Совершенствование технологии производства древесных гранул Мюллер Оскар Давыдович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Анализ современного состояния с использованием древесных отходов

1.1. Современное состояние заготовки и переработки древесины 12

1.2. Образование древесных отходов при заготовке и переработке древесины

1.3. Основные направления переработки и утилизации древесных отходов 31

1.4. Энергетическое использование древесных отходов

1.4.1. Прямое сжигание древесины 44

1.4.2. Производство древесных брикетов 45

1.4.3. Производство древесных топливных гранул

1.5. Производство биотоплива из древесного сырья 57

1.6. Логистика древесных отходов 60

Выводы 72

Глава 2. Разработка математической модели процесса гранулирования древесной муки

2.1. Анализ существующей математической модели процесса гранулирования

2.2 Анализ процессов, происходящих при гранулировании древесного сырья в прессе-грануляторе

2.3. Математическая модель формирования спрессованного слоя древесного 84

сырья на поверхности матрицы

2.3.1. Определение момента сопротивления на участке прессования 89

2.3.2. Определение момента сопротивления на участке выдавливания Q гранулы

2.3.3 Определение момента сопротивления на участке упругого Q-восстановления спрессованного слоя

2.3.4 Определение полного момента сопротивления и мощности при Q„ прессовании древесной гранулы 1 роликом

2.4. Математическая модель формирования и выпрессовки древесной QQ гранулы

2.4.1. Определение перепада давления на вырезание части древесной массы спрессованного слоя

2.4.2. Определение перепада давления в коническом канале матрицы 102

2.4.3. Определение перепада давления в цилиндрическом канале матрицы 111

2.4.4. Определение давления проталкивания 120

2.5. Энергетические характеристики прессования гранулы 122

2.5.1. Производительность пресса-гранулятора 122

2.5.2. Определение мощности сил трения при прокатке прессовочного ролика по древесной шихте на поверхности плоской матрицы

2.5.3. Определение мощности привода пресса-гранулятора 129

2.6. Определение температуры спрессованной древесной гранулы на выходе из матрицы

2.6.1. Определение приращения температуры при повышении плотности древесного сырья

2.6.2. Определение приращения температуры при формировании 1 древесной гранулы в коническом канале

2.6.3. Определение приращения температуры при движении древесной 1 гранулы в цилиндрическом канале

2.6.4. Определение средней температуры древесной гранулы на выходе из 1 Q матрицы

2.6.5. Определение температуры цилиндрической поверхности древесной 1

гранулы на выходе из матрицы

Выводы 149

Глава 3. Экспериментальные стенды и методики исследований

3.1. Экспериментальный стенд на базе одиночной фильеры 151

3.2. Экспериментальный стенд по производству древесных гранул 1 на базе пресса-гранулятора 3.3. Методики проведения и обработки результатов экспериментов

1 3.3.1. Методика подготовка древесной муки для экспериментов 173

3.3.2. Методика определения угла естественного откоса древесной муки 174

3.3.3. Методика определения уплотняемости древесной муки 175

3.3.4. Методика определения коэффициента Пуассона для спрессованной древесной муки

3.3.5. Методика определения модуля Юнга для спрессованной древесной муки в зависимости от давления прессования

3.3.6. Методика определения насыпной и кажущейся плотности древесных гранул

3.3.7. Методика определения истираемости и механической прочности древесных гранул

Глава 4. Экспериментальное исследование основных механических характеристик древесной муки

4.1. Угол естественного откоса древесной муки 192

4.2. Коэффициент уплотняемости древесной муки 193

4.3. Исследование изменения коэффициента Пуассона для спрессованной древесной муки

4.4. Исследование изменения модуля Юнга для спрессованной 1

древесной муки Выводы 227

Глава 5. Исследование влияния основных технологических и конструкционных факторов на качественные показатели древесных гранул

5.1. Исследование влияния технологических параметров молотковой мельницы на качественные показатели древесной муки

5.2.Влияние технологических параметров древесной муки на механическую прочность готовых древесных гранул

5.2.1. Влияние влажности древесной муки на механическую прочность готовых древесных гранул

5.2.2. Влияние влажности готовых древесных гранул на их механическую прочность

5.2.3. Влияние температуры матрицы на механическую прочность готовых древесных гранул

5.2.4. Влияние режима охлаждения древесных гранул на механическую -, прочность готовых древесных гранул

5.2.5. Влияние кажущейся плотности древесных гранул на 9 7 механическую прочность готовых древесных гранул

5.3. Влияние добавки насыщенного пара на работу пресса-гранулятора 259

Выводы 262

Заключение 267

Литература 2

• Основные направления переработки и утилизации древесных отходов
• Определение момента сопротивления на участке выдавливания Q гранулы
• Методика определения коэффициента Пуассона для спрессованной древесной муки
• Исследование изменения коэффициента Пуассона для спрессованной древесной муки

Введение к работе

Актуальность исследования. Современный уровень развития лесозаготовок и деревообрабатывающей промышленности сопровождается образованием большого количества древесных отходов как на стадии заготовки древесины, так и на стадии ее переработки. В России на предприятиях лесопромышленного комплекса большая доля древесной биомассы в процессе заготовки и переработки выходит из хозяйственного оборота в виде отходов лесозаготовок, рубок ухода, лесопиления и деревообработки. Кроме того значительное количество древесных отходов образуется в виде так называемых амортизированных изделий из древесины - деревянной тары, мебели и т.п. При существующем в России уровне заготовки и переработки древесного сырья ежегодно образуется свыше 150 млн. пл. м³ древесных отходов.

Следует учесть и тот факт, что из-за нестабильности мировых цен и спроса на продукцию из древесины и условий мирового кризиса использование расчетной лесосеки составляет 50 и менее процентов. Так в 2012 году по оценкам экспертов общий объем срубленной древесины составил 264,5 млн. куб. м. При этом в этом же году в результате лесозаготовок в доступной зоне было срублено и не использовалось 59,3 млн. куб. м. Указанный объем древесных ресурсов ежегодно оставляется в лесу. Таким образом, в лесах накапливается большое количество невостребованной низкокачественной древесины. Все это в конечном итоге ведет к деградации лесных насаждений, ухудшению экологической обстановки и повышению пожароопасности.

Проблема утилизации или переработки древесных отходов и низкокачественной древесины, не смотря на то, что ею занимаются уже многие десятилетия, по-прежнему остро стоит перед предприятиями лесопромышленного комплекса России.

В настоящее время утилизация древесных отходов развивается по двум направлениям. Первое - использование крупнокусковых отходов для изготовления товарной продукции или древесной биомассы в качестве сырья для химической промышленности. Второе - вовлечение древесной биомассы в топливно-энергетический комплекс как альтернативный экологически чистый возобновляемый источник энергии.

К сожалению, основная масса древесных отходов рассредоточена на значительной территории, имеет малую транспортную плотность и при очень низком развитии лесной инфраструктуры, в первую очередь лесных дорог, промышленная утилизация

древесных отходов экономически невыгодна. В этих условиях создание и развитие технологий, способных значительно повысить транспортную плотность и привлекательность древесных отходов весьма актуально для лесопромышленного комплекса страны. Об актуальности проблемы говорит и тот факт, что по итогам заседания президиума Государственного совета РФ, состоявшегося 11 апреля 2013 года, президентом В.В. Путиным поручено Правительству РФ принять меры, направленные на создание условий, стимулирующих увеличение объемов использования низкотоварной древесины и отходов древесного сырья, в том числе в коммунальной и промышленной энергетике. Настоящая работа выполнена при поддержке:

- гранта по научному проекту №6-02 «Разработка оборудования и технологии для про
изводства пеллет из отходов древесины и сухостоя для нужд муниципальных образова
ний Архангельской области» в рамках целевой программы Архангельской области_«Раз-
витие науки, высшего и среднего профессионального образования в Архангельской об
ласти на 2006-2008 годы»;

— гранта по государственному контракту от 08 сентября 2010 г № 14.740.11.0097 по теме
«Исследование и разработка методов совершенствования технологического процесса
получения гранулированного топлива из древесного сырья как возобновляемого источ
ника энергии» в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-
педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Степень разработанности проблемы. Проблемам повышения транспортной привлекательности древесных отходов и технологиям увеличения их плотности посвящены работы ряда отечественных и зарубежных ученых. Из отечественных ученых вопросами уплотнения измельченной древесины занимались П.Н. Хухрянский, В.А. Ша-маев, В.И. Огарков СМ. Базаров, Н.А. Модин и другие. Вопросами напряженно-деформированного состояния древесины под воздействием динамических нагрузок занимались также Б.М. Буглай, В.А. Баженов, В.Н. Быковский, В.Ф. Яценко и другие.

Производство древесных гранул (пеллет) появилось сравнительно недавно, в середине 90-х годов прошлого века в США, в следствии чего здесь в основном присутствуют зарубежные ученые: WU Kai, SHI Shuijuan, Milos Matus, Peter Krisan, David An-dersson, Daniel Johansson и др. Из отечественных исследователей вопросами прессования древесных гранул занимались Е.Л. Ивин, В.М. Глуховской, Плотников Д.А. и другие. Не смотря на довольно значительное количество трудов в области прессования измельчен-

ной древесины, до сих пор до конца не разработана математическая модель процесса прессования пеллет и операторам прессов-грануляторов приходится практически вручную подбирать режимы прессования древесных гранул.

Цели и задачи исследования. Целью настоящих исследований является дальнейшее развитие научных основ получения древесных изделий методом прессования мелкодисперсной древесины (далее - древесной муки).

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Изучение состояние проблемы с утилизацией древесных отходов.

2. Разработка теоретических основ процесса прессования мелкодисперсного древесного сырья при его продавливании через фильеры матрицы.

3. Разработка экспериментальных установок и методик проведения и обработки результатов экспериментов по исследованию физико-механических свойств изделий из спрессованного мелкодисперсного сырья из древесины.

4. Исследование физико-механических свойств спрессованных изделий из мелкодисперсного сырья из древесины.

5. Разработка промышленного стенда по исследованию технологических параметров прессования на качественные показатели спрессованных древесных гранул.

6. Изучение влияния технологических параметров процесса прессования древесных гранул на их качественные показатели.

Научная новизна исследования.

7. Впервые разработана обобщенная математическая модель процесса прессования древесных гранул в прессах-грануляторах с плоской и цилиндрической матрицами, описывающая основные стадии процесса: спрессовывание древесной муки прессовочными валками, вдавливание спрессованной древесной муки через конический канал в цилиндрический канал фильеры матрицы и движения спрессованной древесной гранулы через цилиндрический канал фильеры матрицы.

8. Разработаны методики по проведению испытаний и обработки данных для определения физико-механических свойств спрессованной древесной муки.

9. Впервые экспериментально определен коэффициент сжимаемости древесной муки и влияния на него ее влажности и гранулометрического состава.

4. Впервые экспериментально определены модуль Юнга и коэффициент Пуассона для спрессованной древесной муки и влияния на них давления прессования.

5. Разработаны методики по обработке экспериментальных данных влияния технологических параметров прессования на качественные характеристики спрессованных древесных гранул.

6. Установлено влияние влияния технологических параметров прессования на качественные характеристики готовых древесных гранул.

Теоретическая и практическая значимость исследований. Теоретическая значимость исследований заключается в том, что разработанная на базе теорий упруго-пластического деформирования, упругости и теплообмена математическая модель технологического процесса прессования мелкодисперсной древесной муки позволяет по-новому взглянуть на роль отдельных частей фильеры матрицы на формирование древесной гранулы. Полученные аналитическим путем уравнения устанавливают взаимосвязь физических характеристик прессуемой древесной муки с геометрическими и энергетическими характеристиками прессового оборудования.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

впервые получены зависимости физико-механических свойств спрессованной мелкодисперсной древесной муки в зависимости от давления прессования, которые могут быть использованы при расчете прессового оборудования, а также разработки других технологических процессов, связанных с прессованием древесной муки;

определены оптимальные диапазоны изменения технологических параметров древесной муки на всех этапах процесса прессования и режимов работы прессового оборудования, обеспечивающих получение древесных гранул соответствующего качества;

установлены зависимости, позволяющие минимизировать энергетические затраты на выпуск древесных гранул соответствующего качества еще на стадии проектирования оборудования и разработки технологического процесса.

Методология и методы исследования. Методологической базой исследования являются теоретические и экспериментальные данные по механизму процессов при поведении экспериментальных исследований в аморфных телах типа грунтов.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие результаты:

1. Математическая модель технологического процесса прессования древесной муки в прессе-грануляторе на базе теории упруго-пластических деформаций.

2. Математическая модель энергетического состояния древесной гранулы на всех этапах технологического процесса прессования.

3. Результаты экспериментальных исследований по физико-механическим характеристикам спрессованной древесной муки.

4. Результаты экспериментальных исследований по определению влияния технологических параметров на качественные показатели древесных гранул.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность подтверждается глубоким математическим анализом, большим по объему и разнообразию экспериментальным материалом, применением научно-обоснованных методик проведения экспериментальных исследований и сбора данных, использованием современных методов обработки, анализа и оценки достоверности данных.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: Международных конференциях:

на II международном форуме «Возобновляемая энергетика, экология и ЖКХ 2011» (Санкт-Петербург, 2011г.);

на XIV Минском международном форуме по тепломассообмену (Минск, 2012 г.);

на международном семинаре «Возобновляемые источники энергии и энергоэффективность» (Архагельск, 2013 г.);

на семинаре с международным участием «VIII всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике» (Екатеринбург, 2013 г.);

на международной научной конференции "SCIENCE, TECHNOLOGY AND LIFE - 2014", (Karlovy Vary, December 2014).

Региональных конференциях:

«Развитие Северо-Арктического региона: проблемы и решения» (Архангельск, 6-9 февраля 2012 г.)

«Экосистемы северных территорий и рациональное промышленное освоение природных ресурсов» (Архангельск, 2015 г.)

Результаты работы экспонировались на выставке Вузпромэкспо 2014 (Москва, 2014).

Материалы и основные положения диссертационного исследования полностью отражены в 18 научных публикациях, включая 12 публикаций в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 285 страницах текста и содержит 116 рисунков, 28 таблицу, список литературы из 187 наименований.

Основные направления переработки и утилизации древесных отходов

Использование существующих сушильных камер для сушки крупнокусковых отходов значительно повышает стоимость изготовленной из них товарной продукции. Вследствие этого для производства клееных брусков, щитов и мелкой пилопродукции используются только крупные кусковые отходы, образующиеся при дальнейшей переработки высушенных деловых пиломатериалов, а это возможно только на крупных лесопильных предприятиях, оснащенных собственными сушильными камерами.

Использование влажных крупнокусковых вторичных древесных ресурсов было бы перспективно при наличии около лесопильных предприятий малых предприятий по индивидуальному производству мебели или комплектующих для нее, паркета, бочек и т.п. продукции, где сушка древесных ресурсов происходила бы естественным путем. Однако неразвитость малого бизнеса в этом направлении, отсутствие развитой торговой инфраструктуры и логистики для этого производства сводят возможности использования крупнокусковых древесных ресурсов в этой области до нуля.

Крупнокусковые вторичные древесные ресурсы от лесопиления и лесозаготовок являются хорошим сырьем для производства технологической и энергетической щепы, что позволило бы значительно сократить количество древесных отходов от работы лесопромышленного комплекса.

Согласно ГОСТ 15815-83 технологическая щепа выпускается восьми марок [51]: - Ц-1, Ц-2 и Ц-3 для производства целлюлозы и древесной массы; - ГП-1 для производства спирта, дрожжей, глюкозы и фурфурола; - ГП-2 для производства пищевого кристаллического ксилита Т; - ГП-3 для производства фурфурола и дрожжей при двухфазном гидролизе; - ПВ для производства древесноволокнистых плит; - ПС для производства древесностружечных плит. Согласно техническим условиям для технологической щепы марок Ц-1, Ц-2, Ц-3, ГП-2 и ГП-3 содержание коры в ней не должно превышать 3%. Среднее же содержание коры в крупнокусковых отходах достигает 11 и более %. Таким образом, выпускать технологическую щепу указанных марок из древесных отходов возможно лишь на лесопильных предприятиях средней и большой мощности, на которых имеется корообдирочное оборудование. На малых лесопильных предприятиях и лесосеках из кусковых отходов можно изготавливать только технологическую щепу марок ГП-1, ПВ и ПС, а также энергетическую щепу.

Отмеченные недостатки значительно сужают возможности использования крупнокусковых вторичных древесных ресурсов для получения готовой товарной продукции и ведут к образованию новых мелкофракционных древесных отходов. Основная же масса крупнокусковых древесных отходов частично используется для изготовления них технологической или энергетической щепы, остальное вывозится на свалку или просто сжигается. «Мягкие» древесные отходы в основном используются для производства [55]: -химического сырья: синтез-газ, метанол, фурфурол, скипидар, этанол; - производство композиционных материалов: древесностружечные и древесноволокнистые плиты, ДВП, арболит, МДФ, фибролит, velox; - экстрагирование веществ из коры и зелени; - компоста. Изготовление компоста из древесных отходов, особенно коры, является наименее затратным и эффективным способом утилизации древесных отходов [52, 53, 54, 55]. К настоящему времени разработаны технологии компостирования практически всех видов древесины, которые включают три основные стадии: - измельчение и (или) подготовка древесного сырья; - смешивание сырья с минеральными добавками; - выдерживание сырья в гуртах.

Процесс превращения древесного сырья в компост длительный и длится от нескольких месяцев до нескольких лет. Основным недостатком использования древесных отходов в виде удобрений является их медленное микробиологическое разложение. При этом следует учесть, что процесс измельчения коры требует больших энергетических затрат, особенно при мокрой окорке, вследствие чего себестоимость компостов из коры значительно выше чем из торфа.

Древесная зелень используется как в чистом виде (производство хвойной древесной муки), так и как ценный источник биологически активных продуктов в виде витаминной муки, эфирных масел и экстрактов для парфюмерной, химической, фармацевтической и других отраслей [56, 57, 58].

Мелкофракционные вторичные древесные ресурсы в виде опилка и щепы находят применение в качестве органического наполнителя для получения дре-весно-минеральных и древесно-органических композитов конструкционного назначения. Таких как фибролит, арболит, ксилолит и др. Эти материалы используются в строительной индустрии для изготовления строительных, тепло- и звукоизолирующих материалов, магнезиальных полов, профильных изделий для защиты подземных коммуникаций от коррозии, ленточных фундаментов, а также изделий, используемых в машиностроении, электроизоляционной промышленности, в качестве товаров народного потребления [59, 60].

Большое применение мелкофракционные вторичные древесные ресурсы находят в производстве древесных плит. Древесные плиты принципиально можно разделить на два основных типа - древесноволокнистые и древесностружечные.

Древесноволокнистые плиты - это листовой древесный материал, который получают из древесной массы методом отлива на сетке с последующим горячим прессованием подготовленной древесной массы. Древесный материал для древесноволокнистых плит предварительно размалывают и пропаривают. К полученной древесной массе добавляют связующие вещества, антисептики и гидрофоби-заторы и прессуют[61, 62]. Технологический процесс производства древесноволокнистых плит имеет довольно длинную историю. Еще в 1858 г. Лиманом в США был получен 1 патент на способ производства материала, подобного древесноволокнистым плитам [63, 64], а промышленное производство началось в 1922 г. В СССР производство древесноволокнистых плит было организовано в 1936 г. в Москве и Белоруссии [65]. Дальнейшим этапом развития производства древесноволокнистых плит стало развитие с 60-х годов прошлого века технологии производства древесноволокнистых плит средней плотности (MDF). Схема технологического процесса изготовления плит МДФ представлена на рисунке 1.13 [66].

Определение момента сопротивления на участке выдавливания Q гранулы

Древесные отходы, особенно лесосечные, имеют высокую влажность. Так в мебельном и в отдельных деревообрабатыващих производствах содержание влаги в некоторых видах древесных отходов составляет 10 - 12%. В основной же массе деревообрабатывающих предприятий влажность древесных отходов составляет от 40 до 45%. На лесозаготовительных предприятиях влажность основной массы лесосечных отходов составляет 45 - 55 %. Влажность же корьевых отходов при окорке после сортировки в водных бассейнах достигает 80%. Таким образом, помимо собственно древесной массы вместе с ней перевозится большое количество лишней воды. Высокая влажность древесных отходов существенно снижает потребительскую стоимость самих древесных отходов как вторичных биологических ресурсов, особенно как биотоплива. Указанные обстоятельства ведут к тому, транспортные расходы по перевозке древесных отходов занимают значительную часть в себестоимости вторичных биологических ресурсов. Так по данным [99] транспортные расходы составляет до 80% в структуре себестоимости щепы (наиболее частое использование древесных отходов). Перевозка древесных отходов на большие расстояния убыточна.

В настоящее время за рубежом общепризнано, что максимальное транспортное плечо для перевозки древесных отходов составляет 50 км [100, 101]. По данным шведских и финских лесозаготовителей максимальное транспортное плечо перевозки щепы не должно превышать 60 км, для нормальной рентабельной работы расстояние между производителем и потребителем должно укладываться в 30-40 км [102].

В СССР, а после его распада, в России экономически оправданным являлась доставка сырья автомобильным транспортом в радиусе не более 150 км [103], что было обусловлено низкой стоимостью рабочей силы и топливно-энергетических ресурсов. Однако за последние годы стоимость топливно-энергетических ресурсов выросла в несколько раз, да и стоимость трудовых ресурсов не стояла на месте. Это привело к тому, что экономически оправданное транспортное плечо доставки древесного сырья значительно сократилось и фактически сравнялось с зарубежными рекомендациями [104]. Неразвитая сеть автомобильных дорог, очень низкие темпы строительства новых, изменение структуры лесозаготовительного производства - все это привело к тому, что плечо доставки древесного сырья в среднем составляет около 100 км и более. В этих условиях практически все лесосечные отходы остаются на лесных делянках или верхних складах [105], где, в лучшем случае, просто сжигаются.

Основным недостатком древесных отходов является их низкая насыпная плотность, что делает нерентабельным перевозку древесных отходов на значительные расстояния. Выходом из сложившегося положения является увеличение насыпной плотности низкотоварной древесины.

Лесосечные отходы неоднородны по своему составу, поэтому для повышения их транспортной плотности долгое время использовался способ приведения их к однородной массе. Так, если транспортный объем лесосечных отходов в естественном виде в 3 с лишним раза превышает транспортный объем деловой древесины (рисунок 1.29), то транспортный объем, например, топливной щепы, превышает объем деловой древесины примерно в два раза [106]. В последние годы за рубежом все более широкое применение находит технология пакетирования лесосечных отходов [107]. При пакетировании порубочные остатки выравниваются и прессуются в цилиндрические пакеты без измельчения, при этом объем порубочных остатков уменьшается на 60%, вследствие чего транспортный объем пакетов превышает транспортный объем деловой древесины примерно в полтора раза [108, 109]. Таким образом, использование пакетирования значительно снижает составляющую транспортных расходов в себестоимости лесосечных отходов. Рисунок 1.29 - Сравнительное сопоставление транспортных объемов лесосечных отходов и круглых пиломатериалов

Проведенный анализ показал, что при работе лесопромышленного комплекса РФ ежегодно образуется большое количество древесных отходов. Большое скопление древесных отходов ведет к повышенному загрязнению окружающей среды, а также увеличению пожароопасности, вследствие чего утилизация древесных отходов представляет собой большую проблему не только для малых, но и крупных предприятий лесозаготавливающей и лесоперерабатывающей промышленности.

Существуют технологии, позволяющие использовать древесные отходы в качестве сырья для выпуска товарной продукции или как альтернативного экологически чистого возобновляемого источника энергии. Накопленный лесопромышленным комплексом опыт показывает, что утилизация древесных отходов через выпуск товарной продукции или топлива экономически выгодна при значительных объемах производства. Анализ показал, что подавляющая часть древесных древ древесных отходов распределена по обширной территории, вследствие чего расходы на транспортировку древесных отходов при их малой насыпной плотности велики и делают утилизацию их экономически невыгодной.

Анализ также показал, что для большинства технологий полезного использования древесного материала требуется его первоначальное измельчение и сушка. В тоже время технологический процесс по производству топливных древесных гранул при глубокой сушке и измельчении древесины до муки грубого помола методом прессования позволяет в несколько раз повысить кажущуюся и насыпную плотности древесного материала. Однако к качеству прессования древесных гранул предъявляются большие требования - они не должны содержать связующих инородных добавок и не должны развалиться при транспортировке на значительные расстояния.

На качество спрессованных древесных гранул влияет большое количество факторов. Казалось бы за более чем 20-ти летнее бурное развитие производства древесных гранул и оборудования к нему многие вопросы по качеству древесных гранул должны были бы быть уже решены. Но, как утверждают ведущие мировые производители грануляторов, недостаток теоретических и экспериментальных исследований ведет к тому, что «... опыт по эксплуатации пресс-гранулятора заменить ничем нельзя. Опытный оператор может заставить работать свой гранулятор с максимальной производительностью ... без особых усилий...» (из инструкции к грануляторам фирмы Munch Edelstahl Gmbh). «...основные производители пресс-грануляторов в последние 20 лет разработали сложнейшие системы электронного управления для автоматизации пресс-грануляторов. К сожалению, они оказались менее эффективными, чем подготовленный человек с хорошей мотивацией, стоящий у управления пресс-гранулятора...». «...день давно ожидающегося автоматического гранулирования может быть близок. Между тем, в настоящий момент, мы, тем не менее, все еще должны рассматривать гранулирование скорее как «ис 74 кусство», а не «науку»... (из инструкции к грануляторам фирмы СРМ (California Pellet Mill) [138]. Целью настоящего исследования дальнейшее развитие научных основ технологического процесса получения древесных изделий методом прессования мелкодисперсной древесины.

Методика определения коэффициента Пуассона для спрессованной древесной муки

Прессовочный ролик имеет поступательное движение относительно среднего радиуса плоской матрицы (относительно внутренней поверхности цилиндрической матрицы) со скоростью U0 (см. рисунок 2.6). За одну секунду каждый прессовочный ролик будет спрессовывать исходную древесную шихту с насыпной плотностью р0 в объеме Lh0Uo. Массовая производительность пресса-гранулятора в этом случае будет равна:

Воспользовавшись выражением для h0 из (2.15) и учитывая то, что U0 = (jdRr = a)0RCp, получим уравнение по определению производительности для пресса-гранулятора с плоской матрицей: Определение мощности сил трения при прокатке прессовочного ролика по древесной шихте на поверхности плоской матрицы

Цилиндрический прессовочный ролик постоянного диаметра движется в переносном движении по поверхности плоской матрицы вокруг ее оси с постоянной угловой скоростью о)о (рисунок 2.6). При этом внутренний цилиндрический край движется по внутренней окружности радиуса RB, а наружный край по внешней окружности радиуса RH. Среднее сечение прессовочного ролика движется по окружности радиуса Дср. Движение ролика по этой окружности идет без проскальзывания. Скорость переносного движения прессовочного ролика на этом радиусе равна:

Прессовочный ролик по поверхности матрицы в среднем сечении движется без проскальзывания, то есть относительная скорость движения ролика в точке соприкосновения с матрицей равна 0 (рисунок 2.13). В этом случае угловая скорость вращения прессовочного ролика вокруг своей оси может быть определена по зависимости:

Сектор плоской матрицы Прессовочный ролик по поверхности матрицы в среднем сечении движется без проскальзывания, то есть относительная скорость движения ролика в точке соприкосновения с матрицей равна 0 (рисунок 2.13). В этом случае угловая скорость вращения прессовочного ролика вокруг своей оси может быть определена по зависимости:

Выберем на плоской матрице на радиусе R на наружной поверхности прессовочного ролика элементарную площадку dS = Rrd(pdR (рисунок 2.7). На эту площадку со стороны прессовочного ролика действует давление р, которое создает нормальное давление на поверхность прессовочного ролика рп = pcosq). Это давление, в свою очередь, создает на поверхности прессовочного ролика касательное напряжение трения ттр между поверхностью прессовочного ролика и древесной шихтой, которое равно: ттр = РпМтр = MTpPcos( p), (2.167) где дтр — коэффициент трения между древесной шихтой и поверхностью прессовочного ролика.

Касательное напряжение трения создаёт на выбранной элементарной площадке dS элементарную силу трения dFTpl = TTpdS. С учетом зависимости (2.29) выражение для элементарной силы трения принимает вид:

Полная мощность сил трения представляет собой сумму мощностей сил трения на участке А-В, B-D и D-E (см. рисунок 2.7). Определим эти мощности. При этом следует учесть, что в силу симметрии касательных напряжений и скоростей проскальзывания относительно среднего радиуса матрицы Дср, мощности сил трения можно определить на части матрицы от среднего радиуса Дср до наружного радиуса RH и полученный результат умножить на два.

Определим мощность сил трения на участке А-В. Для этого возьмём двойной интеграл от элементарной мощности сил трения на участке А-В: туры спрессованной древесной гранулы на выходе из матрицы

Только прессованием невозможно получить высококачественных прочных древесных гранул. В процессе прессования в древесную муку необходимо вводить связующее вещество, которое отвердев, прочно свяжет древесные частицы. В качестве такого вещества наиболее подходящим является лигнин, который входит в состав исходной древесины. Однако для того, чтобы использовать его как связующее вещество, необходимо обеспечить условия, при которых лигнин начал бы интенсивно выделяться из состава древесины. Известно, что выделение лигнина из древесины без его термического разложения происходит при температурах 150 - 200 С. Таким образом, процесс формирования древесных гранул должен происходить в заданном диапазоне температур.

Процесс прессования древесной муки, ее пластические деформации связан с процессами пребразования механической энергии деформирования в тепловую энергию, которая идет на нагревание как самой древесной шихты и древесных гранул, так и прессового оборудования. Для исследования тепловых процессов из анализа исключим начальный период запуска и прогревания прессовочного оборудования. Рассмотрим стационарный процесс, при котором установился баланс между механической энергией, связанной спроцессом прессования древесной шихты, формированием и выдавливанием древесной гранулы, и тепловой энергией, идущей на нагрев древесной шихты, а также на теплоотдачу в окружающую среду через внешние поверхности пресса-гранулятора.

Составить математическую модель процесса отвода тепла через наружные поверхности пресса-гранулятора довольно сложная задача, которая зависит от множества факторов, таких как температура окружающей среды, конструкция пресса гранулятора и теплотехнические свойства материалов, из которых изготовлен пресс-гранулятор, потери энергии в механических частях пресса-гранулятора и др. Поэтому в данном исследовании рассмотрены вопросы выделения тепла в процессе производства древесных гранул и расход этого тепла на нагрев древесной муки и гранул. Потери же части тепловой энергии на другие цели будут учтены в форме коэффициета тепловых потерь.

При производстве древесных гранул исходное древесное сырье предварительно подогревают и увлажняют в специальных кондиционерах до некоторой температуры $0. Подогретая древесная мука поступает в пресс-гранулятор, где она сначала прессуется до давления рпр, затем пластически деформируется в коническом канале матрицы до требуемого диаметра и калибруется в цилиндрическом канале матрицы. Рассмотрим изменение температуры древесного сырья на каждом из этих этапов.

Исследование изменения коэффициента Пуассона для спрессованной древесной муки

Основными показателями, которые характеризует качество древесных гранул, являются их истираемость и механическая прочность. Данные показатели определяют хрупкость и ломкость спрессованных древесных гранул. При низкой механической прочности и высокой истираемости древесные гранулы частично разрушаются в процессе транспортировки, перегрузки, хранения и использования. Процесс разрушения древесных гранул сопровождается образованием древесной пыли и крошки. Большое количество древесной пыли и крошки ведет к нарушениям в работе и даже поломкам систем автоматизации и механизации устройств транспортировки и перегрузки гранул. Наличие мелкой древесной фракции и пыли значительно повышает риск самовоспламенения древесных гранул при их длительном хранении [16, 17]. Поэтому получение гранул с высокими прочностными свойствами и контроль их качества являются важными аспектами производства данного вида топлива.

Истираемость и механическая прочность гранулированного топлива являются взаимосвязанными характеристиками. Методика их определения регламентирована международным стандартом EN 15210 -1, ас 2014 года его отечественным аналогом ГОСТ Р 55111-2012 [157]. Согласно этим стандартам определение истираемости и механической прочности гранулированного топлива осуществляется с использованием портативного тестера NHP 100 немецкой фирмы Holmen (лигнотестер).

Для определения истираемости берут 5 навесок древесных гранул массой по (100 ± 0,5) г. Отобранную навеску помещают в лигнотестер. Воздушный поток воздействует на образец в течение 60 с при давлении 70 мбар. По окончании проведения опыта, древесные гранулы извлекаются из лигнотестера и определяется их остаточная масса. Истираемость гранул AR, %, определяется по формуле:

По результатам выполненного во второй главе математического моделирования процесса прессования древесной шихты видно, что одним из основных факторов, влияющих на производительность и мощность привода пресса-гранулятора, является угол естественного откоса исходной древесной шихты.

В литературных источниках приводятся данные об углах естественного откоса для опилок. В работе Н.Е. Ромакина [158] рекомендуется для древесного опилка принимать угол естественного откоса а = 40. В других источниках [112, 159] рекомендуется принимать угол естественного откоса для измельченной древесины а = 45. Данные рекомендации относятся к условиям транспортировки, хранения и энергетического использования измельченных древесных отходов, в том числе и опилка. При этом не отмечено, как влияет на угол естественного откоса влажность и фракционный состав измельченных древесных отходов.

Древесная шихта, используемая для производства древесных гранул, вследствие предварительной подготовки имеет несколько отличные параметры, чем указаны в выше приведенных источниках. Для уточнения угла естественного откоса был выполнен ряд экспериментов в соответствии с методикой, изложенной в разделе 3.2.2. В таблице 4.1. представлены результаты экспериментов для древесной шихты при влажности W = 6% и W = 8,5% с фракционным составом 5 = 1 — 2 мм, S = 0,5 — 1 мм и при отсутствия фракционирования. Для фракционного состава при S 0,5 мм не удалось получить достоверных результатов, т.к. древесная шихта данного фракционного состава при низкой насыпной плотности обладает высокой слипаемостью частиц.

Уплотняемость частиц из биомассы древесины является важным свойством порошковых материалов, к которым можно отнести мелкодисперсную древесную шихту. С одной стороны уплотняемость древесной шихты оказывает, как это видно из результатов математического анализа процессов прессования, приведенного в главе 2, существенное влияние на конструктивные характеристики прессового оборудования и энергетические затраты при выполнении технологических операций прессования древесных гранул. С другой стороны, этот показатель во многом определяет особые требования к транспортировке и хранению спрессованных древесных гранул.

Экспериментальное определение коэффициента уплотняемости древесной муки было выполнено в соответствии с методикой, изложенной в параграфе 3.2.3. В качестве древесной муки использовались опилки из сосны и ели, используемые для производства твердого биотоплива в соответствии с европейским стандартом

Для проведения экспериментов были отобраны образцы опилка в соответствии с методикой, изложенной в параграфе 3.2.1 с различными размерами фракций: от 0 до 0,5 мм, от 0 до 1,0 мм и от 0 до 2,0 мм. В пределах каждой фракции были подготовлены пробы опилка с влажностью 5%, 10% и 15 %. С целью получения наиболее релевантных результатов для каждой пробы опилка было выполнено по три экспериментальных исследования, среднеарифметические значения измерений которых были использованы для получения результатов. Все эксперименты проводились при постоянной температуре прессования 20 С.

На рисунках 4.1, 4.2 и 4.3 представлены полученные графические зависимости коэффициента уплотняемости р/р0 от избыточного давления прессования р0 для древесной шихты из сосны, ели и березы.

Из представленных экспериментальных кривых видно, что зависимость коэффициента уплотняемости мелких древесных частиц носит логарифмический характер. Значительный рост коэффициента уплотняемости на исследованном фракционном материале наблюдается независимо от породы древесины до давления примерно в 20 МПа. При этом давлении прессования коэффициент уплотняемости достигает 6-7 единиц. Дальнейший рост давления прессования до 100 МПа увеличивает прирост коэффициента уплотняемости еще примерно на 1,5 единицы с меньшей интенсивностью.

Известно [160], плотность древесинного вещества, из которого состоит древесина, вследствие одинакового химического состава клеточных стенок для всех пород одинакова и равна 1,53 г/см . Древесная шихта в основном состоит из опилка или мелких древесных частиц, полученных путем дробления древесины в молотковых мельницах. Из-за особенностей строения древесины измельченные частицы, как правило, имеют удлиненные плоские или игольчатые формы. Перед началом прессования древесная шихта представляет собой рыхлый порошок с пустотами между частицами древесины.