CC BY
45
УДК 675.05.(075.8)
А. Г. Яковлева, д-р техн. наук Г. И. Камель Национальный технический университет, г. Запорожье
ВЫБОР НЕТРАДИЦИОННОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ТРАНСПОРТА ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ВАРКИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ И
ПОЛУЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Рассмотрены нетрадиционные виды промышленного транспорта, которые могут быть использованы для производства непрерывным способом целлюлозы и полуцеллюлозы в Украине.
Введение
В настоящее время состояние целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП) в Украине не соответствует потребностям ее экономики, культуры и образования. По уровню использования картонно-бумажной продукции на душу населения Украина занимает одно из последних мест в Европе - приблизительно 18 кг, хотя среднемировое использование бумаги и картона на человека составляет больше 50 кг, западноевропейская - 197 кг, а в США - 343 кг. Производственные мощности ЦБП Украины загружены на 60 %, в тоже время приблизительно 50 % картонно-бумажной продукции ввозится в Украину. Использование импортной целлюлозы повышает себестоимость продукции.
С целью дальнейшей стабилизации и постепенного наращивания работы ЦБП, путем реализации «Кон -цепции развития химической промышленности Украины до 2010 года», разработанной Министерством промышленной политики, до приоритетной относится освоение отечественной сырьевой базы и обеспечение ее комплексной переработкой [1].
В мировой ЦБП для получения целлюлозы используют хвойную и лиственную древесину (ель и березу). Отечественные сырьевые ресурсы не могут обеспечить потребность в целлюлозе для химической промышленности.
Поэтому для Украины актуальным есть расширение сырьевой базы ЦБП за счет использования других видов сырья, в первую очередь однолетних растений. Разработка ресурсно-сберегающих технологий и получение целлюлозы из однолетних растений и получение товаров химической промышленности из отечественного сырья есть важной научно-технической задачей [1, 2].
Целью работы является обоснование использования известных в мире нетрадиционных видов промышленного транспорта для непрерывной подачи древесного сырья в область варки, где осуществляется получение товарной целлюлозы или полуцеллюлозы, применительно к Украине.
Анализ литературных источников и задачи исследований
В 1979 году был предложен дешевый способ производства целлюлозы из всех видов растительного сырья - хвойной и лиственной древесины, соломы, хлебных злаков, тростника и т.д. Варка осуществлялась в вертикальных котлах периодического действия. Отсутствие нетрадиционного промышленного транспорта для непрерывной подачи растительного сырья в варочный котел сдерживала дальнейшее производство. Впервые в мировой практике на Украине в 1936 году под руководством д.т.н., проф. Л. П. Жеребова был предложен нетрадиционный промышленный транспорт, который позволил непрерывно перерабатывать в вертикальном котле соломенную сечку на Добрушин-ском соломенно-целлюлозном заводе продуктивностью 18 тонн/сутки. Эта мобильная установка непрерывно проработала с 1936 года по 1941, выдала более 20 тысяч тонн целлюлозы и послужила прототипом создания современных установок.
Позже в 1938 году к разработке установок промышленного транспорта приступила шведская фирма Ка-мюр. Первая установка производительностью 30 тонн/ сутки была пущена в 1949, а в России на Марийском комбинате в 1958 году [2].
В настоящее время в России работают 75 установок, в США - 150, а в мире - более 500, на которых вырабатывают более 80 % целлюлозы. Кроме того, для получения полуцеллюлозы разработаны и успешно эксплуатируются в мировой практике промышленные установки японской фирмы Пандия, французской -Дефибратор и немецкой - Бауэр. Все эти установки работают непрерывно в течение года в автоматическом режиме.
Решение задачи
Одним из главных вопросов использования установки для изготовления целлюлозы или полуцеллюлозы является правильный выбор нетрадиционного промышленного транспорта.
© А. Г. Яковлева, Г. И. Камель, 2008 106
Цели и задачи непрерывной загрузки щепой варочного котла. Загрузочное устройство связывает транспортирование щепы с производственным технологическим процессом варочного котла, обеспечивая его непрерывно в течении года щепой, щелочью и паром.
Для процесса доставки щепы гидротранспортом необходимо достижение характерной стабильности гидропотока технологической щепы. При организации доставки щепы в котел задействованы механическое оборудование и структурные технологические потоки.
Основная цель. Надежная работа всей установки непрерывной варки целлюлозы и полуцеллюлозы (НВЦ и П) - сформировать технологические цели, объединить работу всего механического оборудования в четкую и стабильную транспортировку щепы в единую производственно-хозяйственную систему, действующую оперативно и эффективно в условиях современных экологических и технических требований работы варочного цеха.
Щепа может находиться на складах, в цехе подготовки щепы или привозная, поэтому необходим постоянный учет и информация об ее движении и наличии. Расход щепы подающей в котле должен в любой момент фиксироваться и контролироваться.
Общие задачи: 1) создание четкой надежной и производительной системы работы механического оборудования по доставке щепы на концепции единой технологии работы варочного котла; 2) управление заводскими потоками, состоянием механического оборудования (время установки, время выработки необходимого ресурса и время снятия механического оборуцования с технологического потока); 3) разработка и совершенствование эксплуатационных технологических и конструктивных параметров работы механического оборудования с целью полной выработки ими своего ресурса; 4) введение прогрессивных и эффективных технологий ремонта и восстановления механического оборудования и своевременной их установки в технологическую линию; 5) оперативное планирование доставки партий резервного механического оборудования на соответствующие участки работы установки НВЦ и П; 6) обеспечение экологических требований и охраны труда.
Частные задачи: 1) сокращение и ликвидация внеплановых простоев механического оборудования; 2) автоматизация ремонтно-восстановительных работ механического оборудования; 3) использование более экономных, износостойких и технологических материалов при ремонте; 4) полная выработка ресурса работы механического оборудования; 5) сбор, пополнение и обработка информации о причинах внеплановых простоев механического оборудования.
Решению поставленных задач способствует согласованная работа всего механического оборудования, складного хозяйства, варочного цеха и структурных подразделений предприятия.
Материалы и методы исследований
Сбор информации о конструктивных, эксплуатационных и технологических характеристик нетрадиционных видов транспорта и ее обработка и внедрение в производство выполнялась на протяжении 30-ти лет в результате выполнения хоздоговорных работ с предприятиями России, Украины и Болгарии. Внедрены в производство конструктивные разработки оборудования. Сделана оптимизация эксплуатационных характеристик и внедрены в производство современные восстановительные технологии оборудования.
Установки Камюр
Особую группу транспортирующих машин всей установки составляют работающие совместно с ними вспомогательные устройства: питатели низкого давления (ПНД), питатели высокого давления (ПВД), дозаторы, питательная труба, пропарочная камера, бункера и т. п.
Высокопроизводительная работа современного варочного котла невозможна без непрерывной и надежной работающей установки по загрузке щепы.
Условно все механическое оборудование установки НВЦ Камюр можно разделить на пять блоков (рис. 1):
I-й блок. Механическое оборудование: ленточный конвейер, бункер, дозатор щепы, пропарочная камера. Назначение: подготовка щепы к варке: 1. Приготовление щепы; 2. Транспортировка; 3. Очистка щепы; 4. Пропарка щепы.
II-й блок. Оборудование: питательная труба, карманы ротора ПВД в вертикальной плоскости, насос циркуляции низкого давления, трубопроводы. Назначение: загрузка вращающихся карманов ротора ПДВ в вертикальной плоскости: 1. Формирование гидросмеси из щепы и щелочи на участке «в» (рис. 1); 2. Перемещение гидросмеси по участкам «2» и «3» под действием инерционного потока щелочи насоса циркуляции низкого давления; 3. Повышение концентрации щепы в кармане ротора с 30 % до 90 % и рост давления в нем с 0,15 до 1,2 МПа на участке « ^ ».
III-й блок. Оборудование: Карманы ротора ПДВ в горизонтальной плоскости, насос циркуляции щелочи высокого давления, трубопроводы, верхняя часть варочного котла. Назначение: выталкивание щепы из карманов ротора и транспортировка гидросмеси в верхней части котла с последующим ее разделением: 1) выгрузка карманов ротора ПВД в горизонтальной плоскости; 2) транспортировка гидросмеси по сложной трассе в варочном котле и отсасывание щелочи с варочного котла в ПВД. ГУ-й блок. Рост давления в кармане ротора. У-й блок. Сброс давления в кармане ротора.
Установка типа Бауэр
Предназначена для получения полуцеллюлозы из хвойных, лиственных пород древесины и из опилок. Установки обладают высокой эффективностью и большой надежностью.
1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2008
107
в верхнюю часть 5 наклоненного под углом 45 ° к горизонту варочного аппарата. Варочный аппарат представляет собой трубу диаметром 1500-1600 мм и длиной 10,7-18,1 м, устанавливаемую под углом 45 ° к горизонту. Внутри труба разделена в продольном направлении полой перегородкой на две равные полости, по которым движется скребковый конвейер 7 с полукруглыми скребками.
Рис. 1. Структурная схема движения щепы и гидросмеси по сложной трассе установки НВЦ Камюр:
1 - ленточный конвейер; 3 - бункер; 4 - дозатор щепы; 5 - ПНД; 6 - пропарочная камера; 7 - питательная труба;
8 - карман ротора ПВД в горизонтальном положении; 9 - корпус ПВД; 10 - карман ротора ПВД в вертикальной плоскости; 11 - циркуляция щелочи низкого давления; 12 - варочный котел; 13 и 14 - циркуляция щелочи высокого давления; 15 - шнек; 16 - отсос щелочи из котла; 1-й блок - подготовка щепы; а - участок перемещения щепы механическим способом; б - пропарка щепы; П-й блок - загрузка карманов ротора ПВД при низком давлении; в - формирование гидросмеси; г - перемещение гидросмеси; д1 - положение карманов ротора ПВД при загрузке; д2 - рост давления в кармане ротора ПВД с 0,15 до 1,2 МПа; Ш-й блок - выгрузка щепы из кармана ротора и перемещение ее в котел; д3 - выталкивание щепы из ротора ПВД, расположенного в горизонтальной плоскости; е - перемещение гидросмеси по сложной трассе в варочный котел; ж - перемещение, отделившейся щелочи с варочного котла в ПВД
Варочная система состоит из дозирующего расходомера, роторного питателя, варочной трубы и разгрузочного устройства. Упрощенная принципиальная схема аппарата Бауэр приведена на рис. 2. Технологическая щепа из бункера 1 при помощи дозатора 2 поступает в пропарочную камеру 3. Дозатор щепы подает щепу или опилки в роторный питатель через пропарочную камеру. В ней щепа подогревается и пропаривается за счет паров вскипания щелочного раствора, отбираемого из варочного наклонного котла 6 через выходящий питатель 4. Шнеком щепа попадает в верхнюю часть входящего питателя. С помощью десяти карманов вращающегося ротора щепа поступает
Рис. 2. Схема работы установки непрерывной варки типа Бауэр:
1 - бункер со щепой; 2 - дозатор щепы; 3 - пропарочная камера; 4 - входящий шпатель; 5 - верхняя часть котла; 6 - котел; 7 - скребковый конвейер; 8 - щелочной раствор; 9 - выходящий питатель; 10 - трубопровод; 11 - выдувной резервуар
Установки типа Дефибратор
Применяется для производства полуцеллюлозы с высоким выходом 75-82 %, которая является основой гофрированного картона и целлюлозы высокого выхода 82-92 % для газетной и других бумаг. Установка Де-фибратор (рис. 3) включает пропарочный бункер 1 -шнековый питатель 2 - пропиточную камеру 3 - вертикальный котел 8 объемом 7,5-15,0 м3 и дефибратор 10.
Технологическая щепа поступает в пропарочный бункер, в котором щепа пропаривается и далее шнеко-вым питателем подается в пропиточную камеру, где она соприкасается с варочным раствором. После нескольких минут пропарки и пропитки щепа готова к варке и с помощью роторного питателя 4, 5, 6 поступает в верхнюю часть вертикального варочного котла. Варочный котел усеченного конуса имеет диаметр верхнего и нижнего оснований соответственно 1,4 и 1,6 и высотой более 9 м. При попадании в котел щепа соприкасается с острым паром, температура которого достигает 170-175 °С и давлении 1,2 МПа. Разгрузочное устройство состоит из горизонтальной трубы диаметром 0,45 и длиной 2,5 м, в которой вращается шнек. Варка производится в паровой фазе. В вароч-
Рис. 3. Технологическая схема вертикального варочного аппарата Дефибратор:
1 -пропарочный бункер; 2 - шнековый питатель; 3 - пропиточная камера; 4 - ротор; 5 - уплотнительные блоки; 6 - прорезь в уплотнительном блоке для сброса давления пара; 7 - трубопровод; 8 - вертикальный варочный котел; 9 - разгрузочное устройство; 10 - дефибратор
ный аппарат подается острый пар. Разработаны установки производительностью от 100 до 175 т/сут. В России три варочных установки фирмы Дефибратор производительностью 130т/сут. эксплуатируются на Пермском ЦБК.
Установки типа Пандия
В многотрубных установках широкое применение находит роторный питатель типа Пандия. Он по конструкции проще и удобнее в эксплуатации. При загрузке щепа подвергается механическому воздействию. В процессе работы питателя в зоне перепада давления уплотнение достигается за счет создания минимального зазора 150-200 Мкм между сопрягаемыми коническими поверхностями ротора и корпуса питателя Пандия. В этих установках один питатель (рис. 4) устанавливается между пропарочной и пропиточной трубами, где перепад давления составляет 0,45 МПа, и называется питателем низкого давления. Пар, проходящий через неплотности питателя, используется для пропитки щепы в пропарочной камере. Второй питатель устанавливается между пропиточной и первой варочной трубами, где перепад давления составляет 0,4-0,6 МПа, и называется питателем высокого давления. Здесь также пар, проходящий через неплотности питателя и первой варочной трубы, используется для
подогрева щепы и щелочного раствора. Указанные питатели по всем параметрам одинаковы и рассчитаны на перепад давления 0,45-0,9 МПа.
Пар из питателя при помощи карманов ротора отводится штуцером через одну из прорезей в пропарочную трубу от питателя низкого давления и в пропиточную трубу от питателя высокого давления. На рис. 4 представлена схема загрузочного устройства аппарата Пандия. Щепа из бункера 1 дозатором 2 щепы подается в пропиточную трубу 3, где свежим паром низкого давления и пропусками пара 7 из пропиточной трубы 9 через питатель низкого давления 4-7 пропаривается при давлении не выше 0,05 МПа и температуре 100 °С в течении одной-трех минут. Пропаренная щепа перемещается варочным щелочным раствором в загрузочное окно 4,5 и из него, под действием собственного веса, заполняет карманы 5 вращающегося ротора 6.
Рис. 4. Технологическая схема загрузочного устройства аппарата Пандия:
1 - бункер; 2 - дозатор; 3 - пропарочная труба; 4 -загрузочное окно корпуса шпателя; 5 - карман ротора; 6 -
ротор; 7 - пропуски пара; 8 - загрузочное окно корпуса питателя; 9 - пропиточная труба; 10 - прорезь для сброса давления из карманов ротора; 11 - труба сброса давления;
В - ширина перегородок ротора; Н - ширина прорези корпуса; I-VI - условия разбивки корпуса на характерные участки
Выводы
1. Приведены основные типы нетрадиционных промышленных транспортных установок Камюр, Пандия, Бауэр и Дефибратор, которые используются в мире, вырабатывая более 85% товаров целлюлозы и полуцеллюлозы и которые могут быть использованы
ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №2, 2008
109
в Украине для переработки древесного сырья и однолетней растительности.
2. Для Украины целесообразно использовать небольшие мобильные установки производительностью 20-30 т/сутки и там, где имеются отходы древесного сырья и сельскохозяйственного производства (солома, тростник и т.д.) с учетом мнения ученых-технологов например кафедры «Экологии и технологии растительных полимеров» Киевского политехнического университета Украины (КПУ).
3. В ЗНТУ за последние 30 лет на предприятиях Украины, России и Болгарии исследованы условия проектирования, изготовления, эксплуатации и ремонта деталей и узлов нетрадиционного промышленного транспорта установок Камюр (Швеция), Пандия (Япония), Бауэр (Германия) и Дефибратор (Франция), на которых из древесного сырья (хвойные и лиственные породы древесины), однолетних растений и опилок изготовляется целлюлоза и полуцеллюлоза из, которой делается бумага, картон и товары химической промышленности.
4. Потребление картонно-бумажной продукции на душу населения в Украине в 3 раза меньше среднемировых, в 11 раз меньше западноевропейских и в 19 раз меньше американских. Поэтому важной научно-технической задачей Украины есть разработка ресурсосберегающих технологий получения целлюлозы и полуцеллюлозы из однолетних растений и получение товаров химической продукции из отечественного сырья.
5. Сотрудниками ЗНТУ велись постоянно хоздоговорные работы с предприятиями целлюлозно-бумажной промышленности, и на их основании были защищены 2 докторские диссертации, 5 кандидатских диссертаций, монографии постоянно печатаются статьи в специальных журналах по эксплуатации, изготовлению и ремонту деталей, узлов промышленного транспорта, установок, Камер, Пандия, Бауэр и Дефибра-тор.
6. Вопросы использования той или иной установки Камюр, Пандия, Бауэр и Дефибратор и их производительность определяют ученые-специалисты - технологи целлюлозно-бумажного производства, а вопросы эксплуатации, изготовления и ремонта деталей и узлов принадлежат специалистам ЗНТУ. Только в таком тесном сотрудничестве можно решать научно-технические проблемы в Украине.
Перечень ссылок
1. Дейкун Н.М. Разработка технологии получения льняной целлюлозы для химической переработки: Автореферат дис. Канд. тех. наук. - Киев. - 22 с.
2. Камель Г.Н. Роторные метатели установок непрерывной варки целлюлозы. М.: Лесная промышленность, 1987. - 160 с.
3. Нечаев О.Н., Камель Г.Н. Повышение и продуктивности загрузочных устройств непрерывной варки целлюлозы и полуцеллюлозы. - Монография. - Луганск: Изд-во ВНУ им. В.Даля, 2005. - 392 с.
Одержано 27.02.2008
Розглянуто нетрадицшнi види промислового транспорту, як можуть бути використат для виробництва безперервним способом целюлози та напiвцелюлози в УкраШ.
The untraditional types of industrial transport, which can be used for the production of cellulose and semicellu-lose with a continuous method in Ukraine, are considered.
УДК 534.1:534.232
Д-р техн. наук О. Д. Шамровський, канд. физ.-мат. наук А. И. Безверхий,
В. В. Кривуляк
Государственная инженерная академия, г. Запорожье
МЕТОД ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ПРИБЛИЖЕНИЙ ДЛЯ РАСЧЕТА СТЕРЖНЕВЫХ СИСТЕМ
Разработан и представлен метод последовательных приближений для расчёта стержневых систем, при этом стержни полагаются упругими и подвержены только деформациям растяжения-сжатия. Предлагаемый способ является итерационным и ориентирован на активное использование ЭВМ.
Стержневые системы широко распространены на практике (фермы и другие конструкции) и, кроме того, используются в теоретических исследованиях для построения моделей механических систем [1].
Классический подход для статического расчета стержневых систем заключается в составлении уравнений равновесия узловых точек, а также, в случае статически неопределенных систем, условий совмес-
© О. Д. Шамровський, А. И. Безверхий, В. В. Кривуляк, 2008 110
