Введение к работе
Актуальность темы.
Предприятия лесопромышленного комплекса (ЛПК) Архангельской области при получении технологических энергоносителей в качестве топлива используют побочные продукты обработки и переработки древесины. Помимо утилизируемых вторичных топливно-энергетических ресурсов на основе биомассы, на территории области ежегодно образуется 3,8 млн. пл. м3 неиспользуемых отходов лесозаготовки и деревообработки, ещё 1,2 млн. пл. м3 – это запасы древесины в рамках санитарных рубок. Иными словами, в распоряжении области в общей сложности имеется порядка 1,3 млн. т у.т.
Проблема эффективного сжигания древесного топлива до сих пор остается актуальной во всем мире, что связано с одной стороны с его невысокой теплотворной способностью и энергетической плотностью, неоднородным гранулометрическим составом, а с другой – высокой стоимостью теплогенерирующего оборудования для его использования. Проблема была частично решена после появления технологий и оборудования для преобразования низкокачественного древесного сырья в топливные гранулы (ДТГ, пеллеты) с высокими технологическими и теплотехническими свойствами, способные конкурировать с каменным углем.
Потребление ДТГ энергетическими установками растет из года в год и,
согласно прогнозам международных консалтинговых компаний, темпы роста
будут увеличиваться. Эффективность энергетического использования
облагороженных топлив напрямую связана с эффективностью их изготовления, так как для обеспечения технологического цикла производства расходуются дополнительные первичные энергоресурсы. Исходя из этого, повышение эффективности использования облагороженных топлив должно происходить со снижением энергозатрат при их изготовлении.
Вопросами, связанными с изготовлением облагороженных топлив и изучением влияния параметров исходного сырья на процесс прессования, занимались российские (Модин Н.А., Винников Г.А., Назаров В.И., Сафонов А.О., Булатов И.А. и др.) и иностранные ученые (Krizan P., Mehrdad A., Milan Tica, Abedin Zafari, Wolfgang Stelte и др.).
В статье профессора А.О. Сафонова отмечается, что уменьшение размера частиц исходного сырья приводит к уменьшению нагрузки на главный двигатель прессующих механизмов, а в работе датских ученых под руководством Wolfgang Stelte приводится противоположный вывод.
Для подтверждения или опровержения разнящихся выводов необходимо
провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований по
определению влияния физико-механических характеристик исходного
древесного сырья, а также условий и параметров процесса прессования на технологию производства ДТГ.
Цели исследования:
Улучшение качества ДТГ в технологическом цикле их производства путем обоснования параметров процесса прессования с использованием математической модели;
Повышение технико-экономических характеристик работы тепломеханического оборудования цеха древесных гранул (ЦДГ) путем разработки энергосберегающих мероприятий.
Объект исследования:
Процесс формования ДТГ в лабораторных установках и промышленных
прессах с плоской матрицей.
Предмет исследования:
Технология производства ДТГ, математическая модель упруго-пластического формования в каналах плоских матриц;
Параметры прессования, физико-механические и теплотехнические свойства ДТГ.
Задачи исследования, поставленные в соответствии с целью работы:
Исследование процесса прессования на экспериментальной установке и выявление основных параметров, влияющих на показатели качества ДТГ;
Разработка математической модели, описывающей технологический процесс прессования, с целью повышения эффективности производства ДТГ со стабильно высокими показателями качества;
Комплексное обследование энергетических установок, использующих в качестве энергоресурса твердое биотопливо, разработка рекомендаций по совершенствованию конструкции теплогенерирующей установки.
Научная новизна диссертационной работы:
Разработана математическая модель прессования для плоских матриц, основанная на положениях теории упругости и пластичности, подтвержденная результатами натурных экспериментов;
Выполнены эксперименты по определению усилий, создаваемых роликами пресс-гранулятора при продавливании древесного сырья, с использованием тензометрических датчиков силы;
Обоснована возможность использования различных видов биомассы или сырья с отличными от общепринятых признаками для изготовления ДТГ.
Практическая ценность:
Предложены рекомендации по разработке технологических режимов
пресс-гранулятора с плоской матрицей;
Выполнена оценка энергетической эффективности тепломеханического оборудования ЦДГ, позволившая осуществлять подбор мероприятий для повышения технико-экономических характеристик работы;
Оценена возможность использования различных видов биомассы или сырья с отличными от общепринятых признаками для изготовления ДТГ;
Новая конструкция теплогенерирующего устройства (патент № 2555726 РФ) обладает улучшенными эксплуатационными и технико-экономическими характеристиками.
Положения, выносимые на защиту:
Прочностные и теплотехнические свойства ДТГ и исходного древесного сырья;
Экспериментальная установка с тензометрической системой измерений;
Результаты разработки режимов экспериментальной установки производства ДТГ;
Математическая модель прессования ДТГ в каналах плоских матриц;
Результаты энергетического обследования тепломеханического оборудования промышленных объектов.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований,
реализации основных этапов работы, в разработке исследовательских
установок; в выполнении значительной части теоретических и
экспериментальных исследований, в разработке технологических режимов экспериментальной установки производства ДТГ; в обработке и анализе экспериментальных данных промышленных испытаний; в разработке топочного устройства.
Достоверность результатов исследования обусловлена: значительным
объемом экспериментальных данных; использованием метрологически
аттестованных средств измерений, стандартизированных методик;
удовлетворительным согласованием экспериментальных и теоретических
исследований со справочными данными и результатами научно-
исследовательских работ других авторов; сходимостью выполненных расчетов по разработанной математической модели с экспериментальными данными, полученными на исследовательских и промышленных установках.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Диссертационная работа соответствует пункту 7 «Разработка технологий и систем машин, обеспечивающих комплексное использование древесного сырья и отходов в технологических и энергетических целях» паспорта специальности 05.21.01 Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства.
Апробация основных положений работы.
Основные результаты работы доложены и обсуждались на: II
международном форуме «Возобновляемая энергетика, экология и ЖКХ-2011» в
г. Санкт-Петербург, Гостиница Октябрьская, 12-15 декабря 2011 года; XIV
Минском международном форуме по тепло- и массообмену, проходившем в
Национальной академии наук Беларуси с 10 по 13 сентября 2012 года; VI
Международной школе-семинаре молодых ученых и специалистов
«Энергосбережение – теория и практика» в г. Москва, 22-26 октября 2012 года;
XIX школе-семинаре молодых ученых и специалистов под руководством
академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена
в энергетических установках» в г. Орехово-Зуево, 20-24 мая 2013 года; форуме
по биоэнергетике в г. Каяни, Финляндия, 17-19 июня 2013 года; VIII
Всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике в г.
Екатеринбург, 12-14 ноября 2013 года; форуме «Энергоэффективность и
экономичность отопительных систем на биомассе» в г. Пинкафельд, Австрия,
27-31 января 2014 года; мини-симпозиуме «Гетерогенное горение и
энергетическая валоризация биомасс»; I международной научно-практической
конференции «Природопользование в Арктике: современное состояние и
перспективы развития» в г. Якутск, 22-25 сентября 2015 года; IX семинаре
вузов по теплофизике и энергетике в г. Казань, 21-24 октября 2015 года;
Международных научно-практических конференциях и конференциях
профессорско-преподавательского состава в Северном (Арктическом)
федеральном университете имени М.В. Ломоносова ежегодно с 2011 по 2016 годы; семинаре «Твердое облагороженное топливо: производство и энергетическое использование» в г. Москва, 19 мая 2016 года.
Публикация результатов исследования.
По теме диссертационного исследования опубликовано 26 работ, 10 из которых в журналах, включенных в перечень ВАК, реферативные базы Scopus и Web of Science.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и
библиографического списка, включающего 128 источников. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц, 47 рисунков.