CC BY
147
Деревопереработка. Химические технологии
DOI: 10.12737/3355 УДК 674.8
АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЮ ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНЫХ ПЕЛЛЕТ
соискатель кафедры древесиноведения Е. В. Зотова доктор технических наук, профессор, декан лесопромышленного факультета, профессор кафедры древесиноведения А. О. Сафонов заведующий кафедрой древесиноведения, доктор технических наук, доцент А. Д. Платонов ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» ZEV.23021980@yandex.ru, aosafonov@gmail.com, vgltawood@vandex.ru
Технология производства пеллет из отходов древесины, несмотря на относительную простоту происходящих процессов, описывается множеством важных показателей. Эти показатели определяют не только эффективность технологии, но и ряд важных факторов, характеризующих правильность работы оборудования, безопасность протекающих физических явлений при повышенных температуре и давлении и, конечно, качество выпускаемой продукции. При всей простоте процесса производства пеллет, технология гранулирования достаточно чувствительна к изменению различных внешних воздействий. Качество этого вида биотоплива определяется большим множеством, на первый взгляд, не относящихся к производству параметров. Так, например, присутствие в древесных отходах некоторого количества посторонних примесей. Имеется расхожее выражение, что «настройка гранулирующего оборудования - это скорее искусство, нежели ремесло», постараемся рассмотреть некоторые обстоятельства, влияющие на процесс производства пеллет [1].
Промышленные наблюдения проведения технологии пеллетирования показывают различные методы управления про-
водимыми процессами, «культуру производства», особенности конструктивного исполнения применяемого оборудования, отличия в подготовке сырья и его физикохимических свойствах.
При этом совершенствование рассматриваемой технологии происходит в различных направлениях: модернизация имеющегося оборудования и технологии, оптимизация режимов технологических стадий подготовки сырья и непосредственно гранулирования. Условно все показатели, описывающие технологический процесс пеллетирования можно разделить на несколько групп: входные управляемые параметры, неуправляемые воздействия, выходные технико-экономические показатели. Параметры первой группы можно иначе определить, как режимные. Это те показатели, которые регулируются оператором при проведении процесса. Важной особенностью является, что интервалы варьирования режимных параметров могут отличаться в зависимости от применяемого оборудования и используемого для производства пеллет древесного сырья. Во многом на установку конкретных численных значений режимных параметров влияет не только пород-
127
Лесотехнический журнал 1/2014
Деревопереработка. Химические технологии
ный состав древесных отходов, но и их состояние (время нахождения измельченной древесины на открытом воздухе, влагосодержание, фракционный состав частиц, процентное содержание коры и инородных примесей т.д.). Рассмотрим подробнее влияние некоторых регулируемых параметров на эффективность производства древесных пеллет.
Изменение влажности древесных отходов перед гранулированием.
Одной из причин коммерческого интереса к пеллетам является их достаточно невысокое влагосодержание. Это свойство в значительной степени повышает эффективность их применения и практически исключает образование дыма при горении. Надо учитывать, что необходимо грамотно подбирать влажность измельченного сырья, что дает возможность уменьшить затраты энергии на производство пеллет.
Изменение температурного режима.
Температура гранулирования является одним из самых главных режимных параметров, влияющим на качественные показатели пеллет. При недостаточно высокой температуре гранулирующей матрицы лигнин, содержащийся в древесине, не проявляет клеящих или связующих свойств. При этом производство пеллет становится невозможным. Однако чрезмерно высокая температура может стать причиной выхода из строя главных элементов гранулятора матрицы и роликов. Контроль этого показателя обязательно необходим и возможет как прямыми (установкой термометров различных конструкций и принципов действия), так и косвенными методами (внешний вид пеллет, их цвет, блеск).
Изменение фракционного или гранулометрического состава исходного сырья для гранулирования.
Процесс производства древесных пеллет подразумевает обязательное приведение частиц к одному размеру путем измельчения в специальном оборудовании или разделению при помощи сит с отверстиями определенных диаметров. Неоднородность размеров древесных частиц, может оказывать значительное влияние на качество выпускаемой продукции. Это условие является сдерживающим фактором более широкого применения небольших установок. В применяемых сейчас грануляторах небольшой производительности, как правило, отсутствует участок приведения древесных частиц к одному размеру. Таким образом, использование небольших грануляторов требует условия стабильности источника сырья. В противном случае требуется обязательно перестраивать гранулятор при изменении размеров частиц, что приводит к снижению сменной производительности оборудования.
Использование связующих, наполнителей и улучшителей.
Большинство стандартов различных стран запрещают использование связующих или других улучшителей для изготовления пеллет. Однако использование некоторых натуральных экологически чистых добавок позволяет улучшить качество продукции. Кроме того, возможно определение оптимального сочетания различных пород древесины, отличающихся содержанием природного связующего лигнина. При нахождении правильного соотношения древесных пород, отличающихся про-
128
Лесотехнический журнал 1/2014
Деревопереработка. Химические технологии
центным содержанием лигнина появляется возможность эффективного использования сырья, не применяемого отдельно в чистом виде по причине получения пеллет низкого качества из-за недостаточности лигнина.
Варьирование скорости подачи сырья в гранулятор.
Этот важный показатель связан напрямую с производительностью оборудования. Чем больше сырья в единицу времени подается в гранулятор, тем должна быть выше частота вращения роликов матрицы. При этом следует помнить, что сырье обладает различными физико-механическим свойствами, зависящими, в основном, от породного состава древесины. Таким образом, при одинаковой скорости подачи древесных частиц может понадобиться различное время для их гранулирования.
Скорость зачастую определяет не только качество производимых пеллет, но безопасность работы оборудования, вероятность выхода из строя важных узлов. Некоторые производители с целью получения максимальной прибыли начинают подавать сырье в пресс на максимальной скорости, что ведет к снижению качества производимых пеллет. Необходимо (экспериментальным путем) подобрать оптимальную скорость подачи древесного сырья и строго придерживаться ее в процессе производства. Даже небольшое изменение скорости чревато перегревом матрицы и, как следствие, выходом ее из строя. Скорость подачи пеллет строго инди-видуальна для каждой линии и варьируется даже для прессгрануляторов одного производителя.
Установка различных режимов обра-
ботки сырья паром.
Как правило, технология производства пеллет включает в себя использование пара, применяемого для разогрева сырья с целью облегчения пластификации натурального связующего лигнина, содержащегося в древесине. Это дает возможность лигнину более равномерно распределяться между древесными частица, таким образом склеивая их. Затем при охлаждении гранул лигнин остывает, сохраняя формоустойчивость и обеспечивая ряд физико-механических свойств, важных для транспортировки готовой продукции потребителю и ее дозирования при подаче в топки различных конструкций.
Варьирование расстояния между матрицей и роликами.
Варьирование зазора между матрицей и роликами является причиной скорости их износа, а также оказывает существенное влияние на качественные характеристики выпускаемых пеллет. При этом изменение этого расстояния влияет на энергоемкость всей технологии пеллети-рования. Правильная установка этого расстояния (зазора) в значительно степени повышает период эксплуатации матрицы. Следует отметить, замена матрицы или роликов в реальных производственных условиях всегда сопровождается перенастройкой зазора в грануляторе.
Также численные уровни управляемых параметров напрямую зависят от параметров второй группы и выходных технико-экономических показателей.
К параметрам второй группы относятся воздействия, численные изменения которых определяются климатическими особен-
Лесотехнический журнал 1/2014
129
Деревопереработка. Химические технологии
ностями региона, где находится производство пеллет, и, соответственно временем года. Несомненно, изменение этих неуправляемых или возмущающих воздействий может при неправильном изменении режимов негативно сказаться не только на качестве пеллет, но и на безопасности работы оборудования в целом. Так, например, чрезмерное охлаждение матрицы влечет за собой ухудшение пластификации лигнина, являющегося натуральным связующим при склеивании частиц между собой при гранулировании. Это обстоятельство может стать причиной снижения физико-механических свойств готовой продукции, важных при транспортировке и дозировании при сжигании в топках.
В третью группу параметров можно отнести показатели, характеризующие технико-экономическую эффективность пеллетирования. Они отражают технические и транспортные характеристики этого вида биотоплива: теплотворные показатели (теплота сгорания и удельная энергоемкость), размерные показатели (диаметр и длина), массовая доля влаги, зольность, механическая прочность, содержание мелкой фракции, а также содержание серы, азота, хлора. При этом для некоторых видов топлива из биомассы, такой как эвкалипт, тополь, деревья с коротким периодом роста, солома, мискантус и оливковые косточки, обязательно должно быть рассмотрено поведение золы при плавлении. Также предъявляются соответствующие требования к биотопливу в виде брикетов и отдельно к щепе, дробленой древесине, кругляку, поленьям, древесной стружке, коре согласно государственному стандарту [2]. Все группы параметров технологии
производства древесных топливных пел-лет, отражающие статические и динамические характеристики этого процесса, приведены в нижеследующей таблице.
Безусловно, учитывать все без исключения параметры в системах управления линиями по производству пеллет - задача очень сложная и не во всех случаях целесообразная. Учет всех параметров, во-первых, усложняет систему управления и, как следствие, приводит к ее удорожанию. Во-вторых, параметры, включая режимные, могут быть взаимосвязаны между собой, что обязательно приведет к несогласованности управления гранулятором и конфликтам в работе отдельных цепей управления.
Также могут возникнуть значительные трудности при планировании экспериментов для определения взаимосвязи между показателями процесса производства пеллет из древесных отходов. Матрица планирования эксперимента, включающая, например, восемь регулируемых режимных показателей будет содержать очень большое количество опытов, что делает задачу промышленных исследований на реально работающем промышленном оборудовании практически не решаемой. Действительно, каждый опыт с учетом достижения процессом установившихся уровней регулируемых параметров может занимать 1.. .2 часа. При этом для получения достоверных объективных результатов производственных экспериментов необходимо, чтобы значения нерегулируемых параметров были стабильны или колебались в очень узких диапазонах.
В таких условиях матрица планиро-
130
Лесотехнический журнал 1/2014
Деревопереработка. Химические технологии
Таблица
Г руппы параметров технологии производства древесных топливных пеллет
№ Наименование параметра Обозначение Единицы измерения
Входные управляемые параметры, Xt
1 Температура матрицы X1 оС
2 Температура пара X2 оС
3 Скорость подачи древесного сырья X3 кг/мин
4 Влажность подаваемого древесного сырья X4 %
5 Фракционный состав древесного сырья X5 отн.ед.
6 Содержание лигнина X6 %
7 Содержание смолы X7 %
8 Насыпная плотность сырья X8 кг/м3
9 Расстояние между роликами и матрицей X9 мм
10 Степень сжатия Х10 %
11 Добавки Х„ %
Неуправляемые возмущающие воздействия, Fj
1 Температура атмосферного воздуха F1 оС
2 Влажность атмосферного воздуха F2 %
3 Температура сырья F3 оС
Выходные технико-экономические показатели, Yk
1 Теплотворная способность Y1 КДж
2 Удельная энергоемкость Y2 КДж/кг
3 Длина пеллет Y3 мм
4 Диаметр пеллет Y4 мм
5 Зольность Y5 %
6 Механическая прочность Ye МПа
7 Истираемость Y7 г/см2
8 Содержание мелкой фракции y8 %
9 Конечная массовая доля влаги Y9 %
10 Содержание серы (S) Y10 %
11 Содержание азота (N) Y11 %
12 Содержание хлора (Cl) Y12 %
13 Себестоимость Y13 р/т
14 Производительность Y14 Кг/ч
вания активного производственного эксперимента, содержащая гораздо более 100 опытов, может реализовывать в течение не одного месяца. За такой длительный период проведения промышленных экспериментов возможен естественный износ оборудования, что тоже может стать следствием снижения объективности подобных
исследований. Так, например, в процессе эксплуатации гранулятора может произойти износ ролика и матрицы. Это обстоятельство может стать причиной изменения зазора между роликами и этим важным узлом, которое ведет не только к изменению скорости износа расходных материалов, но к и изменению качества выпускаемых пел-
131
Лесотехнический журнал 1/2014
Деревопереработка. Химические технологии
лет, а также к изменению энергозатрат на производство пеллет. Правильно выставленный зазор значительно увеличивает срок жизни матрицы. При замене матрицы на аналогичную по размерам, но изготовленную из другого материала, необходимо произвести перенастройку гранулятора, как и при замене роликов на ролики с другим «рисунком».
Для исключения возникновения этих проблем необходимо определить наиболее важные параметры и на этой основе принимать управляющие воздействия, обеспечивающие получение экстремальных значений технико-экономических показателей при учете объективно изменяющихся нерегулируемых факторов. С этой целью необходимо провести системный анализ. В основе системного подхода лежит стремление изучить объект как нечто целостное и организованное, во всей его полноте и во всем многообразии связей в объекте. Этот общий принцип ориентирует на рассмотрение объектов как систем. Методология системного подхода, базируясь на комплексном использовании принципов моделирования, а также на достижениях современной вычислительной техники и методах математического моделирования, позволяет перейти от сложной физической модели конвективного процесса как неста-
ционарного и необратимого к его формализованной математической модели, а далее - к оптимизации [3].
В связи с этим требуется дальнейшее проведение исследований с использованием методов абстрагирования, конкретизации, формализации, композиции и декомпозиции, линеаризации и выделения нелинейных составляющих, структурирования и реструктурировании, моделирования и эксперимента, экспертного оценивания и тестирования и также других, дающих полное представление об этом многофакторном процессе и взаимосвязях, сопровождающих его.
Библиографический список
1. Интервью с пеллетчиком: 8 факторов, влияющих на качество производимых пеллет [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http: //www.woodheat. ru/leverage .html.
2. ГОСТ Р 54220-2010 (ЕН 149611:2010). Биотопливо твердое. Технические характеристики и классы. Часть 1. Общие требования. - М., 2010. - 51 с.
3. Сафонов, А. О. Тепломассоперенос и динамика сушки дисперсных материалов в барабанных сушилках [Текст]: учебник / А.
О. Сафонов. - Воронеж : ВГУ, 2002. - 240 с.
132
Лесотехнический журнал 1/2014
