Тема 5. Торф. Превращение торфа в уголь

ВВЕДЕНИЕ

Многие зарубежные страны имеют развитую экономику, благодаря мощной минеральной базе. Главной особенностью этих стран является тот факт, что они используют все виды ресурсов, которые имеются на их территории. В то же время они экономно и рационально используют топливные ресурсы: уголь, нефть, газ; заменяя их наиболее дешевым видом топлива – торфом.

Добыча торфа и его переработка играют в этих странах немаловажную роль. Известно, что в 90-е годы Германия экспортировала 1700

тыс. т сельскохозяйственного торфа, страны Прибалтики – 1150 тыс. т, Россия – лишь 40 тыс. т, имея запасы в 200,7 млрд. т торфа, что составляет 66% от мировых запасов.

Значительное количество торфа импортируют развитые страны, где он идет не только в качестве топлива и для нужд сельского хозяйства, но и для получения воска, медицинских препаратов, продуктов парфюмерной промышленности, технической бумаги, кислот,

спирта и многих других видов продукции [13].

Огромно значение торфа в сельском хозяйстве. Наибольшие торфяные запасы России сосредоточены на территории Западной Сибири. При тщательном изучении торфяников на территории Западной Сибири можно легко создать богатую минеральную базу для производства удобрений именно в тех районах, где качество торфа выше.

Геологические исследования показывают, что кроме торфа Западная Сибирь богата сапропелем, болотным мергелем,

торфовивианитом, которые образуют многочисленные месторождения с крупными запасами. Такие месторождения могут быть вовлечены в эксплуатацию в короткие сроки без крупных капиталовложений силами хозяйств или агрономическими объединениями.

Благодаря работе геологов, географов, других исследователей, на сегодняшний день можно легко возродить торфяную промышленность, что позволит экспортировать торф как ценное органо-минеральное сырье в те районы страны, где этого вида ресурсов недостаточно.

Современные минеральные удобрения, которые используются в России при ведении сельского хозяйства, имеют иностранное происхождение и стоят очень дорого. Экспорт торфа и торфяной продукции в некоторой мере позволил бы стабилизировать экономику не только Западной Сибири, но и страны в целом, а потребителю обеспечил бы гарантию быстрого и доброго урожая.

Кроме того, развитие торфяной промышленности как в нашей области (регионе), так и в стране, позволит решить ряд многих остро стоящих проблем:

1. Проблему топлива и экономическую Себестоимость кускового торфа ниже угля в 2,5 раза, причем при его сжигании не происходит загрязнения окружающей среды. За

прошлое столетие Россия сэкономила 400 млн. т каменного угля за счет сжигания торфа. Доля торфа в топливном балансе страны составляла в 1928 г. – 41,4%. Создание топливной базы на основе торфа сегодня позволило бы решить и вопрос энергетического обеспечения страны,

ведь после революции наша страна долгое время находилась в разрухе и план ГОЭЛРО, основанный на строительстве электростанций,

сжигающих торф, именно он дал импульс для развития экономики. 2. Проблему безработицы.

Развитие торфоперерабатывающей промышленности в стране (области) дало бы работу не только людям, в ней участвующим, но и вовлекло бы ряд машиностроительных предприятий, которые обеспечили бы данный вид промышленности необходимыми машинами,

оборудованием; вовлекло бы ряд химических предприятий, которые проводили бы комплексную переработку торфа, получая из него ценные химические продукты.

Таким образом, анализируя торф как ценное природное сырье, можно сделать вывод о том, что возрождение торфяной промышленности ведет к успешному развитию и общему росту экономики страны.

По запасам торфа наша страна занимает 1 место. Площадь торфяных болот превышает 150 млн. га. Хотя торф и служит хорошим топливом и ценным сырьем, однако заболачивание обширных территорий - явление отрицательное, т.к. препятствует росту и возобновлению лесов и делает невозможным с/х освоение угодий.

По разным оценкам в мире от 250 до 500 млрд т. торфа (в пересчете на 40 % влажность), он покрывает около 3 % площади суши. При этом в северном полушарии торфа больше чем в южном, заторфованность растёт при движении к северу и при этом возрастает доля верховых торфяников (см. раздел Классификация). Так, в Германии торфа занимают 4,8 %, в Швеции 14 %, в Финляндии 30,6 %. В России,

доля занятых торфяниками земель достигает 31,8 % в Томской области (Васюганские болота) и 12,5 % в Вологодской. Также большое

количество залежей торфа есть в центре России (особенно в Рязанской, Московской, Владимирской областях). Достаточные запасы торфа имеются на Украине (месторождение Морочно-1). Также большие запасы торфа имеются в Индонезии, Канаде,Беларуси, Ирландии,

Великобритании, ряде штатов США.

По оценкам канадской Peat Resources (2010 год), на первом в мире месте по запасам торфа (170 млрд т) — Канада, на втором — Россия (150 млрд т)[1].

1.Понятие торфа

Торф (нем. Torf) — горючее полезное ископаемое; образовано скоплением остатков растений, подвергшихся неполному разложению в условиях болот. Для болота характерно отложение на поверхности почвы неполно разложившегося органического вещества,

превращающегося в дальнейшем в торф. Слой торфа в болотах не менее 30 см, (если меньше, то это заболоченные земли).

Содержит 50—60 % углерода. Теплота сгорания (максимальная) 24 МДж/кг. Используется комплексно как топливо, удобрение,

теплоизоляционный материал и др.

Торф, каменный и бурый уголь, как и другие полезные ископаемые, были известны человеку еще в каменном веке.

Обычно античные авторы обозначали твердые горючие ископаемые (угли, асфальт, горючие сланцы) собирательным названием

«битум».

Впервые под названием «антракос» (уголь) ископаемые угли были описаны Теофрастом (III – IV в. До н.э.).

Первая книга о торфе («Трактат о торфе») Мартина Шока вышла на латинском языке в 1658 г. В Германии. В практике использования торфа книга имела большое значение, но в вопросах происхождения содержала ряд неправильных выводов.

Растительное происхождение торфа было неопровержимо доказано в 1729 г. Дегнером, применившим для его изучения микроскоп. «Торф, - писал он, - представляет собой в действительности скопление бесчисленных, цветущих, зеленеющих и растущих в стоячей воде болотных растений» [23, 49].

Торф – это горючее полезное ископаемое, образовавшееся в условиях переувлажнения и без доступа воздуха в результате неполного распада болотных растений. Химический состав его весьма сложен: 50-60% углерода, 30-40% кислорода, 3-5% водорода, 1-3% азота и около

1% серы.

Торф образуется благодаря механическому разрушению растительных остатков и химическому изменению входящих в состав растений органических и органо-минеральных соединений [5].

Оторфовывание растительных остатков происходит в самых поверхностных слоях залежей, куда свободно проникают кислород и где идет энергичная работа микроорганизмов. Этот верхний слой и носит название торфообразующего или торфогенного слоя. Он лежит непосредственно под живой дерниной растений, и толщина его не превышает 30-50 см от поверхности болота. Чем глубже мы проникаем в залежь, чем меньше там воздуха, тем меньше микроорганизмов и тем слабее протекают процессы разложения растительных остатков.

Таким образом, торф образуется на поверхности болота и в дальнейшем, когда над ним нарастают новые слои растительности, он опускается, уплотняется, но остается все на той же степени разложения.

Основной процесс, происходящий в растительных остатках, заключается в разложении входящих в состав растений соединений:

клетчатки и лигнина. Клетчатка разлагается быстро, превращаясь в конечные продукты распада: углекислый газ и воду.

Лигнин более богат углеродом, чем клетчатка. Разлагаясь, эти основные части растений образуют углерод и, чем сильнее их разложение, тем больше в торфе углерода, т.е. торф, наиболее разложившийся, отличается и более высокими топливными качествами.

Кроме клетчатки и лигнина в состав растений входят смолы, воски и жиры. Эти вещества отличаются большой стойкостью и накапливаются в залежах в значительном количестве. Накопление этих веществ повышает ценность торфа.

В процессе оторфовывания растительных остатков часть растительной клетчатки превращается в воду и углекислый газ и выбывают из состава торфа. Минеральные соли остаются в торфе полностью [1].

Несмотря на то, что на болотах встречается очень большое количество разнообразных растений, число торфообразователей весьма невелико (прил. рис 1, с.15,16).

Значительное участие в образовании торфа принимают: тростник, камыш, хвощ, осока, пушица, шейхцерия, ольха черная, береза пушистая, сосна.

Но особенно большое участие в построении торфяной массы принимают мхи: сфагнумы и гипнумы Отмершие нижние части медленно разлагаются при малом доступе О2. В слое торфа постоянно поддерживается низкая температура,

развивается высокая кислотность поэтому процессы гниения идут медленно, что способствует длительному сохранению растительных остатков. Так образуется торф, он накапливается очень медленно: слой в 1м - за 1000 лет и более.

Торф используется как топливо, в качестве ценного химического сырья. При сухой перегонке торфа получают воск, парафин, фенолы,

уксусную кислоту и др. вещества. Используется в качестве хорошего удобрения, идет на подстилку скоту, для приготовления компостов, для сохранения плодов и семян. Используют в строительстве - для изготовления изоляционных плит, в химической промышленности - для приготовления пластмасс, в медицине и ветеринарии - как гигроскопический материал. Сфагновые мхи обладают бактерицидным свойствами, т.к. содержат особое противогнилостное вещество сфагнол. Из мхов получают древесный спирт, карболовую кислоту. Они обладают способностью аккумулировать многие вещества (в том числе радиоактивные), быстро впитывать влагу и прочно ее удерживать.

Моховая дерновина медленно вовлекается в процесс почвообразования. Мхам отводится особая роль в регулировании водного баланса континентов.

2.Виды торфа

Торф по условиям образования делится на верховой, низинный и переходный. Верховой торф состоит из сфагновых (белых) мхов,

пушицы, багульников и других растений, мало требовательных к пище и воде.

К низинному торфу относятся разложившиеся зеленые мхи (гипновые), осоки, тростники, вейники, хвощи и древесные породы.

Переходный торф занимает промежуточное положение между верховым и низинным. На переходных болотах растут сфагновые и зеленые мхи (низинные и верховые), осока, пушица, багульник и др.

Торф верховых и переходных болот отличается большой кислотностью и для удобрения в чистом виде не пригоден. Верховой торф

— очень хороший субстрат для выращивания рассады овощных культур, а также овощей в теплицах. Для удобрения употребляется

сильноразложившийся (на 40%) торф низинных болот. Слаборазложившийся торф со степенью разложения ниже 25% используют на подстилку животным. На компосты идет торф со степенью разложения 25—40%. Торф применяют для изготовления торфоперегнойных горшочков.

Лучшим считается низинный и переходный торф, — некислый (с нейтральной реакцией), имеющий степень разложения 30—40% и

зольностью 13—15%. При использовании для удобрений низинный торф обязательно проветривают, т. е. выдерживают в кучках при свободном доступе воздуха в течение нескольких дней. В кучах торф теряет влагу, а вредные для растений закисные химические соединения переходят в окисные. После проветривания усиливается деятельность микроорганизмов. Положительное действие на такой торф оказывает его промерзание, для чего его хранят в небольших кучках. Промерзший торф легче размельчается, равномернее распределяется на удобряемом участке, быстрее разлагается, и недоступные ранее для растений питательные вещества становятся доступными.

Предназначенный для удобрения торф нельзя сильно подсушивать. Его влажность должна быть 50—70%. Сухой торф плохо смачивается,

меньше удерживает влагу, медленнее разлагается. Неблагоприятное действие сухого торфа сказывается на песчаных подзолистых почвах,

особенно в засушливое время. Хотя в торфе, используемом на удобрение, и содержится значительное количество азота (до 3%), но он почти недоступен растениям. Следовательно, в первый год применения торф не является азотным удобрением. Надо также иметь в виду, что в торфе мало фосфора и особенно калия. Поэтому к нему целесообразно добавлять небольшое количество навоза, хлористого калия,

суперфосфата и аммиачной селитры.

Проветренный торф в чистом виде может быть использован как материал для мульчирования овощных культур (в сочетании с навозом, соломенной резкой, опилками).

Для определения степени разложения берут щепотку сырого торфа, крепко сжимают и этим комочком проводят по листу чистой белой бумаги. По окраске мазка после просушивания бумаги судят о степени его разложения. Если мазок бесцветный или слабо-желтый с большим количеством налипшего волокна, то степень разложения торфа ниже 10%; мазок желтый или слегка коричневый, иногда светло-

серый, имеются налипшие волокна — 10—20%; мазок коричневого цвета или серовато-коричневого, налипшего волокна нет, мажет руку —

20 —35%; цвет мазка от коричневого до темно-коричневого с серым и черным оттенком не гладкой поверхностью, пачкает руку — 35—

50%; цвет мазка темный или черно-коричневый, хорошо сохраняет отпечатки пальцев — более 50%.

3.Применение торфа

Торф применяют для засыпки фекальных ям и приготовления компостов. Выгребные ямы следует регулярно присыпать торфяным порошком. При использовании новых выгребных ям на дно их укладывают торф слоем 20-30 см, затем ежедневно фекальную массу обсыпают торфяной крошкой до полного впитывания жидкости.

Вместо торфа используют также опилки или сухую перегнойную землю. В фекальной массе выгребных ям содержится 0, 5—0, 8%

азота, 0, 2—0, 4 —фосфора и 0, 2—0, 3% калия.

При составлении торфофекальных компостов на 100 кг низинного торфа влажностью около 70% берут 50 кг фекалий. Если используют слаборазложившийся, хорошо проветренный моховой торф такой же влажности, дозу фекалий увеличивают до 200 кг, а при влажности торфа 50% —до 350 кг на 1 т.

Фекалии с торфом компостируют двумя способами. Первый способ заключается в том, что сначала закладывают весь штабель торфа,

затем, сверху посередине его делают корытообразное углубление, которое заполняют фекалиями. После полного впитывания фекалий углубление засыпают торфом, а поверхность штабеля заравнивают. Второй способ компостирования состоит в том, что торф укладывают в штабель слоями по 30— 50 см и каждый из них, кроме самого верхнего, увлажняют фекалиями. Лучше каждый новый слой укладывать после разогревания предыдущего слоя, которое наступает на четвертые-пятые сутки. Фекалии используют также для изготовления различных сборных компостов из трудноразлагающихся материалов. В этом случае на подготовленную площадку укладывают торф,

дерновую или другую землю, а затем — слоем 20—30 см разные отходы или остатки огородных культур. Отходы увлажняют разбавленной в воде фекальной массой и добавляют известь или золу в количестве 2—3% от массы. Увлажненную компостированную массу покрывают землей или торфом слоем 5—6 см, затем накладывают новый слой компостируемого материала, обрабатывая его фекалиями, и так продолжают до тех пор, пока штабель не достигнет высоты 1—1, 5 м. Через полтора-два месяца после закладки штабеля компостную кучу перемешивают, а по мере высыхания увлажняют жижей или водой. Компост готов к применению, когда он превращается в хорошо

Макет космического корабля «Восток-1» в павильоне «Космос» на ВДНХ. За ним — цитата К. Э. Циолковского:

«Сначала неизбежно идут: мысль, фантазия, сказка. За ними шествует научный расчёт. И уже в конце концов исполнение венчает мысль»

разложившуюся темную однородную массу. Фекальные компосты можно использовать под овощные культуры после выдержки в течение восьми-девяти месяцев.

Для компостирования с навозом пригодны все виды торфа, но лучший из них — проветренный с влажностью 65—70%. Соотношение между торфом и навозом, наиболее желательное в зимний период 1:1, летом — 1:3 или 1:4. Если для компостирования применяют конский навоз или хорошо разложившийся торф, соотношение навоза и торфа при закладке компоста зимой может быть 1:3, а летом—1:8. При избытке торфа и недостатке навоза долю торфа в компостах увеличивают. Для зимнего компостирования лучше использовать более разложившийся торф.

Существует два способа компостирования навоза и торфа — послойный и очаговый. При послойном компостировании на подготовленную площадку укладывают торф слоем 50 см, чтобы жижа не просачивалась в почву, а затем — слой навоза. Слой торфа и навоза чередуют, пока высота штабеля не достигает 1—1, 5 м. Самый верхний слой состоит из торфа. При соотношении навоза и торфа 1:1

толщина их слоев в штабеле может быть по 25—30 см.,

При очаговом компостировании на площадку сначала укладывают торф толщиной 50-60 см, а затем слой навоза вдоль и посредине всего штабеля толщиной 70—80 см и шириной меньше торфяного слоя (при недостатке навоза или использовании бесподстилочного жидкого навоза его лучше укладывать в штабель торфа, в виде отдельных прерывистых очажков).

Уложенный навоз сверху и со всех сторон обкладывают торфом слоем 50—60 см. Летом штабель увлажняют навозной жижей или водой. При укладке штабеля в торфонавозные компосты целесообразно добавлять фосфоритную муку — 1, 5—3 кг на 100 кг компостируемого материала, а также калийные удобрения из расчета, 0, 5-0, 6 кг на 100 кг компостируемой массы и известь в зависимости от кислотности.

4.Превращение торфа в уголь

Превращение торфа в каменный уголь он ставит в связь с действием подземных пожаров. В этих строках заключается суть метаморфизма углей от геологических причин, признаваемая геологами и в настоящее время в более развернутом и углубленном виде. [1].

Поначалу торф превращается в темно-бурое довольно плотное вещество — бурый уголь, который на 2/3 состоит из углерода. Объем органического материала здесь сокращается раз в десять, т. е., чтобы такой угольный пласт получился толщиной хотя бы в несколько метров, мощность исходного торфяника должна быть не меньшей, чем, скажем, высота сов ременного многоэтажного здания.

Под действием высокого давления и температуры на протяжении миллионов лет органическое вещество претерпевает все новые превращения. Так, бурый уголь со временем переходит в каменный. Конечный пункт всех превращений — графит, чистый углерод.

Каменный уголь всегда черного цвета, от бурого отличается большей твердостью и блеском. Один из сортов его — антрацит — тоже черный, но его блеск с золотистым или стальным оттенком. Он так тверд, что даже может служить поделочным камнем. (Вьетнамские кустари выпиливают из него забавные фигурки животных). Но главная его ценность, разумеется, в ином. Он содержит 90—96% углерода и потому обладает исключительной теплотворностью, что делает антрацит отличным энергетическим топливом. Благодаря большой плотности его можно без особых потерь перевозить на дальние расстояния. А другие марки каменного угля больше подходят для нужд черной металлургии. При нагревании без доступа воздуха угли этих марок слегка плавятся, спекаются, образуя пористую массу — кокс, без которого не получить чугуна в домнах. Впрочем, здесь существуют свои градации: одни сорта совсем плохо спекаются (тощие); другие — получше, но содержат слишком много газов (газовые); третьи спекаются великолепно (коксовые). В дело, разумеется, идут все виды, только назначение у них разное.

Превращение торфа и сапропеля в ископаемый уголь сопровождается очень большим уплотнением. [2]

Диагенез начинается с превращения торфов и гумусовых сапропелей в бурые угли, а липоидных остатков в керогены.

Соответствующие изменения претерпевают и рассеянные органические вещества погребенных почв и илов.[3]

Крошимость, ведущая к превращению торфа в мелочь, зависит от свойств залежи и степени разложения, причем существенным обстоятельством является наличие связывающих торф прочных растительных волокон. Торф древесного происхождения поэтому крошится сильнее. Немалое значение имеет своевременность переворачивания торфин во время сушки. Некоторое влияние на крошимость оказывает также способ переработки торфяной массы. [4]