По разным оценкам, в мире от 250 до 500 млрд т торфа (в пересчете на 40 % влажность), он покрывает около 3 % площади суши. Так, в Германии торфяники занимают 4,8 %, в Швеции – 14 %, в Финляндии – 30,6 %. В России, лидирующей по запасам торфа, доля занятых им земель достигает 31,8 % в Томской области, 12,5 % – в Вологодской и т.д. Также большие запасы торфа имеются в Индонезии, Канаде, Ирландии, Великобритании, ряде штатов США и на Украине [10].
Сегодня торф используют в сельском хозяйстве и животноводстве, медицине, биохимии и энергетике. Развитие современных производственных технологий позволяет получать с помощью торфа плодородные грунты для выращивания пищевых растений, удобрения, стимуляторы роста растений, изоляционные материалы, графит, активный уголь и т.п. Актуальность его промышленного освоения заключается в том, что торф является возобновляемым источником. Ежегодно в мире образуется почти 3,0 млрд м3 торфа, что примерно в 120 раз больше, чем используется [11].
Состояние проблемы и цель исследования
Разработке торфа предшествуют осушение и подготовка поверхности. Подготовка поверхности месторождения выполняется после сооружения осушительной сети и окончания предварительного осушения залежи. Именно в этом случае возрастает опасность самовозгорания торфа. При этом не обязателен приток тепла извне. В процессе участвуют микроорганизмы, продукты жизнедеятельности которых накапливаются в анаэробных условиях и приводят к постепенному прогреванию массы торфа до 60–65 °C. При процессах деструкции и последующем повышении температуры торф превращается в полукокс, склонный к самовозгоранию при наличии и под действием кислорода воздуха. Самонагревание происходит со скоростью от 0,5 до 4,5 °С/сутки и более, и постепенно ускоряется. К возгоранию может быть склонен также и добытый торф в процессе его хранения [5].
Таким образом, актуальность разработки методов и средств предотвращения и тушения загораний торфа очевидна, но до настоящего времени, как показали пожары торфяников в 2010 году в Подмосковье, не решена. Бесполезность тушения торфа водой доказана В. Сретенским [1], который потушил своим способом торфяники в Удмуртии, затем в 1991 г. – в Балатовском лесу Перми и под Новосибирском, в 2001 г. – в Пермском районе: «т.к. в торфе содержится до 25 % битума, который воду задерживает, то тление будет продолжаться до полного выгорания, даже под слоем воды. Но есть одна особенность. Горит торф при 600 °С, а всего в каких-то 20–30 сантиметрах от кромки пожара температура торфа не горящего – уже лишь 10–15 °С, из-за его высокой теплоизолирующей способности. Поэтому простое механическое смешивание позволяет резко сбросить температуру в очаге до его полного угасания. Выполняется же это обычными бульдозерами – в течение каких-то часов и без привлечения кого-либо, кроме механизаторов».
Аналогичным образом В. Сретенский в 2005 году потушил тысячетонные отвалы коры на Краснокамском ЦБК, однако, до настоящего времени, многочисленные патенты [№ 2087167, № 2194553, № 2277956 и т.д.] и заявки на изобретения [№ 2002132872, № 2002103651, № 2008144904 и т.д.] в области тушения торфяных пожаров «продолжают использовать воду» и создавать специальные средства для этого [7].
Общим недостатком «водяных методов и средств», помимо их неэффективности, является нарушение эксплуатации залежей торфа, т.е. его добычи и использования.
Известны способы тушения лесов и торфяников различными агрегатными состояниями газов: «бомбами» с жидким азотом [8] и «брикетами» с гранулами диоксида углерода [9]. Общим недостатком указанных методов и средств является их «поверхностная эффективность», в то время как загорание и развитие торфяных пожаров происходит в глубине, недосягаемой для них. Поэтому наибольшее распространение для тушения пожара получили ручные торфяные стволы [6].
Метод решения проблемы
Сущность предлагаемого метода азотирования торфа состоит в том, что с помощью сепаратора [2, 3], из воздуха отделяется кислород, который возвращается в атмосферу, а азот и остальные компоненты вводятся газо-торфяными стволами-термозондами (ГТСТЗ) в зону саморазогрева торфа (рисунок).
Схема азотирования торфяника
Предлагаемый метод отличается тем, что перед подачей азота в торф ГТСТЗ измеряют температуру в нём на предмет обнаружения «очага саморазогрева». Дело в том, что в отличие от применяемых торфяных стволов, ГТСТЗ имеют по два температурных датчика (в конце ствола – 7.2, 10.2 и посередине его – 7.1, 10.1), что позволяет получить градиенты температур [4], по которым вычислить «очаг саморазогрева», после чего подать в его зону азот через те же ГТСТЗ.
Установка для азотирования торфа включает в себя следующие устройства [3]:
– мотокомпрессор (1 – двигатель, 2 – компрессор),
– сепаратор воздуха (3),
– ресивер (4),
– радиоблок (5) управления (контроллер с радиомодемами и приемопередатчиком ГЛОНАСС).
Каждый ГТСТЗ присоединяется к ресиверу стандартными коммуникациями пожаротушения (рукавами) через регуляторы расхода и давления, встроенные в ресивер.
На каждом ГТСТЗ установлен радиомодем, осуществляющий управление процессами измерения температур, а на установке для азотирования – радиоблок с контроллером управления, который осуществляет:
– опрос датчиков температуры всех ГТСТЗ через радиомодемы;
– определение абсолютных значений и градиентов температур между датчиками температур ГТСТЗ;
– определение «очага саморазогрева» по измеренным значениям температур;
– сохранение измеренных и вычисленных данных и создание базы данных о географическом и тепловом «образе» торфяника на жестком диске;
– управление параметрами работы воздушного компрессора, сепаратора воздуха и регуляторов расхода и давления.
Установку предпочтительно выполнить мобильной (на базе автомобиля или мотопомпы) с силовым приводом компрессора в виде редуктора к двигателю внутреннего сгорания.
Сепаратор может быть выполнен в виде термомагнитного сепаратора воздуха (ТМСВ), диамагнитный выход которого соединен с ресивером, а парамагнитный выход – с атмосферой [2], или в виде батареи половолоконных мембран и охладителя, причем батарея половолоконных мембран должна быть выполнена с возможностью разделения воздуха на инертный газ с высоким содержанием азота и на остальной газ с высоким содержанием кислорода. При этом выход компрессора соединен с указанной батареей, выход азота которой соединен с охладителем, соединенным в свою очередь с ресивером [3].
С целью обеспечения постоянного контроля за состоянием торфа на складе, установка может быть выполнена стационарной, а силовой привод (2) выполнен в виде электродвигателя.
Установка работает следующим образом.
Установку размещают вблизи торфяника или торфяного склада (10), включают контроллер (5) и вводят в него координаты места размещения установки (град. и мин широты и долготы), чем обеспечивают точную географическую привязку месторождения торфа или склада, на котором проводится профилактика или тушение пожара. После этого втыкают в начало торфяника или торфяного склада (6) первый ГТСТЗ и включают его радиомодем (7).
Контроллер (5) опрашивает датчики температуры (7.1, 7.2) первого ГТСТЗ (7), определяя абсолютные значения температур торфа в двух точках и вычисляя градиент между ними. Если полученные данные не превышают допустимых значений, то контроллер (5) вычисляет место установки второго (следующего) торфяного ствола-термозонда (10) и выдает на пульт оператора азимут А (град. мин) и расстояние R (м) до следующей точки измерений. В указанную позицию втыкают второй (следующий) ГТСТЗ и включают его радиомодем (10).
Указанный процесс повторяют до тех пор, пока не будет прозондирован весь торфяник или склад, а его «образ» (географический и тепловой) будет зафиксирован в памяти контроллера (5).
При этом если по превышению измеренных абсолютных значений температуры и/или градиента температуры контроллер (5) обнаруживает «предпожарное» состояние или пожар, то он, управляя мотокомпрессором (1, 2), сепаратором (3) и регуляторами расхода и давления в ресивере (4), подает в соответствующий ГТСТЗ (7, 10) азот под регулируемым давлением от 2 до 10 атм., осуществляя таким образом «выдавливание кислорода» из зоны действия ГТСТЗ (7, 10) и охлаждение участка. При этом интенсивность и время подачи азота регулируется контроллером (5) в зависимости от градиентов температур и абсолютных значений температур. Это позволяет выдавить кислород из торфа и охладить его, чем на длительный срок подавить процессы саморазогрева торфа в зоне обработки ГТСТЗ (7, 10), т.к. торф имеет низкий коэффициент теплопроводности.
Процесс «насыщения» азотом и охлаждения зоны действия ГТСТЗ (7,10) является периодическим, т.е. по истечении установленного времени ингибирования контроллер (5) прекращает подачу азота, и в течение установленного времени контролирует производные температур, прогнозируя значения температур, которые установятся без дальнейшей подачи азота. Если прогнозируемое значение равно уставке, то контроллер (5) выдает на пульт оператора азимут А (град.мин) и расстояние R (м) до следующей точки измерений, куда необходимо переставить ГТСТЗ (7, 10), или сообщение о его выключении. В противном случае контроллер (5) пересчитывает интенсивность и время подачи инертного газа и осуществляет дальнейшее ингибирование и охлаждение.
Через выпускной электромагнитный клапан (не показан) ресивера (4) азот стравливается в атмосферу, если производительность его генерации оказывается выше изменяемого контроллером (5) расхода, для предотвращения или тушения пожара.
Выводы
Предлагаемые метод и средства не имеют мировых аналогов и позволят обеспечить полную безопасность торфяников и торфа.