CC BY
18
товщини теплово! iзоляцп. Визначено, що тепловтрати бюреактора прямо пропорцiйнi температурi навколишнього середовища i не пропорцiйнi величин товщини теплово! iзоляцп.
Л1тература
1. Биомасса как источник энергии : пер. с англ. / ред. С. Соуфер, О. Заборски. - М. : Изд-во "Мир", 1985. - 138 с.
2. Возняк О.Т. Основи наукових дослщжень у будiвництвi / О.Т. Возняк, В.М. Желих. -Л^в : Вид-во НУ "Львiвська полiтехнiка", 2003. - 173 с.
3. Кравченко В.П. Исследование теплового режима в закрытых ограниченных объемах, подверженных интенсивным тепловым полям высокой температуры / В.П. Кравченко, Н.И. Шут // Проблемы управления и информатика. 2000. - № 2. - С. 80-83.
4. Желих В. Патент на корисну модель № 57360 - Бюгазовий реактор / В. Желих, Ю. Фурдас.
Фурдас Ю.В. Определение мощности системы подогрева бытового биореактора
Установлены и проанализированы зависимости изменения теплового состояния жидкости в биореакторе от температуры наружного воздуха в холодный период года при различных толщинах тепловой изоляции. Подтверждена целесообразность использования тепловой изоляции для уменьшения теплопотерь резервуара биогазовой установки. Определено количество теплоты, необходимой для подогрева метан-тенка. Результаты исследований представлены в графическом и эмпирическом виде.
Ключевые слова: биогазовая установка, биореактор, метантенк, температурный режим, биогаз.
Furdas Yu.V. Determining the power of heating system of household bioreactor
The article determines and analyzes changes in the thermal state of the liquid bioreactor from ambient temperature in the cold season at different thicknesses of thermal insulation. The expediency of the use of thermal insulation to reduce heat reservoir biogas plant. The amount of heat required for heat digesters is singled out. The results of research are presented in graphical and empirical form.
Keywords: biogas plant, bioreactor, digesters, temperature regime, biogas.
УДК 662.818 Доц. О.О. Шепелюк, канд. техн. наук;
доц. М.М. Копанський, канд. техн. наук; асист. Р.Й. Салдан, канд. техн. наук - НЛТУ Украши, м. Львiв
ВИКОРИСТАННЯ В1ДХОД1В ЦЕЛЮЛОЗНО-ПАПЕРОВОГО ВИРОБНИЦТВА У ВИГОТОВЛЕНН1 ПАЛИВНИХ МАТЕР1АЛ1В
Проведено анатз використання вiдходiв целюлозного виробництва з метою створення новггшх паливних матерiалiв. Розроблено методику, здшснено експери-ментальш дослщження та отримано значення основних фiзико-механiчних показни-юв виготовлення паливних матерiалiв на основi скопу та вiдходiв люопильного ви-робництва.
Актуальшсть. Потреба людства в енергоношях постшно зростае. Це зумовлено значним приростом населення, зростанням попиту виробництв в енергоношях, зростанням потреб людини в нових видах продукци, зменшен-ням запасiв легких та важких вуглеводшв. Тепершня життeдiяльнiсть людини призводить до зменшення площi лiсiв, що е основним, протягом еволю-
цiйного розвитку людсько! цивЫзацп енергетично-вiдновлювальним джере-лом тепла. OKpiM цього, ще бшьшою проблемою е неефективне використання сировини, вiдходiв основних виробництв. Тому, комплексне використання сировинно! бази, вiдходiв основних виробництв у виготовленш нових теплот-ворних матерiалiв забезпечить стадий розвиток майбутшх поколiнь.
Целюлозно-паперове виробництво характеризуеться утворенням знач-них обсягiв вiдходiв, а саме: кори - тд час обкорювання деревинно! сировини, м'яких вiдходiв при ll розкроюванш та скопу - пiд час фшьтрацп деревин-новолокнисто! маси. Варто зауважити, що враховуючи низьку культуру ви-робництва, застарiлiсть технологи та вщсутнють нових капiтадовкладень у технолопчш потоки основних виробництв, усi вказаш вiдходи вивозяться на смiттезвадища. Це негативно впливае на еколопчний стан навколишнього се-редовища, зумовлюе забруднення Грунтових вод та збiльшуе потреби в люо-сировинi пiд час виробництва продукцп целюлозо-паперово! промисловостi.
Деревний скоп е сукупшстю проклеених волокон оргашчними адгези-вами природного походження i мютить мiнерадьнi включення, клубки не-роз'еднаних волокон, продукти часткового гiдролiзу деревини та проклеюючi речовини. У сухому сташ деревний скоб володiе високою мiцнiстю, що зумовлюе його використання як в'яжучого матерiалу. Разом з цим, тирса тдви-щено! вологостi та кора можуть слугувати наповнювачами для створення нових паливних матерiадiв.
Мета роботи - встановити можливють використання целюлозного скопу кори та м'яких вiдходiв тдвищено! вологи для виробництва нових паливних матерiалiв.
Матер1али та методи досл1дження. Експериментадьнi дослщження проводили таким чином: вiдбиради тирсу волопстю 80 %, кору та скоп. Компонента дозували i змiшували в певному спiввiдношеннi. Пресування матерь адiв здiйснювади за тиску 5; 15; 25 МПа з подальшим сушiнням композиту за температури 40; 60; 80°С до вологосп 8 %. Основними властивостями досль джуваного паливного матерiаду були: щшьнють матерiаду в сухому та воло-гому станах (проводили згiдно з ГОСТ 16483.7-81); вологопоглинання та максимальна вологють (зпдно з ГОСТ 9621-72); зольшсть (згiдно з ГОСТ 1102295 (1СО 1171-97)); час горшня та час затримки запалення; стирання, скидання i стискання (зпдно з ГОСТ 21289-75, ГОСТ 18132-72, ГОСТ 21289-75).
Результати дослвдження. Визначення щшьносп паливних матерiалiв, отриманих на основi вiдходiв целюлозно-паперового виробництва, кори i м'яких вiдходiв лiсопиляння, проводили у вологому станi. Внаслiдок оброб-лення експериментальних даних отримано залежносл щiльностi паливних матерiадiв на основi скопу i м'яких вiдходiв люопиляння (рис. 1), а також скопу i кори, iз рiзним !х вмiстом, вiд тиску пресування (рис. 2).
Як видно з графшв, залежнють мiж щiльнiстю i тиском пресування (рис. 1; 2) наближаеться до лшшно! i зростае зi збiльшенням тиску пресування та вмютом скопу. Збiльшення тиску пресування паливних матерiалiв та вмюту скопу призводить до зростання щiльностi внаслщок рахунок дц сили стискання. Ок-рiм цього, скоп, ж^вняно з вологою тирсою та корою, мае бшьшу щiльнiсть.
5 15 25 Тиск пресування, МПа
Рис. 1. Залежшсть i щiльностi паливних матерiалiв на основi скопу i м 'яких вiдходiв л^опиляння вiд тиску пресування i спiввiдношення компонентiв
5 15 25 Тиск пресування, МПа
Рис. 2. Залежшсть щiльностi паливних матерiалiв на основi скопу i кори вiд тиску пресування i спiввiдношення компонентiв
Зокрема, для рис. 1 при вмют скопу в паливному матерiалi вщ 60 % до 80 % за тиску пресування 5 МПа щшьшсть зростае на 9,8 %; за тиску пресування 15 МПа - на 7,5 %; за 25 МПа - на 7,3 %. Для рис. 2. при вмют скопу в паливному матерiалi вщ 60 % до 80 % за тиску пресування 5 МПа щшьшсть зростае на 45 %; за тиску пресування 15 МПа - на 43,7 %; за 25 МПа -на 41,5 %. 1нтенсивне зростання шдльност у разi використання кори пояс-нюеться тим, що пористють кори порiвняно з пористютю вiдходiв люопилян-ня е значно бшьшою.
Волопсть паливних матерiалiв на основi вiдходiв целюлозно-паперо-вого виробництва (скопу) та кори i м'яких вiдходiв лiсопиляння пiд час виз-начення 1х щiльностi становила 8 %. Внаслщок оброблення експерименталь-них даних було отримано залежностi величини шдльност сухих паливних ма-терiалiв на основi скопу i тирси та скопу i кори вщ тиску пресування i темпе-ратури сушшня, (рис 3.) та (рис. 4) вщповщно.
5 15 25 Тиск пресування, МПа
Рис. 3. Залежшсть щiльностi сухих паливних матерiалiв на основi скопу i тирси вiд тиску пресування i температури сушшня
5 15 25 Тиск пресування, МПа
Рис. 4. Залежшсть щiльностi сухих паливних матерiалiв на основi скопу та кори вiд тиску пресування i температури суштня
Як бачимо з рис. 3 i 4, щшьшсть сухих паливних матерiалiв зростае iз збшьшенням тиску пресування та зниженням температури сушшня. Це пояс-нюеться механiчною дiею сили стискання, а в разi пiдвищення температури сушшня щшьшсть паливного матерiалу збшьшуеться внаслщок впливу руйшвно! ди пiдвищених температур на цшстсть паливного матерiалу.
Зокрема, як бачимо з рис. 3, за температури сушшня паливних матерь алiв вщ 40 °С до 80 °С i за тиску пресування 5 МПа щшьшсть паливних матерь алiв зменшуеться на 16 %; за 15 МПа - на 14,7 %; за 25 МПа - на 13 %. Для паливних матерiалiв зi скопу також iз пiдвищенням температури сушшня паливних матерiалiв вщ 40 °С до 80 °С за тиску пресування 5 МПа щшьшсть спадае на 23,6 %; за тиску пресування 15 МПа - на 21,2 %; за 25 МПа - на 20,4 %.
На основi отриманих результат дослiджень можна зробити висновок про те, що температура сушiння ютотшше впливае на цiлiснiсть паливних матерiалiв, нiж тиск пресування. Оптимальним е таке сшввщношення компо-нентiв: 80 % скопу та 20 % м'яких вiдходiв лiсопиляння та 80 % скопу i 20 % кори, тому подальшi дослiдження проводили саме за таких сшввщношень. Найвища щiльнiсть паливних матерiалiв спостерiгаеться за температури сушшня 40 °С. Тому, для визначення фiзико-механiчних властивостей паливних матерiалiв у подальших експериментах використовували зразки, висуше-ш до абсолютно сухого стану за температури 40 °С. Графiчнi залежност во-логопоглинання та максимально! вологост вiд тиску пресування паливних матерiалiв на основi скопу, м'яких вiдходiв лiсопиляння i кори наведено на рис. 5 i 6 вiдповiдно.
: пресування,
Рис. 5. Залежшсть вологопоглинання паливних матерiалiв на основi скопу, кори i м 'яких вiдходiв л^опиляння вiд тиску пресування
Рис. 6. Залежшсть максимальное вологостi вiд тиску пресування паливних матерiалiв на основi скопу, кори та тирси
Як бачимо з рис. 5, вологопоглинання ютотно залежить вщ тиску пресування. 1з збшьшенням тиску пресування, вологопоглинання зразюв змен-шуеться. Це можна пояснити тим, що тд час збiльшення тиску пресування зростае щiльнiсть зразкiв, а це перешкоджае швидкому проникненню вологи всередину зразка. Зокрема, як видно з рис. 5, за тиску пресування вщ 5 МПа до 25 МПа вологопоглинання паливних матерiалiв на основi скопу i тирси спадае на 4,3 %, а на основi скопу i кори - на 3,1 %.
Щодо максимально! вологост^ то, як видно з рис. 6, iз збiльшенням тиску пресування волопсть паливних матерiалiв цей показник зменшуеться. Це пояснюеться зменшенням пористост зразкiв iз збiльшенням тиску !х пресування. Тому паливнi матерiали спресованi за тиску 25 МПа, вбирають во-логу найповнiше. Аналiз рис. 6 дае змогу зробити висновок, що за тиску пресування вщ 5 МПа до 25 МПа максимальна волопсть паливних матерiалiв на основi скопу та тирси спадае на 0,7 %, а на основi скопу та кори на 3 %. Внас-лщок оброблення експериментальних даних було отримано графiчнi залеж-ностi зольност паливних матерiалiв на основi скопу, кори та м'яких вiдходiв лкопильного виробництва вiд тиску пресування паливних брике^в (рис. 7).
5 15 25 Тиск пресування, МПа
Рис. 7. Залежшсть зольност1 паливних матерiалiв на основi скопу, кори i м 'яких вiдходiв л^опиляння вiд тиску пресування
Отримана лшшна характеристика залежност зольност паливного ма-терiалу вiд тиску пресування, пояснюеться тим, що зола, яка залишаеться тс-ля спалювання палива, утворюеться з неоргатчних сполук, що входять до складу паливно! речовини, i з наявних мшеральних речовин. Зольнiсть палива змшюеться лише за рахунок змши хiмiчного складу паливних матерiалiв на основi скопу, кори та м'яких вiдходiв лiсопиляння [2].
Зольнiсть паливних матерiалiв (рис. 7) на основi скопу та кори бiльша вщ зольностi паливних матерiалiв на основi скопу та тирси на 37,2 % i не за-лежить вщ тиску пресування, а вщповщно i щiльностi паливного матерiалу. Це пояснюеться пiдвищеним вмiстом у корi мiнеральних речовин. Внаслiдок оброблення експериментальних даних було отримано залежностi часу горш-ня паливних матерiалiв на основi скопу, тирси та кори (рис. 8) i часу затрим-ки запалення паливних матерiалiв вщ тиску пресування (рис. 9).
5 15 25 Тиск пресування, МПа
Рис. 8. Залежшсть часу горшня паливних матерiалiв на основi скопу, кори i м 'яких вiдходiв л^опиляння вiд тиску пресування
: пресування, МПа
Рис. 9. Залежшсть часу затримки запалення вiд тиску пресування паливних матерiалiв на основi скопу, кори i м 'яких вiдходiв л^опиляння
1з графтв залежност часу горшня i часу затримки запалення паливних матерiалiв на основi скопу, кори та м'яких вiдходiв люопильного вироб-ництва видно, що iз збiльшенням тиску пресування час горшня зростае, як i час затримки запалення. Це можна пояснити тим, що iз збшьшенням тиску пресування зростае щшьтсть паливного матерiалу, яка своею чергою спо-вiльнюе процес горiння та запалення паливного матерiалу.
Зокрема, як видно з рис. 8, зi зростанням тиску пресування вщ 5 МПа до 25 МПа час горшня паливних матерiалiв на основi скопу i тирси спадае на 5,3 %, а на основi скопу i кори - на 1,2 %. Щодо затримки запалення паливних матерiалiв на основi скопу та тирси, то, як бачимо з рис. 9, за тиску пресування вщ 5 МПа до 25 МПа цей показник зростае на 8,4 %, а на основi скопу i кори - на 4,4 %.
З метою забезпечення транспортабельно! мщност паливних матерь алiв на основi скопу та кори i м'яких вiдходiв лiсопиляння проводили визна-чення мщност на стирання, скидання i стискання. Варто зауважити, що виз-начення твердостi та мiцностi на розтяг паливних матерiалiв на основi вдао-дiв целюлозно-паперового виробництва в даному випадку дослщжень не е
актуальною. Залежшсть вщсоткового показника мiцностi на стирання, ски-дання та мiцнiсть на тиск вказаних матерiалiв вiд тиску пресування показана на рис. 10, рис. 11 i 12 вiдповiдно.
:пресування,
Рис. 10. Залежшсть вiдсоткового показника мiцностi на стирання паливних матерiалiв на основi скопу та кори i м 'яких вiдходiв л^опиляння вiд тиску
пресування
5 15 25 Тиск пресування, МПа
Рис. 11. Залежшсть вiдсоткового показника мiцностi на скидання паливних матерiалiв на основi скопу, кори i тирси вiд тиску пресування
1з графтв на рис. 10 i 11 видно, що iз збшьшенням тиску пресування паливних матерiалiв вщсотковий показник мщност на стирання i скидання iз збiльшенням тиску пресування, знижуеться. Паливнi матерiали, як спресова-нi за тиску 5 МПа, е бiльш пружними i еластичними, порiвняно з тими, що спресоват за тиску 25 МПа.
Зокрема, з рис. 10 видно, що при збшьшенш тиску пресування паливних матерiалiв вщ 5 МПа до 25 МПа вщсотковий показник мщноси на стирання спадае на 0,62 % для зразюв iз скопу та тирси i на 0,2 % для зразюв iз скопу та кори. Щодо рис. 11, то вщсотковий показник мiцностi на скидання при збшьшенш тиску пресування паливних матерiалiв вщ 5 до 25 МПа спадае на 12 % для паливних матерiалiв з скопу та тирси i на 0,8 % для паливних ма-терiалiв iз скопу та кори. Це пояснюеться тим, що за високих тисюв пресування спостерiгаеться перехiд пружно еластичних деформацш в пластичну.
Вплив тиску на мщшсть пiд час стискування паливних матерiалiв на основi скопу та кори i м'яких вiдходiв лiсопиляння (рис. 12) мае протилежний характер. Тобто, iз тдвищенням тиску пресування мiцнiсть паливних матерь алiв збiльшуеться через бiльшу щшьшсть паливного матерiалу, що зумовлюе збшьшення кiлькостi внутрiшнiх зв,язкiв у брикеть Спостерiгаеться зростан-ня мiцностi на стискання iз пiдвищенням тиску пресування паливних матерь алiв на основi скопу та м'яких вiдходiв люопиляння на 14,6 %; на оновi скопу та кори - на 15 %.
5 15 25 Тиск пресування, МПа
Рис. 12. Залежтсть мiцностi на стискання вiд величини тиску пресування паливних матерiалiв на основi скопу та кори i м 'яких вiдходiв л^опиляння
Ми також здшснювали оцшку калоршносл (теплотворно! здатност^ паливних матерiалiв на основi скопу та кори м'яких вiдходiв лiсопиляння. Нижча теплота згоряння визначаеться експериментально для кожно! речови-ни i е довщковою величиною. Також !! можна визначити для твердих матерь алiв, за вщомого елементарного складу, розрахунковим способом вщповщно до формули Д.1. Менделеева, кДж/кг або ккал/кг. Результатi розрахунюв зве-дено в табл. 1.
Табл. Експериментальш дат з визначення розрахунковоХ калорiйностi (теплотворное здатность) паливних матерiалiв на основi скопу, кори та м 'яких вiдходiв лштильного виробництва
№ з/п Тиск пресування брикету Теплотворна здатшсть, кДж/кг
скоп+тирса скоп+кора
1 5 20208,5 20304,2
2 15 20208,5 20304,2
3 25 20208,5 20304,2
Проаналiзувавши табл., можна зробити висновок, що теплотворна здатшсть паливних матерiалiв не залежить вщ тиску пресування. Це можна пояснити тим, що спалювання палива залежить вщ хiмiчного складу паливно! речовини. Теоретична калоршшсть палива може змiнюватися лише внаслщок змiни хiмiчного складу. Мехатчна дiя незначно впливае на хiмiчний склад палива. Теплотворна здатнiсть паливних матерiалiв на основi скопу з м'якими вщходами лiсопиляння е нижчою вiд теплотворно! здатностi скопу з корою, що пояснюеться бiльшою теплотворною здатшстю само! кори за рахунок меншого вмiсту лiгнiну, порiвняно з м'якими вщходами лiсопиляння.
Висновки. Аналiз результатiв проведених дослiджень дае змогу зробити таю висновки:
1. Використання вщход1в целюлозно-паперового виробництва у композицп 1з вщходами люопиляння для отримання альтернативних паливних мате-р1ал1в е актуальним. Це дае змогу одночасно виробляти нетоксичний ма-тер1ал { утитзувати вщходи целюлозно-паперового виробництва та м'яш в1дходи люопильного виробництва, що е проблемою сьогодення. Сферою використання такого паливного матер1алу можуть бути р1зш галуз1, яю защкавлеш у використанш дешевого, альтернативного, вщновлю-вального виду палива. За сво!ми ф1зико-мехашчними властивостями цей матер1ал поступаеться продуктам розвинених виробництв бюпалива,
який вщповщае ]шжнародним стандартам. Але подальшi дослщження ви-користання вiдходiв целюлозно-паперового виробництва дасть змогу наблизити його до термша "паливний брикет". Цей паливний матерiал е значно дешевшим, оскшьки виготовляеться на основi вiдходiв. Також вщбуваеться значна економiя в обладнанш, сировинi i енергл, якi не зат-рачаються у цьому процес виготовлення паливних матерiалiв на основi вiдходiв целюлозно-паперового виробництва, кори i м'яких вiдходiв лiсо-пильного виробництва.
2. Властивост отриманих паливних матерiалiв вiдповiдають юнуючим ви-могам i наближенi до шших видiв альтернативного палива.
3. Виготовлення запропонованих паливних матерiалiв i 1х використання дасть змогу виршити двi стратегiчнi проблеми: а) забезпечити спожива-чiв альтернативним джерелом енергл на основi вiдновлювальних при-родних матерiалiв; б) утилiзувати вiдходи целюлозно-паперових вироб-ництв, якi чинять негативний вплив на довкшля та забруднюють навко-лишне середовище.
Л1тература
1. Бехта П.А. Технолопя деревинноволокнистих плит / П.А. Бехта, В.К. Ошсько. -Льв1в - 2007. - С. 92-100.
2. Закон Укра'ни "Про альтернативш джерела енергп" вщ 20.02.2003 р., № 555-IV ¡з зм1-нами та доповненнями. [Електронний ресурс]. - Доступний з http://www.zakon.rada.gov.ua/ cgibin/laws/main.cgi? nreg=555-15.
3. Розпорядження Кабшету мшютр1в Укра'ни "Про схвалення Концепцп Державно!' цшьово'' науково-техшчно'' программ розвитку виробництва та використання бюлопчних ви-д1в палива" вщ 12.02.2009 р., № 276. [Електронний ресурс]. - Доступний з http://www. za-kon.rada.gov.ua.
4. Максим'в В.М. Анашз, особливосп, проблеми та досвщ використання додаткових ре-сурав сировини - в1дход1в та вживано'' деревини / В.М. Максим1в, С.В. Гайда // Науковий вю-ник НЛТУ Укра'ни : зб. наук.-техн. праць. - Льв1в : РВВ НЛТУ Укра'ни. - 2007. - Вип. 33. -С. 63-73.
5. Кухар В. Екобютехнолопя та бюенергетика: проблеми становлення та розвитку / В. Кухар, С. Кузьмшський, О. 1гнатюк, Н. Голуб // Вюник НАН Укра'ни. - 2005. - № 9. - С. 3-18.
Шепелюк О.О., Копанский М.М., Салдан Р.Й. Использование отходов целлюлозно-бумажного производства в изготовлении топливных материалов
Проведен анализ использования отходов целлюлозного производства с целью создания новых топливных материалов. Разработана методика, проведены экспериментальные исследования и получены значения основных физико-механических показателей изготовления топливных материалов на основе скопа и отходов лесопильного производства.
Shepelyk O.O., Kopansky M.M., Saldan R.Yo. Use of waste pulp and paper production in the manufacture of fuel materials
The analysis of the use of waste cellulose production in order to create new fuel materials. The method conducted experimental studies and obtained values of the basic physical and mechanical properties of materials producing fuel from waste has waste and sawmill production.
