Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,778

МЕТОД АЗОТИРОВАНИЯ ТОРФА И СРЕДСТВА ЕГО ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ

Белозеров В.В. 1 Олейников С.Н. 2 Белозеров Вл.В. 3
1 ООО «Научный производственно-технологический центр «ОКТАЭДР»
2 ФГБОУ ВПО «Академия государственной противопожарной службы МЧС России»
3 ООО «Компания ТРИТАРТ»
В статье проведен системный анализ проблем, связанных с образованием и сохранением торфа. Предложен метод и средства азотирования торфа, которые позволяют и обнаружить, и предотвратить его саморазогрев, а также подавить тление и пожары торфяников газо-торфяными стволами-термозондами, с помощью сепарированного из воздуха азота. Для реализации предлагаемого метода разработаны средства тепловой локации «очагов саморазогрева» теми же газо-торфяными стволами-термозондами, а также мобильные установки сепарации азота из воздуха, для азотирования торфа и безопасного сохранения тем самым его свойств.
торф
азотирование
газо-торфяные стволы-термозонды
сепараторы воздуха
самовозгорание торфа
1. А.с. СССР № 1591999, 15.05.1990, заявитель – НИИ лесоводства и механизации лесного хозяйства г. Пермь.
2. Белозеров В.В., Босый С.И., Видецких Ю.А., Новакович А.А., Пирогов М.Г., Толмачев Г.Н. Способ термомагнитной сепарации воздуха и устройство для его осуществления – патент РФ на изобретение № 2428242 от 10.09.2011.
3. Белозеров В.В., Ворошилов И.В., Кальченко И.Е., Мальцев Г.И., Плахотников Ю.Г., Прус Ю.В., Олейников  С.Н. Способ предотвращения или обнаружения и тушения торфяных пожаров и установка для реализации способа – патент РФ на изобретение № 2530397 от 10.10.2014.
4. Белозеров В.В., Гольцов Ю.И., Шпак Л.А., Юркевич В.Э. Позисторные датчики температуры для стенда термоэлектропрогона изделий электронно-вычислительной техники – Известия РАН (сер.физ.). – 1993. – Т. 37, № 6. – С. 155–158.
5. Горная энциклопедия. Самовозгорание торфа. Интернет-ресурс http://www.miningenc.ru/s/samovozgoranie-torfa/.
6. Патент РФ № 2194553, заявка 2001102345/12 от 25.01.2001, опубл. 20.12.2002.
7. Система тушения лесоторфяных пожаров с использованием мотопомпы «ГЕЙЗЕР» и специального торфяного ствола – http://www.systempro.ru/tovar/system/motopompy/.
8. Способ тушения лесных пожаров – патент РФ № 2147901, заявка 98118527/12 от 12.10.1998, опубл. 27.04.2000.
9. Способ тушения огня и устройство для его реализации – патент РФ № 2291730, заявка 2006104290/12 от 14.02.2006, опубл. 20.01.2007.
10. Тюремнов С.Н. Торфяные месторождения – М.: «Недра», 1976.
11. Bowman A.F. Soils and the Greenhouse Effect, 1990 – http://www.atlantika-servis.ru/torf/t2.htm.

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).

bel1.tif

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.


Библиографическая ссылка

Белозеров В.В., Олейников С.Н., Белозеров Вл.В. МЕТОД АЗОТИРОВАНИЯ ТОРФА И СРЕДСТВА ЕГО ПРОТИВОПОЖАРНОЙ ЗАЩИТЫ // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 10. – С. 7-10;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35640 (дата обращения: 13.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074