CC BY
102
ш
нлты
ЫКРА1НИ «bJHTÜ» ,
»imiB
Науковий BicHMK Н/1ТУ УкраТни Scientific Bulletin of UNFU http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40280524 Article received 8.05.2018 р. Article accepted 24.05.2018 р.
УДК 620.91:62.818.6
"ф~| ISSN 1994-7836 (print) ШЯ ISSN 2519-2477 (online)
@ El Correspondence author D. M. Korinchuk korinchukdn@gmail.com
Д. М. Кортчук
1нститут техшчно! теплофiзики НАН Украши, м. Кшв, Украта
ВПЛИВ ТЕМПЕРАТУРНО* ТА Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧНО1 АКТИВАЦН Б1ОМАСИ НА ЕНЕРГОВИТРАТИ ПРОЦЕСУ ПРЕСУВАННЯ Б1ОПАЛИВ ДЕРЕВИННОГО
ТА РОСЛИННОГО ПОХОДЖЕННЯ
Дослщжено компресiйнi характеристики пресування подрiбненоl т^фракцшно! бiомаси рослинного та деревинного по-ходження на прикладi деревини сосни, соломи та лузги соняшника. Встановлено залежностi коефщенпв основного рiвнян-ня пресування ввд температури пресування та вмiсту мжрофракцп вторинного подрiбнення. Визначено густину гранул, роз-раховано питому роботу гранулоутворення та дослiджено закономiрностi 1х змши пiсля пiдвищення тиску, температури та втсту мжрофракцп. Встановлено, що в межах дослщжуваного дiапазону збiльшення тиску температури та втсту мжроф-ракцп вторинного подрiбнення веде до збшьшення об'емно! густини гранул бiопалива. Водночас пiдвищення тиску пресування веде до збшьшення питомо! роботи пресування у 2,2-2,4 раза, а температури та втсту мжрофракцп - до зменшення на 22-46 % та 18-28 %. Встановлено ефект збшьшення питомо! роботи пресування тсля переходу ввд деревинно! до рос-линно! бiомаси. Рекомендовано в технологшх виробництва твердого бiопалива включати дшянки температурно! активацп матерiалу перед пресуванням з метою забезпечення температурного режиму пресування не нижче 100 °С для деревинно! бь омаси та не нижче 150 °С для рослинно! бiомаси, а також дiлянки фiзико-механiчноl активацп матерiалу шляхом тонкого подрiбнення пiсля стадп сушiння не менше 20 % загально! маси матерiалу до мжрофракцп зi середнiм розмiром не бiльше 200 мкм з наступним змшуванням з основною масою та пресуванням або введенням у бюмасу мiкрофракцiю iншого виду бюмаси в тих же пропорцiях.
Krnuoei слова: робота пресування; енергоефективш режими; мшрофракщя; тиск; густина.
Вступ. Вщновлюваш та альтернативнi джерела енергп, до яких вiдноситься i бiомаса, вже не просто предмет для наукових дослщжень, а ютотний чинник, що створюе тиск на цiни традицшних джерел енергп, змiнюe розклад сил на енергетичних ринках, визначае економiчне майбутне кра1н. Серед рiзних видiв альтер-нативних джерел енергп в Укрш'ш на проввдних ролях перебувае бюпаливо. У природному натуральному ста-нi деревинна та рослинна бюмаса е складним об'ектом для енергетичного використання. Технологи виготов-лення гранульованого та брикетованого бiопалива за-безпечують нормалiзацiю палива за гранулометричним станом та волопстю, пiдвищення об'емно! теплоти зго-ряння, змiнюють логiстику перевезень та збертання. В Украíнi за останне десятилггтя створено понад 250 тд-приемств виробництва твердого бюпалива (Snyezhkin, et а1., 2014), з яких бшьштстъ пiдприемств продуктивною до 1 т/год. За даними промисловостi, виробниц-тво та споживання бiопалива не узгодженi в рiчному циклi, оск1льки саме на зимовий перюд припадае як пiк споживання, так i спад виробництв (Snyezhkin, et а1., 2014). Змiни температурних режимiв пресування, вщ-сутнiсть ктматично! стабшзацп сировини за температурою перед пресуванням призводять до зменшення
продуктивносп лiнiй та роблять виробництво нерента-бельним. Впливае на виробництво i змша сировинноТ бази. Використання дешево! сировини забезпечуе зни-ження собiвартостi бiопалива, але потребуе пошуку но-вих оптимальних режимiв пресування. Розроблення енергоефективних режимiв пресування та заходiв енер-гозбереження в умовах виробництва матиме мультипль кативний ефект. Зниження енерговитрат на одиницю бь опалива за заданих параметрiв густини або мщносп зменшуе собiвартiсть продукцп, дае змогу забезпечити тдвищену продуктивнiсть виробничоТ лшп, зменшуе знос обладнання. Розвиток наукових основ енергозбе-реження та вдосконалення технологи виробництва твердих бюпалив забезпечить сталий розвиток бюенер-гетичноТ галузi.
Аналiз лiтературних джерел. Проблему пресування деревини дослвджували зi середини ХХ ст. (Modin, 1971; Homonai, 2006; Klimenko, 2017). Виробництво гранульованого бюпалива з'явилося вiдносно недавно, близько середини 90-х рошв ХХ ст. у США. Основт науковi роботи зарубiжних вчених (Christofer Rhen et al., 2005, Sudhagar Mani et al., 2006; Dan Bergström et al., 2008; Carrie Yee Ching Jonsson, 2009; Wu Kai et al., 2010; Shi Shuijuan et al., 2012) стосуються гранулюван-
1нформащя про aBTopiB:
KopiH4yK Дмитро Миколайович, канд. техн. наук, пров. наук. сшвробггник, вдош тепломасопереносу в теплотехнолопях.
Email: Korinchuk@nas.gov.ua; https://orcid.org/0000-0001-7752-4345 Цитування за ДСТУ: Корiнчук Д. М. Вплив температурно!' та фiзико-механiчноT активацп бiомаси на енерговитрати процесу
пресування бюпалив деревинного та рослинного походження. Науковий вкник НЛТУ Укра'ни. 2018, т. 28, № 5. С. 111-118. Citation APA: Korinchuk, D. M. (2018). Influence of temperature and physical and mechanical activation of biomass on energy consumption in pressing biofuels from wood and agricultural raw materials. Scientific Bulletin of UNFU, 28(5), 111-118. https://doi.org/10.15421/40280524
ня деревини та вiдходiв И перероблення. Проблему гра-нулювання рослинно! бюмаси на сьогоднi розкрита лише в роботах (Kuchinskas, 1988; Osobov, 2009; КИтеп-ко, 2017), яш стосуються здебiльшого гранулювання комбiкормiв i трав'яно! муки. Значна к1льк1сть наукових робгг у галузi пресування бюмаси присвячена розробцi та модершзацп конструкцш пристро!в гранулювання, але досi ввдсутт науково обгрунтованi узагальненi ре-жими пресування, що змушуе операторiв практично вручну пiдбирати режими пресування окремих видiв бь опалива. Критерieм узагальнення режимiв пресування рiзних видiв бюмаси можуть бути питомi витрати меха-шчно! енергп на утворення твердого бюпалива задано! густини або потребна енерпя пресування (Fedorenko & Sadov, 2014).
У межах нових стандартiв £вропи EN 14961-1 на-сипна густина твердого гранульованого бiопалива входить до основних параметрiв, що нормуються. Мшь мальне значення насипно! густини становить 550 кг/м3, що тд час врахування порозностi зернистого шару гранул, як тш цилiндрично! форми (Kasatkin, 1973) в межах 35 %, мае ввдповщати мшмальнш об'eмнiй або уявнш густинi гранул не нижче 850 кг/м3. Забезпечення сталих параметрiв енергоспоживання процесу пресування для рiзних видiв бiомаси потребуе виявлення та дослвдження чинник1в впливу на густину гранул та мь нiмiзацiю енерговитрат процесу пресування. Витрати енергп на пресування бюпалива залежать переважно вщ фiзико-механiчних властивостей матерiалу, що пере-робляеться, при цьому необхiдно знати основш законо-мiрностi процесу пресування, яш мають визначальне значення для процесу гранулоутворення. У межах коло-!дно! теорп гранулоутворення, яку обгрунтував Г. Агде, молекулярно! теорп, що висунув В. Н. Наумович, та теорп водородних зв'язшв, розробив А. Д. Чмир, грануло-утворення забезпечуеться внаслщок молекулярних зши-вок коло!дних частин, макромолекул та в деяких випад-ках утворення водневих зав'язк1в за достатнього збли-ження поверхонь частин матерiалу. Робота тиску витра-чаеться на деформацш матерiалу, видалення повиря з пор та зближення поверхонь частин до рiвня молекулярно! взаемодп. Густину та мiцнiсть гранул визнача-ють сили молекулярного зв'язку, яш пропорцiйнi шль-костi вшьно! енергi! контактуючих поверхонь, а вшпо-вiдно, кiлькостi утворених молекулярних контакпв та зворотно-пропорцiйнi розмiру контактуючих часток. В умовах виробництва бiопалива зменшити питомi енер-говитрати на процес пресування можна способом тд-вищення активностi на поверхнi частин бюмаси реак-цiйних груп гемiцелюлози, целюлози та лпшну, що входять до складу бюмаси (Kindzera, е1 а1., 2016). Цей ефект досягаеться методами температурно!, хiмiчно! або фiзико-механiчно! активацп (Ermo1in, Bayandin & Kazitsin, 2016). До зазначених методiв вiдносять вико-ристання хiмiчних в'яжучих добавок (Sycheva, Khmyzov & So1ovyeva, 2013), використання пiдвищених темпера-турних режимiв (ВауаМш, Ermo1in & E1iseev, 2013; Shtefan & Ryndyuk, 2010; Егто1епко, et а1., 2009) та роз-мелу сировини до рiвня руйнування клггинно! структу-ри. Пiдвищення температури пресування призводить до активацi! на поверхш частин деревини реакцiйних груп, що сприяе утворенню нових молекулярних зв'язшв та тдвищенню густини гранул (Bayandin, Ermo1in & ЕШе-ev, 2013). Результата дослщження оптимального темпе-
ратурного режиму пресування представлен в працях (Bayandin, Ermolin & Eliseev, 2013; Zavinskiy, et al., 2012) та мають icTOTHi розбiжностi. У po6oTi (Shtefan & Ryndyuk, 2010) встановлено, що пiдвищення температури пресування бюмаси вище 100 °С не доцшьно, осшль-ки не веде до збшьшення щiльноcтi. У робот (Ermolen-ko, et al., 2009) обрано оптимальним iнтервал температур 120-135 °С. У роботi (Zavinskiy, et al., 2012) вста-новлено, що оптимальна температура для пресування деревини знаходиться в дiапазонi 200-250 °С. Розбiж-ноcтi в доcлiдних даних потребують докладшшого дослщження впливу температури пресування на густину гранул та роботу пресування. У робот (Sycheva, Khmyzov & Solovyeva, 2013) дослщжено режими хiмiч-но! активацп деревини з добавкою альбумша, казе!на та крохмалю, з метою тдвищення реакцiйно! здатноcтi компонентiв бiомаcи, яш пiд cумicною дieю тиску та температури пластифшуються та набувають властивостей в'яжучого, що забезпечуе висок адгезiйнi власти-воcтi взаeмодi! частин бюмаси. Але хiмiчна активацiя бюмаси не забезпечуе задовшьш фiзико-механiчнi влас-тивоcтi вciх гранул через складнють рiвномiрного об-роблення вciе! бюмаси.
Дослщження фiзико-механiчно! активацi! (Ermolin, Bayandin & Kazitsin, 2016; Ermolenko, et al., 2009; Ma-tus, et al., 2014; Bayandin, et al., 2015) зводилися до вста-новлення ефектiв зниження енерговитрат та тдвищення яшсних показник1в пресованого матерiалу пiд час зменшення розмiру подрiбнено! монофракцiйно! сировини, полiфракцiйнi cумiшi не дослщжували. У роботах зазначено, що фiзико-механiчна активацiя частин бь омаси приводить до збiльшення вшьно! енергп на !х по-верхш, що веде до iнтенcифiкацi! утворення молекулярних зав'язшв пiд час пресування. Використання методу для зниження енерговитрат у промислових умовах ви-робництва твердого бюпалива потребуе додаткових дослщжень полiфракцiйних сумшей бiомаcи.
Метою роботи е визначення впливу температурно! та фiзико-механiчно! активацi! бiомаcи на витрати пи-томо! енергi! пресування бiопалив деревинного та рос-линного походження.
Об'ектом дослiдження е процеси пресування сиро-вини деревинного та рослинного походження на прик-ладi трюки сосни, соломи та лузги соняшника заданого фракцiйного складу (табл. 1).
Табл. 1. Фракцшний склад та насипна вага бюмаси.
Вид бюмаси Фракцшний склад матерiалу Насипна густина р, кг/м3
дiапазон та середнш розмiр фракцп, мм
0-0,315 (0,2) 0,315-2 (1) 2-5 (3,5) 5-10 (7,5)
Трюка сосни 0,09 0,48 0,32 0,11 160
Солома 0,12 0,46 0,27 0,15 125
Лузга соняшника 0,08 0,36 0,38 0,18 120
Матерiали i методи досл1дження. В основу методики визначення енерговитрат пресування покладено положення, що пiд час пресування в закритш матрицi енерговитрати на пресування вщповщають роботi, яка витрачаеться на перемiщення пуансона до утворення гранули задано! густини. Враховуючи масу матерiалу та визначивши залежнiсть тиску пресування вщ ступеня ущiльнення або приросту густини (рис. 1), можна виз-начити питому потребну роботу пресування для отри-мання гранул необхщно! густини:
4 =S Г
Мит .. I
M 0
dP(z) dz
dz .
(1)
де: P(z) - залежнiсть тиску пресування вщ приросту
густини, МПа; z =
Ро-Р ; Р
сiиних характеристик лiнiиним píbh^hh^m виду y = ax + b в логарифмiчних координатах та зютавлення залежносп з логарифмiчним виразом рiвняння (3)
s
l0 — x 1 — s
- прирiст густи-
ln(P) = ln P0 + m ln
1 — s
дае змогу визначити параметри,
ни; M - маса матерiалу, кг; S - площа перерiзу пуансона, м2; ¡о - початкова товщина шару бiомаси, р0 - на-сипна густина бiомаси, кг/м3; х - локальне положення
x р
пуансона; s= — = — - ввдносне перемщення пуансона.
що характеризують технолопчш властивостi вихiдного матерiалу: m = a , P0 = EXP(b).
Для визначення компресшно! характеристики пресування дисперсних матерiалiв створено дослвдну установку на базi розривно! машини типу МР100 (рис. 2).
Вщносна деформащя. Рис. 1. Схема пресування в закритш матриц!
Пвд потребною роботою розумiемо необхщну шль-к1сть тдведено! енергп пресування для отримання гранул задано! густини. Величина потребно! роботи зале-жить вiд умов проведення процесу i властивостеИ мате-рiалу та можна використати як критерiИ енергоефектив-ностi процесу пресування для отримання бюпалива задано! якостi.
Для розв'язання рiвняння (1) використовували мето-ди теорп пресування (Fedorenko, 2013). Залежнють тис-
ку
dP(z) dz
зпдно з (Fedorenko, 2013) можна представити
таким диференцiИним рiвнянням:
dP(z) P (2)
—г^ = m~ . (2)
dz z
Роздiливши змiннi, проводимо потенцшвання та íh-тегрування рiвняння (2) i переходимо до основного рiв-няння пресування, вираженого у степеневш формi:
P = P0(z)m або P = P0 I
(3)
де P0 i m - коефiцiенти, що характеризують технолопч-hí властивостi вихiдного матерiалу. Коефiцiент m мае безрозмiрниИ вид i характеризуе форму криво! пресування. Коефщент P0 мае розмiрнiсть тиску (МПа). За фiзичною суттю коефiцiент P0 вiдповiдае тиску, потребному для досягнення вiдносного збiльшення густини z = 1. Питому потребну роботу пресування А„ит з урахуванням рiвняння (2) та (3) можна представити наступним виразом:
= p0¿S ?
'= М 0
¡0 — x
dx =
P) • S • ¡0 р
M Р0;
01 г;
ds -
- Г I —I ds
Р0 0 11 — s)
(4)
де dx = l0ds - перемщення пуансона, м; M = S • l0 • р0 -маса матерiалу в матрищ, кг.
Методика визначення коефщенпв P0 та m, включае експериментальне дослвдження та побудову компре-сшних характеристик пресування окремих видiв бюма-си виду P = f (s) (див. рис. 1). Апроксимащя компре-
Рис. 2. Схема дослщно! установки: 1) рухома плита; 2) отрна плита; 3) вим1рювач сили; 4) пульт керування; 5) пристрш для пресування
Дослвдна установка включала вишрювач сили 3, з'еднаниИ з мехашчним приводом верхньо! рухомо! плити 1 гiдравлiчною мережею, що утворюе замкнену гiдравлiчну систему та дае змогу визначити зусилля пресування. Циферблат вимiрювача мае двi стрiлки, що показують локальниИ та максимальниИ тиск за перюд дослвдження. Максимальне зусилля пресування стано-вить 120 кН. Похибка визначення сили брикетування становить ±0,2 кН. ПристрiИ для брикетування 5 - це розбiрна матриця та пуансон для пресування сировини в гранули з розмiрами 20*50 мм.
Методика пресування гранул. Перед пресуванням зпдно з ISO 1953 визначали фракцшниИ склад матерь алу (див. табл. 1) методом ситового аналiзу. Матерiал пiдсушували за температури сушильного агенту 250260 °С до вологостi 8-10 %. На стадп дослвдження фь зико-механiчно! активацп частину матерiалу перед пресуванням подрiбнювали до середнього розмiру 200 мкм, пiсля чого формували сумш цього виду 6í-омаси з масовим вмютом мiкрофракцi! 10-30 %, 50 %.
Зпдно з планом експерименту готували наважку за-даного виду бюмаси. Масу наважки визначали шляхом зважування на лабораторних вагах Axis 500 AD. У пер-шш серп дослiджень температурно! активацп бюмаси тдготовлениИ матерiал пiдiгрiвали паралельно з матрицею до задано! температури в сушильнш шафi. Температуру матерiалу контролювали пiрометром testo 830 -Tj, абсолютна похибка за результатами вимiрювань не перевищувала ±1,5 °С. Пюля досягнення задано! температури матрицю заповнювали матерiалом та встанов-лювали в центральнш частинi опiрно! плити пiсля чого вщбувалося пресування. Швидк1сть перемiщення рухомо! плити становила 0,02 м/хв. Зусилля пресування фж-сували за ввдповщним положенням стрiлки вимiрювача сили. Пюля досягнення заданого зусилля навантаження матерiал витримували пiд тиском 5 с, тсля чого навантаження зшмали, рухому плиту пiдiИмали у верхне положення. Видаляли брикет iз матрицi внаслвдок виш-
s
x
m
m
x
\ m
товхування пуансоном. Густину визначали пiсля вилу-чення брикета з матрицi шляхом його обмiру штангенциркулем, зважування та наступних розрахунк1в. За результатами трьох паралельних дослiдiв розраховували середне арифметичне значения густини гранул. Абсолютна похибка визначення густини гранул не переви-щувала ±10 кг/м3. За значеннями насипно! густини ма-терiалу та густини гранул розраховували вдаосне пере-мiщения пуансона.
Пружне розширення визначали як рiзницю висоти брикета та граничного положення пуансона. У досль дженнях пружне розширення не перевищувало 10 %, максимум ввдповвдав мiнiмальному тиску та температура У розрахунках потребно! роботи не враховували час-тку роботи пружних деформацiй. Максимальна вiдносна похибка розрахунку потребно! роботи становила 5 %.
Другу серiю до^джень фiзико-механiчно! активацi! проводили в аналопчнш послiдовностi, за винятком стадi! прорву матерiалу.
Результата дослiдження та 1х обговорення. З роз-роблено! методики проведения експерименту отримано комплекс даних, що характеризують процес пресування бiомаси деревного та рослинного походження, включа-ючи роботу пресування та густину гранульованого па-лива разом iз тиском i температурою пресування та тис-ком i вмiстом мiкрофракцi!.
Математичну обробку результапв експерименту проводили з використанням математичних пакепв Ех-се1, OriginLab та алгоритму модифшованого методу локально! апроксимаци Шепарда для побудови поверхонь ввдклику густини та питомо! потребно! роботи пресу-вання.
На рис. 3-5 (а) представлено граф^ залежностей густини зразшв (гранул) вiд тиску пресування та темпе-ратури сировини для трюки сосни, соломи i лушпиння соняшника. Залежнiсть мае нелiнiйний характер, макси-мальну iнтенсивнiсть зростання густини гранул спосте-рiгаемо на дшянках вiд 60 МПа до 100 МПа, що вщповь дае в середньому 6,5-7 кг/(м3МПа) для гранул iз сосни, 4,25-5,5 кг/(м3МПа) для гранул iз лузги соняшника та соломи. У межах дослвджуваного дiапазону внаслвдок збiльшення тиску пресування вщ 40 МПа до 120 МПа зростання густини становить 47 % для вах видiв досль джувано! бiомаси. П1двищення температури сировини веде також до штенсивного зростання густини. У температурному iнтервалi вщ 100 °С до 200 °С iнтенсивнiсть зростання густини становить для гранул iз сосни 11,4 кг/(м3°С) та 2,0-2,2 кг/(м3°С) для гранул з соломи та лузги соняшника. У межах дослвджуваного дiапазону температур тд час збiльшення температури пресування з 25 °С до 250 °С зростання густини становить у се-редньому 23 % для сосни, 73 % для соломи та лузги со-няшника, тд час зменшення потребно! роботи пресування на 23 % - 46 та 32 % ввдповвдно. Використання температурного режиму вище 200 °С е недостатньо обгрунтованим, осшльки незначному приросту густини будуть вiдповiдати досить велик! енергетичш витрати на нагрiв матерiалу. У виробничих умовах цей процес супроводжуеться ютотним газовидiленням, втратою сухо! маси i хоча, зпдно з (8пе7Икт, Korinchuk & Bezhin, 2017), теплота згоряння бiопалива пiдвищуеться, для ре-алiзацi! процесу високотемпературного пресування не-обхщно розробляти спецiальне обладнання.
Рис. 3. Вплив температури та тиску пресування бюмаси сосни на: а) густину гранул; б) енерговитрати процесу
Рис. 4. Вплив температури та тиску пресування бюмаси соломи на: а) густину гранул; б) енерговитрати процесу
Рис. 5. Вплив температуры та тиску пресування бюмаси лузги соняшника на: а) густину гранул; б) енерговитрати процесу
З рис. 3-5 (а) видно, що поле юнування гранул, яш вщповщають нормованим умовам об'емно! густини, об-межено комбiнацiею тиску та температури у межах затемнено! областг Для деревинних гранул отримання гранул в межах нормованого значення густини забезпе-чуеться дотриманням режиму пресування за тиску пре-сування вище 80 МПа та температури вище 100 °С. Споcтерiгаемо звуження зазначеного дiапазону тд час переходу з деревинного матерiалу на рослинну сировину. За результатами дослщжень можна рекомен-дувати тдтримування для рослинно! бiомаcи режиму в межах тиску пресування вище 100 МПа та температури не нижче 150 °С. Внаслшок зменшення температури або тиску необхшно пiдвищувати значення iншого параметра. Забезпечення тиску пресування потребуе тд-вищення витрат енергi! пресового обладнання, що не завжди можливо в межах встановлено! потужноcтi обладнання. Ввдповвдно пiдвищення потребно! питомо! роботи пресування зi зниженням температури сировини внаслщок змiни клiматичних умов або змши властивос-тей та виду сировини призведе до зменшення продук-тивноcтi лiнi!, попршення якоcтi продукту, втрат сиро-винного ресурсу та вщмов обладнання.
З метою обгрунтування енергоефективних режимiв роботи проведено аналiз питомо! роботи пресування де-ревинно! та рослинно! сировини з використанням темпе-ратурно! та фiзико-механiчно! активацп матерiалу в межах дослщжуваного дiапазону змiни тиску пресування.
За результатами математичного оброблення компре-сшних кривих для рiзних видiв бюмаси визначено за-лежноcтi параметрiв P0 та m вiд температури пресування (табл. 2). З використанням даних табл. 2 та рiвняння (4) розраховано значення питомо! потребно! роботи пресування. Аналiз графiчних залежностей (див. рис. 35,6) показав, що зi збiльшенням тиску пресування в дь апазонi 40-120 МПа енерговитрати на процес зроста-ють для гранул iз деревини сосни, соломи та лузги соняшника вщповшно в 2,44, 2,37 та 2,25 раза. Пщвищен-ня температури пресування в1д 20 до 250 °С веде до зменшення питомих енерговитрат у середньому для гранул з деревини сосни, соломи та лузги соняшника вiдповiдно на 23, 46 та 32 %. Результати дослщження тдтверджують безпоcереднiй вплив температурного режиму на енерговитрати пресування та необхщнють забезпечення сталого температурного режиму пресу-вання та жорсткого його контролю на виробництвг Пiд час переходу з деревинно! сировини на рослинну бюма-
су необхiдно враховувати потужнють обладнання та за-безпечувати, згiдно iз запропонованими методиками та залежностями (див. рис. 3-5, а,б; табл. 2), зменшення величини потребно! роботи пресування способом сумь щення регулювання тиску пресування та температурного режиму в межах поля юнування гранул не нижче нормовано! густини. Характер залежносп потребно! роботи пресування ввд температурного режиму робить обгрунтованим наявнiсть у схемi виробництва дiлянки температурно! активацi! матерiалу перед пресуванням, що дасть змогу витримувати температурний режим пре-сування, забезпечить мiнiмальнi енерговитрати пресового обладнання та цiлорiчну сталу продуктивнiсть т-нiй виробництва бюпалива.
Табл. 2. Залежностi коефщенпв основного рiвняння
Залежност для визначення коефщенпв
Матершл основного р1вняння пресування
Po m
1 Сосна P0 = 0,000032^ - 0,022t + 4,67 m = 0,0015t + 2,014
R2 = 0,99 R2 = 0,98
2 Солома P0 = 0,00016t2-0,0775t +10,0 m = 0,0031t + 1,824
R2 = 1 R2 = 0,98
3 Лузга P0 = 0,00014t2 - 0,067t + 8,87 m= 4,53t2 - 3,63t + 1,99
R2 = 1 R2 = 0,94
Пiдвищення реакцiйно! здатносп частин бiомаси та зменшення питомо! потребно! роботи пресування мож-на досягти також фiзико-механiчною активацiею способом тонкого подрiбнення. У межах молекулярно! теорi! пресування iнтенсифiкацiя сил молекулярно! взаемодп внаслщок тонкого подрiбнення вшбуваеться внаслiдок руйнування на поверхнi частин молекулярних структур, збшьшення зовнiшньо! питомо! поверхш та щiльнiшого розмiщення частинок пресматерiалу. Останнi два чин-ники ведуть до збiльшення поверхнi дотику та кшькосп молекулярних зшивок. Але сумщення фiзико-механiч-но! активацi! з наступним високотемпературним сушш-ням спричиняе термiчну деструкцiю поверхневого шару частин, що швелюе ефект пiдвищення реакцшно! здат-ностi. Проведено дослiдження щодо пiдвищення реак-цiйно! здатностi матерiалу способом введення в нього м^офракцп бiомаси вторинного подрiбнення. Саме вторинне подрiбнення дае змогу вiдновити реакцшну активнiсть матерiалу пiсля термообробки в процеа су-шiння. Активацiю проводили способом вшбору фжсо-вано! частин матерiалу, подрiбнення в молотковiй дро-
барщ до середнього розм!ру 200 мкм та введення в су-мш перед пресуванням. Процес пресування проводили за нормально! температури. За результатами досль джень розраховано коефiцiенти основного р!вняння пресування (табл. 3) та побудовано залежносп змши густини гранул та роботи пресування вщ тиску та вмю-ту мiкрофракцi!. Аналiз графiчних залежностей (рис. 6-8,а,б) дав змогу встановити, що максимальна тенсив-шсть зростання густини становить 20-25 кг/м3 на кож-
ний вщсоток вмюту мiкрофракцi! i ввдповвдае вмюту мiкрофракцi! до 20 %. Подальше збшьшення вмюту мiкрофракцi! не веде до штатного приросту густини гранул. Потребна робота пресування внаслвдок введення активовано! мiкрофракцi! в сумш бiомаси змен-шуеться. За вмету мiкрофракцi! вище 20 % робота пресування зменшуеться на 18-28 %. Максимум вщповвдае дiапазону пресування 60-100 МПа.
м,крофракпШ~ - ° ~ ^ " ШкР°Фракцщ} %
а) ' 0 л? б) **
Рис. 6. Вплив вмюту мжрофракцп та тиску пресування бюмаси сосни на: а) густину гранул; б) енерговитрати процесу
~м«рофракЦ1Й о/о ¿Г - ШкР°Фракцй, «/о
я) ' б) л?
Рис. 7. Вплив вмюту мжрофракцп та тиску пресування бюмаси соломи на: а) густину гранул; б) енерговитрати процесу
"7*** "¿Г......
Рис. 8. Вплив вмюту мжрофракцп та тиску пресування бюмаси лузги соняшника на: а) густину гранул; б) енерговитрати процесу
Схожий вигляд р!внянь для визначення коефщенпв основного р!вняння пресування залежно ввд вмгсту мш-рофракцi! (див. табл. 3) сввдчитъ про одшков! мехашз-ми впливу активовано! мжрофракцц р!зних вид!в бюма-
си на процес гранулоутворення. Отже, у композицшнш сумгш бiомаси введення активовано! мшрофракцц одного виду бiомаси в шший може зменшити потребну роботу пресування зпдно з отриманими вище залеж-
ностями та забезпечити гарантоване виробництво гранул нормовано! густини.
Табл. 3. Залежност коефiцieнтiв основного piiiiiiiiiiiii _пресування взд BMicTy мiкрофракцlf_
Залежност для визначення коефщен'пв
Матер1ал основного р1вняння пресування
Po m
1 Сосна P0 = - 131,3t2 + 141,0t + 2,07 m = 1,85t2 - 1,85t + 2,08
R2 = 0,97 R2 = 0,97
2 Солома P0 = - 194t2 + 158,0t + 9,33 m = 3,99t2 - 2,92t + 1,9
R2 = 0,97 R2 = 0,96
3 Лузга P0 = - 164t2 + 154t + 5,79 m= 4,53t2 - 3,63t + 1,99
R2 = 0,98 R2 = 0,94
Виявлеш ефекти зменшення потребно! роботи пресування в умовах температурно! та фiзико-механiчно! активацi! матерiалу цшком можна пояснити в межах молекулярно! теорi! пресування. Як вщомо (Kindzera, et а1., 2016), бiомаса е композицiйним бiополiмером, що складаеться з довгих ланцюпв молекул, таких як: гемь целюлоза, целюлоза та Мгтн. Внаслщок термiчно! та фiзико-механiчного оброблення частина ланцюгiв роз-риваеться з утворенням вiльних радикалiв, що тдвищуе реакцiйну здатнiсть бiомаси до утворення молекуляр-них зав'язк1в. Термiчна деструкщя поверхнi мжрофрак-цi! пiд час сушшня та охолодження, як було зазначено рашше, веде до зниження кiлькостi вiльно! енергi! на одиницю поверхнi та реакцiйно! здатностi мжрофрак-цi!. Зважаючи на останне припущення, можна рекомен-дувати органiзувати тдготовку бiомаси перед пресу-ванням за схемою (КоппЛик, 2018), у якш пiсля стадi! подрiбнення настае стащя сушiння, пiсля чого частина матерiалу не менше 20 % за масою надходить на тонке подрiбнення, змiшуеться з основною масою, термiчно активуеться та поступае на пресування.
Висновки. Експериментально-розрахунковим способом отримано залежностi впливу температурного режиму, тиску пресування та вмету мжрофракцп на гус-тину гранул бюпалива та питому роботу пресування. Встановлено, що в межах дослщжуваного дiапазону тиску 40-120 МПа, температури 25-250 °С та вмiсту ак-тивовано! вторинним подрiбненням мiкрофракцi! бюма-си в межах 0-50 %, збшьшення кожного параметра про-цесу веде до тдвищення об'емно! густини гранул бюпалива. Водночас тдвищення тиску пресування веде до збшьшення потребно! роботи пресування у 2,2-2,4 раза, а температури та вмету мжрофракцп - до зменшення на 22-46 та 18-28 %.
Результати дослщження тдтверджують безпосеред-нш вплив температурного режиму на енерговитрати пресування та необхшнють забезпечення сталого температурного режиму пресування та його контролю на виробництвг
Встановлено ефект збiльшення потребно! роботи на пресування тд час переходу вш деревинно! до рослин-но! бiомаси. За результатами дослщжень рекомендовано в технолопях виробництва твердого бюпалива вклю-чати дiлянки температурно! та фiзико-механiчно! акти-вацi!. Для забезпечення температурного режиму пресування температурну активацш матерiалу перед пресу-ванням можна проводити за температури деревинно! бь омаси не нижче 100 °С та рослинно! бюмаси не нижче 150 °С. Фiзико-механiчну активацiю матерiалу реко-
мендовано проводити способом подрiбнення пiсля ста-дп сушiння не менше 20 % загально! маси матерiалу до м^офракцп з середнiм розмiром не бшьше 200 мкм з наступним змшуванням з основною масою та пресу-ванням, або введенням у матерiал мiкрофракцi! бiомаси iншого виду в тих же пропоршях.
Перелiк використаних джерел
Bayandin, M. A., Ermolin, V. N., & Eliseev, S. G. (2013). Vliyaniye mekhanoaktivatsii na autogezionnyye svoystva drevesiny. [Effect of mechanoactivation on the autohesive properties of wood]. Khvoynyye boreal'noy zony. [Coniferous boreal zone], 30(1-2), 159-163. [In Russian]. Bayandin, M. A., Yermolin, V. N., Kazitsin, S. N., & Yeliseyev, S. G.
(2015). Vliyaniye melkodispersnykh fraktsiy na formirovaniye svoystv drevesnykh plit bez svyazuyushchego. Khvoynyye boreal'noy zony, 33(3-4), 182-185. [In Russian].
Ermolenko, N. I., Khmyzov, I. A., Dubodelova, E. V., Solovieva, T. V., & Maximuk, Yu. V. (2009). Issledovaniye vliyaniya tekhnolo-gicheskikh faktorov i porodnogo sostava syr'ya na svoystva top-livnykh granul. [Investigation of the influence of technological factors and composition of raw materials on the properties of fuel pellets]. Proceedings of BSTU. Series: Chemistry, technology of organic substances and biotechnology, 1(4), 270-273. [In Russian]. Ermolin, V. N., Bayandin, M. A., & Kazitsin, S. N. (2016). Mechanical Activation of Wood for Adhesive-free board Production. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 155(1), 14. https://doi.org/10.1088/1757-899X/155/1/012038 Fedorenko, I. Ya. (2013). Alternativnaya teoriya pressovaniya kor-mov. Altai State Agricultural University Bulletin, 3(101), 95-98. [In Russian].
Fedorenko, I. Ya., & Sadov, V. V. (2014). Optimization of feed pelleting and briquetting process in terms of energy costs. Altai State Agricultural University Bulletin, 2(112), 114-119. [In Russian]. Kasatkin, A. G. (1973). Basic processes and apparatus of chemical
technology. Moscow: Chimia. 752 p. [In Russian]. Kindzera, D. P., Pelekh, M. P., Hosovskyy, R. R., & Kindzera, A. R.
(2016). Reducing energy costs during production of solid biofuel and improving quality of products. SCHMT, 841, 302-307. [In Ukrainian].
Korinchuk, D. M. (2018). Justification of energy consumption during the comminution stage in the technologies of biofuel production. Scientific Herald of NULES of Ukraine, 1(268), 90-100. [In Ukrainian].
Matus, M., Krizan, P., Soos, L., Beniak, J., & Lisy, M. (2014). The influence of size fraction and moisture content on the compressibility of wood sawdust in effective process of production a solid biofuel. 14th SGEM Geo Conference on Energy and Clean Technologies, 1, 553-560.
Shtefan, Ye. V., & Ryndyuk, D. V. (2010). Issledovaniye vliyaniya temperatury na protsess pressovaniya dispersnykh materialov. Bulletin of NTU "KhPI", 65, 114-118. [In Russian]. Snezhkin, Y. F., Korinchuk, D. M., & Bezhin, M. M. (2017). Dos-lidzhennya rezhymiv termoobrobky biomasy ta torfu u vyrobnytstvi kompozytsiynoho biopalyva. [Investigation of regimes of heat treatment of biomass and peat in production and composite biofuels]. Industrial Heat Engineering, 39(1), 53-57. Snyezhkin, Yu. F., Korinchuk, D. M., Bezhin, M. M., & Stepchuk, I. V. (2014). Enerhetychnyy analiz tekhnolohiy vyrobnytstva tverdo-ho biopalyva. Naukovi pratsi ONAKHT [Scientific Works], 45(3), 187-190. [In Ukrainian]. Sycheva, N. A., Khmyzov, I. A., & Solovyeva, T. V. (2013). Vliyani-ye kompozitsionnogo sostava toplivnykh pellet na ikh pokazateli kachestva. Trudy BGTU. Series: Chemistry, technology of organic substances and biotechnology, 4(4), 182-184. [In Russian]. Zavinskiy, S. I., Telnov, I. A., Troshin, A. G., & Moiseyev, V. F. (2012). Vliyaniye davleniya pressovaniya i temperatury na svoystva briketov iz drevesnoy struzhki. Bulletin of NTU "KhPI", 10, 144149. [In Russian].
Д. Н. Коринчук
Институт технической теплофизики НАН Украины, г. Киев, Украина
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКОЙ АКТИВАЦИИ БИОМАССЫ НА ЭНЕРГОЗАТРАТЫ ПРОЦЕССА ПРЕССОВАНИЯ БИОТОПЛИВА ДРЕВЕСНОГО
И РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Проведено экспериментальное исследование компрессионных характеристик прессования измельченной полифракционной биомассы растительного и древесного происхождения на примере древесины сосны, соломы и лузги подсолнечника. Установлены зависимости коэффициентов основного уравнения прессования от температуры прессования и содержания микрофракции вторичного измельчения. Определена плотность гранул, рассчитана удельная работа гранулообразования, исследованы закономерности их изменения при повышении давления, температуры и содержания микрофракции. Установлено, что в пределах исследуемого диапазона увеличение давления, температуры и содержания микрофракции вторичного измельчения ведет к увеличению объемной плотности гранул биотоплива. В то же время повышение давления прессования ведет к увеличению удельной работы прессования в 2,2-2,4 раза, а температуры и содержания микрофракции - к уменьшению на 22-46 % и 18-28 %. Установлен эффект увеличения удельной работы прессования при переходе от древесной биомассы к растительной. Рекомендовано в технологиях производства твердого биотоплива включать участки температурной активации материала перед прессованием с целью обеспечения температурного режима прессования не ниже 100 °С для древесной биомассы и не ниже 150 °С для растительной биомассы, а также участки физико-механической активации материала путем тонкого измельчения после стадии сушки не менее 20 % общей массы материала до микрофракции со средним размером не более 200 мкм с последующим смешиванием с основной массой и прессованием или введением в биомассу микрофракции биомассы другого вида в тех же пропорциях.
Ключевые слова: работа прессования; энергоэффективные режимы; микрофракция; давление; плотность.
D. M. Korinchuk
Institute of Engineering Thermophysic, NAS Ukraine, Kyiv, Ukraine
INFLUENCE OF TEMPERATURE AND PHYSICAL AND MECHANICAL ACTIVATION OF BIOMASS ON ENERGY CONSUMPTION IN PRESSING BIOFUELS FROM WOOD
AND AGRICULTURAL RAW MATERIALS
The fluctuations of the temperature modes of pressing, the lack of climatic temperature stabilization of raw materials before pressing, the change in the properties of the raw material base leads to an increase in the specific energy consumption of the process; and causes a decrease in the profitability of biofuel production and the discrepancy between annual production peaks and consumption of solid granular biofuels. Therefore, the work is devoted to the development of energy-efficient compression modes and energy saving measures in the production of granular biofuels. The aim of this work is to determine the influence of temperature and physical-mechanical activation of biomass on the energy consumption for pressing biofuels of wood and plant origin.We selected biomass of pine, sunflower husk and straw after the stages of shredding and drying as the research objects. The dependences of the compressive characteristics of biomass on compression pressure, temperature and content of microfraction were experimentally obtained; the dependences of the coefficients of the basic equation of compression on the temperature and content of microfraction of secondary crushing were determined by the method of linear approximation of experimental curves in logarithmic coordinates. The compression work at the studied modes is calculated. The analysis of the dependences of biofuel density and compression work has shown that an increase of the pressure, temperature and content of microfraction of secondary grinding within the studied range leads to an increase in the volume density of biofuel pellets. At the same time, the pressure increase leads to an increase in the specific compression work in 2.2-2.4 times, and to decrease in the temperature by 22-46 % and content of microfraction by 18-28 %. The effect of increasing the specific work for pressing during the transition from wood to plant biomass has been established. It is recommended to include areas of temperature and physical-mechanical activation in solid biofuel production technologies. To ensure the temperature regime of pressing, the temperature activation of the material before pressing should be carried out at a temperature of wood biomass not lower than 100°С and for plant biomass not lower than 150°С. Physical-mechanical activation of the material should be carried out by grinding after the drying stage of at least 20 % of the total mass of the material to the microfraction with an average size of no more than 200 micron, followed by mixing with the base mass and compressing or entering microfraction of another species in the same proportions into material.
Keywords: compression work; energy-efficient modes; microfraction; pressure; density.
