Астана, 2016 УДК 332 ББК 65.32-5 А 57 Рекомендов...»

«Э.С. Абдулаева, К.В. Хадисова СПЕЦИФИКА СОЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ МОЛОДЕЖИ И ДЕТЕЙ В РОССИИ Монография Москва УДК 316 ББК 60.5 А13 Авторы: Э.С. Абдулаева, доцент кафедры теории и технологии социальной работы Чеченского госу...»

«Российская Академия Наук Институт философии И.А. Кацапова Философия права П.И.Новгородцева Москва УДК 14 ББК 87.3 К-30 В авторской редакции Рецензенты кандидат филос. наук М.Л.Клюзова доктор филос. наук А.Д.Сухов К-30 Кацапова И.А. Философия права П.И.Новгор...»

«ГУ р ВОПРОСЫ СОВРЕМЕННОЙ НАУКИ Ка й ри о Монография ит Том 17 з по Ре Москва УДК 08 ББК 94 В74 Редакционная коллегия: Бабаева Ф.А., канд. пед. наук, Кернесюк Н.Л., д-р мед. наук, Беляева Н.В., д-р с.-х. наук Китиева М.И., канд. экон. наук, Беспалова О.Е., канд. филол. наук, Коренева М.Р., канд. мед. наук, Богданов А.В., канд. физ.-мат....»








 
2017 www.kniga.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн материалы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.