Оптимизация параметров технологических режимов пресс-гранулирования при производстве древесных гранул (пеллет) Зотова Елена Васильевна

Содержание к диссертации

Введение

1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 10

1.1 Общая характеристика способов производства пеллет 10

1.2 Влияние режимных параметров на эффективность прессования и качество древесных пеллет 16

1.3 Математическое моделирование при оптимизации процесса производства пеллет 33

1.4 Цель и задачи исследования 40

2 Теоретическое обоснование процесса гранулирования и оптимизации технологических параметров производства пеллет 42

2.1 Реализация метода экспертных оценок 42

2.2 Выявление технологических параметров и характеристик сырья, оказывающих влияние на процесс пеллетирования и качественные показатели древесных гранул 45

2.2.1 Обоснование параметров, обеспечивающих производство пеллет с заданной теплотой сгорания 46

2.2.2 Определение характера и степени влияния режимных параметров на механическую прочность древесных пеллет 49

2.3 Исследование возможности использования фаутной древесины для производства топливных гранул 58

2.3.1 Химический состав и технологические свойства фаутной древесины 58

2.3.2 Исследование влияния содержания фаутной древесины в сырье на

теплоту сгорания, механическую прочность и зольность топливных гранул... 60

Выводы 63

3 Методика проведения эксперимента и оптимизации результатов 65

3.1 Методика планирования экспериментов 65

3.2 Методика подготовки сырья 67

3.3 Характеристика применяемого оборудования з

3.4 Методика определения режимных параметров пеллетирования 72

3.5 Методика определения характеристик показателей продукции 75

3.6 Методика оптимизации параметров технологических режимов пресс-гранулирования 77

4 Результаты экспериментальных исследований 81

4.1 Результаты реализации матриц математического планирования 81

4.2 Разработка математической модели, описывающей процесс пеллетирования 83

4.3 Оптимизация технологических параметров производства древесных пеллет 99

4.4 Характеристика выпускаемой продукции 109

Выводы 113

5 Технико-экономическая эффективность результатов оптимизации технологии производства древесных пеллет 115

5.1 Результаты производственных испытаний 115

5.2 Расчет экономической эффективности производства пеллет по усовершенствованной технологии 117

Выводы 123

Заключение 125

Список литературы 127

Приложения

• Влияние режимных параметров на эффективность прессования и качество древесных пеллет
• Исследование возможности использования фаутной древесины для производства топливных гранул
• Характеристика применяемого оборудования
• Разработка математической модели, описывающей процесс пеллетирования

Введение к работе

Актуальность темы исследования. В связи с непрерывным повышением цен на ископаемые энергоносители и ограниченностью их мировых резервов большой интерес в последние годы проявляется к твердому топливу из возобновляемых источников, разрабатываются государственные программы, принимаются нормативные документы, направленные на стимулирование производства биотоплива из растительного сырья. Для России, обладающей почти 25 % мирового леса, общий запас древесины составляет 82 млрд. куб. м (при ежегодном допустимом объеме рубки в размере около 500 млн. куб. м), из которых используются сегодня менее чем 40 %.

Древесная биомасса скапливается в виде отходов на деревоперерабатывающих заводах, требующих скорейшей переработки или утилизации, в связи с чем задача производства полезной продукции из этого сырья, несомненно, является актуальной. При этом напряженная экологическая обстановка стимулирует поиск альтернативных менее опасных видов топлива. Применение пеллет из древесного сырья снижает выброс парниковых газов в атмосферу. При этом не нарушается баланс CO₂ в атмосфере по причине возобновляемости биомассы. Высвобождаемый при сжигании этого топлива газ CO₂ считается «нейтральным». Древесина выделяет такое количество CO₂, которое поглотило в период роста, так называемый закрытый углеродный обмен.

Однако, применяемые в настоящее время методы, подходы к проведению процессов производства топливных гранул или пеллет не являются совершенными. Отсутствие многофакторных, всесторонних научных представлений, учитывающих наиболее важные показатели, приводит к недостаточно высокой эффективности производства этого вида продукции. Часто технологический процесс производства пеллет требует соразмерный объем энергии на сушку и гранулирование с той потенциальной энергией, которую дает выпускаемая продукция. В связи с этим остро встала задача научно-обоснованного подхода к проведению технологий производства биотоплива в виде пеллет, которая требует определения адекватных реальному процессу пеллеирования взаимосвязей между параметрами для эффективного управления всеми параметрами технологии производства пеллет и получения наилучших уровней технико-экономических показателей.

Высокий спрос на экспортируемые пеллеты класса А1 делает бизнес по их производству настолько привлекательным и рентабельным для российских производителей, что жесткие требования, установленные европейским стандартом к качеству пеллет этого класса, побуждают производителей использовать в качестве сырья не только отходы и побочные продукты лесообработки, но и цельную древесину; в связи с чем, актуальной является проблема вовлечения в переработку фаутной древесины, доля которой в общем объеме заготовки постоянно увеличивается, и которая в лучшем случае лишь сжигается.

Исследования выполнены на отходах переработки лиственных и хвойных древесных пород Центрально-Черноземного региона в рамках госбюджетной темы «Исследование свойств древесины с учетом различных факторов воздействия и ресурсосберегающего процесса деревообработки», регистрационный номер № 01.2.01168731.

Степень разработанности проблемы. Вопросам производства древесных гранул (пеллет) посвящены работы ряда отечественных и зарубежных ученых. Из

отечественных ученых, вопросами пеллетирования занимались О.Д. Мюллер, Т.В. Тюрикова, О.А. Куницкая, В.А. Шамаев, А.О. Сафонов, Д.А. Плотников и другие, однако, большее число работ в этой области принадлежит именно зарубежным авторам: W. Stelte, N.P.K. Nielsen, T. Filbakk, C.Serrano, P. Rousset, C. Rhen и других.

Несмотря на значительное число работ, вопросы комплексной оценки промышленного пеллетирования и моделирования производства древесных пеллет рассмотрены не в полной мере. Очевидно, что необходим комплексный анализ процесса производства древесных пеллет, учитывающий, как технологические особенности промышленных грануляторов, так и характеристики используемого сырья. Предложенный подход позволит существенно повысить эффективность пресс-гранулирования при наличии реальных, технологически и технически обоснованных ограничений.

Цель работы. Оптимизация параметров технологических режимов производства древесных пеллет из отходов деревопереработки с использованием фаутной древесины.

Основные задачи исследования:

1. Выявить технологические параметры и характеристики сырья, оказывающие влияние на процесс пеллетирования и качественные показатели древесных гранул.

2. Исследовать возможность использования фаутной древесины для производства пеллет.

3. На основе результатов лабораторных и производственных испытаний разработать математическую модель получения древесных пеллет с заданными показателями качества в зависимости от условий хранения сырья и использования фаутной древесины.

4. Разработать рекомендации производству по повышению технико-экономической эффективности, интенсификации пеллетирования, совершенствованию существующей технологии.

Объект исследований. Процесс производства древесных гранул (пеллет). Предмет исследований. Закономерности формирования качественных показателей пеллет.

Научная новизна:

5. Установлены зависимости изменения механической прочности и теплоты сгорания пеллет, отличающиеся учетом режимных параметров и физико-химических показателей сырья для управления пресс-гранулятором.

6. Экспериментально определены качественные характеристики пеллет – теплота сгорания, механическая прочность и зольность, отличающиеся учетом фаутной древесины в сырье.

7. Разработана математическая модель формирования качественных показателей древесных пеллет и производительности процесса пресс-гранулирования, отличающаяся учетом использования фаутной древесины и климатических условий хранения сырья.

8. Разработаны рекомендации производству по повышению технико-экономической эффективности и интенсификации процесса пеллетирования, отличающиеся учетом фаутной древесины в сырье при получении пеллет с заданными показателями качества.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значи-

мость заключается в установлении зависимостей влияния технологических параметров пеллетирования и характеристик сырья на качественные показатели древесных гранул и разработке математической модели получения древесных пеллет с заданными показателями качества в зависимости от условий хранения сырья и использования фаутной древесины.

Практическая значимость работы заключается в обосновании возможности использования фаутной древесины для производства пеллет и установлении оптимальных режимных параметров, позволяющих производить пеллеты заданного уровня качества с использованием фаутного древесного сырья.

Результаты исследований прошли промышленную апробацию в ГАУ «Куликовский лесхоз» (Управление лесного хозяйства Липецкой области) и внедрены в ИП Винокуров Андрей Николаевич (Воронежская область, г. Борисоглебск).

Методология и методы исследования. В процессе исследования использованы методы активного эксперимента, обоснованных методик научного поиска, планирования экспериментальных исследований, теория вероятности и математической статистики.

Положения, выносимые на защиту:

9. Установленные закономерности свойств фаутной древесины, позволяющие определить параметры режимов пеллетирования для эффективного управления промышленным пресс-гранулятором.

10. Установленные зависимости, описывающие влияние количественного содержания фаутной древесины в сырье, позволяющие производить пеллеты с заданным уровнем теплоты сгорания, механической прочности и зольности.

11. Математическая модель процесса пеллетирования, позволяющая определить характер и степень влияния режимных параметров пресс-гранулирования и климатических условий хранения сырья на качественные показатели пеллет и производительность процесса пеллетирования.

12. Рекомендации производству по повышению технико-экономической эффективности и интенсификации пеллетирования, основанные на установлении технологических режимов, оптимизированных по частным и обобщенному критериям, позволяющих производить пеллеты с заданными показателями качества, в том числе из фаутного древесного сырья.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов обеспечивается совпадением результатов теоретических исследований с данными, полученными при проведении активного эксперимента на промышленном оборудовании и их статистической обработки; применением современных методик, сертифицированного оборудования, программного обеспечения; позитивными результатами производственной апробации по результатам оптимизационных процедур.

Основные научные положения представлены и обсуждены: на Международных научно-технических конференциях «Анализ и синтез сложных систем в природе и технике», ФГБОУ ВПО «ВГЛТА», Воронеж, 2013 г., «Актуальные проблемы фундаментальных исследований воспроизводства и переработки природных полимеров», ФГБОУ ВПО «ВГЛТА», Воронеж, 2014 г., «Современные проблемы экологии», ФГБОУ ВПО «ТулГУ», Тула, 2015 г.; Международных научно-практических конференциях «I Европейский лесопромышленный форум молодежи», ФГБОУ ВПО «ВГЛТА», Воронеж, 2014 г., «Инновации, качество и сервис в технике и технологи-

ях», ФГБОУ ВПО «ЮЗГУ», Курск, 2014 г., «Наука и технологии в современном мире: традиции и инновации» НОУ ВПО «СНИ», Новосибирск, 2015, «Общество и экономическая мысль в ХХI в.: пути развития и инновации», ФГБОУ ВО «РЭУ им. Г.В. Плеханова», Воронеж, 2015 г., 2016 г.; Всероссийских молодежных научно-практических конференциях: «Информационные системы и технологии в образовании, науке и бизнесе», ФГБОУ ВПО «КузГТУ» им. Т.Ф. Горбачева, Кемерово, 2014 г., «Новые материалы и технологии: состояние вопроса и перспективы развития», ФГБОУ ВПО СГТУ им. Ю.А. Гагарина, Саратов, 2014 г.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Основные результаты диссертационной работы соответствуют паспорту специальности 05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки – п. 1 – Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий) и п. 2 – Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликована двадцать одна научная статья, в том числе четыре статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для кандидатских диссертаций, получено четыре свидетельства о регистрации базы данных и программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация включает: введение, пять глав, заключение, список литературы и приложения. Общий объем работы 163 с., включая 24 рисунка, 22 таблицы, список литературы – 159 наименований и 7 приложений на 19 с.

Влияние режимных параметров на эффективность прессования и качество древесных пеллет

Содержание влаги. Влажность, присутствующая в биомассе облегчает клейстеризацию крахмала, денатурацию белка и солюбилизацию волокон в процессе гранулирования. Биомасса, обработанная паром, обладает лучшими свойствами, так как дополнительная тепловая энергия изменяет физико-химические свойства до такой степени, что связь между частицами значительно повышается. Это приводит к улучшению качества пеллетирования [147]. S. Mani с соавторами отмечают, что влага в биомассе во время процесса пеллетирования действует как связующее и повышает сцепление с помощью сил Ван-дер-Ваальса, тем самым увеличивая площадь контакта между частицами [121]. A. Demirbas обнаружил, что увеличение содержания влаги в древесных опилках ели от 7 до 15 % значительно увеличивает прочность гранул [83]. О.Д. Мюллер выявил, что в диапазоне изменения влажности от 8,5 до 15 % древесные гранулы, произведенные из осины, обладают высокой механической прочностью [33].

Многие исследователи пришли к выводу, что оптимальное содержание влаги для пеллетирования биомассы отличается для каждого отдельного сырья и условий обработки. Так, оптимальное содержание влаги для уплотнения бука было от 6 до 10 % [87, 106], для ели около 10 % [132], сосны от 6 до 8 % [153], осины 10-12 % [33] оливковой целлюлозы 5 % [137]. Многими учеными подчеркивается, что увеличение влажности сырья выше оптимальной может иметь негативное влияние на механические свойства и плотность пеллет [33, 85, 90, 93, 104, 121]. Помимо качества уплотненного сырья сам процесс гранулирования зависит от содержания влаги. D. Andreiko и J. Grochowicz обнаружили, что затраты энергии на прессование уменьшаются с увеличением содержания влаги от 9,5 % до 15,0 % [72]. P. Rousset с соавторами показали, что увеличение содержания влаги в сосновом и буковом сырье уменьшает потребности в энергии для пеллетирования [87].

Размер частиц, форма и расположение. Перед пеллетированием биомассу измельчают до определенного размера частиц. J.D. Payne утверждает, что для повышения эффективности гранулирования и снижения затрат требуется определенный процент мелких частиц [131]. J.B. Dobie доказал, что тонкое измельчение сырья позволяет получать пеллеты с более высокой плотностью, увеличивает производительность гранулятора, так как материал легче проходит через матрицу [84]. Существует критический размер частиц, ниже которого гранулирование не целесообразно ввиду того, что слишком мелкие частицы могут заклинить гранулятор [147]. P.D. Jensen, M. Temmerman и S. Westborg в исследовании влияния размера частиц на качество пеллет выявили, что высокое содержание частиц менее 0,5 мм в диаметре оказывает негативное влияние на трение и приводит к снижению качества пеллет [107]. Они отмечают, что содержание мелких частиц не должно превышать 10 до 20%, если не добавляется связующее вещество. О.Д. Мюллер отмечает, что гранулы, полученные при измельчении сырья молотковой мельницей с использованием сита диаметром отверстий 0,8 мм, обладают пониженными качественными характеристиками [33].

Химический состав биомассы. Сырьевой состав является одним из основных показателей, определяющих качество пеллет. Понимание химических превращений веществ, входящих в состав биомассы, в процессе пеллетирования необходимо для исследования процесса. Изменения параметров температуры, давления, геометрии матрицы определяет механизм и является причиной изменения химического состава биомассы за счет известных реакций взаимодействия. Древесина включают целлюлозу (40...60 %), гемицеллюлозу (20...40 %) и лигнин (10...25 %). Целлюлоза является богатым источником углерода в биомассе. J. Zandersons с соавторами пришли к выводу, что при горячем прессовании древесных частиц сила связи зависит от преобразования целлюлозы в аморфное состояние [79]. D. Hon отмечает, что целлюлоза, имеющая полукристаллическую структуру с сильными водородными связями не может легко растворяться в обычных растворителях. Ее невозможно расплавить до того, как она сгорает. Также он считает, что целлюлоза не является подходящим связующим, так как необходимо разрушить водородные связи [103]. T. Shambe, J.F. Kennedy установили, что ге-мицеллюлоза, находящаяся в клеточной стенке состоит в основном из гетеропо-лисахарида, который представляет собой сочетание отличных от простой глюкозы сахаров [140]. Некоторые исследователи считают, что естественное склеивание может произойти в связи с деградацией клеящих компонентов гемицеллюлозы. Лигнин представляет собой полимер с различными связями на основе фенилпропановых единиц [87, 127]. L. Nelson, M.M. Cох описывают структуру лигнина как сложную, состоящую из двух аминокислот: фенилаланина и тирозина, содержащих ароматические кольца. Молекула лигнина в растении предоставляет множество структурных цепей, так как выступает в качестве связующего для целлюлозных волокон. Наличие лигнина в растительных материалах способствует формированию пеллет без связующих веществ [124]. M. CoссЫ установлено, что лигнин обладает термореактивными свойствами при температуре выше 140 C и выступает в качестве внутреннего природного связующего без добавления клея извне [98]. M.N. Angtes с соавторами в работе доказывают, что лигнин является компонентом, который повышает адгезию в структуре древесины и действует как цементирующий наполнитель [149]. P. Lehtikangas утверждает, что при влагосодержании биомассы в пределах 8..1 15 % температура размягчения лигнина уменьшается до 100... 135 С за счет пластификации молекулярных цепей [117]. Клеевые свойства термически размягченного лигнина, как полагают E. Granada и др., в значительной степени определяют прочностные характеристики брикетов [95].

Механизмы склеивания. Одной из важнейших характеристик, определяющих транспортные свойства древесных пеллет, является связь между частицами после прессования. Механизмы связывания частиц имеют различную природу в зависимости от состава сырья, дополнительного применения связующих, предварительного нагрева и гидротермической обработки смеси биомассы, геометрических параметров матрицы, режимных параметров пеллетирования.

Исследование возможности использования фаутной древесины для производства топливных гранул

Фаутное дерево - дерево с наличием пороков ствола (фаутов): дупел, ош-мыгов, сухобокости, трещин, отлубов, наплывов древесины, механических повреждений, повреждений гнилями и иными грибными болезнями [26]. При перечетах на лесосеках главного пользования в зависимости от степени повреждений древесины фаутного дерева относят к полуделовым или даже дровяным деревьям.

На лесосеках России ежегодно сгнивает порядка 70 млн. м древесины мягких лиственных пород (береза, осина, ольха, тополь и др.), состав которых в общем лесном фонде с каждым годом увеличивается, что ожидается и на ближайшие 15-20 лет [31].

Куницкая О.А. в работе [29] отмечает, что площадь мягколиственных пород в РФ увеличивается за счет березы и осины, возникших на вырубках из-под ели, что является следствием слабой эксплуатации березовых и осиновых насаждений из-за незначительного спроса на деревообрабатывающих предприятиях.

Разрушение древесины грибами приводит к изменению ее химического состава и физико-механических свойств. Гнили по характеру разрушения древесины можно разделить на три основных типа: пеструю (коррозионную, или губчато-волокнистую), белую (коррозионно-деструктивную, или трухляво-волокнистую) и бурую (деструктивную, или трухлявую). Во многих случаях два первых типа объединяют под названием белых гнилей, которые, однако, чрезвычайно разнообразны в отличие от бурых гнилей, где характер разложения древесины во всех случаях почти одинаков [2, 66]. Для каждого из этих типов характерно своеобразное изменение внешнего вида древесины, ее структуры, состава и свойств, также играет роль стадия гниения.

В большей степени поражению внутренней гнилью подвержена древесина осины. В результате исследования, проведенном В.Н. Фокиным установлено, что начальная стадия появления гнили у осины обнаруживается уже во втором классе возраста, значительное поражение отмечается к 30 годам, а к 70-75 годам отмечается 100% поражаемость, при том, что техническая спелость осиновых насаждений наступает к 35 годам. Исследования, проведенные А.Ф. Гуровым, показывают, что древостои березы более стойки по отношению к гнили, и заметное ее влияние отмечается, начиная с 50-летнего возраста [16].

В работе В.И. Азаровым и др. представлены данные анализа компонентного состава здоровой древесины и подвергшейся микологическому разрушению на третьей стадии гниения (Таблица 2.3) [2].

Как показывает анализ данных таблицы 2.3 зольность в биоразрушенной древесине во всех случаях выше, чем у здоровой, увеличение зольности учеными объясняется интенсивной деструкцией органических компонентов, приводящее к увеличению содержания неорганических, образующих золу.

Известно, что теплота сгорания гнилой древесины, отнесенная к единице массы, у гнилей коррозионного типа меньше, а у гнилей деструктивного типа больше, чем у здоровой древесины [3]. Механические свойства древесины, пораженной гнилью, меняются, способность сопротивляться нагрузкам утрачивается из-за снижения плотности в 2-2,5 раза, что, следовательно, приводит к снижению требуемого давления при прессовании [65], однако, сведения о механической прочности топливных гранул, произведенных из такой древесины, в научной литературе отсутствуют.

При проведении научно-практических исследованиях по определению теплоты сгорания пеллет, механической прочности и зольности при различных уровнях содержания фаутной древесины были произведены пеллеты из древесины березы с содержанием фаутной древесины в сырье 0 %, 20 %, 40 %, 60 %, 80 % и 100 %. В результате серии производственных экспериментов с тройной повторно-стью для каждого уровня содержания фаутной древесины в сырье получены данные, представленные в таблице 2.4.

Результаты исследований теплоты сгорания пеллет, механической прочности и зольности при различных уровнях содержания фаутной древесины № опыта Содержание фаутной древесины, X8, % Теплота сгорания, Yj, МДж/кг Механическая прочность, У2, % Зольность, У4, % Влияние содержания фаутной древесины Х8 на показатели качества пеллет (Результаты эксперимента изображены точками, аппроксимирующие функции - линиями Как видно из рисунка 2.7 с увеличением содержания фаутной древесины те 62 плота сгорания пеллет стремится к асимптотическому значению 15,81 МДж/кг. Максимальная прочность пеллет 98,8...99,0 % достигается при содержании фаутной древесины от 60 до 80 %. С увеличением Х8 зольность плавно переходит с уровня 0,5 ... 1,0 % на уровень 1,8 ... 2,0 % (асимптотические значения уровней 0,54 и 2,03). Наиболее сильно выражен переход с уровня на уровень при Х8 = 39,21 % (точка перегиба графика). Пеллетирование осуществлялось при средних уровнях остальных регулируемых режимных параметров.

Данные исследования имеют значительный практический интерес для научных представлений о характере влияния содержания в сырье древесины, поврежденной гнилями на качественные показатели древесных пеллет и выявления возможности применения фаутной древесины для их производства.

Для зависимостей 7i(X8), Y2(X , Y4(X8) произвели поиск аналитических выражений методом перебора аппроксимирующих функций, наиболее широко используемых и естественных для исследуемой технологии производства пеллет. Качество аппроксимации и определение параметров выражений выполнено методом наименьших квадратов. В результате получены следующие формулы: С У 8 24,56 Yl(x%) = 15,81 + 2,597 ехр (2.13) 72(Х8)=-l,20-10 X83-2,67-10-4X82+0,0548X8+96,8; (2 щ У (у \= 2,033 + (0,537-2,033) 4V 8/ 1 (х% -39,21 16,86 1 + ехр J где Yi измеряется в МДж/кг, Y2, Y4 и X8 - в %. Анализ полученных зависимостей позволяет заключить, что технология пеллетирования позволяет получать относительно качественные гранулы независимо от содержания фаутной древесины. При этом обеспечивается теплота сгорания не менее 15,9 МДж/кг, механическая прочность не менее 96,8 %, зольность не более 2,1 %; при низком содержании фаутной древесины 0 ... 20 % пеллеты имеют высокую теплоту сгорания 17 ... 18 МДж/кг, низкую зольность 0,6...0,9 %, механическую прочность 97...98 %. При содержании фаутной древесины 60...80 % пеллеты имеют наивысшую прочность 98,9 %, при теплоте сгорания около 16 МДж/кг, зольности 1,7... 1,9 %.

Характеристика применяемого оборудования

Частота вращения матрицы Х6 определялась по цифровому табло, установленному на пульте управления гранулятором. Информация на табло поступала через преобразователь от датчика измерения частоты вращения КМІ16/1. Магни-торезистивный датчик для измерения частоты вращения объекта или визирования меток КМІ16/1 состоит из термокомпенсированной интегральной схемы в биполярном приборе (SOT477B) и ферритового магнита. Измеренная частота выходного цифрового сигнала пропорциональна частоте вращающегося объекта. Диапазон рабочих температур от минус 40 до плюс 150 С. Относительная погрешность измерений датчика в диапазоне частот вращения 0...1000 мин-1 составляет П%=0,5 %, что вполне соответствует технологическим требованиям при проведении процесса пеллетирования.

Температура пара Х7, температура атмосферного воздуха Fh влажность атмосферного воздуха F2, температура сырья F3 определялись измерителем температуры и влажности, гигро-термометром DT-615 фирмы C.E.M. Он оснащен полупроводниковым датчиком. Особенностью измерителя является малое время измерения относительная влажность воздуха, что составляет около 10 секунд. Относительная погрешность измерений прибора в диапазоне влажности 0...100 % составляет 77%=3,5 %, в диапазоне температур от минус 20 до плюс 1000 С -По/о=3,0 %, что вполне соответствует технологическим требованиям процесса пеллетирования.

Содержание фаутной древесины Х8 определялось сортировкой исходного сырья с выделением 2 фракций древесных отходов: древесина, без видимых повреждений гнилями и с явными гнилостными повреждениями. Третью фракцию с 50% содержанием фаутной древесины получали путем смешивания в равных пропорциях двух предыдущих фракций на платформенных весах среднего класса точности ВП-150, с максимальным пределом взвешивания 150 кг и погрешностью взвешивания ± 50 г.

Теплота сгорания пеллет Yj согласно [15] определяется как низшая теплота сгорания топлива в рабочем состоянии. Испытания образцов пеллет по серии опытов проводилось по ГОСТ 147 [13] при помощи калориметра сгорания бомбового АБК-1, который представляет собой короб со встроенным микропроцессором в едином корпусе, позволяющим осуществлять управление процессом измерения теплоты сгорания топлива, обработку полученных данных и занесение их в архив. Диапазон измерения энергии сгорания твердого топлива, 12...40 кДж. Пределы допускаемой относительной погрешности калориметра ± 0,1 %.

Взвешивание навесок массой 1 г проводилось в соответствии с требованиями ГОСТ 147 на весах лабораторных 2 класса точности ВЛР-200 с наибольшим пределом взвешивания 200 г и погрешностью взвешивания по шкале ±0,15 мг. Затем аналитическая проба помещалась в калориметрическую бомбу, которая заполнялась кислородом при заданном давлении, после чего она помещалась в калориметрический сосуд, который заполнялся водой и устанавливался в калориметрический блок с закрывающейся крышкой, на которой расположены контакты цепи по джига, соединяющие бомбу с устройством по джига и, термометр калориметрического сосуда. Количество теплоты, выделившегося при горении, пропорционально величине энергии сгорания вещества. Калориметр был подключен к персональному компьютеру, и программа расчета результата измерения удельной теплоты сгорания топлива проводила коррекцию результата с последующим вычислением низшей теплоты сгорания в соответствии с требованиями ГОСТ 147. Результат калориметрического опыта выводился в виде протокола на монитор компьютера.

Механическая прочность пеллет Y2 определялась по стандартной методике ГОСТ 55110-2012 [9]. Согласно ей, испытуемая проба подвергалась контролируемым ударам путем столкновения пеллет друг с другом и со стенками вращаю 76 щейся камеры. Прочность рассчитывалась исходя из массы образца, оставшегося после истирания и отделения тонких сломанных частиц. Проводилось не менее двух измерений на каждой пробе, масса которых составляла 500±10 г. Взвешивание осуществлялось на весах ВК-600 с наибольшим пределом взвешивания 600 г и точностью измерения массы 0,1 г с последующем помещением пробы во вращающуюся камеру. При частоте вращения 50 мин-1 по истечении 10 мин проба вынималась и просеивалась вручную через сито с диаметром ячеек 3,15 мм округлой формы. Механическая прочность пеллет определялась по формуле Г4= -100М, (3.3) где та, - масса предварительно просеянных пеллет перед помещением их в устройство для определения прочности во вращающейся камере, г; те - масса просеянных пеллет после их извлечения из устройства для определения прочности во вращающееся камере, г. Результат расчета по формуле (3.3) определялся с точностью до второго десятичного знака после запятой, а средняя механическая прочность округлялась до 0,1 %, что вполне соответствует технологическим требованиям.

Производительность по чистым гранулам с учетом отсева мелкой фракции после прессования Y3 определялась как разность между количеством подаваемого сырья Х3 и массой произведенных охлажденных пеллет в течение 1 часа работы гранулятора (отделение мелкой фракции осуществлялось через механический стол рассева с диаметром отверстий 3,15 мм. Взвешивание производилось на весах ВП-150.

ЗольностьY4 определялась по ГОСТ Р 54185-2010 [6]. Биотопливо твердое. Определение зольности. Для определения зольности использовали по 2 аналитические пробы биотоплива для всей серии опытов, отобранные по ГОСТ [8]. Зольность определяли расчетным путем исходя из массы остатка, образовавшегося после сжигания навески биотоплива в муфельной печи при свободном доступе воздуха и температуре (550±10)С. Зольность из сухой пробы, %, рассчитывали по формуле

Разработка математической модели, описывающей процесс пеллетирования

Применение оптимальных режимов в ходе научных исследований и активных производственных экспериментов в значительной степени повышает технико-экономическую эффективность работы пресс-гранулятора. Об этом свидетельствуют результаты промышленной апробации, внедрения в производство энергосберегающих режимов, максимальную производительность оборудования, заданные значения механической прочности и теплоты сгорания топливных гранул при минимальных значениях зольности.

Разработанные режимы управления были апробированы на пресс-грануляторах в производстве деревоперерабатывающих предприятий ГАУ «Куликовский лесхоз» (Управление лесного хозяйства Липецкой области) (Приложение Д) и ИП Винокуров Андрей Николаевич (Воронежская область, г. Борисог-лебск) (Приложение Е). Результаты исследований внедрены в учебный процесс (Приложение Ж).

Апробация режимов управления дала возможность определить ее технико-экономическую эффективность. Помимо качественных показателей (Таблицы 4.8-4.10) фиксировалась производительности с учетом отсева мелкой фракции после прессования Y3 (Таблица 5.1).

При оптимальных значениях режимных параметров при производстве пел-лет класса А1 и А2 получились следующие изменения значений целевых функций: 1) Теплота сгорания Yj увеличилась на 0,5 %. 2) Механическая прочность пеллет Y2 увеличилась на 4,0 %. 3) Производительность по чистым гранулам с учетом отсева мелкой фракции после прессования Y3 увеличилась на 13,0 %. 4) Зольность пеллет Y4 уменьшилась на 2,8 %. Производительность с учетом отсева мелкой фракции после прессования при традиционном и оптимальном режимах пеллетирования Класс произведенных пеллет Место проведения Режимы пеллетирования Производительность, Y3, кг/ч

При сравнении значений технико-экономических показателей при производстве пеллет класса В на предприятии ИП Винокуров А.Н. по «традиционным» режимам, основанных на ручном регулировании, с показателями разработанных в ходе исследований оптимальных режимов получены следующие результаты: 1) Теплота сгорания Yj при оптимальных значениях регулируемых параметров составила 16,5 %, по традиционным 16,1 %, то есть увеличилась на 2,4 %. 2) Механическая прочность пеллет Y2 при оптимальных значениях регулируемых параметров увеличилась на 1,6 %, составив 97,6 при традиционном режиме и 99,2 % при оптимальном режиме (при этом была исключена операция предварительного пропаривания сырья). 3) Производительность по чистым гранулам с учетом отсева мелкой фракции после прессования Y3 увеличилась на 14,3 %. 4) Зольность пеллет Y4 уменьшилась на 4,9 % составив 2,47 % при традиционном режиме и 2,35 % при оптимальном.

Таким образом, разработанные оптимальные режимы позволяют увеличить теплоту сгорания и механическую прочность пеллет, повысить производительность оборудования для пеллетирования, уменьшить зольность гранул и показывают возможность использования в производстве топливных гранул фаутной древесины.

Полученные технико-экономические показатели метода многокритериальной оптимизации режимов пеллетирования, основу которых составляют математические модели, и реализация его в производственных условиях на пресс-грануляторе позволяют сделать заключение о повышении эффективности технологии.

Снижение себестоимости производства пеллет достигается в результате увеличения производительности по чистым гранулам с учетом отсева мелкой фракции после прессования, уменьшения расхода электроэнергии.

Себестоимость находилась, исходя из затрат на производство пеллет за 1 час с учетом производительности оборудования по чистым гранулам по формулам [138, 146]: 3Пр,=Зэ Фрч Зссрч+Х1 Цс+За (5.1) где Зэч - общая стоимость электроэнергии, руб/ч; Фрч - фонд заработной платы персонала технологической линии, руб/ч; Зссрч - отчисления на социальное страхование в пересчете на один час (налог на ФОТ персонала технологической линии), руб/ч; Цс - цена сырья, руб/кг; Зоч - расходы на содержание и обслуживание оборудования, руб/ч. Объем выпускаемой предприятием продукции в смену Вст т, рассчитывается по формуле 3 =П-- К,о Ч (5.2) где П - производительность технологической линии, т/ч; Кио - коэффициент использования оборудования; Чсм - количество рабочих часов в смену.