Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса 12
1.1. Лесосечных отходы и их свойства 12
1.1.1. Количество лесосечных отходов 12
1.1.2. Свойства лесосечных отходов
1.2. Способы заготовки древесины и производства щепы из лесосечных отходов 16
1.3. Щепа из лесосечных отходов и ее свойства
1.3.1. Общие сведения 21
1.3.2. Строение древесины (щепы) 22
1.3.3. Влажность древесины (щепы) 24
1.3.4. Фракционный состав щепы 28
1.3.5. Засоренность щепы минеральными примесями 28
1.3.6. Плотность щепы 30
1.3.7. Коэффициент полнодревесности древесины (щепы) 33
1.3.8. Теплотворная способность древесины (щепы) 34
1.4. Способы обезвоживания древесины (щепы) 38
1.4.1. Термические способы обезвоживания древесины 38
1.4.2. Механические способы обезвоживания 39
1.4.3. Комбинированные способы обезвоживания 41
1.4.4. Способы сушки измельченных древесных материалов 42
1.4.5. Особенности центробежного способа обезвоживания 42
1.5. Способы очистки щепы от посторонних минеральных включений 46
Выводы по главе 48
Математическая модель процесса обезвоживания щепы в поле центробежных сил 50
2.1. Постановка задачи з
2.2. Обезвоживание единичного капилляра 51
2.3. Определение зависимостей для снижения влажности щепы при центрифугировании 59
3. Аппаратура и методика. исследования процесса обезвоживания щепы и очистки ее от минеральных примесей 63
3.1. Исследования процесса обезвоживания щепы 63
Исследование процесса очистки щепы от минеральных примесей 67
Результаты экспериментальных исследований 69
5. Технология и оборудование для производства топливной щепы из лесосечных отходов с повышенными эксплуатационными свойствами и экономические аспекты ее использования 86
5.1. Предложения по производству щепы из лесосечных отходов с повышенными эксплуатационными свойствами 86
5.2. Экономические аспекты лесозаготовок и производства щепы из лесосечных отходов с повышенными эксплуатационными свойствами 94
Общие выводы и рекомендации 102
Литература 105
Приложения 113
- Строение древесины (щепы)
- Комбинированные способы обезвоживания
- Обезвоживание единичного капилляра
- Экономические аспекты лесозаготовок и производства щепы из лесосечных отходов с повышенными эксплуатационными свойствами
Строение древесины (щепы)
Из представленного выше следует, что лесосечные отходы имеют большую разнокалиберность по длине, диаметру, наличию листьев и хвои и др. компонентов. Длина лесосечных отходов может быть от 0,5 до 4 м, диаметр от 2–3 см до 20–25 см. Породный состав лесосечных отходов соответствует породному составу лесонасаждения на данной лесосеке. Например, породный состав лесонасаждений 3С4Е2Б1Ос, такой же породный состав характерен и для лесосечных отходов.
Влажность лесосечных отходов соответствует влажности стволовой части дерева и зависит от времени года, почвенно-климатических условий и состояния почво-грунтов, так как лесосечные отходы лежат на земле. В связи с этим влажность лесосечных отходов может быть значительно выше или ниже влажности стволовой части дерева. Влажность лесосечных отходов может колебаться от 60 до 120% (абс.) и выше.
Для того чтобы лесосечные отходы привести к удобному для перевозки и утилизации виду их необходимо измельчать – производить щепу, но эта щепа будит содержать кроме основной части (древесины) много коры, листьев, иголок, сучков и веточек. Кроме того, так как лесосечные отходы находятся на земле в составе щепы нарубленной из лесосечных отходов будут находиться минеральные примеси: камешки, глина, песок.
Известно множество способов заготовки древесины, для которых создали различную лесозаготовительную технику. Основных способов заготовки три: заготовка деревьями, заготовка хлыстами и заготовка сортиментами (рис.1.) [7]. В настоящее время разрабатываются и новые способы заготовки: щепой (топливной или технологической, вырабатываемой из стволовой части дерева или из всей биомассы дерева) и заготовка древесины полудеревьями.
Заготовка древесины - это технология производства древесного сырья вывозимого с лесосеки и доставляемого на лесопромышленное производство: лесопромышленный склад, целлюлозно-бумажное производство, участки по производству плит и т.п.
Как видно из рис. 1.1, производство щепы из лесосечных отходов тесно связано с технологией лесозаготовок, сосредоточением отходов, их количеством и транспортировкой. От этих параметров зависит выбор технологии производства самой топливной щепы и выбор необходимого оборудования, которое подробно (рассмотрены в Приложениях 2 и 3).
Щепа, произведенная из лесосечных отходов, не относится к технологической, так как она содержит много коры, сучков, листьев, хвои, загрязнена минеральными примесями и т.д. Эту щепу используют в качестве топлива в котельных установках для выработки тепловой энергии. Однако, если такую щепу подвергнуть облагораживанию – очистке от минеральных примесей: от листьев и хвои, просортировать, то мы можем получить сырье для производства различных древесных плит, брикетов, пеллет и других товаров. Таким образом, производство щепы можно рассматривать и как первую стадию подготовки древесного сырья (лесосечных отходов) для производства древесной продукции.
Лесосечные отходы являются частью биомассы дерева. В настоящее время из всего объема биомассы дерева используются только 70% – это стволовая часть дерева [80]. Если учесть, что выход полезной продукции из стволовой части дерева составляет 60%, то мы получим величину выхода полезной продукции из биомассы дерева около 40%. Естественно, что это очень низкий выход и то, что мы получим из лесосечных отходов полезную продукцию – топливную щепу с повышенной теплотворной способностью, является прогрессивным и очень актуальным направлением.
Подробнее технологические схемы заготовки древесины деревьями, хлыстами, сортиментами, щепой и техника, применяемая для осуществления приведенных технологий, а также технологии и техника производства топливной щепы из лесосечных отходов приведены в. Большую проблему для лесозаготовок и использования лесосечных отходов представляют участки от ветролесоповала [91].
Комбинированные способы обезвоживания
В работах [23],[41],[42] подробно рассмотрен процесс обезвоживания цельной древесины (сортиментов, досок) в поле центробежных сил. Там же предложены математические модели и зависимости для расчета параметров работы оборудования для центробежного обезвоживания, времени обработки сортиментов и конечной влажности древесины после обезвоживания. Эти модели и зависимости получили экспериментальное подтверждение в работах [43], [44], поэтому используем их в качестве основы разрабатываемой в настоящей главе математической модели процесса обезвоживания древесной щепы на мобильных центробежных установках. Основные положения математической модели обезвоживания щепы в поле центробежных сил опубликованы в журналах ВАК [45],[46].
В решаемой задаче считается, что щепа 3 (рис.2.1.) засыпана в барабан 2, барабан будем в первом приближении считать полым цилиндром с внутренним радиусом Яци высотой Я; барабан вращается вокруг своей оси 1 с угловой скоростью со. При этом примем, что при вращении барабана с рабочей угловой скоростью частицы щепы занимают положение такое, при котором расстояние от оси вращения барабана до поверхности ближайшего к ней слоя щепы постоянно и равно R0 рисунке 2.1. Расстояние от оси вращения до некоторого слоя щепы Re, отсчитываемое по радиальной оси х с началом, лежащим на оси вращения.
Строгое аналитическое описание рассматриваемого процесса сложно и, ввиду большой изменчивости объекта исследования [50], [53], на наш взгляд, не вполне целесообразно. Поэтому применим упрощенный подход, основанный на использовании осредненных характеристик.
Рассматриваемая задача имеет одну существенную особенность, а именно - при обработке древесной щепы в поле центробежных сил частицы щепы хаотично ориентированы в пространстве, основные водопрово-дящие пути отдельных частиц древесины, таким образом, находятся под некоторыми углами к направлению действия центробежной силы.
Вначале построим модель для описания процесса удавления жидкости из единичного капилляра [54], которая будет учитывать влияние положения и ориентации капилляра относительно оси вращения центрифуги.
Для описания процесса удаления свободной влаги из капилляра используем уравнение динамики тела с переменной массой при движении вдоль оси хк: dmv" dv dm F = =m hv—, (2.1) dt dt dt где: m – масса отсека жидкости в капилляре; F – сумма сил, действующих на отсек жидкости в капилляре; v – скорость движения жидкости вдоль оси; t – время. Рисунок 2.2. Схема к описанию процесса удавления жидкости из капилляра в поле центробежных сил Массу влаги можно определить по формуле: т = ржг2тг- -С (2.2) где: рж - плотность жидкости; R - расстояние от оси вращения капилляра до его торца; / - расстояние от оси вращения до ближайшего коси центра мениска жидкости; г - радиус капилляра.
Наибольшее влияние на движения столбика жидкости оказывают следующие силы [32]: центробежная сила FЦ, сила поверхностного натяжения жидкости FН, сила сопротивления движению жидкости FС.
С учетом ориентации частиц в пространстве, центробежная сила в проекции на ось xK определится по формуле: R 2 -I2
С учетом результатов работы [32], членами, содержащими вторую производную длины столбика жидкости по времени в уравнении (2.8) можно пренебречь, тогда:
В работе [32], где показано, что при определении скорости истечения жидкости из капилляра, составляющей, содержащей величину а, можно пренебречь без существенной потери точности. Тогда в уравнении (2.10) можно принять В = 0 и записать его так: — = А-Ц + Г (2.12) dt Общее решение уравнения (2.12) имеет вид: / = -Д + СіЄхр«4- (2.13) где обозначено: Q - постоянная интегрирования. Постоянную Сі определим с использованием начального условия: /м=Д-/0 (2.14) Тогда: C,=2R-l0 (2.15) С использованием выражения для Q по формуле (2.15), уравнение (2.13) после преобразований запишем в следующем виде: / = -Я+СЯ-/0 ехР 4- (2.16) С учетом того, что обезвоживание прекращается при — = 0, из фор dt мулы (2.12) получим конечную длину столбика жидкости в капилляре, которую можно достичь при центробежной обработке: lK= R2 -В (2.17) Тогда время эффективной обработки капилляра в поле центробежных сил (т.е. то время, в течение которого из капилляра будет удаляться жидкость), определится по формуле (2.13) при / = 1К по формуле (2.17):
Анализ полученных зависимостей для скорости и времени обезвоживания в соответствии с рекомендациями [32] показывает существенное влияние радиуса капилляра на процесс истечения жидкости. Обратимся к статистическим данным по радиусу сосудов и трахеид березы и сосны (таблица 2.1). Данные, указанные в таблицах представлены на рисунках 2.3 – 2.6.
Обезвоживание единичного капилляра
На разработку полупромышленной центрифуги, устанавливаемой на мобильной рубительной машине составлены исходные данные и переданы фирме ООО «ЛесИнТех». Акт передачи научных исследований см. в Приложение 15.
Предлагаемая установка для производства топливной щепы с повышенными энергетическими показателями может работать на пунктах погрузки заготавливаемой древесины, на терминалах и других участках, где сосредотачиваются большие объемы лесосечных отходов.
Для того чтобы экономически оценить предложения по использованию технологии производства топливной щепы из лесосечных отходов с повышенными энергетическими свойствами, рассмотрим несколько вариантов лесозаготовок и технологических процессов производства топливной щепы (рис.5.7.).
Заготовка хлыстами: 1. Хлысты заготавливают на пасеке, а лесосечные отходы разбросаны на пасеке (рис.5.7.1). Валку деревьев и обрезку сучьев и вершин производят бензопилой. Трелевку полученных хлыстов до пункта погрузки осуществляет трелевочный трактор (рис. П 2.1.г.). Сбор лесосечных отходов осуществляет форвардер со специальными бортами (рис. П 2.6. а, б). Отходы трелюют на пункт погрузки, где располагают мобильную рубительную машину для производства топливной щепы. Щепу загружают в шеповоз ЛТ–7А. Рис. 5.7. Варианты технологических процессов лесозаготовок и производства топливной щепы из лесосечных отходов
2. Хлысты заготавливают на пункте погрузки, лесосечные отходы сосредотачиваются на пункте погрузки (рис.5.7.2). Валку деревьев и их складирование в пакеты производит валочно-пакетируюшая машина. Трелевку деревьев до пункта погрузки производит скиддер (рис. П 2.1.г.). Очистку деревьев от сучьев и вершин производит сучкорезная машина (рис. П 2.7). Рубку отходов на щепу производит мобильная рубительная машина рис П 3.3. а, б. Щепу грузят в щеповоз ЛТ–7А.
3. Хлысты заготавливают по п.2, а лесосечные отходы перегружают в щеповоз и перевозят их на терминал, где расположена рубительная машина (рис.5.7.3).
4. Сортименты производят на пасеке харвестером. Форваредр трелюет сортименты на пункт погрузки, а лесосечные отходы расположены на па 96 секе (рис.5.7.4). Сбор лесосечных отходов выполняет форваредр (рис.П 2.6. а, б) и трелюет их на пункт погрузки, где расположена установка для производства щепы.
5. Сортименты производят на пункте погрузки. Лесосечные отходы расположены на пункте погрузки. Валку деревьев и их пакетирование производит ВПМ (рис. П 2 1.в.). Трелевку деревьев до пункта погрузки производит скиддер. На пункте погрузки деревья очищают от сучьев и вершин, а также раскряжевывают на сортименты с помощью бензопил. Погрузку сортиментов в лесовоз производят манипулятором лесовоза. Лесосечные отходы подают в мобильную рубительную машину. Полученную щепу загружают в щеповоз и отгружают потребителю (рис.5.7.5).
6. Сортименты производят по п.4, а лесосечные отходы перегружают на щеповоз и перевозят на терминал, где из них производят щепу (рис.5.7.6).
Экономические расчеты по этим вариантам производили с учетом объемов лесозаготовок 100 тыс.в год, 150 тыс.в год и 200 тыс.год. Количество лесосечных отходов принимаем в пределах 10% от объема лесозаготовок. Данные по стоимости агрегатов, сырья и т.п. приняты по состоянию на 2014г.
Как отмечено в гл.4 лесосечные отходы представляют большую проблему для лесозаготовителей и в настоящее время их в основном сжигают. В связи с этим сбор лесосечных отходов, производство из них щепы вызывает увеличение затрат у лесозаготовителя. Возмещение затрат и получение прибыли и обеспечивается договорной ценой на щепу. Договорная цена учитывает прибыль у потребителя при сжигании топливной щепы.
Во всех вариантах расчета экономических показателей учитывается мобильная передвижная рубительная машина обычной конструкции и предлагаемой конструкции с системой очистки щепы от минеральных примесей и обезвоженной до 35–40% на центрифуге, которые смонтирова 97 ны на общей раме трейлера (рис.5.6.). Стоимость мобильной рубительной машины типа VERMEER (Приложение 3) составляет 10 млн. рублей, а предлагаемой установки для производства щепы с повышенными энергетическими показателями стоимость составит 13 млн. руб., т.е. разница около 3 млн.руб. При использовании топливной щепы в котельных установках вырабатывается тепловая энергия. Стоимость 1 Гкал тепловой энергии составляет 1408 руб. [96]. При сжигании 1 пл.м3 щепы влажностью 100-120% (абс.) или -50% (отн.) можно получить тепловой энергии Qb Q1 =рщ1-УЛІ =800-1 = 800-1-2000 =1.600000 ккал. = 1.600000000 кал. = ,6 Гкал/3 где рщ1 - плотность древесины (щепы) при влажности - теплотворная способность древесины (щепы) при влажности 50% (отн.). Р= 800 кг/м3; V -плотный объем щепы; V = 1 пл.м3; Ті - теплотворная способность древесины (щепы) при влажности 50% (отн.) Ті=2000 ккал/кг. (табл. 1.5) Стоимость полученной энергии составит Сі=1,61408=2240руб./м3 При сжигании 1 пл.м3 щепы с удаленной свободной влаги масса щепы (плотность) уменьшается на -25%. Тогда плотность такой щепы составит щ2 600 кг/м3 (табл. 1.4). Теплотворная способность обезвоженной щепы составит Т2 = 4000 ккал/кг (табл.1. Тогда при сжигании обезвоженной щепы до влажности 35-40 (абс.) или 25% (отн.) можно получить величину Q2 :
Экономические аспекты лесозаготовок и производства щепы из лесосечных отходов с повышенными эксплуатационными свойствами
Благодаря некоторой конусности барабана (угол конусности 3-4) обеспечивается движение слоя щепы вверх и выход обезвоженной щепы из барабана в пространство между корпусом центрифуги 5 и отбойником жидкости 6. Сухая щепа выходит из установки через выпуск 4. Удаляемая жидкость из щепы через перфорацию барабана сливается через выпуск 7 в чашку 15 электронных весов 16. С пульта управления 8 ведется включение двигателя 9 и установка режима его работы. Через съемные шкивы 12, 14, вал 13 производят изменения скорости вращения центрифуги для обеспечения факторов разделения Fr=350G; 700G; 1050G.
Экспериментальная модернизированная центрифуга для обезвоживания щепы позволяет проводить опыты в непрерывном и периодическом режиме. Для этого центрифуга имеет регулируемую боковую стенку барабана. Регулируемая стенка выполнена с разрезом и смонтирована в внахлест, что обеспечивало конусность стенки с разными углами, в том числе и в виде цилиндра (прямая). Съемная стенка имеет перфорацию (отверстия диаметром 4 мм) для выхода жидкости из цилиндра.
С помощью подвижного загрузочного устройства 1 (рис.3.1.) можно регулировать количество загружаемой в барабан 2, т.е. регулировать толщину слоя щепы, располагаемого по внутренней поверхности барабана. Это достигается тем, что загрузочное устройство 1 можно поднимать и тем самым увеличивать зазор между устройством и днищем барабана - количество подаваемой щепы увеличивается и опускать - количество подаваемой щепы уменьшается.
В опытах устанавливали толщину слоя щепы в барабане 50 мм. Тогда расчетное количество (масса) щепы в центрифуге составит (при влажности 100%): тпл=%-В-Н-к-рш-К = 3,14 0,6 0,6 0,05 800 0,5 = 22,6 кг. где: =3,14; D - диаметр барабана центрифуги, D = 0,6м; Н - высота барабана Н = 0,6м; h - толщина слоя щепы, h = 0,05м; g - плотность щепы (древесины) при влажности 100%, g = 800 кг/м3; K – коэффициент полно-древесности щепы, K = 0,5. Таким образом, в зависимости от влажности щепы, в барабан загружали 20 – 25 кг щепы. Удаляемая из щепы жидкость через перфорацию боковой стенки барабана сливается через выпуск 7 в чашку 15. Чашка установлена на электронных весах, что позволяет фиксировать количество выделяемой жидкости через равные промежутки времени (через 20 секунд) центрифугирования щепы.
Расчетное количество удаляемой из щепы свободной влаги определяем из условий, что в центрифуге находится 22,6 кг щепы, а количество всей влаги (связанной и свободной) составляет 50% или 11,3 кг (при том, что влажность щепы 100% (абс.) или 50% (отн.)). В этом случае свободной влаги в щепе будет 27% от первоначальной массы щепы или 6,2 кг.
Следовательно, емкость чашки должная быть в пределах 7–10 л.
По углу конуса можно регулировать скорость перемещения щепы в данном случае снизу вверх по образующей барабана.
В связи с тем, что скорость вращения барабана в наших опытах очень большая (1000–2000 об/мин.), то и величина центробежной силы велика.
Поэтому даже незначительный угол обратного конуса (до 3–4) вызывает значительную вертикальную составляющую центробежной силы, перемещающую щепу вверх по образующей барабана (конуса).
Увеличение угла конуса приводит к увеличению вертикальной составляющей центробежной силы и тем самым к увеличению скорости перемещения слоя щепы вверх и выходу ее из системы.
Угол конуса должен обеспечивать такую скорость перемещения щепы по образующей вверх, чтобы продолжительность пребывания щепы в центрифуге была не меньше продолжительности процесса центрифугирования щепы для удаления из нее свободной влаги (Приложение 12).
Привод центрифуги имеет сменные шкивы (рис.3.1), благодаря которым можно изменить скорость вращения барабана, и создавать требуемую величину фактора разделения. В данном случае, имеется возможность обеспечивать фактор разделения по трем величинам:
Предварительные опыты по обезвоживанию щепы показали, что продолжительность обезвоживания сосновой щепы при минимальном факторе разделения 350G не превышает 480 сек. (8 мин.).
По предварительным опытам установлено, что для получения данных с удовлетворительными статистическим показателями повторность опытов должна быть в пределах 4–5. В соответствии с этим общее количество опытов составит: 1. по породам – 2 2. по влажности – 4 3. по фактору разделения 3 итого 243 = 24, а с учетом повторности 100 –125 С учетом того, что замеры выделяемой жидкости проводили через 20 сек., общее количество замеров составило около 1500. Исследование процесса очистки щепы от минеральных примесей
Щепа, нарубленная из лесосечных отходов, засорена минеральными примесями (камешки, песок, глина). Опыты по очистки такой щепы от минеральных примесей проводили на лабораторном гирационном анализаторе щепы АЛГ–М, имеющем сита с отверстиями 30; 20; 10; 5 мм и поддон (Приложение 6). Искусственно в щепу (в навеску щепы 2,0–2,5 кг) засыпали камешки диаметром 2–4 мм в количестве 8–10% от массы щепы (навески), песок или глину. Каждую навеску подвергали сортированию и фиксировали, сколько минеральных примесей оставалось в каждой фракции щепы после сортирования. Расчеты процентного содержания каждой фракции и количества минеральных примесей подсчитывали по формулам, рекомендованным в ГОСТ 15815–83. Повторность опытов обосновано результатами статистической обработки полученных данных указанных в главе 4. Повторность опытов составило 5.