IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

В статье проведен системный анализ проблем, связанных с образованием и применением торфа, включая его повышенную пожарную опасность. Предложен метод и автоматизированный комплекс обнаружения, предотвращения и тушения пожаров торфяников стволами термо-зондами с помощью атмосферного азота, получаемого методом сепарации воздуха.

Торф – сложная полидисперсная многокомпонентная система; его физический свойства зависят от свойств отдельных частей, соотношений между ними, степени разложения или дисперсности твёрдой части, оцениваемой удельной поверхностью или содержанием фракций размером менее 250 мкм. Для торфа характерны большое влагосодержание в естественном залегании (88-96%), пористость до 96-97% и высокий коэффициент сжимаемости при компрессионных испытаниях. Слаборазложившийся торф,в сухом состоянии имеет малую плотность (до 0,3 г/см³), низкий коэффициент теплопроводности и высокую газопоглотительную способность; торф высокой дисперсности (после механической переработки) образует при сушке плотные куски с большой механической прочностью и теплотворной способностью 2650-3120 ккал/кг (при 40% влажности). Слаборазложившийся торф – отличный фильтрующий материал. Торф поглощает и удерживает значительные количества влаги, аммиака, катионов (особенно тяжелых металлов). Коэффициент фильтрации торфа изменяется в пределах нескольких порядков.Торф имеет сложный химический состав, который определяется условиями генезиса, химическим составом растений торф-образователей и степенью разложения: углерод 50-60%, водород 5-6,5%,кислород 30-40%, азот 1-3%, сера 0,1-1,5%(иногда 2,5) на горючую массу. В компонентном составе органической массы содержание водорастворимых веществ 1-5%, битумов 2-10%, легкогидролизуемых соединений 20-40%, целлюлозы 4-10%, гуминовых кислот 15-50%, лизина 5-20%.[1,4].

Актуальность промышленного освоения торфа заключается в том, что он является возобновляемым источником. Ежегодно в мире образуется почти 3,0 млрд. куб.м. торфа, что примерно в 120 раз больше, чем используется [1,2].

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 [3,4].

Таким образом, актуальность разработки методов и средств предотвращения и тушения загораний торфяников очевидна, но до настоящего времени, как показали пожары торфяников в Подмосковье, - не решена.

Известны разные методы предотвращения распространения, локализации и тушения пожаров на торфяных месторождениях [5], в т.ч. безводными способами [6], один из которых, например, заключается в создании барьера по контуру наиболее пожароопасных участков до возникновения очагов возгорания и во время пожаров. Барьер состоит из смеси измельченных карбонат содержащей (с содержанием карбоната магния и/или карбоната кальция в сумме не менее 90%) и опал-кристобалитовой (с содержанием оксида кремния не менее 80%) пород, взятых в соотношении 2:1 с добавкой глинистых минералов 7% и кремнефтористого натрия 3%, до 100% к основной смеси. В качестве карбонат содержащей породы могут быть использованы магнезит, доломит, известняк, а в качестве опал-кристобалитовой породы - трепел, опока, диатомит. При подходе пожара к траншее минеральный материал нагревается и разлагается с выделением углекислого газа, который, смешиваясь с воздухом, снижает содержание в нем кислорода. Оксиды магния и кальция в свою очередь начинают взаимодействовать с аморфным оксидом кремния и указанными добавками с образованием устойчивых к высоким температурам соединений, образуя пористый барьер, препятствующий распространению огня за пределы барьера. Недостатком этого способа, как и других аналогичных, являются высокие единовременные и эксплуатационные затраты на его осуществление, а также отсутствие возможности осуществлять локацию и предотвращать загорания торфа на ранней стадии.

Существует способ локации подземных пожаров, сущность которого заключается в том, что дополнительный индикаторный газ запускают в выработанное пространство под контуром пожара, и в момент изменения величины перепада давления газа между выработанным пространством и дневной поверхностью, определяют появление на поверхности запускаемого газа и изменение концентрации пожарных газов, измеряют интервалы времени между запуском и выходом газа на поверхность и между изменением перепада давления и изменением содержания пожарных газов на поверхности [3]. Недостатком данного способа, помимо больших единовременных и эксплуатационных затрат, является невозможность его использования на торфяниках, которые ещё не эксплуатируются.

Существуют способы тушения лесов и торфяников различными агрегатными состояниями газов: «бомбами» с жидким азотом, «брикетами» с гранулами диоксида углерода и инертным газом, представляющим собой воздух, «очищенный от кислорода» мембранным аппаратом [3]. 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.

Применение сепаратора воздуха (мембранного или термомагнитного), например, вместо водяного насоса на мотопомпе [6], позволяет создать автоматизированный комплекс (АК) обнаружения, предотвращения и тушения торфяных пожаров, при котором в качестве средства обнаружения предпожарной ситуации или пожара используются газовые торфяные стволы-термозонды (ГТС-ТЗ), отличающиеся от «водяных» тем, что в каждом из них установлены два тепловых сенсора (ТС), позволяющие контролировать температуру наконечника и середины ствола, чем обнаруживать недопустимый разогрев торфа, после чего через них вместо воды в обнаруженную зону подавать инертный газ - воздух лишенный кислорода, осуществляя, таким образом, «выдавливание кислорода» из зоны действия ствола.

Указанный процесс должен осуществляться одновременно несколькими ГТС-ТЗ, устанавливаемых на определенных расстояниях друг от друга, зависящих от градиентов температур и их абсолютных значений, которые определяются контроллером и индицируются на пульте оператора АК, а программа обработки полученных значений предлагает ему варианты перестановки ГТС-ТЗ до тех пор, пока предпожарная ситуация или пожар на торфянике не подавлены, или оператором не остановлен процесс, данные о котором записываются контроллером на жесткий диск.

Рисунок 1. Структурная схема АК обнаружения, предотвращения и тушения торфяника

Автоматизированный комплекс(АК), реализующий указанный способ, состоит из мотопомпы (например, «Гейзер-1200»,1600»), компрессора, сепаратора воздуха, ресивера, контроллера и соединенных с ними нескольких ГТС-ТЗ (рис.1). Передвижной АК (рис.1), в котором вместо водяного насоса на привод двигателя внутреннего сгорания (ДВС) - 1, смонтирован воздушный компрессор (ВК) – 2, подключенный к сепаратору воздуха – 3, диамагнитный подканал которого включен в диамагнитный ресивер (ДР) – 4, а кислородный подканал - в кислородный ресивер (КР-на схеме не показан), устанавливают около торфяника – 6, включают контроллер с радиомодемом – 5, питающийся от аккумулятора ДВС -1, и вводят координаты места установки АК (град. и мин. широты и долготы), после чего втыкают в начало торфяника 1-й ГТС-ТЗ -7, предварительно соединив его рукавом - 8 с ДР – 4 и включают его радиомодем (РМ).

Контроллер – 5 по радиоканалу – 9 через РМ -7 опрашивает тепловые сенсоры (ТС) - 7.1 и 7.2 ГТС-ТЗ, 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 следующего ГТС-ТЗ и выдает на пульт оператора азимут – А (град.мин) и расстояние – R (м) до следующей точки измерений, куда втыкается 2-й ГТС-ТЗ – 10, предварительно соединенный рукавом - 11 с ДР – 4 и включается его РМ, в который включены тепловые сенсоры (ТС) – 10.1 и 10.2. Указанный процесс повторяется до тех пор, пока не будет прозондирован весь торфяник, а его «образ» (географический и тепловой) будет зафиксирован на жестком диске контроллера – 5.

Если контроллер – 5 обнаруживает «предпожарное» состояние или пожар, то он запускает ДВС – 1, управляет компрессором – 2, ТМСВ – 3 и регуляторами расхода и давления (РРД), установленными в ДР – 4 (на схеме не показаны) перед соединительными муфтами с рукавами – 8, 11 и т.д., подающими в каждый ГТС-ТЗ охлажденный инертный газ (азот с остальными диамагнетиками воздуха) с интенсивностями и временами, зависящими от градиентов температур и их абсолютных значений, контролируя температуру ствола, а, следовательно – температуру инертного газа (ТС – 7.1 и 10.1), температуры саморазогрева (плюс 50-80 градусов Цельсия) и пожара (плюс 200-500 градусов Цельсия) в реальном масштабе времени. Процесс «насыщения» диамагнетиками и охлаждения зоны действия ГТС-ТЗ является периодическим, т.е. по истечении установленного времени ингибирования, контроллер прекращает подачу диамагнетиков через соответствующий РРД и, в течение установленного времени, контролирует производные температур, прогнозируя значения температур, которые установятся без дальнейшей подачи диамагнетиков. Если прогнозируемое значение ниже температуры саморазогрева, то контроллер выдает на пульт оператора азимут – А (град.мин) и расстояние – R (м) до следующей точки измерений, куда необходимо переставить данный (например, 7-й) ГТС-ТЗ или сообщение о выключении данного зонда и окончании процесса. В противном случае контроллер пересчитывает интенсивность и время подачи инертного газа и через соответствующий РРД осуществляет дальнейшее ингибирование и охлаждение зоны торфяника.

Описанный выше процесс осуществляется до предотвращения или тушения пожара на всём торфянике или его части.

Сепарированный из воздуха кислород стравливается в атмосферу через выпускной электромагнитный клапан кислородного ресивера, по команде контроллера.

Аналогично стравливается азот из диамагнитного ресивера, если производительность цепи ДВС – компрессор – сепаратор – ДР оказывается выше изменяемого контроллером расхода диамагнетиков для предотвращения предпожарной ситуации или тушения пожара.

Применение способа и автоматизированного комплекса (АК) обнаружения, предотвращения и тушения торфяных пожаров, позволяет принципиально по-новому решить проблемы пожарной и экологической безопасности торфяников,а также ресурсосбережения возобновляемого энергоносителя - торфа[7].

Не конкурируемым качеством и существенным преимуществом предлагаемого способа и автоматизированного комплекса (АК) обнаружения, предотвращения и тушения торфяных пожаров, является,

во-первых, возможность транспортирования его любым мобильным и даже гужевым средством (если, например, он скомпонован на базе мотопомпы «Гейзер-1200»),

во-вторых, кроме горючего для двигателя мотопомпы и батареек (или подзаряжаемых мини аккумуляторов) для ГТС-ТЗ, не требуется никаких огнетушащих составов и энергии;

в-третьих, не требуется специальной подготовки оператора АК (работника лесоохраны или добровольной пожарной дружины) для его эксплуатации.

Литература

1. Тюремнов С. Н. Торфяные месторождения - М.: «Недра», 1976. -182с.

2. Bowman A. F. Soils and the Greenhouse Effect, 1990.

3. Воробьев Ю. Л. Лесные пожары на территории России: Состояние и проблемы / Ю. Л. Воробьев, В. А. Акимов, Ю. И. Соколов; Под общ. ред. Ю. Л. Воробьева; МЧС России. — М.: ДЭКС-ПРЕСС, 2004. — 312 с.

4. Самовозгорание торфа / Горная энциклопедия - http://www.mining-enc.ru/s/samovozgoranie-torfa

5. Система тушения лесоторфяных пожаров с использованием мотопомпы "ГЕЙЗЕР" и специального торфяного ствола - http://www.systempro.ru/tovar/system/ .

6. 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 на изобретение RUS 2530397 22.02.2013.

7. Белозеров В.В., Новакович А.А., Топольский Н.Г. Модель сепаратора воздуха для систем безопасности //Ежегодная международная научно-техническая конференция Системы безопасности. «СБ-2003» - М.: АГПС МЧС РФ, 2003, С.198-199

 

6

 

Код для цитирования: Скопировать