Содержание к диссертации
Введение
Глава I Анализ технологий производства зерновых культур и использование незерновой части урожая 8
1.1 Способы использования соломы в сельском хозяйстве 8
1.2 Использование излишков соломы на несельскохозяйственные цели 19
1.3 Применение соломы в качестве материала для сельскохозяйственного строительства 26
1.4 Выводы и классификация способов использования соломы 32
1.5 Цель и задачи исследования 34
Глава 2 Теоретические предпосылки определения параметров установки для получения утеплительных плит из соломы 35
2.1 Энергосбережение при производстве зерновых культур...35
2.2 Выбор уровней варьирования факторов при планировании эксперимента 38
2.3. Определение коэффициентов подобия для промышленной установки 51
Выводы по второй главе 56
Глава 3 Методика экспериментального исследования 58
3.1 Программа исследований 58
3.2 Описание экспериментальной установки для производства утеплительных плит из соломы зерновых культур 61
3.3 Методика определения теплопроводности образцов 68
3.4 Методика определения прочности образцов 71
Глава 4 Результаты экспериментального исследования 73
4.1 Исследование зависимости прочности и коэффициента теплопроводности соломенных брикетов от температуры нагрева, усилия прессования, времени выдержки и влажности 73
4.2 Влияние температуры нагрева, усилия прессования и времени выдержки на прочность плит из соломы 75
4.3 Влияние температуры нагрева, усилия прессования и времени выдержки на теплопроводность плит из соломы 82
4.4 Выбор оптимальных параметров для производства утеплительных плит из соломы зерновых культур 89
Выводы по четвертой главе 91
Глава 5 Разработка схемы технологического процесса и технико-экономическая оценка эффективности производства утеплительных плит из соломы зерновых культур 92
5.1 Технологическая линия для производства утеплительных плит из соломы зерновых культур 92
5.2. Экономическая оценка эффективности технологического процесса производства утеплительных плит из соломы зерновых культур 96
Общие выводы и рекомендации производству 104
Список использованной литературы 107
Приложения 118
- Использование излишков соломы на несельскохозяйственные цели
- Выбор уровней варьирования факторов при планировании эксперимента
- Описание экспериментальной установки для производства утеплительных плит из соломы зерновых культур
- Влияние температуры нагрева, усилия прессования и времени выдержки на прочность плит из соломы
Введение к работе
Центральное место в сельском хозяйстве занимает растениеводство, а именно производство зерновых культур. Зерновые обеспечивают большую часть возрастающей потребности населения в пище (около 88% энергии человек получает из растений в виде углеводов, белков, жиров и около 80%) витаминов, минеральных солей и других физиологически незаменимых веществ). В целом растительные продукты составляют 93 % рациона человека, около 80% побочной биомассы растений участвуют в формировании плодородия почвы. Растения способны синтезировать в процессе фотосинтеза биологически ценные вещества, используя для этого практически неограниченные энергетические и сырьевые ресурсы природной среды (солнечную радиацию, СОг, азот, кислород, воду, минеральные вещества и др.) [79].
Побочным продуктом производства зерна является солома. Объем соломы в среднем по сортам и культурам в полтора раза больше объема зерна. Раньше практически весь объем соломы использовался сельскохозяйственными производителями на свои нужды. Главной причиной появления излишков соломы стало использование нефти и природного газа. Лошади, волы и буйволы, которые во всем мире веками являлись источниками энергии для сельского хозяйства, были вытеснены двигателями внутреннего сгорания. Солома больше стала не нужна для подстилки или кормления получивших отставку тягловых животных. В то же время работники сельского хозяйства всего мира убедились, что «синтетические» удобрения, в особенности азот, производимые главным образом посредством химических процессов, энергию для которых дают минеральные углеводороды, — привлекательный и эффективный заменитель навоза. После второй мировой войны эти удобрения в большинстве крупных районов зерносеяния вытеснили навоз, став главным средством поддержания плодородия почвы. Скот, который держали в районах земледелия главным
5 образом для того, чтобы получать навоз, стал многим работникам сельского хозяйства в этих районах не нужен. Даже там, где он оставался, использовали мало соломы для подстилки, потому что труд крестьян, необходимый для работы с подстилочным навозом, подорожал [72].
Одновременно с резким сокращением использования соломы для кормления животных и подстилки сокращалось ее использование и для других целей. Солому теперь гораздо реже, чем раньше, используют для покрытия крыш, для плетения корзин или упаковочной тары, не говоря уже о других традиционных способах ее использования. Стало обычным оставлять ее на поле либо в виде высокой стерни, либо там, где ее сбросит комбайн.
В результате улучшения сортов и использования нефтепродуктов стали получать большие урожаи зерна и соломы. Солому, на которую приходится около половины сухого вещества урожая, стали рассматривать по большей части как нежелательную. Ежегодно возобновляющийся источник энергии теряется, в то время как расходуются ограниченные запасы ископаемых углеводородов, как утверждают некоторые [118] расточительно.
Из вышесказанного следует, что необходимы технологии, позволяющие получать из соломы топливо для промышленных и бытовых нужд, строительные материалы, утеплители и учитывая, что в соломе содержится целлюлоза, получение низкосортной бумаги, картона и другой подобной продукции.
Поэтому исследование процесса изготовления утеплительных плит несомненно актуальная задача.
Цель работы
Разработка технологии использования соломы зерновых культур в качестве утеплителя путем горячего прессования.
Объект исследования
Процесс горячего прессования соломы зерновых культур.
Научная новизна - исследован процесс прессования соломы с применением нагрева;
теоретически обоснована прочность утеплительных плит изготовленных из соломы в зависимости от их теплопроводности;
обоснованы оптимальные параметры температуры нагрева, усилия прессования и времени выдержки при производстве утеплительных плит из соломы.
Практическая значимость
разработан способ производства утеплительных плит из соломы зерновых культур (патент РФ № 2220043);
разработана технологическая схема производства утеплительных плит из соломы зерновых культур;
обоснована экологически чистая технология, позволяющая за счет использования соломы повысить эффективность производства зерновых культур.
На защиту выносятся
обоснование возможности использования соломы в качестве сырья для производства утеплительных плит;
теоретические исследования технологического процесса прессования соломы;
экспериментальные исследования и рекомендации по выбору рациональных параметров технологического процесса получения утеплительных плит из соломы.
Реализация результатов исследования
результаты диссертационной работы приняты к внедрению в ФГУП учхоз-племзавод «Комсомолец» Мичуринского государственного аграрного университета [Приложение А];
лабораторная установка внедрена в учебном процессе Мичуринского государственного аграрного университета. Аналитические и экспериментальные исследования включены в курсы лекций и лабораторных занятий по дисциплине: «Основы
7 проектирования и строительства перерабатывающих предприятий» [Приложение А].
Апробация работы
Основные положения и результаты исследований диссертационной работы были доложены и одобрены на юбилейной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов Мичуринского государственного аграрного университета посвященной 70-летию университета, г. Мичуринск 2001г.; Международной научно практической конференции молодых ученых и специалистов «Аграрная наука в начале XXI века» г. Воронеж 2002г.; 54 научной конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Рязанской государственной сельскохозяйственной академии имени профессора Костычева П.А., г. Рязань 2003г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано четыре печатные работы, в том числе патент на изобретение.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка
использованной литературы и приложений. Работа изложена на 137
страницах, содержит 52 рисунка, 8 таблиц, 9 приложений. Список
использованной литературы включает 122 наименования, из них 28 на
Л иностранном языке.
Автор выражает благодарность первому руководителю безвременно ушедшему из жизни профессору Кондратьеву Владимиру Яковлевичу.
%
Использование излишков соломы на несельскохозяйственные цели
Примерно до XIII века большая часть записей в Европе велась на листах, изготовленных из папируса и пергамента (из телячьих и овечьих кож). Технология производства бумаги была известна в Китае много веков назад, но только в XIV веке она была принята в Европе. С XIV века вдоль рек было построено много мелких бумажных фабрик, работающих от мельничных колес, которые зачастую в течение нескольких месяцев работали и как мельницы; они перерабатывали на бумагу главным образом тряпье, хлопок и некоторые растительные волокна, включая солому. В XV веке после изобретения книгопечатания спрос на бумагу значительно увеличился. В XVIII веке спрос на бумагу для печатания книг и газет возрос очень сильно, но бумажное производство оставалось мелким ремесленным производством, причем каждый, даже небольшой лист изготовляли вручную до начала XIX века, пока промышленность начала производить бумагу в гораздо больших масштабах, чтобы удовлетворить спрос на нее при использовании новых ротационных машин. Стали применять новые материалы, включая солому, но потом древесная целлюлоза заняла доминирующее положение.
В Англии есть сообщения [120] об использовании соломы для бумажного производства еще в 1800 году, когда одна книга была напечатана на бумаге, изготовленной Матиасом Купсом на фабрике, находившейся в Лондоне между Вестминстерским мостом и Милбенком. Фабрикант на книге написал: «...Так как не может быть сомнения, что хорошую и полезную бумагу можно изготовлять из одной соломы, я считаю своим долгом подарить ее своему милостивейшему монарху Георгу III... на бумаге, впервые сделанной из соломы».
Признано, что прогнозирование тенденций спроса на бумагу затруднительно. Но есть признаки, что мировой спрос на бумагу снова начинает возрастать, и не подлежит сомнению, что в будущем десятилетии произойдет дальнейшее значительное увеличение спроса на бумагу и картон.
Выход фибрового картона из соломы высок, по данным Майлса [108, 109, ПО], он составляет 80 массовых процентов. Главным недостатком производства фибрового картона и бумаги является высокая стоимость связующего клея или смолы, и данная продукция до сих пор не нашла широкого применения из-за конкуренции с картоном и бумагой из древесины.
Очень остро стоит в настоящее время проблема отходности целлюлозно-бумажных комбинатов. Многотонные отходы этих предприятий складируются, занимая большие площади и отрицательно воздействуя на окружающую среду [89].
Наиболее остро в настоящее время стоит проблема утилизации лигнина и шламов.
Основными методами борьбы с отходами являются их сжигание либо переработка с целью получения полезных продуктов. Факторами ограничивающими возможность термической утилизации отходов являются высокая загрязнённость, низкая температура плавления некоторых отходов, наличие крупногабаритных включений и значительных колебаний насыпной плотности сжигаемых отходов. Переработка отходов бумажных фабрик эффективна с точки зрения экологии, но убыточна по экономическим показателям.
По имеющимся оценкам, общая энергия 1 кг достаточно сухой для горения соломы составляет около 18 мегаджоулей (МДж). Однако в соломе после уборки всегда есть влага, и теплота, расходуемая на испарение этой влаги, уменьшает чистый выход энергии из этого материала. Например, при влажности 16% общую энергию нужно уменьшить на 2,26 МДж/кг и чистая энергия составит около 15,75 МДж/кг. В опытах, проведенных в США [104], было измерено, что пшеничная солома при влажности около 7 % содержит около 7000 британских тепловых единиц на фунт, что эквивалентно 16,25 МДж/кг. Это примерно вдвое меньше, чем в угольном брикете той же массы, и втрое меньше, чем в дизельном топливе.
Содержание энергии в остатках урожая изучалось и в других частях США. Так, в Миннесоте было подсчитано [95], что на средней ферме общее потребление энергии составляет примерно 4,5 млн. МДж в год, тогда как в остатках урожая содержится около 40 млн. МДж.
В Дании [114] определенное количество соломы, в соответствии с согласованными контрактами, поставляется на котельные и ТЭЦ для производства энергии (рисунок 1.2).
Ученые Канзасского университета [104] занимались поиском альтернативных источников энергии для местных муниципальных электростанций, потому что снабжение природным газом и нефтью стало более дорогим и менее надежным. Они нашли, что издержки на сбор соломы в радиусе около 64 км составляют от 1,8 до 2,5 долларов на 1000 МДж, так что солома может почти конкурировать с нефтью и газом. Однако при этом не учитывалась плата работникам сельского хозяйства за солому, и предполагалось, что солома будет сжигаться в бойлерах нового типа. Пока что солома остается неэкономичной как топливо, но она может стать экономичной, если ископаемое горючее станет более дорогим.
Выбор уровней варьирования факторов при планировании эксперимента
Проведенные лабораторные исследования показали, что при производстве утеплительных плит из соломы зерновых культур их прочность и теплопроводность имеют линейную зависимость от температуры нагрева, усилия прессования и времени выдержки в изучаемом диапазоне.
Наиболее значимым фактором при производстве плит является температура нагрева. В результате анализа полученных в ходе опытов данных, построена зависимость прочности и теплопроводности плит от температуры нагрева (рисунок 4.18) из которой следует, что оптимальными параметрами для производства утеплительных плит из соломы зерновых культур по предложенной технологии являются: - температура нагревательных плит пресса -160С; - усилие прессования - 1000кН/м2; - время выдержки в прессе - 8минут. При таких параметрах технологического процесса плиты будут иметь следующие свойства: - прочность- 1,44Мпа; - коэффициент теплопроводности 0,096Вт/мК Для разработки технологии выбрали наиболее распространенный способы уборки соломы: подбор из валка и прессование в рулоны (01500мм, ширина 1400мм). На рисунке 5.2 представлена технологическая схема производства утеплительных плит от подбора соломы на поле до готовой продукции. Солома из валка подбирается прессподборщиком ПРП - 1,6, агрегатируемым с трактором МТЗ - 80. Оставшиеся на поле рулоны, загружают в автомобиль ГАЗ - 53, с помощью погрузчика ПТ-Ф - 500, который навешивается на трактор МТЗ - 80. Далее рулоны доставляются к месту производства плит.
Рулоны укладывают на разматывающий, подающий транспортер. Исходные данные для проектирования и общий вид транспортера показан в приложении К. Рама подъемной площадки 11 (рисунок К.1) поднимает рулон соломы и опирает его на опорные ролики транспортера 5. При включении электродвигателя 9 транспортерная лента приводится в движение, а установленные на ней шипы разматывают рулон и падают солому в приемный лоток 3. С помощью нагнетательного барабана 2 определенные порции соломы попадаются в модифицированный гидравлический пресс П474А (рисунок К.2).
На прессе через швеллер 2 (рисунок К.2) закреплены две нагревательные плиты 3. Нижняя оснащена направляющей плитой 5 и защитным кожухом 4. На верхней плите закреплена заслонка 1, которая при необходимости обрезает излишки соломы. Заслонка 6 предназначена для выгрузки готовых утеплительных плит. Для подающего устройства и пресса произведен прочностной расчет согласно [8-Ю]. Общий вид пресса представлен на рисунке К.2.
При прессовании соломы включают нагревательные плиты. Вследствие нагревания соломы происходит выделение лигнина, за счет чего отдельные соломинки склеиваются между собой. Затем нагревательные плиты отключают и извлекают готовые соломенные плиты. Плиты укладывают в штабеля и транспортируют на склад готовой продукции.
Преимущество данного способа, в отличие от аналогов состоит в том, что не производится энергоемкого процесса измельчения соломы. За счет этого при прессовании целая солома переплетается и увеличивается прочность получаемых утеплительных плит. Отпадает необходимость в оклеивании плит бумагой.
Описание экспериментальной установки для производства утеплительных плит из соломы зерновых культур
1. Анализ обзорного материала показал, что объем соломы по массе сухого вещества в полтора раза превышает объем производства зерна. Из всей массы соломы только 18 - 20% находит рациональное использование. Установлено, что из всего многообразия способов использования излишков соломы наиболее эффективным является — производство утеплительных плит для помещений сельскохозяйственного назначения. Проведенные исследования показали, что на процесс производства утеплительных плит из соломы зерновых культур влияют следующие факторы: температура нагревательных плит пресса; усилие прессования; время выдержки в прессе. 2. Теоретически исследовано и экспериментально проверено, что зависимость прочности от усилия прессования на участке от 1000 до 1600 кН/м является линейной и имеет следующий вид: 3. Экспериментальными исследованиями получена зависимость изменения прочности утеплительных плит от температуры нагрева, усилия прессования и времени выдержки под давлением имеющая линейный характер: где уі - прочность соломенной плиты; Хі - температура нагрева, Хг -усилие прессования и хз - время выдержки под давлением. Оптимальными параметрами для производства утеплительных плит из соломы зерновых культур по предложенной технологии являются: температура нагревательных плит пресса - 160С; усилие прессования - ЮООкН/м ; время выдержки в прессе - 8 минут. 4. Зависимость коэффициента теплопроводности утеплительных плит из соломы от температуры нагрева, усилия прессования и времени выдержки под давлением имеет линейный характер и описывается следующим уравнением: где Xi - температура нагрева, х2 - усилие прессования и х3 - время выдержки под давлением. Наибольшее влияние оказывает температура нагрева. 5. Разработанная технология позволяет получать утеплительные плиты из соломы со следующими показателями: размер плит 1000x500x50мм, прочность плит от 0,74 до 1,74Мпа, коэффициент теплопроводности от 0,080 до 0,096Вт/м-К. 6. Энергетические затраты на производство утеплительных плит из соломы составляют примерно 1200МДж/т. В денежном выражении (по ценам на 2004 г.) себестоимость производства одной утеплительной плиты составляет 10,75руб. (0,83руб/кг). Энергозатраты на производство керамзита, который в данный момент является наиболее распространенным утеплителем, составляют примерно 3000МДж/т. В денежном выражении 2,08руб/кг. Таким образом, разница в энергетических затратах между получением плит из рулонов соломы и производством керамзита составила 1800МДж/т. или 1,25руб/кг. Экономическая оценка данной технологии показывает ее эффективность и целесообразность применения в сельскохозяйственном производстве. 7. Наиболее целесообразно применение плит для утепления потолочных перекрытий с последующей гидроизоляцией и нанесением стяжки из бетона, а также стен каркасных зданий. Рекомендуется для утепления складских и других помещений сельскохозяйственного назначения. Разработанная технология принята для внедрения в ФГУП учхоз-племзавод «Комсомолец» Мичуринского государственного аграрного университета.
Влияние температуры нагрева, усилия прессования и времени выдержки на прочность плит из соломы
Примерно до XIII века большая часть записей в Европе велась на листах, изготовленных из папируса и пергамента (из телячьих и овечьих кож). Технология производства бумаги была известна в Китае много веков назад, но только в XIV веке она была принята в Европе. С XIV века вдоль рек было построено много мелких бумажных фабрик, работающих от мельничных колес, которые зачастую в течение нескольких месяцев работали и как мельницы; они перерабатывали на бумагу главным образом тряпье, хлопок и некоторые растительные волокна, включая солому. В XV веке после изобретения книгопечатания спрос на бумагу значительно увеличился. В XVIII веке спрос на бумагу для печатания книг и газет возрос очень сильно, но бумажное производство оставалось мелким ремесленным производством, причем каждый, даже небольшой лист изготовляли вручную до начала XIX века, пока промышленность начала производить бумагу в гораздо больших масштабах, чтобы удовлетворить спрос на нее при использовании новых ротационных машин. Стали применять новые материалы, включая солому, но потом древесная целлюлоза заняла доминирующее положение.
В Англии есть сообщения [120] об использовании соломы для бумажного производства еще в 1800 году, когда одна книга была напечатана на бумаге, изготовленной Матиасом Купсом на фабрике, находившейся в Лондоне между Вестминстерским мостом и Милбенком. Фабрикант на книге написал: «...Так как не может быть сомнения, что хорошую и полезную бумагу можно изготовлять из одной соломы, я считаю своим долгом подарить ее своему милостивейшему монарху Георгу III... на бумаге, впервые сделанной из соломы».
Признано, что прогнозирование тенденций спроса на бумагу затруднительно. Но есть признаки, что мировой спрос на бумагу снова начинает возрастать, и не подлежит сомнению, что в будущем десятилетии произойдет дальнейшее значительное увеличение спроса на бумагу и картон.
Выход фибрового картона из соломы высок, по данным Майлса [108, 109, ПО], он составляет 80 массовых процентов. Главным недостатком производства фибрового картона и бумаги является высокая стоимость связующего клея или смолы, и данная продукция до сих пор не нашла широкого применения из-за конкуренции с картоном и бумагой из древесины.
Очень остро стоит в настоящее время проблема отходности целлюлозно-бумажных комбинатов. Многотонные отходы этих предприятий складируются, занимая большие площади и отрицательно воздействуя на окружающую среду [89]. Наиболее остро в настоящее время стоит проблема утилизации лигнина и шламов.
Основными методами борьбы с отходами являются их сжигание либо переработка с целью получения полезных продуктов. Факторами ограничивающими возможность термической утилизации отходов являются высокая загрязнённость, низкая температура плавления некоторых отходов, наличие крупногабаритных включений и значительных колебаний насыпной плотности сжигаемых отходов. Переработка отходов бумажных фабрик эффективна с точки зрения экологии, но убыточна по экономическим показателям.
По имеющимся оценкам, общая энергия 1 кг достаточно сухой для горения соломы составляет около 18 мегаджоулей (МДж). Однако в соломе после уборки всегда есть влага, и теплота, расходуемая на испарение этой влаги, уменьшает чистый выход энергии из этого материала. Например, при влажности 16% общую энергию нужно уменьшить на 2,26 МДж/кг и чистая энергия составит около 15,75 МДж/кг. В опытах, проведенных в США [104], было измерено, что пшеничная солома при влажности около 7 % содержит около 7000 британских тепловых единиц на фунт, что эквивалентно 16,25 МДж/кг. Это примерно вдвое меньше, чем в угольном брикете той же массы, и втрое меньше, чем в дизельном топливе.
Содержание энергии в остатках урожая изучалось и в других частях США. Так, в Миннесоте было подсчитано [95], что на средней ферме общее потребление энергии составляет примерно 4,5 млн. МДж в год, тогда как в остатках урожая содержится около 40 млн. МДж.
В Дании [114] определенное количество соломы, в соответствии с согласованными контрактами, поставляется на котельные и ТЭЦ для производства энергии (рисунок 1.2).
Ученые Канзасского университета [104] занимались поиском альтернативных источников энергии для местных муниципальных электростанций, потому что снабжение природным газом и нефтью стало более дорогим и менее надежным. Они нашли, что издержки на сбор соломы в радиусе около 64 км составляют от 1,8 до 2,5 долларов на 1000 МДж, так что солома может почти конкурировать с нефтью и газом. Однако при этом не учитывалась плата работникам сельского хозяйства за солому, и предполагалось, что солома будет сжигаться в бойлерах нового типа. Пока что солома остается неэкономичной как топливо, но она может стать экономичной, если ископаемое горючее станет более дорогим.
