CC BY
16
II СОВРЕМЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ДЕРЕВООБРАБОТКИ
УДК 62-662.3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ПРЕССОВАНИЯ КОРО-ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ
EXPERIMENTAL STUDIES OF THE ENERGY INTENSITY OF PRESSING
BARK AND WOOD WASTE
Власов Ю.Н. (Воронежский государственный лесотехнический университет
имени Г. Ф. Морозова, г. Воронеж, РФ) Куницкая, О.А., Григорьев М.Ф., Степанова Д.И. (Якутская государственная
сельскохозяйственная академия, г. Якутск, РФ) Григорьева А.И. (Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Ам-
мосова, г. Якутск, РФ)
Vlasov Y.N. (Voronezh state forest engineering University named after G. F. Morozov,
Voronezh, Russia)
Kunitskaya, O. A., Grigorev M. F., Stepanova D. I. (Yakutsk state agricultural Academy, Yakutsk, Russia) Grigoreva A. I. (North-Eastern Federal University named After M. K. Ammosov, Yakutsk, Russia)
Рассмотрены методика, оборудование и результаты экспериментальных исследований энергоемкости прессования коро-древесных отходов для производства топливных брикетов
The technique, equipment and results of experimental studies of the energy intensity of pressing bark-wood waste for the production of fuel briquettes are considered
Ключевые слова: коро-древесные отходы, прессование, экспериментальные исследования, энергоемкость, топливные брикеты
Key words: bark and wood waste, pressing, experimental research, energy intensity, fuel briquettes
Организация эффективной утилизации и переработки отходов лесозаготовительного производства представляет собой комплексную научную проблему. Одним из основных направлений ее решения является развитие производства экологически чистого биотоплива из древесных отходов. Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике относится к приоритетным направлениям Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации [1].
Наиболее распространенными видами биотоплива, производимого из древесных отходов, являются пеллеты и брикеты. Организация современных промышленных линий гранулирования рентабельна лишь при значительных объемах перерабатываемого сырья, недостижимых для малых лесоперераба-
тывающих предприятий. Требования к фракционному составу и качеству сырья более строги, по сравнению с брикетным производством [2].
Для производства твердого биотоплива, как продукта с достаточно большой добавленной стоимостью, во многих странах мира создаются энергетические лесные плантации [3-9].
Наиболее качественные брикеты получают с использованием гидравлических прессов с закрытой матрицей [10]. Практика показывает, что прессовое гидравлическое оборудование получило к настоящему времени наибольшее распространение.
Для повышения эффективности брикетного производства необходимо снизить его энергоемкость. Для поиска оптимальных направлений снижения энергоемкости были проведены экспериментальные исследования влияния скорости рабочего органа пресса, давления прессования, переменных физико-механических свойств материала брикета на показатели его уплотнения.
Управляемыми факторами при проведении экспериментальных исследований являлись: давление рабочего органа пресса Р [МПа], время прессования Т [с], влажность экспериментального материала Ж [%] и его средняя крупность /[мм]. При изучении влияния давления и времени прессования, влажности и средней крупности сырья на плотность использован план эксперимента Бокса-Бенкена 2-го порядка.
Опыты выполнены отдельно для прессования древесины и коры хвойных пород (сосна, ель). Эксперименты проведены с использованием промышленного гидравлического брикетного пресса RUF-400. Автоматика пресса позволяет управлять режимом движения рабочего органа таким образом, чтобы обеспечить заданное удельное давление прессования.
В опытах по исследованию механической прочности брикетов DU
-5
управляемыми факторами являлись плотность брикетов р [кг/м ], влажность Ж [%] и средняя крупность сырья брикета /[мм].
Опыты выполнены отдельно для брикетов из измельченной древесины и коры. Также был использован оптимальный план Бокса-Бенкена, число опытов составляло 15, с 3 повторениями в каждом.
В результате обработки полученных экспериментальных данных были
-5
составлены регрессионные зависимости плотности брикета р [кг/м ] в зависимости от давления прессования Р [МПа], времени прессования Т [с], влажности сырья Ж [%] и фракции сырья / [мм] для древесины и коры принимают вид:
р = 5,515Р + 10,25Т + 63,67Ж - 0,01143Р2 - 0,1060Г2 - 2,884Ж2 -1,402/2 (1) р = 4,888Р + 8,412Т + 92,59Ж + 20,38/ - 0,00924Р2 - 0,08434Т2 - 3,99Ж2 - 2,92/2 (2)
Результаты анализа позволяют утверждать, что опыты по изучению плотности брикетов из измельченной древесины воспроизводимы, поскольку расчетное значение критерия Кохрена Срасч=0,1066 меньше критического ^крит=0,2149. Регрессионная модель (1) адекватна экспериментальным данным, поскольку расчетное значение критерия Фишера ^расч=1,0902 меньше табличного ^фит=1,7680.
Опыты по изучению плотности брикетов из измельченной коры также
воспроизводимы, поскольку расчетное значение критерия Кохрена ^расч=0,0963 меньше критического Gkpht=0,2149. Регрессионная модель (2) адекватна экспериментальным данным, поскольку расчетное значение критерия Фишера FPacH=1,4161 меньше табличного Fkpht=1,7825.
В результате обработки полученных экспериментальных данных были составлены следующие регрессионные уравнения прочности брикетов DU
-5
[%] от плотности р [кг/м ], влажности сырья W [%] и его фракции /[мм] (для брикетов из измельченной древесины и коры соответственно):
DU = -165 + 0,4229р + 7,006/ - 0,0001833р2 - 0,06779W2 - 0,5557/2 (3) DU = -60,28 + 0,2278р + 4,808/ - 0,00008566р2 - 0,05636W2 - 0,4827/2 (4)
Опыты по изучению прочности брикетов из измельченной древесины воспроизводимы, поскольку расчетное значение критерия Кохрена ^расч=0,1407 меньше критического Gkpht=0,3346. Регрессионная модель (3) адекватна экспериментальным данным, поскольку расчетное значение критерия Фишера F-^^1,8825 меньше табличного Fkpht=2,2107.
Опыты по изучению плотности брикетов из измельченной коры также воспроизводимы, поскольку расчетное значение критерия Кохрена ^расч=0,1793 меньше критического Gkpht=0,3346. Регрессионная модель (4) адекватна экспериментальным данным, поскольку расчетное значение критерия Фишера F-^^1,5690 меньше табличного Fkpht=2,2107.
Поиск условного экстремума функций (3), (4), в которых параметр плотности определяется многопараметрическими функциями (1), (2) соответственно осуществлялся при помощи численного метода оптимизации в программе Maple 2018 (команда Maximize, подключаемый модуль Optimization).
В результате были установлены следующие оптимальные параметры брикетирования древесины и коры:
- для древесины DUmax = 96,49 % при P = 150 МПа, T = 48 с, W = 6,5 %,/= 5,8 мм;
- для коры DUmax = 94,17 % при P = 150 МПа, T = 50 с, W = 7,7 %, / = 4,8 мм.
Выполненные экспериментальные исследования, на основании результатов обработки экспериментальных данных позволили установить полиномиальные зависимости плотности брикетов в зависимости от влажности и средней крупности сырья, давления прессования, времени прессования и средней крупности сырья. Регрессионные модели плотности брикетов из коры и измельченной древесины получены в виде уравнений (1), (2).
По результатам экспериментального исследования механической прочности брикетов из измельченной древесины и коры установлены полиномиальные зависимости прочности от влажности и средней крупности сырья, плотности брикетов. Модели представлены уравнениями (3), (4).
Поиск условного экстремума функций (3), (4), в которых параметр плотности определяется многопараметрическими функциями (1), (2), показал, что при брикетировании измельченной древесины оптимальная влажность сырья составляет 6,5 % при средней крупности 5,8 мм, оптимальное время прессования составляет 48 с при давлении прессования 150 МПа, па-
раметр механической прочности брикетов составит 96,49 %. Оптимальные параметры для измельченной коры, при которых достигается максимальный показатель прочности 94,17 %: влажность сырья 7,7 %, средняя крупность 4,8 мм, время прессования 50 с при давлении прессования 150 МПа. Оптимальное значение параметра времени определено для брикетов типа «RUF» с геометрическими параметрами, соответствующими стандарту.
Список использованных источников
1. Тамби А.А., Морковина С.С., Григорьев И.В., Григорьев В.И. Развитие циркулярной экономики в России: рынок биотоплива // Лесотехнический журнал. 2019. Т. 9. № 4 (36). С.173-185.
2. Куницкая О.А., Давтян А.Б. Выбор грануляторов для производства пеллет // Повышение эффективности лесного комплекса // Материалы пятой Всероссийской национальной научно-практической конференции с международным участием. 2019. С.59-61.
3. Вагвелди А., Фехер Ш., Хорват Б., Коман С., Ковач Г., Сабо Л., Цупи И., Григорьев И.В., Григорьева О.И., Данилов Д., Куницкая О.А., Криваш Е. Выращивание и эксплуатация лесных плантаций. Ужгород, Издательство: University of West Hungary Press, 2016. 132 с.
4. Воронов Р.В., Марков О.Б., Григорьев И.В., Давтян А.Б. Математическая модель модульного принципа подбора системы машин для создания и эксплуатации лесных плантаций // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2019. № 5 (371). С.125-134.
5. Нгуен Ф.З., Григорьева О.И. Лесные плантации в лесопромышленном производстве Республики Вьетнам // Повышение эффективности использования и воспроизводства природных ресурсов: Материалы научно-практической конференции. 2016. С.48-51.
6. Григорьева О.И., Нгуен Ф.З. Лесные плантации для сырьевого обеспечения де-ревоперерабатывающих предприятий // Повышение эффективности лесного комплекса: Материалы третьей Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. 2017. С. 59-61.
7. Мохирев А.П., Позднякова М.О., Куницкая О.А., Григорьев И.В. Факторы доступности древесных ресурсов: анализ влияния на ключевые критерии // Системы. Методы. Технологии. 2018. № 1 (37). С. 110-115.
8. Давтян А.Б., Куницкая О.А., Григорьев М.Ф., Степанова Д.И. Оценка эффективности создания и эксплуатации энергетических лесных плантаций // Энергоэффективность и энергосбережение в современном производстве и обществе: материалы международной научно-практической конференции. 2019. С. 61-65.
9. Григорьев В.И. Лесные плантации в Азиатско-Тихоокеанском регионе // Наука и инновации: векторы развития: Материалы Международной научно-практической конференции молодых ученых. Сборник научных статей. В 2-х книгах. 2018. С. 75-78.
10. Чибирев О.В., Куницкая О.А., Григорьев М.Ф. Расчет потребного давления прессования опилок при формировании брикета // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2019. № 2. С.22-25.
