Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Общие сведения о запасах древесины и образующихся при ее
переработке древесных отходов 10
1.2 Основные направления использования древесных отходов. 13
1.3 Строение и свойства древесной коры 15
1.4 Подготовка древесной коры для технологического использования 20
1.5 Применение древесной коры для получения тепловой энергии 24
1.5.1. Прямое сжигание коры 26
1.5.2 Брикетирование древесной коры 29
1.5.3 Изготовление топливных гранул из древесных отходов
1.6. Процесс термомодификации древесной коры 35
1.7. Цель и задачи исследования 37
2. Математическая модель процесса прессования термомодифицированной древесной коры в пресс грануляторах барабанного типа 40
2.1. Анализ технологического процесса прессования термомодифицированной древесной коры 40
2.2 Расчетная схема математической модели процесса прессования в клиновом зазоре 43
2.3 Определение крутящего момента прессовочного ролика на участке А – В прессования шихты из древесной коры 45
2.4 Определение крутящего момента прессовочного ролика на участке формования и выталкивания гранулы из древесной коры В – С 52
2.5 Определение крутящего момента прессовочного ролика на участке упругого восстановления спрессованного слоя из древесной коры C – D. 53
2.6 Определение мощности привода прессовочного ролика 55
2.7 Определение производительности прессовочного ролика 58
2.8 Вывод 59
3. Экспериментальная база и методика проведения экспериментальных исследований 61
3.1 Механическое измельчение древесной коры сосны и березы 62
3.2 Отбор проб и подготовка материала для процесса термомодификации 64
3.3 Экспериментальная установка для термомодификации древесной коры 66
3.4 Проведение разведывательных опытов 67
3.5 Исследование процесса термомодификации и измельчения древесной коры. 68
3.6 Определение характеристик термомодифицированной древесной коры 71
3.6.1 Определение элементного состава древесной коры 71
3.6.2 Сорбционные свойства термомодифицированной древесной коры 72
3.6.3 Определение зольности древесной коры
3.7 Определения теплотворной способности древесной коры 74
3.8 Подготовка проб термомодифицированной древесной коры к гранулированию 77
3.9 Методика проведения опытов по гранулированию термомодифицированной биомассы древесной коры 77
3.10 Экспериментальная установка для исследования процесса прессования термомодифицированной древесной коры 81
4. Анализ результатов экспериментальных исследований 84
4.1 Сравнительные результаты процесса механического измельчения древесной коры березы и сосны 84
4.2 Термомодификация сосновой и березовой коры 87
4.3 Результаты исследования характеристик термомодифицированной древесной коры
4.3.1 Элементный состав древесной коры 90
4.3.2 Сорбционные свойства термомодифицированной древесной коры 92
4.3.3 Зольность натуральной и термомодифицированной древесной коры 94
4.4 Результаты исследования процесса термомодификации березовой коры 96
4.5 Теплотворная способность натуральной и термомодифицированной древесной коры 104
4.6 Результаты исследования процесса гранулирования термомодифицированной древесной коры 105
4.7 Выводы 113
5. Технологический процесс переработки древесной коры в высокопотенциальное древесное топливо 115
Основные выводы и рекомендации 118
Список литературы 120
- Применение древесной коры для получения тепловой энергии
- Определение крутящего момента прессовочного ролика на участке А – В прессования шихты из древесной коры
- Отбор проб и подготовка материала для процесса термомодификации
- Термомодификация сосновой и березовой коры
Применение древесной коры для получения тепловой энергии
Свойства древесины напрямую связаны с ее анатомическим строением. Строение коры существенно отличается от строения древесины. Кора покрывает ствол дерева снаружи и состоит из двух слоев: внутреннего лубяного, непосредственно прилегающего к камбию, и наружного пробкового, или корки [7].
Показатель объема коры в дереве зависит от породы, от условий произрастания и возраста дерева.
Исследования процесса формирования коры проводились в разные годы древесиноведами Сосуновым П.П., Симоновым М.Н., Житковым А.В., Гелес И.С., Мелехом М.В., Клеманским Ю.М., Коржовой М.А., Левкиной Г.М., Никитиным В.М., Цывиным М.М., Соловьевым В.М. и другими.
Кора, как отмечено выше, имеет две зоны: луб и корку. Луб выполняет проводящую, механическую и запасающую функции. Проводящую функцию выполняют ситовидные клетки, характерные для коры хвойных пород. Ширина ситовидных клеток коры сосны (по данным И.С.Гелеса) 29…50 мкм, длина 2,5…2,9 мм. Механическую функцию выполняют лубяные волокна. У хвойных пород их очень мало, а у сосны вообще нет. Повышенное содержание лубяных волокон у коры лиственных пород обеспечивают механическую прочность древесной коры. Запасающую функцию выполняют паренхимные клетки. Корка состоит из пробковых клеток и участка отмершего луба. У березы корка представлена только пробковыми клетками, которые имеют форму многогранников, вытянутых вдоль оси стебля и сплюснутых в радиальном направлении [93]. Строение древесной коры существенно влияет на процесс механического измельчения. Вытянутые клетки березовой корки затрудняют измельчение коры до гомогенного состояния в отличие от ситовидных клеток сосновой коры. Волокнистую структуру элементов очень сложно преобразовать в мелкую фракцию. Высокая механическая прочность затрудняет процесс механического измельчения древесной коры на малоразмерные частицы. Резание и измельчение волокнистых материалов, к которым относится кора березы, затруднено из-за особенностей элементарного процесса резания. На это обращено внимание некоторых исследователей (Зыков Ф.И. и др.)
Свойства древесного материала, влияющие на топливные
характеристики, оцениваются по химическому составу, влажности, твердости, теплоте сгорания, количеству твердого углерода, летучих веществ, по содержанию золы, количеству загрязняющих веществ [55].
Основные исследования по свойствам, составу древесной коры, а так же по подготовке коры к использованию в качестве топлива проведены Цывиным М.М. [100]
Состав коры включает: целлюлозу от 10 до 30%, пентозаны от 7 до 15%, гексозаны от 6 до 16%, лигнин от 27 до 33%, экстрактивные вещества от 14 до 30%. Изучением состава коры и древесины различных пород занимались В.И. Шарков, В.Н. Калнина, Н.И. Никитин, В.С. Муромцева и др. (таблица 1.4, 1.5) [75], но в количественной оценке содержания отдельных компонентов имеются разногласия, которые возникают из-за различий в схемах и методах анализа.
Как показывает анализ таблиц 1.4 и 1.5 кора содержит больше лигнина и золы, количество же целлюлозы значительно меньше, чем в древесине. Кора хвойных и лиственных пород имеет различную структуру, что вызвано особенностями ее анатомического строения, отличающегося от древесины. Как отмечено выше высокую механическую прочность березовой коры обеспечивают лубяные волокна. У хвойных пород кора имеет пористую структуру, она быстро накапливает и хорошо удерживает влагу, поэтому процессы ее биоразложения при утилизации происходят быстрее, чем у кусковых и мягких древесных отходов. У представителя лиственных пород березы строение и состав коры отличается от хвойных значительным содержанием суберина (до 40%), для сравнения в корке сосны и ели – 1,2 и 2,8 % соответственно, обладающим низкими водо-, газопроницаемостью, теплопроводностью, и бетулина, обладающего бактерицидными антисептическими свойствами, что замедляет ее биоразложение при естественной утилизации на свалках [91]. По этим причинам решение проблемы утилизации березовой коры складированием неэффективно и экологически не оправдано. Древесная кора содержит значительное количество воды, необходимое для ее нормальной жизнедеятельности. Исследованиями влажности коры в свежесрубленном состоянии занимался Н.Л. Леонтьев [63]. Были определены вариационные коэффициенты для сосновой коры – 34%, березовой – 16%, еловой – 19%. Исходя из представленных выше данных можно сделать вывод, что большой вариационный коэффициент у коры сосны объясняется сильно развитым слоем корки.
В результате проведенного анализа имеющихся характеристик физических свойств коры следует, что они часто противоречивы и требуют уточнения. Однако изучение свойств древесной коры необходимо для эффективного применения коры во вторичном производстве и исходя из полученных результатов, разработка технологии ее подготовки для производства энергоемкого продукта. Основной характеристикой такого продукта является теплотворная способность, чем обладает древесная кора и древесина. Под этим параметром понимают количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицы массы топлива. С увеличением влажности теплотворная способность топлива понижается (таблица 1.6).
Определение крутящего момента прессовочного ролика на участке А – В прессования шихты из древесной коры
Для производства гранул из древесной коры используется принцип формования гранул, заключающийся в продавливании сырья из древесной коры при помощи одного или нескольких прижимных валков через перфорированные поверхности. Наибольшее распространение получили пресс-грануляторы для формования гранул цилиндрическими бегунами с продавливанием массы из древесной коры через поверхность перфорирован f %»
Рисунок 2.1 – Схема пресс-гранулятора с барабанной матрицей 1 – исходная масса из древесной коры; 2 – прижимные ролики; 3 – перфорированная матрица; 4 – ножи; 5 – гранулы из древесной коры ного барабана вращающимися прижимными роликами (прессы с барабанной матрицей) рисунок 2.1. Перфорации представляют собой цилиндрические фильеры матрицы. Спрессованные гранулы из древесной коры в виде непрерывных цилиндрических стержней выходят из отверстий фильер в матрицы и срезаются ножами на фрагменты определенной длины.
После охлаждения гранулы из древесной коры должны обладать высокой теплотворной способностью, высокой насыпной плотностью и низкой истираемостью (массовая доля мелкой фракции, которая образуются при разрушении гранул из древесной коры в процессе их хранения и транспортировки) при минимальном уровне энергозатрат на их производство.
Нетрудно видеть, что достижение качественных показателей гранул из термомодифицированной древесной коры во многом зависит от величины давления прессования. С другой стороны с увеличением давления прессования увеличиваются удельные энергетические расходы на гранулирование гомогенной массы коры. В тоже время геометрические параметры и формы матрицы, фильер и роликов существенно влияют на развиваемое давление прессования и расход энергии. В этих условиях невозможно оптимизировать конструктивные и технологические параметры производства гранул из древесной коры без наличия полномасштабной математической модели, учитывающей основные процессы, происходящие при прессовании древесных гранул.
Рассмотрим технологический процесс прессования древесной шихты в клиновом зазоре между внутренней перфорированной цилиндрической поверхности матрицы радиуса и наружной цилиндрической поверхностью прессовочного ролика (рисунок 2.1). Прессовочные ролики расположены на расстоянии от оси цилиндрической матрицы. Наружная цилиндрическая поверхность прессовочных роликов конструктивно образует зазор с внутренней цилиндрической поверхностью матрицы толщиной Это ведт к тому, что при работе прессовочного узла на внутренней поверхности матрицы образуется коаксиальный ей цилиндрический слой спрессованной шихты из древесной коры толщиной где величина упругого деформирования спрессованного слоя из древесной коры, которая может быть определена по зависимости: ( ) здесь: давление формования и продавливания через фильеру матрицы гранулы из древесной коры; модуль упругости спрессованной при давлении шихты из древесной коры. При запуске в работу пресс-гранулятора во внутреннюю полость цилиндрической матрицы поступает шихта из древесной коры с насыпной плотностью . Она распределяется на внутренней цилиндрической поверхности матрицы некоторым слоем и за счт сил трения приходит во вращение вместе с матрицей. При прохождении шихты из древесной коры через клиновой зазор между прессовочным роликом и матрицей толщина клинового зазора, а, следовательно, и толщина слоя шихты из древесной коры уменьшается по мере приближения к вершине клинового зазора, достигая своего минимального значения . После прохождения минимального конструктивного зазора расстояние между цилиндрическими поверхностями матрицы и прессовочного ролика увеличивается, вследствие чего спрессованный древесный слой упруго расширяется до толщины а избыточное давление в древесном слое снижается до нуля.
При каждом прохождении прессовочного ролика над входным отверстием фильеры матрицы часть уплотненной массы из спрессованного слоя древесной коры под действием давления ролика будет выдавливаться в фильеру матрицы. Выдавленная в фильеру спрессованная масса из древесной коры за счет сил трения и деформационных сил создает противодавление силам давления прессовочного ролика, вследствие чего с каждым новым проходом прессовочного ролика давление прессования и давление проталкивания спрессованной массы из древесной коры, а, следовательно, и плотность гранулы из древесной коры, увеличивается. Это будет происходить до тех пор, пока давление прессования в клиновом зазоре и давление формирования и проталкивания готовой гранулы из древесной коры через фильеру не сравняются. После этого наступает стационарный рабочий режим работы пресс-гранулятора.
Из проведенного анализа следует, что процесс прессования шихты из древесной коры в клиновом зазоре между цилиндрическими поверхностями прессовочного ролика и матрицы при производстве гранул из древесной коры можно условно разбить на три последовательных этапа: - этап повышения кажущейся плотности шихты из древесной коры (постоянство массы при переменном объме); - этап выпрессовки гранулы из древесной коры (постоянство удельного объема при переменной массе); - этап упругого восстановления спрессованного слоя из древесной коры.
Отбор проб и подготовка материала для процесса термомодификации
Исследование свойств древесной коры проводилось для использования ее в качестве сырья в различных отраслях промышленности, однако применение ее в производстве древесного биотоплива практически не рассматривалось. Проведенные в первой главе исследования процесса термомодификации древесины показали повышение энергоэффективности гранул. Недостаточное количество информации о механизме процесса термомодификации измельченной древесной коры подтверждает необходимость изучения влияния размерного и породного состава древесной коры на термические показатели процесса горения. Однако сходство химического состава древесины и древесной коры дает основание предположить, что модель процесса термомодификации древесины применима к коре.
В связи с этим принята математическая модель процесса термомодификации древесины для проведения экспериментальных исследований по изучению процесса горения термомодифицированного материала из древесной коры хвойных и лиственных пород, которая решают задачи: - определение оптимальных параметров процесса термомодификации в зависимости от влияющих на них факторов, - определение влияния размерного и породного состава коры на характеристики материала после процесса термомодификации, - определение и обоснование параметров процесса получения гранул из древесной коры. Основным показателем процесса термомодификации является полезный массовый выход материала, поэтому целью исследования является определение изменения исследуемых факторов, в пределах которых выход термомодифицированного материала будет оптимальным.
Выход термомодифицированной древесной коры принимается как среднеарифметическое значение всех проб одного эксперимента. Проведение разведывательных и основных опытов предполагает в первом случае определение граничных условий изменения заданных параметров, в пределах которых возможен оптимальный выход нормализованного термомодифицированного материала. При прессовании термомодифицированной древесной коры основное влияние на процесс оказывает давление формирования и проталкивания через фильеру матрицы. Равномерность процесса обеспечивается равенством давления прессования и проталкивания материала. Для соблюдения данного условия определяются конструктивные значения фильеры матрицы (длина проходного канала)
Для определения варьирования уровней и сочетаний переменных факторов, выполнили планирование экспериментов [80].
Для измельчения коры березы применялась молотковая мельница «Борей». Лабораторная мельница комплектуется ситом с круглыми отверстиями, диаметром 0,8 мм, что позволяет получать при размоле мелкодисперсный продукт, со стабильным размером частиц. Для получения частиц большего размера применяется сито с диаметром отверстий 1,2 мм. Однако крупные отходы перед размолом необходимо предварительно измельчить до величины не более 12 мм, что сильно затрудняет процесс измельчения березовой коры.
Объем емкости для размолотого образца составляет 1,4 литра. Данный объем исключает возможность переполнения и позволяет размалывать образцы весом до 500 г. Это позволяет использовать полученный продукт для нескольких анализов.
В мельнице существует система тепловой защиты от перегрузок, которая выключает электродвигатель при его остановке в процессе размола (примерно через 20 сек). Повторное включение реле после срабатывания тепловой защиты осуществляется в автоматическом режиме.
В мельнице «Борей» применена система вибро- и шумоизоляции, что позволяет при значительной мощности и производительности комфортно работать на ней на протяжении рабочей смены.
Лабораторная мельница «Борей» (рисунок 3.1), состоит из корпуса 1, внутри которого находится электродвигатель, связанный с размольным устройством ременной передачей. На корпусе закреплена размольная камера с калиброванным ситом. Камера закрывается дверцей 2 при помощи ручки 5. На дверце размольной камеры расположена приемная воронка 3 для засыпки материала и ручка управления дозирующей заслонкой 4. С правой стороны корпуса находится циклон 6 с воздушным фильтром 10, емкость для размолотого образца 7, которая крепится к циклону фиксатором 8.
Лабораторная мельница относится к молотковым мельницам циклонного типа. Принцип работы мельницы основан на измельчении продукта, вращающимися на высокой скорости молотками. Продукт подается в мельницу через загрузочную воронку, равномерная подача обеспечивается специальной дозирующей заслонкой. При подаче материала в дозаторе мельницы образуется воздушно-древесная смесь, которая поступает в размольную камеру. После измельчения, пройдя через сито, она попадает в циклон. Измельченный продукт отделяется от воздуха в циклоне и собирается в специальную съемную емкость. После прекращения подачи материала, проходящий через дозатор поток воздуха обеспечивает самоочищение дозатора и размольной камеры мельницы. Окончательная очистка воздуха осуществляется с помощью матерчатого фильтра, установленного на выходе из циклона.
Термомодификация сосновой и березовой коры
За основу принят процесс производства топливных гранул из древесных опилок. Существенным недостатком процесса является невозможность механического измельчения коры березы, обладающей своеобразной структурой и особыми физико-механическими свойствами по сравнению с древесиной до требуемой фракции, что делает невозможным формирование гранул. Устранение этого недостатка может быть достигнуто поиском и разработкой нового технического решения. Для этого нами в стандартную технологию введена новая операция термомодификации коры березы с целью трансформации ее физико-механических характеристик (хрупкость и прочность). При этом получается новый термомодифицированный органический продукт, обладающий повышенной энергоэффективностью, достигаемой путем его науглероживания в высокотемпературной инертной среде при термомодификации. Разработаны режимы термомодификации коры березы: температура проведения процесса 250оС, продолжительность 120…160 мин при любой начальной влажности исходного материала.
После термомодификации измельчение полученного материала может быть осуществлено на стандартном оборудовании базового технологического процесса – мельнице, с получением гомонизированной шихты, из которой формируются гранулы в пресс-грануляторе.
При формировании гранул из термомодифицированной шихты давление прессования принимается с учетом влажности, геометрических параметров матрицы и величиной коэффициента , учитывающим модуль упругости сформированной гранулы.
Общий вид участка переработки коры березы в высокопотенциальное экологичное топливо путем предварительной термомодификации и последующего измельчения и гранулирования представлена на рисунке 5.1.
Принципиальная технологическая схема процесса переработки коры березы в высокопотенциальное органическое топливо: 1 – накопитель древесной коры, 2 – реактор для термомодификации древесной коры, 3 – камера охлаждения термомодифицированной древесной коры, 4 – мельница, 5 – участок сортировки 6 – накопитель термомодифицированной шихты, 7 – камера кондиционирования, 8 – пресс-гранулятор барабанного типа, 9 – камера охлаждения гранул, 10 – участок упаковки и складирования, 11 – возврат отсева. Технологический процесс производства топливных гранул из коры березы осуществляется следующим образом:
Сырье в виде кусковых отходов коры березы естественной влажности поступает в накопитель 1, из которого загружается объемными частями в реактор 2, в котором при температуре 250оС в инертной среде происходит термомодификация коры березы. В результате получается продукт, обладающий новыми свойствами. Полученный в результате термической обработки продукт, представляющий собой науглероженную массу, которая подается в камеру 3 для охлаждения нового термомодифицированного материала без доступа кислорода во избежание возгорания. Охлажденный модифицированный материал поступает для измельчения в молотковую мельницу 4, где приводится в гомогенное однородное состояние в виде шихты. На участке сортировки 5 обеспечивается отбор фракционного состава для производства гранул из термомодифицированной шихты.
Некондиционные фрагменты материала возвращаются в мельницу для повторного измельчения. Полученная шихта из измельченных до требуемого размера частиц термомодифицированной коры березы подается в камеру кондиционирования 7, где термомодифицированный материал нагревают до температуры 150…180оС для размягчения находящегося в нем лигнина, который является связующим веществом при гранулировании шихты. Шихту обрабатывают насыщенным паром до технологической влажности 20…30%. Некорректное кондиционирование может привести к снижению прочностных свойств готовых гранул. Увлажненная шихта из коры березы подается в пресс-гранулятор барабанного типа 8, где осуществляется прессование и формирование гранул, приобретающих при этом гидрофобность, что способствует их сохранности. Спрессованные гранулы охлаждают в камере 9. В процессе охлаждения снижается влажность и повышается механическая прочность гранул. Готовые термомодифицированные гранулы поступают на участок упаковки и складирования 10, где могут храниться без ограничения времени в условиях повышенной влажности. Применение предложенной технологии позволяет перерабатывать березовую кору в энергоэффективное экологичное топливо и решить проблему ее полной утилизации.