CC BY
143
ТЕХНОЛОГИЯ ЗАГОТОВКИ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
ДРЕВЕСИНЫ
УДК 676:661.728
Хвойные бореальной зоны. Том XXXV, № 3-4. С. 74-78
ВЛИЯНИЕ ФРАКЦИОННОГО СОСТАВА И ВЛАЖНОСТИ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ПРИ БРИКЕТИРОВАНИИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ
А. В. Александров1, В. А. Петров1, А. П. Руденко2
1 Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна Российская Федерация, 191186, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 18 E-mail: IGDALEX@rambler.ru 2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: tolyrudenko@yandex.ru
Приведены результаты исследований влияния фракционного состава опилок, влажности на технологические свойства при брикетировании древесных отходов.
Производство топливных брикетов и пеллет традиционно развито в Канаде, США, Австралии, Финляндии. Только Канада экспортирует в страны Европейского союза около 1,3 миллиона тонн такого топлива. Использование биотоплива позволяет рационально утилизировать отходы лесоперерабатывающей промышленности, минимизировать выбросы углекислого газа в атмосферу, автоматизировать котельное оборудование. Биотопливо по калорийности практически не уступает углю. Установлено, что коэффициент сжатия (Кс) топливного брикета уменьшается при увеличении размера фракций, а при изменении влажности зависимость Кс от влажности имеет экстремальный характер. Показано, качество брикетов в значительной мере зависит от влажности исходной смеси. Оптимальная влажность - 5-10 %, при ней достигаются наилучшие механические характеристики брикетов. Однако, надо учитывать, что для некоторых видов сырья верхним пределом влажности является 6-8 %. Критической является влажность, при которой возможно образование брикетов, но в нем появляются трещины, брикет товарного вида не имеет и имеет низкую влагостойкость. Критическая влажность находится в пределах 10-15 %. При более высокой влажности полученный брикет «разорвет» внутренним давлением влаги, образовавшимся при сжатии измельченной массы. Обосновано, что, варьируя технологическими параметрами брикетирования и композиционного состава, можно прогнозировать показатели готовой продукции требуемого качества.
Ключевые слова: брикетирование, отходы, композиционный состав, давление прессования, опилки, фракционный состав, коэффициент сжатия, теплотворная способность.
Conifers of the boreal area. Vol. XXXV, No. 3-4, P. 74-78
THE EFFECT OF FRACTIONAL COMPOSITION AND MOISTURE CONTENT ON THE TECHNOLOGICAL PROPERTIES DURING THE BRIQUETTING
OF WOOD WASTE
A. V. Aleksandrov1, V. A. Petrov1, A. P. Rudenko2
Saint-Petersburg State University Industrial Technology and Design 18, Bolshaya Morskaya Str., Saint-Petersburg, 191186, Russian Federation E-mail: IGDALEX@rambler.ru 2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: tolyrudenko@yandex.ru
The results of studies of the effect of fractional composition sawdust, moisture on the technological properties during briquetting of wood waste are given. Productions of fuel briquettes and pellets have traditionally developed in Canada, the United States, Australia, and Finland. Only Canada exports to the European Union about 1.3 million tons. The use of this fuel can rationally dispose of the waste timber industry, to minimize emissions of carbon dioxide into the atmosphere, automated boilers. Biofuels calories almost as good as coal. Compression ratio (Kc) decreases with
increasing fractions of the size, if you change the moisture dependence of Kc from the moisture has an extreme character was established. Quality briquettes largely depends on the moisture content of the initial mixture is shown. The optimum moisture content - 5-10 %, while it achieved the best mechanical properties of briquettes. However, we must remember that for some commodities upper limit of moisture is 6-8 %. Critical is the moisture at which the formation of briquettes, but it cracks, cake presentation is not and has lowmoisture resistance. Critical moisture humidity is in the range of 10-15 %. At higher moisture resulting cake "break" the internal pressure of the moisture resulting from the compression of the ground mass. By varying the process parameters of briquetting and composite compoundpossible to predict the desired performance of the finished product the required quality.
Keywords: briquetting of waste, composite structure, compaction pressure, sawdust, fractional composition, compression ratio, the calorific value.
Анализ динамики и объемов производства биотоплива из древесных отходов показывает высокие темпы роста во всем мире. Производство топливных брикетов и пеллет традиционно развито в Канаде, США, Австралии, Финляндии. Только Канада экспортирует в страны Европейского союза около 1,3 миллиона тонн такого топлива (Cocchiandets., 2012; Development..., 2012; Groomandetc., 2007). Использование биотоплива позволяет рационально утилизировать отходы лесоперерабатывающей промышленности, минимизировать выбросы углекислого газа в атмосферу, автоматизировать котельное оборудование. Биотопливо по калорийности практически не уступает углю.
В настоящее время 30 % заготовленной в Ленинградской области древесины идёт на экспорт, 50 % на предприятия ЦБП и 20 % (1,6 млн м3) используется на лесопильных заводах области. При лесопилении образуется около 40 % отходов, которые могут быть использованы для получения энергии. Объём отходов лесопильного производства Ленинградской области составляет около 640 тыс. пл. м3/год, что эквивалентно 164 тыс. тонн угля или 114 тыс. тонн мазута. Отходы деревоперерабатывающих предприятий можно брикетировать без применения связующих, так как они содержат в своем составе природный лигнин, который пластифицируется при прессовании и является связующим веществом.
Сырьем для производства топливных брикетов традиционно являются опилки и стружки различных пород древесины, а также другие растительные отходы. Основные требования к сырью для производства биотоплива из древесных отходов приведены в табл. 1 (A. daRosa, 2010).
Одним из основных факторов, определяющих механическую прочность, водостойкость и калорийность брикета, является его плотность (A. daRosa, 2010). Исследование зависимостей качественных характеристик топливных брикетов от параметров брикетирования позволяет получать продукцию с заданными характеристиками (Rasskazovaandets., 2014; Бу-равчук и др., 2015).
В данной работе исследовалось влияние крупности и влажности опилок на прочностные свойства топливных брикетов и их теплотворную способность.
Определение механической прочности брикетов из отходов древесины проводили по ГОСТ 21289-75, которым устанавливаются методы определения механической прочности брикетов при сжатии и истира-
нии в барабане (ГОСТ 21289-75).Физические свойства исходного сырья и брикетов определяли по методикам, регламентированных ГОСТами на биотопливо твердое (ГОСТ 32989.1-2014, ГОСТ 32975.2-2014).
Теплотворная способность брикетов определялась с использованием калориметра IKA C 2000 Basic (рабочие режимы: изопериболический (время измерения ~22 минут), динамический (время измерения ~7 минут). Способность к сжатию «compressibility» определялась в с соответствии с Европейским стандартом EN 14961. Методика определения и обработки экспериментальных данных представлена в работе (Matus M. andets., 2014).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Экспериментально определено влияние давления прессования на плотность брикетов и коэффициент сжатия. На рис. 1 приведены результаты регрессионной обработки экспериментальных данных зависимости плотности брикета от давления прессования.
Анализ данных, представленных на рис. 1, свидетельствуют о том, что при увеличении давления прессования плотность брикетов увеличивается, причем, наблюдается локальный экстремум в области давлений 585-880 кгс/см2.
Для математического описания одноосного сжатия использовалась модифицированная модель, которую можно представить в следующей форме:
■ = B
Р0
где ст - напряжение сжатия в текущей точке; ст0 -начальное напряжение сжатия в текущей точке; р -плотность материала в текущей точке; р0 - исходная плотность материала; В - эмпирическая константа; Кс - коэффициент сжатия.
Линеаризованная функция зависимости напряжения от плотности имеет следующий вид:
log—= Кс logB + Кс log-—.
ст0 Р0
В табл. 2 приведены расчетные коэффициенты сжатия Кс сосновых опилок для различных фракционных размеров при варьировании влажности.
Коэффициент сжатия уменьшается при увеличении размера фракций, а при изменении влажности зависимость Кс от влажности имеет экстремальный
Александров А. В., Петров В. А., Руденко А. П. Влияние фракционного состава и влажности ...
характер. Для уточнения области максимального экстремума проведена серия экспериментов по влиянию влажности и фракционного состава на плотность брикетов из древесных опилок.
Исследования по влиянию некоторых свойств исходных материалов на качественные характеристики топливных брикетов приведены в работе (Александров, Петров, 2015).
Таблица 1
Требования к сырью для производства биотоплива из древесных отходов
Сырье Характеристика исходного сырья Характеристика брикета
Насыпная масса, кг/м3 Влажность, % Фракция, мм Средняя плотность, кг/м3
Лузга подсолнечника 100 4-9 6-10 1150
Лузга подсолнечника (измельченная) 260 6-9 2-5 1090
Гречневая лузга 160 5-12 2-5 1030
Рисовая лузга 125 5-12 2-6 1010
Опилки дубовые 270 6-12 2-5 (20) 1250
Опилки сосновые 125 6-8 2-5 (20) 1150
Суммарная статистика - | □ | X |
Количество записей 17
Минимальное значение 0,7174ЭЭЭ7138Э771
Максимальное значение 1,22061836324158
Среднее значение 1,0524537563324
Начальный момент 2-го порядка 1,12813477420807
Начальный момент 3-го порядка 1,23105835814612
Начальный момент 4-го порядка 1,36024820804586
Дисперсия 0,0214758645743132
Дисперсия несмещенная 0,0228181052853005
Ассиметрия -0,797049939632416
Эксцесс -0,457568538546867
Центральный момент 3-го порядка -0,0025094949912673
Центральный момент 3-го порядка 0,00117260136175901
Коэффициент распределения 3-го порядка 0,519397774219513
Коэффициент распределения 4-го порядка 0,872154474258423
! Закрыть :
Рис. 1. Результаты статистической обработки экспериментальных данных
Таблица 2
Расчетные коэффициенты сжатия Кс для сосновых опилок
Размеры фракции опилок, Коэффициент сжатия, Кс
мм Влажность 5 % Влажность 10 % Влажность 15 %
0-1 7,2 8,2 7,5
1-4 4,22 4,5 4,07
4-6 3,1 3,9 3,6
Рис. 2. Зависимость плотности брикета от влажности и фракционного состава опилок, где р - плотность брикета, г/см3; Ь - фракционный состав, мм; ф - влажность, %
Результаты визуализации экспериментальных данных по влиянию влажности и фракционного состава на плотность брикетов показаны на рис. 2. Регрессионное уравнение имеет вид
р = 0,874 + 0,0014ф + 0,058Ь + 0,002ф2 +
+ 0,0036ф Ь-0,0028Ь2,
где р - плотность брикета, г/см3; ф - влажность материала, %; Ь - размер фракции опилок, мм.
Анализ представленных данных показывает, что при влажности отходов 5 % и выше плотность брикетов увеличивается, но повышение влажности худшим образом сказывается на прочности брикетов. Установлено, что наиболее прочные брикеты получаются при влажности исходной смеси в диапазоне 5-10 %. При увеличении влажности от 10 до 30 % прочность брикетов уменьшается.Таким образом, качество брикетов в значительной мере зависит от влажности исходной смеси. Оптимальная влажность - 5-10 %, при такой влажности достигаются наилучшие механические характеристики брикетов. Однако, надо учитывать, что для некоторых видов сырья верхним пределом влажности является диапазон 6-8 %. Критической является влажность, при которой возможно формование брикета, но при этом в брикете появляются трещины, брикет характеризуется низкой влагостойкостью и не имеет товарного вида. Критическая
влажность находится в пределах 10-15 %. При более высокой влажности полученный брикет разрушается внутренним давлением влаги, образующимся при сжатии измельченной массы. Варьируя композиционным составом и технологическими параметрами брикетирования, можно прогнозировать получение из древесных отходов топливных брикетов требуемого качества.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙСПИСОК
1. Global Wood Pellet Industry Market and Trade Study / M. Cocchi, L. Nikolaisen, M. Junginger et al. // IEA Bioenergy Task 40. Accessed: www.bioenergy trade.org/mobile/downloads/t40-global-wood-pellet-market-study final.pdf (date of visit: 07.10.2012).
2. Development and Promotion of a Transparent European Pellets Market; Creation of a European Realtime Pellets Atlas. Munich, Germany: WIP Renewable Energies, December 2009. Eurostat. (2012). «EU Trade Since 1995 by CN8». Statistics Database. Brussels: The European Commission. Accessed: http://epp.eurostat. ec.europa.eu (date of visit: 07.10.2012).
3. Groom M. J., Gray E. M., Townsend P. A. Biofuels and biodiversity: Principles for creating better policies for biofuel production // Conservation Biology. 2008. Doi: 10.1111/j.1523-1739.2008.00879.x.
4. Renewable energy sources. Physical and technical bases: a tutorial / A. da Rosa; per. from English. edited by
Александров А. В., Петров В. А., Руденко А. П. Влияние фракционного состава и влажности
S. P. Malyshenko, O. S. Popiel. Dolgoprudny: Publishing house "Intelligence". M. : MEI Publishing House, 2010. 704 p.
5. Rasskazova A. V., Lavrik N. A., Alexandrova T. N. The increase of effectiveness of power utilization of brown coal of Russian Far East and prospects of valuable metals extraction // Eurasian Mining. 2014. № 1. Р. 25-27.
6. Буравчук Н. И., Гурьянова О. В. Влияние технологических параметров на качество топливных брикетов из мелкозернистых угольных отходов // Химия твердого топлива. 2015. № 5. С. 25-27.
7. ГОСТ 21289-75. Брикеты угольные. Методы определения механической прочности. М. : Изд-во стандартов, 1986. 5 с.
8. ГОСТ 32989.1-2014. Биотопливо твердое. Определение гранулометрического состава. М. : Стан-дартинформ, 2015. 9 с.
9. ГОСТ 32975.2-2014. Биотопливо твердое. Определение содержания влаги высушиванием. М. : Стандартинформ, 2015. 8 с.
10. Matus M. and etc. The influence of size fraction n the compressibility of wood sawdust in effective process of production a solid biofi l // 14th International Multidisciplinary Scientific GeoConferece SGEM 2014, Albena, Bulgaria, Vol. 1.
11. Александров А. В., Петров В. А. Оптимизация композиционного состава топливных брикетов из уг-леродсодержащих компонентов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2015. № 5 (спец. вып. 19). С. 120-125.
REFERENCES
1. Global Wood Pellet Industry Market and Trade Study / M. Cocchi, L. Nikolaisen, M. Junginger et al. // IEA Bioenergy Task 40. Accessed: www.bioenergytrade. org/mobile/downloads/t40-global-wood-pellet-market-study final.pdf (date of visit: 07.10.2012).
2. Development and Promotion of a Transparent European Pellets Market; Creation of a European Realtime Pellets Atlas. Munich, Germany: WIP Renewable Energies, December 2009. Eurostat. (2012). "EU Trade Since 1995 by CN8". Statistics Database. Brussels: The
European Commission. Accessed: http://epp.eurostat. ec.europa.eu (date of visit: 07.10.2012).
3. Groom M. J., Gray E. M., Townsend P. A. Biofuels and biodiversity: Principles for creating better policies for biofuel production // Conservation Biology. 2008. Doi: 10.1111/j.1523-1739.2008.00879.x.
4. Renewable energy sources. Physical and technical bases: a tutorial / A. da Rosa; per. from English. edited by S. P. Malyshenko, O. S. Popiel. Dolgoprudny: Publishing house "Intelligence". M. : MEI Publishing House, 2010. 704 p.
5. Rasskazova A. V., Lavrik N. A., Alexandrova T. N. The increase of effectiveness of power utilization of brown coal of Russian Far East and prospects of valuable metals extraction // Eurasian Mining. 2014. № 1. R. 2527.
6. Buravchuk N. I., Gur'yanova O. V. Vliyaniye tekhnologicheskikh parametrov na kachestvo toplivnykh briketov iz melkozernistykh ugol'nykh otkhodov // KHimiya tverdogo topliva. 2015. № 5. S. 25-27.
7. GOST 21289-75. Brikety ugol'nyye. Metody opredeleniya mekhanicheskoy prochnosti. M. : Izd-vo standartov, 1986. 5 s.
8. GOST 32989.1-2014. Biotoplivo tverdoye. Opredeleniye granulometricheskogo sostava. M. : Standartin-form, 2015. 9 s.
9. GOST 32975.2-2014. Biotoplivo tverdoye. Opredeleniye soderzhaniya vlagi vysushivaniyem. M. : Standar-tinform, 2015. 8 s.
10. Matus M. and ets. The influence of size fraction n the compressibility of wood sawdust in effective process of production a solid biofi l // 14th International Multidisciplinary Scientific GeoConferece SGEM 2014, Albena, Bulgaria, Vol. 1.
11. Aleksandrov A. V., Petrov V. A. Optimizatsiya kompozitsionnogo sostava toplivnykh briketov iz ugle-rodsoderzhashchikh komponentov // Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015. № 5 (spets. vyp. 19). S. 120-125.
© Александров А. В., Петров В. А., Руденко А. П., 2017
Поступила в редакцию 18.05.2017 Принята к печати 20.11.2017
