CC BY
211
Е. М. Царев, М. Н. Волдаев, М. К. Герасимов,
А. Р. Хисамеева
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРЕССОВАНИЯ ДРЕВЕСНЫХ БРИКЕТОВ ИЗ ОТХОДОВ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫХ ПРОИЗВОДСТВ
Ключевые слова: древесные отходы, древесное топливо, пеллеты, контейнер, экологическая безопасность.
Рассмотрен вопрос получения топливных брикетов из отходов лесопромышленных производств и дан сравнительный анализ их изготовления с точки зрения энергетических затрат. Предложен способ получения брикета и конструкция контейнера.
Keywords: а wood waste, wood fuel, ecological safety, pellets, the container.
The question of reception of fuel briquettes from a waste of timber industry manufactures is considered. The comparative analysis of manufacture of reception of fuel briquettes from the point of view ofpower expenses is given. For recycling of a wood waste the way of reception of a briquette and a container design is offered.
Введение
Ситуация в области образования, накопления, использования, хранения и утилизации отходов лесопромышленного производства ведет к опасному загрязнению окружающей среды, нерациональному использованию природных ресурсов и, как следствие, к значительному экономическому ущербу. При современных объемах заготовки древесины сегодня в переработку поступает около 67% заготовленной древесины, при этом в круглом виде отгружается до 28%. Оставшаяся древесина используется в качестве дров. Балансы, образовавшиеся после раскряжевки, не только не находят место в дальнейшей переработке, а зачастую остаются на лесосеке [1, 2].
Отходы на различных этапах лесозаготовительного и деревоперерабатывающего производств могут достигать нескольких десятков процентов (пни, сучья, хвоя, опил, обрезки, горбыль и т.д.) в общем балансе древесины, которые в лучшем случае просто сжигаются, в худшем - сваливаются в непосредственной близости от предприятия, неблагоприятно воздействуя на экологическую обстановку и нарушая естественный баланс в локальной экосистеме. Одним из путей решения проблемы недоиспользования отходов от переработки древесного сырья в лесопромышленном производстве является их использование для нужд самих предприятий и населения в качестве топлива [3]. В настоящее время на западном рынке востребовано древесное топливо в виде пеллетов и брикетов [4,5].
Следует отметить, что производство пеллетов связано с большими энергетическими затратами. При этом необходимо проводить подготовительные операции, для подготовки сырья к спеканию. Суммарная мощность производства брикетов с принудительным подогревом зоны прессования и наличием оборудования для измельчения древесной массы колеблется от 150 до 800 кВт [6].
Целью работы является разработка альтернативной технологии получения топливных брикетов и конструкции контейнера для брикетирования при использовании древесных отходов лесопромышлен-
ных производств, обеспечивающей при незначительных технологических затратах экологичность данных производств и позволяющей повышать их энергоэффективность [7].
Решаемые задачи:
1) анализ характера процесса прессования топливного брикета при использовании различных видов фракций (опилки, стружка, щепа, обрезки );
2) изучение процесса формирования брикета по времени.
3) сравнительный анализ эффективности предлагаемого способа с передовыми технологиями производства топливных брикетов.
Экспериментальная часть
Для решения поставленных задач в качестве альтернативного предлагается холодный метод получения брикетов. В данном методе в отличие от широко применяемого, прессования брикетов жестким формообразованием с подачей исходного сырья коническим вращающимся шнеком при температуре 170 - 220 градусов не предусматривается использование устройств, нагревающих обрабатываемый материал.
Загрузка отходов (опил, щепа, стружка и т.п.) и их прессование осуществляется в специальном контейнере, выполненном в виде полого бумажного цилиндра. Основой всего технологического процесса является принцип послойного прессования отходов, которые равными партиями загружаются в контейнер. При этом каждый спрессованный слой отделяется от другого с помощью бумажной прокладки диаметром равным внутреннему диаметру контейнера. Количество приемов может колебаться от 3 до 5, в зависимости от давления пресса, вида отходов и в незначительной степени температурно-влажностных характеристик отходов и помещений, в которых осуществляется прессование (рис.1). Сам контейнер помещается в металлическую пресс форму, выполненную в виде цилиндра с боковой прорезью. При этом пресс форма по своим краям сжимается двумя хомутами, которые после прессования ослабляются, что способствует бес-
препятственному освобождению и удалению контейнера из пресс формы.
На рис. 1 показана последовательность прессования опила (стружки) в бумажном контейнере.
і і ' І І 1 Т----------- І--------------------------+-!■
і =4 *1 ,___________=и ■ і
- = і І я І
Рис. 1 - Схема последовательности прессования
При этом площадь основания контейнера в процессе прессования остается постоянной и равна Б
Высота контейнера уменьшается после каждого приема (формирования спрессованного слоя) на величину ДИ,. Это происходит потому, что вместе с опилом деформируются и стенки полого цилиндра по высоте, что обуславливается тремя причинами: наличием трения скольжения между внешней поверхностью контейнера и внутренней поверхностью формы; наличием трения скольжения между краем бумажной прокладки и внутренней поверхностью контейнера; наличием трения скольжения между обрабатываемым материалом (прессуемыми отходами) и внутренней поверхностью контейнера. При выполнении первого приема до прессования объем насыпной массы будет равен
Унес = б ■Н1, м3 (2)
где Н - высота свободного пространства в контейнере, м.
Объем уплотненной массы в первом приеме составит:
Успр = Б ■И1, м3 (3)
где И-| - высота спрессованного слоя в первом приеме, м.
При этом высота контейнера после выполнения первого приема за счет деформации уменьшится на величину ДИ-|.
Суммарный объем насыпной массы определится по следующей формуле:
ЕУнас = Б • (Н1 + Н2 + Нз + Н4 + ...+ Н,) , м3 (4)
где Н2,.. .Н, - высоты свободного пространства в контейнере во 2,..л-ом приемах, м.
Для определения суммарного объема спрессованных древесных отходов используем следующее выражение:
ЕУспр = Б • (И1 + И2 + Из + И4 + ...+ И,) , м3 (5)
где И2,.И| - высоты спрессованных слоев во 2,..л-ом приемах, м.
Сумма высот спрессованных слоев во всех приемах представляет собой общую высоту спрессованных слоев - высоту готового брикета (Н), и, следовательно, суммарный объем спрессованных древесных отходов можно определить по следующей формуле:
ЕУспр = Б • Н , м3 (6)
При этом высоту готового брикета можно найти следующим образом:
Н = Ннач - (АИ-| + АИ2 + АИ3 + АИ4 + ...+ АИ) м3 (7)
где Н - первоначальная высота контейнера, м; ЛИ2,...ЛИ| - величины изменения высоты контейнера после 1,.. л-ого приемов, м.
Коэффициент уплотнения древесных отходов в брикете определяется следующим образом:
К = ЕУнас / ЕУспр (8)
Результаты исследований
Экспериментальные исследования проводились на лабораторной базе кафедры технологии и оборудования лесопромышленных производств Марийского государственного технического университета.
Экспериментальная пресс-форма представляет собой открытый с двух сторон металлический цилиндр с прорезью по всей длине, параллельной продольной оси цилиндра. Внутренняя поверхность цилиндра отшлифована, обеспечение правильной круглой формы поперечного сечения в процессе прессования и предотвращение возможности проникновения прессуемых древесных отходов сквозь прорезь происходит за счет двух хомутов, располагаемых по краям цилиндра и сжимаемых при помощи соединения болт-гайка.
Пресс-форма устанавливается в специальную форму общим диаметром несколько превышающим внешний диаметр пресс-формы, толщиной по периферийной части 1,5 см, центральной части -1см. Диаметр центральной части с постоянной толщиной 1 см равен внешнему диаметру пресс-формы.
Экспериментальное прессование древесных отходов проводилось гидравлическим прессом, развивающим максимальное усилие прессования 100000 Н. Передача давления от машины к древесным отходам осуществлялась с помощью специального приспособления, изготовленного из выработавшего ресурс поршня ДВС и воспринимающего давление пресса стержня, жестко соединенного с поршнем.
Экспериментальная пресс-форма для получения контейнеров и специальное приспособление для передачи давления пресса к древесным отходам показана на рис.2.
Рис. 2 - Общий вид экспериментальной пресс-формы
Для запрессовывания применялись древесные отходы двух типов: опилки хвойных (сосна) и лиственных (осина) пород в соотношении (10:1) насып-
ной плотностью порядка 150 кг/м3; древесные обрезки длиной 10-12 см, шириной 3-6 см, толщиной 0,2-
0,7 см.. Следует отметить, что влажность опилок и обрезков существенной роли не играла.
В ходе проведения лабораторных исследований коэффициент уплотнения колебался в пределах 2,5.3 и в первую очередь зависел от давления, которое мог развить гидравлический пресс. На рис. 3 показана гистограмма процесса прессования/
Рис. 3- Гистограмма процесса прессования
После проведения серии опытов были получены образцы контейнеров с запрессованными опилками и обрезками древесины. Образцы из опилок обладают однородной внутренней структурой, достаточной плотностью для транспортировки, легкостью и удобством в обращении.
Образцы, полученные в результате прессования обрезков древесины, нельзя назвать пригодными для использования в комплексном процессе (не только непосредственном применении - сжигании, но и транспортировке, а также хранении), что говорит о необходимости разработки отдельной методики холодного прессования относительно крупных древесных отходов с целью получения древесных топливных брикетов.
Образцы контейнеров с запрессованными опилками и обрезками древесины, представленные на рис.4.
Рис. 4- Образцы экспериментальных контейнеров
Предварительные экспериментальные исследования позволили определить пути дальнейших исследований:
разработка методики, повышающей эффективность прессования относительно крупногабаритных древесных отходов (обрезков);
разработка методики определения оптимальных технологических параметров (давление, время обработки) процесса производства контейнеров в зависимости от параметров контейнеров;
разработка методики определения оптимальных параметров контейнеров в зависимости от характеристик сырья, которые позволяют обеспечить максимальное выделение тепловой энергии при минимально необходимых затратах на производство и обеспечении неразрушаемости упаковки контейнера при транспортировке;
разработка методики комплектования оборудованием технологического потока по производству древесных брикетов методом холодного прессования в зависимости от состава сырья(однородное - один вид отходов, комплексное - несколько видов) и его объемов;
разработка принципов механизации и автоматизации производства брикетов методом холодного прессования.
Выводы
На основе проведенных исследований было установлено, что представленный способ обладает рядом преимуществ перед аналогами:
1. Исключается процесс измельчения опила, стружки, обрезков на мелкие фракции;
2. Нет необходимости досушивать исходный материала, при этом влажность не играет существенной роли;
3. Исключается спекание прессуемой массы, и, следовательно, затраты на получение тепловой энергии, расходуемой в процессе прессования;
4. Используется недорогое технологическое оборудование при минимуме энергетических затрат.
5. В процессе транспортировки контейнер не теряет потребительских свойств (не рассыпается от влажности).
Применение данного способа в условиях лесопромышленных предприятий позволит сравнительно с небольшими затратами утилизировать, а за тем и реализовать древесные отходы, которые на сегодня практически не востребованы и являются масштабным источником загрязнения окружающей среды.
Литература
1. Коновалова, Ю.М. Возможности использования отходов лесопромышленных предприятий для получения энергии/ Ю.М.Коновалова, В.П.Часовских // Современные проблемы науки и образования. - 2007. - № 6 - С. 100-104.
2. Чемоданов, А. Н. Продукция комплексной переработки древесины и древесных материалов : Учеб. пособие / А. Н. Чемоданов, Е. М. Царев, С. Е. Анисимов. - Йошкар-Ола : МарГТУ, 2008. - 443с.
3. Никишов, В. Д. Комплексное использование древеси-ны/В.Д. Никишов. - М.: МГУЛ,1985- 120с.
4. Гомонай, М. В. Производство топливных брикетов. Древесное сырье, оборудование, технологии, режимы работы/ М.В. Гомонай. - М.: МГУЛ , 2006. - 68с.
5. Захаренко, Г. П. Комплексное использование древесины: учебное пособие / Г. П. Захаренко. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. - 104 с.
6. Ракитова, О. С. Древесные топливные гранулы в России и СНГ : справочник / О. С. Ракитова, А. Д. Овсянко, С. Е. Александрова. - СПб: ЛПК, 2005. - 124 с.
7. Сафин, Р.Р. Анализ современного состояния лесопромышленного комплекса и перспективы его развития на базе кафедр лесотехнического профиля КГТУ / Р. Р. Сафин, Р. Г. Сафин // Вестн. Казанского технол. ун-та. -2010. - № 4. -С. 120-126.
© Е. М. Царев - д-р техн. наук, проф. каф. технологии и оборудования лесопромышленных производств Марийского госуд. технический ун-та, 651020@mail.ru; М. Н. Волдаев - канд. техн. наук, ст. препод. той же кафедры, шакзгт-valdaev@yandex.ru; М. К. Герасимов - д-р техн. наук, проф. каф. оборудования пищевых производств КНИТУ; А. Р. Хи-самеева - асп. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, albinakhisameeva@mail.ru.
