CC BY
53
DOI 10.23859/1994-0637-2017-2-77-4 УДК 674.08:662.818
Любов Виктор Константинович
Доктор технических наук, профессор, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова (Архангельск, Россия) E-mail: vk.lubov@mail.ru
Попов Анатолий Николаевич
Ассистент, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова (Архангельск, Россия) E-mail: wav1@inbox.ru
Попова Евгения Игоревна
Ассистент, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова (Архангельск, Россия) E-mail: ev.popova@narfu.ru
Ярков Денис Александрович
Студент, Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова (Архангельск, Россия) E-mail: yarkov.d.a.@edu.narfu.ru
ЭНЕРГООБСЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНЫХ ГРАНУЛ
Аннотация. В данной статье представлены результаты комплексного энергетического обследования промышленной линии гранулирования побочных продуктов лесопильного производства. Исследована эффективность работы линии сушки с теплогенератором, использующим древесное топливо, и их воздействие на окружающую среду. Изучено изменение теплотехнических характеристик и фракционного состава древесного материала в процессе гранулирования. Предложены рекомендации по энергосбережению.
Ключевые слова. Древесные гранулы, топочная камера, теплогенератор, эмиссия оксидов азота и оксида углерода, пресс-гранулятор, мельница, потери тепла, барабанная сушилка._
© Любов В.К., Попов А.Н., Попова Е.И., Ярков Д.А., 2017
Lyubov Viktor Konstantinovich
Dr.Sci.Tech., Professor, Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov (Arkhangelsk, Russia) E-mail: vk.lubov@mail.ru
Popov Anatoly Nikolayevich
Assistant, Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov (Arkhangelsk, Russia) E-mail: wav1@inbox.ru
Popova Evgeniya Igorevna
Assistant, Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov (Arkhangelsk, Russia) E-mail: ev.popova@narfu.ru
Yarkov Denis Aleksandrovich
3th year student of Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov (Arkhangelsk, Russia) E-mail: yarkov.d.a.@edu.narfu.ru
SURVEY OF PROCESS FOR THE PRODUCTION OF GRANULATED FUEL WOOD
Abstract. The article presents the results of a comprehensive energy survey of industrial granulating line of by-products of sawmill plant. The operational efficiency of drier with heat generator operating on fuel wood and its environmental impact are investigated in this work. Changes of thermotechnical characteristics and composition wood raw material during granulating are studied. Recommendations for energy saving are offered.
Key words. Wood granules, furnace chamber, heat generator, emissions of nitrogen and carbon oxides, pellet mill, grinding mill, heat loss, drum drier.
Введение
В индустриально развитых странах для уменьшения воздействия «парниковых» газов на климат планеты активно поощряется замена ископаемых топлив биотопливом. Однако побочные продукты заготовки, обработки и переработки древесины ввиду их высокой влажности, низкой энергетической плотности и крайне неоднородного гранулометрического состава относятся к трудносжигаемым топливам. Перспективным направлением облагораживания отходов переработки биомассы является их гранулирование. Наша страна располагает огромным сырьевым потенциалом для производства прессованного биотоплива, и последние годы данное направление набирает высокие темпы развития. Гранулирование древесной биомассы позволяет получить высококачественное экологически чистое топливо однородного гранулометрического состава, обеспечивающее возможность замещения невозоб-новляемых топлив и значительного снижения экологического воздействия энергетики на окружающую среду [1].
Основная часть
В ЗАО «Лесозавод 25» на протяжении многих лет успешно ведутся работы по комплексному повышению эффективности энергетического использования побочных продуктов лесопильного производства. В 2015 г. на Цигломенском участке ЗАО «Лесозавод 25» был реализован очередной этап программы комплексного использования древесного сырья, закончен монтаж и запущен в работу цех по производству древесных гранул из побочных продуктов лесопильного производства. В цехе смонтированы три линии по производству гранул диаметром 8 мм, на двух из них («А» и «Б») сушильный агент вырабатывается с помощью теплогенерирующих установок, работающих на древесном топливе и оборудованных шнековыми системами подачи топлива на неподвижные колосниковые решетки. Для сушки древесного сырья на линии «Г» используется сушильная установка ленточного тина.
При проведении энергетического обследования основного оборудования цеха по производству древесных гранул в работе находились две линии («Б» и «Г»), при этом суммарная производительность цеха по гранулам изменялась в диапазоне 4,3...5,0 т/ч. Здание цеха (размером в плане 71x35 м) имеет склад топлива и склад сырья для производства гранул. Оба склада оборудованы «живым» дном. Со склада топлива некондиционная щепа с помощью транспортеров и элеваторов поступает на шнековые питатели теплогенераторов.
Исходное сырье с помощью транспортеров направляется в сито барабанного типа, где проходит сортировку с отделением крупных фракций и с помощью системы транспортеров подается в два промежуточных бункера, из которых поступает в индивидуальные дозировочные бункера. Из бункеров древесное сырье шнеками подается в смесительные камеры, расположенные перед барабанными сушилками линий «А» и «Б». На линии «Г» сырье поступает во входной патрубок сушильной установки ленточного тина.
Топливо с помощью шнекового питателя снизу выталкивается на неподвижную колосниковую решетку теплогенератора, под которую в три зоны центробежным вентилятором подается первичный воздух. Стены топочной камеры теплогенератора выполнены из огнеупорной шамотной обмуровки. Для обеспечения требуемой полноты выгорания горючих компонентов топлива и уменьшения выноса летучей золы она оборудована камерой догорания.
Воздух на вторичное дутье забирается из помещения цеха с помощью отверстий (0150 мм), расположенных на наружной поверхности обшивки теплогенератора, проходит по кольцевому каналу, охлаждая обмуровку топки, и поступает в объем
камеры сгорания у фронтовой стены. Вторичный воздух обеспечивает дожигание горючих компонентов топлива и позволяет уменьшить образование оксидов азота. Его поступление в теплогенератор обеспечивается за счет разрежения, создаваемого в газовом и сушильном трактах дымососом.
Камера сгорания топки частично отделена от камеры догорания стенкой, выполненной из огнеупорного материала. В конечной части камеры сгорания к ней присоединена индивидуальная дымовая труба, используемая при растопке теплогенератора и в аварийных ситуациях. При выходе теплогенератора на нормальный режим работы она отключается от газового тракта с помощью заслонки с гидравлическим приводом. После камеры догорания дымовые газы поступают в смесительную камеру, где разбавляются воздухом, забираемым из помещения цеха с помощью отверстий, расположенных на наружной поверхности обшивки камеры. Проходя по кольцевому каналу смесительной камеры, воздух подогревается, охлаждая ее обмуровку, и поступает в дымовые газы, снижая их температуру до безопасных значений. В конце смесительной камеры в нижней части имеется вертикальная стенка, обеспечивающая турбулизацию потока для улучшения перемешивания дымовых газов с воздухом.
Подготовленный сушильный агент подхватывает влажное сырье и транспортирует его в одноходовую сушилку барабанного типа длиной 12,5 м. Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду сушилка покрыта слоем теплоизоляции и снаружи - металлической обшивкой. Температура сушильного агента фиксируется штатной термопарой. В зоне подачи древесного сырья в сушильный агент установлены форсунки системы пожаротушения.
При проведении энергетического обследования температура сушильного агента на входе в барабанную сушилку составляла 250.400 оС, а его расход 19740.21470
нм3/ч.
Цех по производству древесных гранул оснащен автоматической системой управления процессами технологической схемы, большая часть электропривода имеет частотное регулирование производительности.
После сушильной установки высушенное сырье проходит сепарационную камеру, где отделяются наиболее крупные частицы, и далее двухфазный поток транспортируется в циклонный пылеуловитель, где высушенный материал отделяется от отработанного сушильного агента, который с помощью дымососа направляется в индивидуальную дымовую трубу.
В ходе энергетического обследования проведено три опыта, при этом в топку теплогенератора линии «Б» подавалось древесное топливо, в составе которого преобладала щепа (90 %), доля опилок составляла 10 %. Сжигаемое древесное топливо имело высокую степень неоднородности гранулометрического состава (средний коэффициент полидисперсности п = 1,151, а коэффициент, характеризующий крупность состава, Ь = 5,07-10-6). Массовая доля, приходящаяся на куски биотоплива размером > 25 мм, составляла более 51 %.
Из данных таблицы следует, что исходное еловое сырье для производства гранул имело умеренную влажность (см. табл.), его пробы отбирались до барабанного сита. Гранулометрический состав древесного сырья (рис. 1) имел высокую степень неоднородности (п = 0,698; Ь = 3,61810-3). Однако необходимо учитывать, что сито барабанного типа повышает степень однородности гранулометрического состава исходного сырья и его тонкость. Теплотехнические характеристики древесного сырья до и после барабанной сушилки, а также топлива приведены в таблице.
Таблица
Наименование величины Обозначение, размерность Опыт №1 Опыт №2 Опыт №3
Производительность теплогенератора 0, МВт 2,293 2,597 2,806
Влажность топлива Ш-, % 29,29 29,29 29,29
Зольность топлива А-, % 0,22 0,22 0,22
Низшая теплота сгорания топлива 0-,, МДж/кг 12,55 12,55 12,55
Температура первичного и вторичного воздуха *в, оС 18 18 18
Потери тепла: с химнедожогом 9з, % 4,20 3,72 3,22
с мехнедожогом 44, % 0,44 0,44 0,44
в окружающую среду 45, % 0,28 0,25 0,23
Полный расход биотоплива В, т/ч 0,657 0,744 0,805
Эмиссия N0* N0« мг/МДж 119 116 110
Эмиссия СО СО, мг/МДж 690 664 597
КПД брутто топки теплогенератора Лбр, % 95,07 95,58 96,10
Температура газов перед сушилкой о оС ^суш? 250 316 377
Избыток воздуха в сушильном агенте ^суш 8,45 7,78 7,48
Количество сушильного агента на 1 кг сырья q1, кг/кг 2,848 1,922 1,436
Температура газов за сушилкой 55 58 62
Избыток воздуха в газах перед дымососом ^ух 8,75 8,08 7,78
Расход сушильного агента за сушилкой с учетом испаренной влаги О, нм3/ч 21793 22970 24049
Суммарные потери теплоты от наружного охлаждения линии «Б» 45, % 1,95 1,69 1,56
Влажность сырья до и после сушилки Ш-, % 51,35/ 10,72 51,35/ 10,72 51,35/ 10,72
Зольность сырья до и после сушилки А", % 0,34/ 0,36 0,34/ 0,36 0,34/ 0,36
Выход летучих до и после сушилки % 85,46/ 85,22 85,46/ 85,22 85,46/ 85,22
Низшая теплота сгорания сырья до и после сушилки 0,, МДж/кг 7,86/ 16,53 7,86/ 16,53 7,86/ 16,53
Температура газов после пылеуловителя °С 50 53 57
Удельный расход условного топлива на 1 т гранул в, кг у.т/т 290,0 279,5 278,0
Влажность древесных гранул щ, % 5,71
Зольность гранул на сухую массу А", % 0.37
Выход летучих веществ на горючую массу У"а/, % 84,76
Кажущаяся плотность Рк, г/см3 1,199
Насыпная плотность Рнас, г/см3 0,68
Механическая прочность БИ, % 98,46
Низшая теплота сгорания гранул 0,, МДж/кг 17,61
Кх, 100
^ 4
\
3
1
^ У Л
30 X. мм
Рис. 1. Изменение фракционного состава древесного материала в процессе гранулирования: 1 - исходное сырье до барабанного сита; 2 - сырье после сушилки; 3 - древесная мука после
мельницы; 4 - древесные гранулы
Температура газов перед сушильной установкой не превышала 400 оС. Расход сушильного агента до смесительной камеры теплогенератора составлял 78408485 нм3/ч. Имеющий место уровень температур газов перед сушильной установкой прямоточного типа, позволяет обеспечить ее пожаробезопасность [1].
Процесс сушки древесного сырья может сопровождаться выходом летучих веществ из наиболее мелких фракций, что может приводить к потере части горючих веществ и создавать угрозу воспламенения высушиваемого материала. В исследованных режимах работы сушильной установки потери горючих веществ имели минимальные значения. Работа сушильных установок с температурой газов не более 400 оС позволяет обеспечить пожаробезопасные режимы, однако снижает экономические показатели процесса сушки.
Энергетическое обследование показало, что существующая конструкция системы ввода вторичного воздуха не позволяет обеспечить его эффективное перемешивание с дымовыми газами. Поэтому работа теплогенератора характеризовалась высокими избытками воздуха в камере сгорания (ат = 2,8-3,2) и образованием большого количества угарного газа (КСО = 1480-1717 мг/нм3 при К02 = 6 %). Потери тепла с химическим недожогом топлива в исследованном диапазоне нагрузок имели большие значения, что в значительной степени связано с конструктивными особенностями теплогенератора. При определении КПД брутто топки учитывались потери тепла от химического и механического недожога, с физической теплотой шлака и провала, а также часть суммарной потери тепла в окружающую среду (д5), приходящаяся на топочную камеру теплогенератора (птопки = 100 - ц3 - д4 - д6 - д5 ).
Суммарное сопротивление теплогенератора с элементами сушильного тракта изменялось в диапазоне 2,05-2,18 кПа. Сопротивление отдельных элементов (опыт №3) составляло: 400 - теплогенератора с камерой смешения; 420 - сушилки; 1360 Па - пылеотделителя.
Анализ условий тепловой работы теплогенератора и сушильной установки показал, что потери тепла с уходящими газами, если использовать при их определении подход, принятый для котельных установок, составляют 8,16-9,30 % (с учетом эн-
тальпии водяных паров, выделившихся при сушке сырья). Величина данной потери повышается с увеличением производительности установки. В качестве балансового сечения использовалось сечение газохода после циклонного пылеотделителя, где коэффициент избытка воздуха составлял 7,78-8,75.
Результаты энергетического обследования линии гранулирования
Потери тепла с механической неполнотой сгорания и с физической теплотой шлака для теплогенератора имели низкий уровень, что объясняется маленькой зольностью древесного топлива в период проведения обследования и не высоким содержанием горючих веществ в летучей золе (Стун = 11,9 %).
Для определения потерь тепла в окружающую среду использовался относительный метод [2], при этом ограждающие конструкции всех элементов разбивались на отдельные участки, в каждом из которых с помощью пирометра измерялись средние температуры. Для исключения возможных погрешностей, возникающих при реализации относительного метода, была произведена тепловизионная съемка всех элементов обследуемой линии (рис. 2). Для этого использовался тепловизор «Testo 8852», позволяющий получить в реальном времени картину распределения теплоты на поверхности объекта с точностью до 0,1 °С.
На основании результатов замеров средних температур на 300 участках с учетом данных тепловизионной съемки были рассчитаны коэффициенты теплоотдачи, а затем потери тепла в окружающую среду. Потери тепла в окружающую среду для отдельных элементов линии «Б» (опыт №3) составили: теплогенератор - 0,23; смесительная камера - 0,11; смесительная камера сушилки - 0,03; сушилка - 0,57; сепа-рационная камера - 0,27; газоходы - 0,15 и циклон - 0,19 %. При проведении балансовых опытов КПД брутто теплогенератора и сушильной установки (с учетом смесительных камер, сепарационной камеры, циклона и соединительных газоходов), если использовать при его определении подход, принятый для котельных установок, изменялся в диапазоне от 85,25 до 85,69 %.
Если при определении КПД брутто установки считать полезно используемой теплоту, затраченную на нагрев древесного сырья и испарение из него влаги, а подведенной теплотой, располагаемую теплоту древесного топлива, поступающего в топку теплогенератора, с учетом его расхода, то тогда КПД брутто такой установки изменялся в диапазоне 26,10-27,55 %.
С увеличением производительности сушильной линии удельный расход условного топлива на выработку 1 т гранул снижается. Повышенный уровень выбросов угарного газа связан с конструктивными особенностями теплогенератора, а также с работой линии сушки на нагрузках ниже номинальной.
Высушенное сырье из-под сепарационной камеры и циклонного пылеотделителя с помощью системы транспортеров и элеватора подается в инерционно-гравитационный сепаратор, отделяющий крупные фракции и инородные включения, после чего древесное сырье поступает в молотковую мельницу. В мельнице происходит измельчение материала. Полученная древесная мука поступает в систему пневмотранспорта, при этом концентрация твердой фазы в транспортирующем агенте составляла 0,373 кг/нм3, расход воздуха в линии пневмотранспорта был равен 11130 нм3/ч, а его скорость 17,2 м/с. После первой ступени пылеотделения поток идет в циклонный пылеотделитель второй ступени, где происходит его окончательная очистка. Далее по воздуховоду со скоростью 18,4 м/с он движется к вентилятору, с помощью которого направляется в трубу и выводится за пределы цеха.
■II
• /
I • '.
1&2Х
I
Рис. 2. Тепловизионная съемка: а - теплогенератора с устройствами забора вторичного воздуха; б - смесительной камеры; в - барабанной сушилки; г - сепарационной камеры и циклона
а
б
в
г
Отсепарированная мука с помощью транспортеров направляется к элеватору, при этом в поток дисперсного материала добавляется мелкодисперсная не сгранулиро-ванная пыль, отделенная от пеллет в охладителе. Данная пыль воздушным потоком транспортируется к двухступенчатому пылеуловителю циклонного типа. Очищенный воздух центробежным вентилятором направляется в трубу, с помощью которой выводится за пределы цеха.
Древесная мука с помощью транспортеров и элеватора подается в бункер с «живым» дном. Исследования гранулометрического состава муки показали, что она имеет полидисперсный состав (п = 1,496) и относятся к тонкодисперсным материалам (Ь = 2,772-10-5) (см. рис. 1).
Их бункера древесная мука с помощью системы транспортеров и элеваторов подается в приемные бункера пресс-грануляторов, далее - в смесительные камеры, после которых поступает в рабочие камеры грануляторов, где она продавливается через радиальные отверстия матрицы с помощью прижимающих роликов, что приводит к формированию гранул. Выходящие из отверстий матрицы гранулы обламываются с помощью неподвижного ножа.
На выходе из пресса гранулы имеют высокую температуру, поэтому они направляются в охладительную установку. Режим охлаждения оказывает сильное влияние на прочностные свойства гранул [3]. После охлаждения гранулы с помощью цепного конвейера подаются на сортировку, где происходит отделение кондиционных гранул от крошки, которая возвращается в технологический цикл. После сортировки готовые гранулы поступают на склад.
Исследования теплотехнических характеристик, механической прочности и гранулометрического состава еловых гранул показало, что они соответствуют всем требованиям российских и европейских стандартов.
Выводы
1. Эффективность работы сушильной установки определяется температурой газов на ее входе, чем выше данная температура, тем меньше расход топлива и затраты электроэнергии на производство 1 т древесных гранул. Однако повышение температуры сушильного агента увеличивает пожароопасность установки. Учитывая, что в барабанных сушилках реализована прямоточная схема сушки, компромиссным решением являются режимы работы установки с температурой сушильного агента 380-400 оС, которые позволят при приемлемых удельных затратах энергоресурсов обеспечить пожаробезопасность установки.
2. Определяющее влияние на экологические показатели сушильной установки оказывает эффективность работы теплогенератора. Конструктивные особенности теплогенератора линии «Б» не позволяют обеспечить интенсивное перемешивание вторичного воздуха с продуктами сгорания, что приводит к повышенной генерации оксида углерода и значительным потерям тепла с химическим недожогом топлива (4з = 4,21- 3,23 %). Данные показатели были получены при работе теплогенератора на древесном топливе высокого качества. При снижении качественных показателей топлива выбросы угарного газа увеличатся.
3. Анализ результатов экспериментального определения потерь тепла от элементов линии сушки в окружающую среду показал, что для их определения следует использовать относительный метод, дополненный тепловизионной съемкой, позволяющей исключить погрешности, возникающие вследствие измерения и усреднения температур в соответствующих участках. Применение обобщающих зависимостей для определения данных потерь, полученных для котельных установок [4], вызывает появление существенных погрешностей.
4. Запуск в работу цеха по производству древесных гранул позволил повысить эффективность комплексного использования древесного сырья в цикле лесопильно-деревообрабатывающего производства.
Литература
1. Любов В.К., Любова С.В. Повышение эффективности энергетического использования биотоплив. Архангельск, 2010. 496 с.
2. Любов В.К., Малыгин П.В., Попов А.Н., Попова Е.И. Определение потерь тепла в окружающую среду на основе комплексного исследования эффективности работы котлов // Теплоэнергетика. 2015. №8. С. 36-40.
3. Любов В.К., Мюллер О.Д., Попов А.Н., Малыгин П.В., Попова Е.И. Исследование технологического процесса производства древесного гранулированного топлива и эффективности его энергетического использования // Теплофизика и энергетика: конференция с международным участием «VIII Всероссийский семинар вузов по теплофизике и энергетике»: сборник докладов. Екатеринбург: УрФУ, 2013. С. 350-357.
4. Тепловой расчет котлов (нормативный метод). СПб., 1998. 256 с.
References
1. Liubov V.K., Liubova S.V. Povyshenie effektivnosti energeticheskogo ispol'zovaniia biotop-liv [Increasing the efficiency of energy use of biofuels]. Arkhangelsk, 2010. 496 p.
2. Liubov V.K., Malygin P.V., Popov A.N., Popova E.I. Opredelenie poter' tepla v okru-zhaiushchuiu sredu na osnove kompleksnogo issledovaniia effektivnosti raboty kotlov [Determination of heat losses to the environment on the basis of a comprehensive study of the efficiency of boiler operation]. Teploenergetika [Heat power engineering], 2015, no. 8, pp. 36-40.
3. Liubov V.K., Miuller O.D., Popov A.N., Malygin P.V., Popova E.I. Issledovanie tekhno-logicheskogo protsessa proizvodstva drevesnogo granulirovannogo topliva i effektivnosti ego energeticheskogo ispol'zovaniia [Research of the technological process of production of wood granulated fuel and the efficiency of its energy use]. Teplofizika i energetika: konferentsiia s mezhdunarodnym uchastiem «VIII Vserossiiskii seminar vuzov po teplofizike i energetike»: sbornik dokladov [Thermo-physics and Energy: Conference with International Participation "VIII All-Russian Seminar of Higher Schools in Thermophysics and Energy": a collection of reports]. Ekaterinburg: UrFU, 2013, pp. 350-357.
4. Teplovoi raschet kotlov (normativnyi metod) [Thermal calculation of boilers (normative method)]. SPb., 1998, 256 p.
Любов В.К., Попов А.Н., Попова Е.И., Яркое Д.А. Энергообследование процесса производства древесных гранул // Вестник Череповецкого государственного университета. 2017. №2(77). С. 31-39.
For citation: Lubov V.K., Popov A.N., Popova E.I., Yarkov D.A. Survey of process for the production of granulated fuel wood. Bulletin of the Cherepovets State University, 2017, no. 2 (77), pp. 31-39.
