CC BY
0
ИЗВЕСТИЯ ВЕЛИКОЛУКСКОИ ГСХА
2024 № 3
Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. - 2024. - N 3. -С. 28-37. - ISSN 2308-8583.
Proceedings of the State Agricultural Academy of Velikie Luki. 2024;(3):28-37. ISSN 2308-8583.
Научная статья УДК 674.8 EDN NCYAGK
Инновационная технология производства и применения микс-пеллет в условиях агропромышленных предприятий
Игорь Борисович Зимин1, Даниил Алексеевич Смирнов2, Александр Игоревич Михайлов3, Юрий Павлович Ильвис4
1 2' 3' 4 Великолукская государственная сельскохозяйственная академия, Псковская область, Великие Луки, Россия
2 denya. [email protected]
4 jurailvis 1989@gmail. com
Аннотация. В условиях постоянно растущих цен на традиционные виды энергоносителей и ухудшения экологической обстановки в агропромышленном комплексе перспективным направлением расширения энергетической базы предприятий является широкое внедрение в производство твердого биотоплива на базе отходов сельскохозяйственного производства и деревообрабатывающей промышленности. Для обеспечения требуемой теплотворной способности и стабилизации горения топлива, автоматизации подачи топлива, создания оптимальных условий перевозки и хранения рекомендуется организовать производство твердого биотоплива в спрессованном виде.
Для решения поставленных задач нами предлагается специализированная линия по производству топливных гранул (микс-пеллет) из смеси мягких древесных отходов и отходов сельскохозяйственного производства (например, отходов предварительной очистки зерна).
Полученные топливные гранулы (микс-пеллеты) можно эффективно использовать в сельскохозяйственном производстве, например, в топочных отделениях зерносушильных агрегатов, работающих на твердом топливе. При работе на топливных гранулах (микс-пеллетах) в системе подачи топлива предусмотрен приемный бункер, шнековый транспортер и гибкая вставка (гофра). Помимо этого, для эффективного сгорания топлива и обеспечения стабильности параметров агента сушки предлагается использовать специальную факельную пеллетную горелку, работающую в полностью автоматическом режиме.
Предлагаемая технология получения и применения топливных гранул (микс-пеллет) из отходов сельскохозяйственного и деревообрабатывающего производств позволяет организовать на базе агропромышленных предприятий работу теплоэнергетического оборудования на относительно дешевом и экологически чистом топливе, что окажет положительное влияние как на себестоимость производства единицы продукции, так и снижение негативного влияния на окружающую среду по сравнению с традиционными видами топлива.
© Зимин И. Б., Смирнов Д. А., Михайлов А. И., Ильвис Ю. П., 2024
28
сельскохозяйственные науки
Ключевые слова: энергетика, биотопливо, топливные гранулы, микс-пеллеты, технологическая линия, зерносушение
Для цитирования: Зимин И. Б., Смирнов Д. А., Михайлов А. И., Ильвис Ю. П. Инновационная технология производства и применения микс-пеллет в условиях агропромышленных предприятий // Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. - 2024. - N 3. - С. 28-37. - URL: https://elibrary.ru/ncvagk.
Original article
Innovative Production and Application Technology of Mix Pellets
in Agro-Industrial Enterprises
Igor B. Zimin1, Daniil A. Smirnov2, Alexander I. Mikhailov3, Yuri P. Ilvis4
1 2' 3' 4 State Agricultural Academy of Velikie Luki, Pskov region, Velikie Luki, Russia
2 denya. [email protected]
4 jurailvis 1989@gmail. com
Abstract. In the context of constantly rising prices for traditional energy sources types and deteriorating environmental conditions in the agro-industrial complex as well, a promising trend for expanding the enterprise energy base is the widespread introduction of solid biofuels based on agricultural and woodworking waste. It is recommended to produce solid biofuels in pressed form to ensure the required calorific value and flame holding, automation of fuel supply, creation of optimal conditions for transportation and storage.
To solve the above tasks, we offer a specialized production line to produce fuel pellets (mixed pellets) from a mixture of soft wood waste and agricultural waste (for example, waste from grain precleaning).
The obtained fuel granules (mixed pellets) can be effectively used in agricultural production, for example, in the furnace compartments of grain drying units operating on solid fuel. When working on fuel granules (mixed pellets), the fuel supply system is provided with a receiving bin, a screw conveyor and a flexible insert (crinkled part). In addition, for efficient fuel combustion and ensuring the stability of the drying agent parameters, it is proposed to use a special jumbo burner for pellets, operating in a fully automatic mode.
The proposed technology to obtain and use of fuel granules (mixed pellets) from agricultural and woodworking waste makes it possible to install such thermal power equipment at agro-industrial enterprises, using relatively cheap and environmentally friendly fuel, which will have a positive effect on both the production cost per unit of the output and on a reduction of the negative impact on the environment as compared to traditional types of fuel.
Keywords: energy, biofuels, fuel pellets, mix pellets, processing line, grain drying For citation: Zimin I. B., Smirnov D. A., Mikhailov A. I., Ilvis Yu. P. Innovative Production and Application Technology of Mix Pellets in Agro-Industrial Enterprises. Proceedings of the State Agricultural Academy of Velikie Luki. 2024;(3):28-37. (In Russ.). URL: https://elibrary.ru/ncyagk.
В настоящее время теплогенерирующие установки для автономного теплоснабжения производственных сельскохозяйственных объектов целесообразно перевести на местные виды топлива, в частности, твердое биотопливо [1, 2].
К числу самых рациональных технологий переработки местных видов топлива можно отнести получение топливных гранул, способствующих снижению исходной влажности сырья до значений 8-12% за счет его уплотнения [3]. Снижение влажности при гранулировании увеличивает теплоту сгорания топлива, вызывает сокращение объема продуктов сгорания, снижает потери тепла с уходящими газами, повышает тепловую мощность теплогенерирующего оборудования. Значительное расширение потенциала топливных гранул возможно при использовании двух и более видов сырья (например, растительных отходов от машин предварительной очистки зерна и опилок) [4-6]. В этом случае топливные гранулы называются микс-пеллетами.
Гранулированное биотопливо (микс-пеллеты) имеет очевидные преимущества перед традиционными видами топлива:
а) Теплота сгорания гранулированного биотоплива (микс-пеллет) выше, чем исходного сырья, что напрямую влияет на экономичность процесса горения. Это обусловлено тем, что величина теплоты сгорания в значительной степени зависит от содержания в топливе влаги, количество которой сводится к минимуму в ходе процесса прессования.
б) Возможность автоматического регулирования процесса горения топлива в теплогенерирующем оборудовании. Это способствует снижению эксплуатационных расходов на топливо (за счет стабильности процесса горения и повышения КПД теплогенераторов), а также снижению расходов на заработную плату за счет высвобождения части персонала в результате комплексной автоматизации теплогенератора.
в) Минимальная зольность топлива (менее 3%), а следовательно, минимальные потери от механической неполноты сгорания и минимальные потери с физическим теплом очаговых остатков.
г) В процессе сгорания микс-пеллеты не выделяют токсичных веществ, а следовательно, не наносят ущерб окружающей среде [7].
д) Сокращение затрат при транспортировке топлива, а также возможность обеспечения качественного хранения за счет организации механизированных складов, обеспечивающих длительное хранение (как в специальной таре, так и «навалом») без ухудшения качественных показателей прессованного биотоплива.
Помимо указанных преимуществ, применение гранулированного твердого биотоплива способно решить еще одну проблему, которую рассмотрим на примере древесных отходов.
В настоящее время особо актуальной является проблема хранения и последующей утилизации древесных отходов на производстве. Это обусловлено нарушениями экологической обстановки, пожароопасной ситуацией в местах скопления древесных отходов, а также необходимостью грамотного использо-
вания этого экономически выгодного ресурса на предприятиях, в качестве энергоносителя для систем отопления производственных помещений, а также в технологических целях (например, в качестве топлива для зерносушилок сельскохозяйственного назначения).
Постепенное разрушение древесного вещества при хранении мягких древесных отходов (опилок) в кучах может за полгода достигать 5%. Это обусловлено деятельностью грибков и микроорганизмов, а также химическими реакциями с участием водяных паров и углекислого газа, сопровождающимися выделением тепла. В результате самопроизвольного нагревания внутренних слоев (температура внутри древесной кучи может достигать 60-80 оС) создается пожароопасная ситуация, вероятность которой в значительной степени увеличивается при повышении влажности древесных отходов.
Аналогичная ситуация наблюдается и по отходам сельскохозяйственных культур (например, по отходам предварительной очистки зерна).
Для создания оптимальных условий хранения отходов сельскохозяйственного и деревообрабатывающего производства, используемых в дальнейшем в качестве твердого биотоплива, необходимо снизить влажность отходов путем их прессования с получением конечного продукта - топливных гранул. Для производства топливных гранул из смеси мягких древесных отходов и отходов сельскохозяйственного производства (например, отходов предварительной очистки зерна) нами предлагается специализированная линия на базе оборудования отечественного производства (рисунок 1).
После сушки в барабанной сушилке и измельчении в молотковой дробилке до состояния древесной муки мягкие древесные отходы (опилки) влажностью 12% под действием разряжения, создаваемого вентилятором, подаются через материалопровод (1) в циклон-разгрузитель (2). В циклоне (2) под действием центробежных сил происходит предварительная очистка воздушного потока от мягких древесных отходов (опилок). При этом древесные отходы через шлюзовой затвор под действием собственного веса направляются в бункер-накопитель (3), а частично очищенный воздушный поток поступает во второй циклон (11), где происходит его окончательная очистка от легковесных частиц, которые поступают также в бункер-накопитель (3).
Бункер-накопитель (3) примерно наполовину наполняется измельченными мягкими древесными отходами (опилками) и затем, по аналогичной технологической цепочке, в бункер-накопитель (3) поступают измельченные и просушенные отходы сельскохозяйственного производства (отходы предварительной очистки зерна). В бункере-накопителе (3) во время работы линии происходит постоянное перемешивание отходов предварительной очистки зерна и отдельных фракций мелких древесных отходов, поступающих от циклонов (2), (11), (12). В результате достигается не только предварительная однородность смеси сырья для получения гранул, но и предотвращается слеживание сыпучего сырья в бункере-накопителе (3), а следовательно, обеспечивается требуемая согласованность работы технологического оборудования линии.
1 - материалопровод; 2, 11, 12 - циклон; 3 - бункер-накопитель; 4 - питатель-дозатор; 5 - смеситель; 6 - пресс-гранулятор; 7, 13 - нория; 8 - охладительная колонка; 9 - сепаратор; 10 - парогенератор; 14 - бункер готовой продукции; 15 - шиберная заслонка с пневмоцилиндром; 16 - мешок «Биг-Бэг»; 17 - мотор-редуктор; 18 - ленточный транспортер;
19 - вентилятор раздува мешка Рисунок 1 - Схема технологической линии по производству топливных гранул (микс-пеллет) из отходов сельскохозяйственного и деревообрабатывающего
производства
Из бункера-накопителя сырье для получения микс-пеллет поступает в шнековый питатель-дозатор (4) и далее в лопастной смеситель (5), где в процессе транспортирования происходит дополнительное перемешивание отдельных фракций сырья (измельченных опилок, отходов предварительной очистки зерна, древесной и растительной пыли, несгранулированной крошки и т.д.) для придания сырью требуемой однородности перед поступлением его в пресс-гранулятор (6). Помимо этого в смеситель (5) от парогенератора (10) подается пар. Таким образом, в смесителе происходит доведение влажности древесного и растительного сырья до уровня, необходимого для процесса гранулирования. Из смесителя увлажненное сырье поступает в пресс-гранулятор (6).
На выходе из пресс-гранулятора топливные гранулы (микс-пеллеты) имеют влажность 9-10%, высокую температуру (80 оС) и непрочны, поэтому они транспортируются норией (7) в охладительную колонку (8). Здесь через слой гранул вентилятором циклона (12) просасывается воздух, который охла-
ждает гранулы и одновременно отводит часть несгранулированной муки в циклон. В процессе охлаждения гранулы приобретают необходимые твердость (1200-1500 кг/м3), влажность (8%) и температуру. Из охладительной колонки гранулы поступают на сепаратор (9), где происходит отделение кондиционных гранул от крошки. Гранулы выводятся через выгрузную горловину и подаются на норию готовой продукции (13), а крошка отсасывается в циклон (12) и далее направляется вместе с другими компонентами сырья на повторное прессование. Норией (13) гранулы подаются в бункер готовой продукции (14). Под этим бункером закреплен мешок («Биг-Бэга»), который перед наполнением гранулами с помощью вентилятора (19) продувается сжатым воздухом для придания необходимой формы, удобной для загрузки сыпучего материала (гранул).
Дозированная выгрузка гранул из бункера (14) в мешкотару («Биг-Бэг») (16) обеспечивается с помощью шиберной заслонки (15) с пневмоцилиндром. После наполнения мешок («Биг-Бэг») снимается с крючков бункера, завязывается и перемещается транспортером (18) в зону отгрузки, где при помощи кран -балки приподнимается, захватывается погрузчиком и транспортируется на склад готовой продукции.
Полученные топливные гранулы можно эффективно использовать в сельскохозяйственном производстве, например, в топочных отделениях зерносу-шильных агрегатов, работающих на твердом топливе [8].
Рассмотрим вариант реконструкции топочного отделения, направленный на автоматизацию процесса сушки, позволяющую обеспечить сокращение энергозатрат при сохранении качественных показателей семян.
При работе теплогенератора зерносушилки на микс-пеллетах необходимо изначально установить факельную пеллетную горелку на входе в топочную камеру теплогенератора (рисунки 2, 3) [9, 10].
Работа теплогенератора на микс-пеллетах организуется следующим образом. Топливные гранулы из приемного бункера (1) поступают в шнековый транспортер (2) и затем через гофру (3) дозированно поступают в пеллетную горелку (рисунок 2). Работа пеллетной горелки полностью автоматизирована в зависимости от температуры дымовых газов, требуемой температуры агента сушки и расхода воздуха, подаваемого в зону горения (рисунок 3).
При запуске пеллетной горелки изначально на 60 с включаются подвижный колосник (4) и вентилятор (1). Далее в горелке включается нагревательный ТЭН и через горловину (5) загружается порция топлива. Розжиг осуществляется до тех пор, пока температура дымовых газов не поднимется до требуемого предела. На дальнейшем этапе горелка переходит в автоматический режим работы. В процессе работы горелки происходит ее очищение от золы и несгорев-ших частиц с помощью подвижного колосника (4), который очищает поверхность неподвижного колосника (3) и сбрасывает золу и несгоревший остаток на колосниковую решетку кирпичной топки (рисунок 2). Затем, после прохождения через отверстия колосниковой решетки, зола и остаток удаляются из топки вручную, через дверцу для удаления золы.
и)
6_ 1 9 10
11 12 13
~В сушилку
ё а
■к- со
И
ю- о
£ Н
Я
И ^
в «
о
Г) «
о
Вс ч
Г) >
- - холодный воздух,- —- - агент сушки, >—- - топочные газы
1 - приемный бункер; 2 - шнековый транспортер; 3 - гофра; 4 - камера сгорания; 5 - экран; 6 - переходной патрубок; 7 - заслонка; 8 - вентилятор-дымосос; 9 - труба дымовая; 10 - искрогаситель; 11 - камера распределения топочных газов; 12 - теплообменник; 13 - воздуховод; 14 - топка кирпичная; 15 - колосниковая решетка; 16 - дверца для удаления
золы; 17 - пеллетная факельная горелка Рисунок 2 - Конструктивно-технологическая схема теплогенератора ТАУ-0,75 в варианте его работы на микс-пеллетах
сельскохозяйственные науки
Дымовые газы, полученные при сгорании в горелке микс-пеллет, поступают через экран (5) и переходной патрубок (6) в камеру (11) (рисунок 2), а затем через заслонку (7) и вентилятор-дымосос (8) направляются в дымовую трубу (9) (рисунок 2).
1 - вентилятор; 2 - мотор-редуктор привода колосников; 3 - неподвижный колосник; 4 - подвижный колосник; 5 - загрузочная горловина; 6 - внутренний
шнек; 7 - мотор-редуктор внутреннего шнека Рисунок 3 - Схема факельной пеллетной горелки для работы на микс-пеллетах
За счет тяги, создаваемой вентилятором сушилки, наружный воздух контактирует со стенками теплообменника (12), нагретыми от дымовых газов, и поступает через воздуховод в зерносушильный агрегат, обеспечивая сушку влажного зерна до значений (14%), определяемых агротехническими требованиями на сушку [11].
Предлагаемая технология получения и применения топливных гранул (микс-пеллет) из отходов сельскохозяйственного и деревообрабатывающего производств позволяет организовать на базе агропромышленных предприятий работу теплоэнергетического оборудования на относительно дешевом и экологически чистом топливе, что окажет положительное влияние как на себестоимость производства единицы продукции, так и снижение негативного влияния на окружающую среду по сравнению с традиционными видами топлива.
Список источников
1. Борзов В. П. Энергоэффективность систем теплоснабжения в агропромышленном комплексе: монография. - Кострома: Изд-во ФГБОУ ВПО Костромская ГСХА, 2006. -128 с.
2. Потенциал использования отходов лесного хозяйства в сельской теплоэнергетике / И. Б. Зимин, В. Г. Игнатенков, С. И. Дудин и др. // Современные проблемы агропромышленного комплекса: сб. докл. VI национал. науч. конф. (28 ноября 2019 года, Великие Луки). -Великие Луки, 2019. - С. 14-15.
3. Обращение с отходами / А. А. Челноков, Л. Ф. Ющенко, И. Н. Жмыхов и др. - Мн.: Вышэйшая школа, 2018. - 460 с.
4. Голубев И. Г., Шванская И. А., Коноваленко Л. Ю. Рециклинг отходов в АПК: справочник. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2011. - 296 с.
5. Чемоданов А. Н., Царев Е. М., Анисимов С. Е. Комплексная переработка древесины и древесных материалов : справочные материалы. - М. : Вологда: Инфра-Инженерия, 2022. -352 с.
6. Энергетическое использование древесной биомассы: учеб. / А. Б. Левин, Ю. П. Семенов, В. Г. Малинин и др.; под общ. ред. А. Б. Левина. - М.: ИНФРА-М, 2016. -199 с.
7. Лукаш, А. А. Энергетическое использование древесной биомассы : учеб. Пособие. -СПб. : Лань, 2020. - 124 с. // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/147113 (дата обращения: 21.07.2024).
8. Повышение энергоэффективности топочных отделений зерносушилок сельскохозяйственного назначения путем рационального использования местных энергоресурсов / И. Б. Зимин, В. А. Воронов, П. И. Калашников и др. // Известия Великолукской государственной сельскохозяйственной академии. - 2020. - № 4 (33). - C. 17-25.
9. Овсянков А. Д., Печников С. А. Котельные и электростанции на биотопливе: современная технология получения тепла и электрической энергии с использованием различных видов биомассы : справочник. - СПб.: Биотопливный портал WOOD - PELLETS.COM, 2011. - 360 с.
10. Зимин И. Б., Сооляттэ В. Ю., Чигулита Е. В. Перспективы применения различных конструкций горелочных устройств в теплогенерирующих установках зерносушильных агрегатов, работающих на твердом биотопливе // Сельскохозяйственные науки: вопросы и тенденции развития: материалы Междунар. науч.-практ. конф. (20 декабря 2023 г., Великие Луки). - Великие Луки: РИО ВГСХА, 2023. - C. 88-92.
11. Сычугов Н. П., Сычугов Ю. В., Исупов В. И. Машины, агрегаты и комплексы послеуборочной обработки зерна и семян трав. - Киров.: ООО «ВЕСИ», 2015. - 404 с.
References
1. Borzov V. P. E'nergoe'ffektivnost' sistem teplosnabzheniya v agropromy'shlennom komplekse: monografiya. - Kostroma: Izd-vo FGBOU VPO Kostromskaya GSXA, 2006. -128 s.
2. Potencial ispol'zovaniya otxodov lesnogo xozyajstva v sel'skoj teploe'nergetike / I. B. Zimin, V. G. Ignatenkov, S. I. Dudin i dr. // Sovremenny'e problemy' agropromy'shlennogo kompleksa: sb. dokl. VI nacional. nauch. konf. (28 noyabrya 2019 goda, Velikie Luki). - Velikie Luki, 2019. - S. 14-15.
3. Obrashhenie s otxodami / A. A. Chelnokov, L. F. Yushhenko, I. N. Zhmy'xov i dr. - Mn.: Vy'she'jshaya shkola, 2018. - 460 s.
4. Golubev I. G., Shvanskaya I. A., Konovalenko L. Yu. Recikling otxodov v APK: spra-vochnik. - M.: FGBNU «Rocinformagratex», 2011. - 296 s.
5. Chemodanov A. N., Czarev E. M., Anisimov S. E. Kompleksnaya pererabotka drevesiny' i drevesny'x materialov : spravochny'e materialy'. - M.: Vologda: Infra-Inzheneriya, 2022. -352 s.
6. E'nergeticheskoe ispol'zovanie drevesnoj biomassy': ucheb. / A. B. Levin, Yu. P. Semenov, V. G. Malinin i dr.; pod obshh. red. A. B. Levina. - M.: INFRA-M, 2016. - 199 s.
7. Lukash, A. A. E'nergeticheskoe ispol'zovanie drevesnoj biomassy' : ucheb. Posobie. - SPb. : Lan', 2020. - 124 s. // Lan' : e'lektronno-bibliotechnaya sistema. — URL: https://elanbook.com/book/147113 (data obrashheniya: 21.07.2024).
8. Povy'shenie e'nergoe'ffektivnosti topochny'x otdelenij zernosushilok sel'skoxozyaj-stvennogo naznacheniya putem racional'nogo ispol'zovaniya mestny'x e'nergoresursov / I. B. Zimin, V. A. Voronov, P. I. Kalashnikov i dr. // Izvestiya Velikolukskoj gosudarstvennoj sel'skoxozyajstvennoj akademii. - 2020. - № 4 (33). - C. 17-25.
9. Ovsyankov A. D., Pechnikov S. A. Kotel'ny'e i e'lektrostancii na biotoplive: sovremennaya texnologiya polucheniya tepla i e'lektricheskoj e'nergii s ispol'zovaniem razlichny'x vidov biomassy' : spravochnik. - SPb.: Biotoplivny'j portal WOOD - PELLETS.COM, 2011. -360 s.
10. Zimin I. B., Soolyatte' V. Yu., Chigulita E. V. Perspektivy' primeneniya razlichny'x kon-strukcij gorelochny'x ustrojstv v teplogeneriruyushhix ustanovkax zernosushil'ny'x agregatov, rabotayushhix na tverdom biotoplive // Sel'skoxozyajstvenny'e nauki: voprosy' i tendencii razvitiya: materialy' Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. (20 dekabrya 2023 g., Velikie Luki). - Velikie Luki: RIO VGSXA, 2023. - C. 88-92.
11. Sy'chugov N. P., Sy'chugov Yu. V., Isupov V. I. Mashiny', agregaty' i kompleksy' posle-uborochnoj obrabotki zerna i semyan trav. - Kirov: OOO «VESI», 2015. - 404 s.
Информация об авторах
И. Б. Зимин - кандидат технических наук, доцент; Д. А. Смирнов - магистрант; А. И. Михайлов - магистрант; Ю. П. Ильвис - магистрант.
Information about the authors
I. B. Zimin - candidate of Technical Sciences, assistant professor; D. A. Smirnov - master-course student; A. I. Mikhailov - master-course student; Yu. P. Ilvis - master-course student.
Статья поступила в редакцию 16.09.2024; одобрена после рецензирования 19.09.2024; принята к публикации 25.09.2024.
The article was submitted 16.09.2024; approved after reviewing 19.09.2024; accepted for publication 25.09.2024.
