CC BY
60
ТЕХНОЛОГИИ ТОПЛИВНЫХ ГРАНУЛ ИЗ ВТОРИЧНО ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ДРЕВЕСИНЫ (ВИД)
TECHNIQUES OF FUEL PELLETS PRODUCED FROM POST-CONSUMER
WOOD (PCW)
Гайда С.В. (НЛТУ Украины, г. Львов, Украина) Gayda S.V., assoc. prof. (Ukrainian National Forestry University)
Разработана технология для изготовления топливных гранул из ВИД, как энергоемкого сырья. Предложено режимные параметры изготовления топливных гранул, исходя из способности к прессованию. Проведен сравнительный анализ свойств топливных гранул с различным содержанием ВИД.
Up-to-date production techniques have been developed to produce fuel pellets from PCW as being high energy capacity raw material. Operating conditions of the production process have been considered and the pellet composition was determined on their pressing capability. Presented here are the results of comparative analysis of properties of fuel pellets with varied PCW content.
Ключевые слова: ВИД, топливные гранулы, свойства гранул, технологии.
Key words: post-consumer wood, pellets, properties of fuel pellets, production techniques.
Актуальность. Потенциальным ресурсом и неиспользованной базой древесного сырья имеются запасы вторично используемой древесины (ВИД). Технология утилизации отходов - переработки ВИД для производства альтернативных источников энергии, в частности, топливных гранул, является рентабельной и эффективной через низкую себестоимость данной древесной биомассы. По итогам 2012 г. в Украине было изготовлено 810 тыс. т твердого топлива, в том числе, почти 150 тыс. т гранул из древесных отходов. Разработка научно-технической базы, совершенствование существующей технологии, модернизация оборудования для переработки ВИД, разработка режимных параметров и формирование рекомендаций, подтвержденных результатами экспериментальных исследований, является актуальной проблемой современности. Поэтому, использование ВИД для получения гранул на основе разработанных альтернативных решений предусматривает проведение комплексных исследований.
Цель исследований - разработать технологию и практические рекомендации для изготовления качественных топливных гранул из ВИД.
Объект исследования - технологический процесс изготовления гранул из ВИД на усовершенствованном оборудовании и разработанной технологии.
Предмет исследований - закономерности влияния технологических параметров на основные свойства топливных гранул из ВИД.
Энергетический потенциал ВИД в Украине. Уровень образования ВИД рассчитывали от объема заготовки (в 2012 г. на уровне 12,18 млн. т) в количестве 13%, что составило 1,58 млн. т (таблица 1). Кроме того, в Украине
-5
ежегодно образуется в среднем 50-60 млн. м твердых бытовых отходов (ТБО), где доля ВИД составляет 2-4%. В 2012 г. образовалось 14 млн. т ТБО, из которых 0,42 млн. т (3%) ВИД. Таким образом, в Украине в 2012 г. образо-
валось 2 млн. т ВИД с энергетическим потенциалом 0,936 млн. т у.т. (27,442 ПДж или 7,623 млрд. кВт-ч). Превратив образованную ВИД за 2012 г. в топливо по распределению: 50% щепа, 25% топливные гранулы и 25% топливные брикеты, возможно увеличить энергетический потенциал до 1,024 млн. т у.т., то есть на 9%.
Таблица 1 - Потенциал вторично используемой древесины в Украине [1]
Происхождение Расчетный потенциал ВИ ИД
2010 2011 2012
% млн. т. % млн. т. % млн. т.
Торговля (тара, поддоны) 13,00 0,363 12,00 0,288 15,00 0,301
Строительные деревянные отходы 18,00 0,503 22,00 0,527 23,00 0,461
Деревообрабатывающая отрасль 7,00 0,196 6,00 0,144 6,00 0,120
Старые мебельные изделия 12,00 0,335 12,00 0,288 13,00 0,261
Муниципальные отходы 16,00 0,447 16,00 0,383 17,00 0,341
Твердые бытовые отходы 27,00 0,755 24,00 0,575 21,00 0,421
Другое 7,00 0,196 8,00 0,192 5,00 0,100
Всего ВИД 100,00 2,795 100,00 2,396 100,0 2,004
Технология топливных гранул из ВИД. Технологический процесс производства топливных гранул из ВИД включает два цеха: I - для измельчения и очистки; II - для сушки и гранулирования.
Проанализировано и предложено, что типичный цех по обработке и очистке ВИД должен иметь следующие операции и оборудование технологического процесса: ленточный транспортер, линию подачи на измельчение, линию измельчения, металлоискатель для начального удаления металлов, устройство для удаления тряпок и волокон, которые присутствуют в потоке частиц, оборудование для удаления легких загрязнений (бумага, нейлон, волокно и т.д.), динамический классификатор для разделения некондиционной стружки, которая поступит на доизмельчение, бункеры для складирования и дозирования щепы, металлодетектор для повторного высокоэффективного удаления металлов, устройство сортировки на три фракции, циклон для гравиметрической очистки мелкой фракции, дисковый сепаратор для пневматическое сортировки для удаления песка из мелкой стружки, для кинетической очистки для фракции микро- и макрощепы, магнитный конвейер для удаления цветных металлов (алюминий, медь, латунь и т.д.), дробилку для переработки накоплений бракованной древесины из всех отборщиков, а также систем аспирации и фильтрации пыли по всему оборудованию и транспортировки фракций к бункерам дозирования.
Типичный технологический цех производства топливных гранул из первичного сырья состоит из следующих стадий: первичного измельчения на щепу; подачи в сушилку; сушки; окончательного измельчения до размеров стружек; перемешивания измельченного сырья с водой и паром; гранулирования; охлаждения и просушки гранул; просеивания гранул для отделения мелких фракций; фасовки готовой продукции. Проведенный анализ существующих линий гранулирования обусловил необходимость модернизации отдельных узлов и установки устройств, которые в совокупности обеспечили
производство качественных топливных гранул из ВИД. В связи с этим, были проведены исследования в производственных условиях, которые обеспечили переработку ВИД для производства топливных гранул на усовершенствованном технологическом процессе и модернизированном оборудовании.
Таким образом, было: предложено для измельчения и сортировки различных видов ВИД установить мощный измельчитель - шредер; оснащено рубильную машину сетчатым вкладышем для калибровки щепы; разработано систему контроля температурного режима матрицы пресса; модернизировано систему автоматического управления процессом гранулирования с помощью автоматизированного дозатора с микропроцессорным управлением; усовершенствовано контроллер влажности стружки на входе; предложено динамический классификатор сухой и влажной стружки; установлено цифровой стабилизатор влаги на выходе; модернизировано смеситель сухой и влажной стружки с частичным регулированием скорости подачи в зависимости от загруженности привода двигателя; модернизировано гравитационный разделитель стружек и примесей; установлено в линию детектор-металлоискатель на входе, подвесную магнитную ленту и магнитный просеиватель-вибратор -«подвижный пол» на складе.
Свойства топливных гранул из ВИД. На основе разработанной техно-
-5
логии проведено многофакторный эксперимент с использованием ПФП-2 и реализовано матрицу планирования по методике исследований. Исследовано влияние содержания ВИД (Рс) в диапазоне 0-100%, влажности стружек ^с) в диапазоне 8-16% и содержания добавок (Ас) в диапазоне 0-3% на физико-механические свойства топливных гранул - влажность (М), зольность (А), механическая прочность ^и), истираемость теплотворная способность насыпная плотность (BD). Получены адекватные математические модели зависимости показателей топливных гранул от трех переменных факторов: содержания ВИД, влажности стружек и содержания добавок:
М = 2,225 - 0,0051Рс + 0,6063Wc + 2,157Ас - О^бРс1^ + О^ООВРс1^ - 0,15751№сАс А = 0,216 + 0,0005Рс + 0,0042^^ + 0,083Ас + 0,00008Рс^^ + 0,00022Рс^^ + 0,0023^^Ас БИ = 101,09 - 0,0091Рс - 0,37875^^ - 0,1234Ас - 0,0001Рс^^ + 0,0003РсАс + 0,05^^Ас Б = 1,062 - 0,00058Рс - 0,098^^ - 0,1358Ас + 0,00001Рс^^ + 0,00003РсАс - 0,0017^^Ас о = 20,464 - 0,0035Рс - 0,1517^^ + 0,7985Ас + 0,00015PcWc - 0,00076РсАс - 0,045WcAc ВБ = 621,55 - 0,097Рс + 2,34Wc + 7,83Ас + 0,00025PcWc + 0,0004РсАс - 0,1417WcAc Осуществлен сравнительный анализ свойств гранул, включая диаметр ф) и длину согласно требований стандартов для десяти проб биомассы: двух - из чистых отходов лиственных и хвойных пород; восьми - ВИД разного происхождения и источников получения в чистом и смешанном виде (таблица 2).
Таблица 2 - Сравнительный анализ свойств топливных гранул из ВИД [2]_
Параметр Ед. изм ГОСТ (БМ) Граница Результаты тестирования
Древесина ВИД за кодами происхождения
Ресурс 14961-1 1.2.1.1 1.2.1.2 1.3.1.1 1.3.2.1 1.3.3.1 1.3.3.2 1.3.3.3 1.3.3.4 1.3.3.5 1.3.3.6
Тв.л.п. Хв..п. Тв.л.п. Хв.п. Плиты Хв.п. Хв.п. Мебель Смесь Смесь
Б мм 16127 6±1 6,2 6,1 6,2 6,1 6,3 6,2 6,2 6,4 6,4 6,3
Ь мм 16127 <40 <3,15 мм длина <40 тт, макс. <45 мм (1 %)
М 14774-2 <10 9,5 8,2 8,6 7,9 7,6 8,0 7,7 8,6 8,9 9,6
А 14775 <3,0 0,270 0,652 0,410 2,322 2,952 1,685 1,363 3,111 4,424 3,825
БИ 15210-1 <96,5 96,55 99,20 95,52 98,31 95,64 96,65 97,25 93,44 92,63 92,81
Е 15149-1 <1,0 0,940 0,452 0,900 0,651 1,112 0,780 0,886 1,200 0,954 1,545
Q МДж/кг 14918 <16,0 18,64 19,28 18,47 17,62 15,80 18,22 16,90 16,80 18,60 15,36
ВБ кг/м3 15103 >600 649,6 660,7 640,2 652,3 610,5 654,6 632,8 612,2 611,9 605.8
Номера проб для гранул 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Выводы: 1. Разработан технологический процесс превращения ВИД в топливные гранулы. Предложено в новой технологии ввести участок по подготовке ВИД, который включает: сортировку по загрязнением, за породой, за конструкционными материалами и др.; очистке от примесей и различных включений; изъятию пластмассы, цветных и черных металлов из измельченной ВИД.
2. Пригодную для изготовления топливных гранул ВИД необходимо очищать одним из способов: поверхностным (для массивной ВИД) - модернизированными станками (щеточным, фрезерным, иглофрезерным, шлифовальным, пескоструйным, лепестковым); внутренним (для измельченной ВИД) -оборудованием (воздушный сепаратор, вибрационный фидер, воздушный очиститель, магнитная лента, металлодетектор, динамическое решето).
3. Установить в технологическом процессе переработки ВИД детектор-металлоискатель на начальном этапе - перед загрузкой измельченного сырья; закрепить подвесную магнитную ленту над подвижным ленточным транспортер и встроить магнитный просеиватель-вибратор под названием «подвижный пол» на механизированном складе.
4. Получены адекватные математические модели зависимости показателей гранул (влажность, зольность, механическая прочность, истираемость, теплотворная способность, насыпная плотность) от содержания ВИД, влажности стружек и содержания добавок.
5. Установлено, что содержание ВИД в диапазоне 0-100% в топливных гранулах ведет себя одинаково при различном содержании добавки. В частности, при расходе добавки 1,5% и влажности стружек перед прессованием 12%, зольность возрастает от 0,43 до 0,61% (41,8%), а все остальные тестируемые параметры гранул спадают: влажность - с 9,90 до 9,03% (на 9,8%), механическая прочность - с 97,28 до 96,3% (на 1,0%), истираемость - с 0,71 до 0,67% (на 5,6%) , теплотворная способность - с 19,04 до 18,75 МДж / кг (на
Л
1,5%), насыпная плотность - с 658,8 до 650 кг/м (на 1,3%). Для первого переменного фактора (содержания ВИД) изменение влажности и истираемости носят позитивный характер, все остальные параметры соответствуют требованиям стандарта ЕШ4961-2: 2011 для гранул непромышленного использования В класса.
6. Предложены следующие режимные параметры процесса гранулирования: древесные частицы выбранной пробы - 100%; влажность частиц перед прессованием - 12%; фракционный состав: < 3,15 мм - > 97%; < 2,0 мм - >
90%; < 1,0 мм - > 50%; < 0,1 мм - < 5%; насыпная плотность стружек - 200-5
250 кг/м ; добавки - 0%; диаметр отверстий - 6-8 мм, диапазон температуры прессования - 90-100 оС; давление прессования ( в регуляторе зазора между
матрицей и роликами) - 10-150 МПа; расстояние между матрицей и роликами - 0,3-0,6 мм, соотношение длины канала матрицы к ее диаметру - 3,5.
7. Рассчитано, что в Украине в 2012 г. образовалось 2 млн. т ВИД, с энергетическим потенциалом 0,936 млн. т у.т. (27,442 ПДж или 7,623 млрд. кВт-ч). Превратив образованную ВИД за 2012 г. в топливо по распределению: 50% треска, 25% топливные гранулы и 25% топливные брикеты, возможно увеличить энергетический потенциал до 1,024 млн. т у.т., то есть на 9%.
Список использованных источников
1. Gayda S.V. Potential of post-consumer recovered wood and possible ways of it using in Ukraine // Forestry, Forest, Paper and Woodworking Industry. Collection of scientific and technical works. - Lviv: UNFU. - 2009, pub. 35. - P. 63-84.
2. Gayda S.V. Production techniques and properties of fuel pellets produced from postconsumer wood // Forestry, Forest, Paper and Woodworking Industry. Collection of scientific and technical works. - Lviv: UNFU. - 2012, pub. 38. - P. 112-150.
