ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА СУШИЛКИ СБ-2 ООО «ДОЗА-АГРО» В СОСТАВЕ ЛИНИЙ ПРОИЗВОДСТВА ТОПЛИВНЫХ ПЕЛЛЕТ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Технологии безотходной переработки древесины обусловлены экономическими и экологическими аспектами. Одним из этапов таких технологий является переработка древесных отходов в топливные пеллеты, для производства которых используются соответствующие линии, которые включают большое количество различных машин. В статье приведены результаты исследований рабочего процесса сушилки СБ-2 производства ООО «Доза-Агро», входящей в состав данных линий, представлена ее схема и описан принцип работы, дана оценка эффективности рабочего процесса сушилки в зависимости от параметров исходного сырья.Исследование рабочего процесса сушильного барабана проводилось в условиях хозяйств ИП Кабанов, ИП Братчиков, ООО «Пенза-Пеллет», ООО «Тольятинскийпеллетный завод, ООО «Промлесилим», ООО «Маслянинский ЛПХ», ООО «Эколеспром», ООО «Брянский бройлер», ООО «Тандем ВП». Определялось влияние влажности исходного сырья, температуры исходного сырья и размера частиц исходного сырья. Размер частиц оценивался площадью их поверхности. Эффективность работы сушилки оценивали ее производительностью, выраженной в процентном соотношении от максимально возможной и полученной при оптимальных условиях. После обработки статистической информации получена модель регрессии второго порядка, характеризующая процесс сушки дробленого материала в сушилке СБ-2. Выявлено, что наибольшее влияние на рабочий процесс сушилки СБ-2 оказывает влажность исходного сырья. Процесс сушки дробленого древесного материала отличается от процесса сушки стружки, а именно наименьшее влияние на производительность сушилки при сушке дробленого материала оказывает его температура, а при сушке стружки ‒ ее размеры.

Ключевые слова:
древесные отходы, пеллеты, производительность сушилки, стружка, сушка
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

Введение.

РФ занимает ведущее место по запасам лесных ресурсов. Преимуществом древесины, как источника энергии, отличающим ее от ископаемых энергоресурсов, является возобновляемость. Кроме того наличие регионов, отдаленных от мест добычи ископаемого топлива, приводит к значительным затратам на его доставку потребителям, что обосновывает актуальность древесного топлива как источника энергии. Несмотря на то, что вопросы биоэнергии по мнению C. Gamborg, K. Millar, O. Shortall, P. Sandoe. вызывают вопросы этики, отходы лесопромышленного комплекса являются одним из наиболее дешевых энергоресурсов [15]. Отходы образуются как на этапе лесозаготовки, так и при переработке древесины [14]. К отходам лесозаготовки относят ветви и вершины деревьев, древесная зелень, щепа, кора и пни, при лесопереработке в качестве отходов образуются опилки, щепа, стружка, горбыли. K.K.Gokmenoglu, G.O. Olasehinde-Williams, N. Taspinar в своих исследованиях показали, что проблемы экологического характера достаточно эффективно решаются государствами путем введения различных субсидий, снижения налоговой нагрузки организациям, которые занимаются облесением и лесонасаждением [16]. Объем отходов только при лесозаготовке составляет до 39%, что делает перспективной разработку современных технологий по производству топлива из отходов лесопромышленного комплекса. [7, 8]

Тепловой эффект сгорания древесного топлива имеет высокие значения и несколько различается в зависимости от породы дерева, региона произрастания и части дерева. В среднем теплотворная способность лиственных пород ниже, чем у хвойных, что объясняется меньшим содержанием лигнина и смолистых веществ. При этом высокой теплотой сгорания обладает как древесная часть, так и кора [8].

При отсутствии переработки большой объем древесных отходов, вывозимый на свалки и отвалы, создает неблагоприятную экологическую обстановку, а также повышенную пожароопасность, т.к. в процессе гниения древесины происходит выделение легковоспламеняемых органических соединений и выделение большого количества теплоты. Об экологичности использования древесных отходов в качестве топлива также свидетельствует более низкое количество парниковых газов, образующихся при их сжигании, по сравнению с использованием в качестве топлива каменного угля или мазута. Кроме того, объемы углекислого газа, образующегося при сжигании и естественном окислении древесной массы при гниении, не отличаются [2, 9].

Использование древесных отходов в качестве топлива может осуществляться разными способами: прямое сжигание коры, кусковых отходов, щепы и стружки, производство прессованного древесного топлива (пеллеты, брикеты), термохимическое производство газообразного и жидкого топлива [11].

Прямое сжигание древесных отходов имеет ряд недостатков. Чтобы сжигание было эффективным, необходимо приведение древесного материала к достаточно равномерному гранулометрическому составу, обеспечивающему равномерный его контакт с воздухом. Необработанные древесные отходы могут содержать в себе достаточно большое количество влаги, что снижает их теплотворную способность. Транспортировка древесных отходов является дорогостоящей, поэтому их прямое сжигание целесообразно только для обеспечения работы лесоперерабатывающего комплекса или на малоотдаленном от него предприятии [9].

В основе производства топливных брикетов и гранул лежит прессование предварительно измельченного сырья при нагревании. Компонентом, склеивающим частицы измельченных древесных отходов, является лигнин, содержащийся в древесине. Прессованное топливо имеет равномерный гранулометрический состав, низкое содержание влаги, что обеспечивает высокую теплотворность. Производство прессованного топлива позволяет снизить затраты на транспортировку и хранение по сравнению с необработанными древесными отходами. Технологическая схема производства пеллет содержит следующие структурные элементы: первичная обработка древесины, кондиционирование, прессование, охлаждение и просеивание. Первичная обработка включает предварительное измельчение древесных отходов, сушку и доизмельчение до необходимого размера [7, 9].Основной статьей энергозатрат при производстве пеллет являются затраты на сушку. Оптимальное содержание влаги в подготовленном сырье должно составлять 6–12 %. Большее содержание влаги может способствовать поражению древесных гранул грибком и гниению. Кроме того, при увеличении влажности уменьшается плотность пеллет, а испарение излишней влаги при хранении способствует к появлению микротрещин и, как следствие, к крошимости гранул [1, 9].Сушка древесного материала заключается в испарении свободной и связанной влаги с поверхности и из объема материала. При этом энегрозатраты на процесс сушки на прямую зависят от ее продолжительности и расхода теплоносителя. В работе [4] показано, что для древесных опилок увеличение расхода теплоносителя не приводит к сокращению времени сушки, аследовательно, является нерациональным. Целесообразна разработка конструкций сушильных установок с рециркуляцией сушильного агента, что позволит повысить их экономическую эффективность за счет снижения тепловых потерь и уменьшения количества сжигаемого топлива. В работах [1, 12] показана целесообразность применения нестационарного режима сушки с промежуточным нагревом и охлаждением. Однако данный вопрос является недостаточно изученным, т.к. не существует достоверной модели неизотермического тепломассообмена в древесине, относящейся к капиллярно-пористым телам. При этом следует отметить, что градиент температуры может оказать как ускоряющий, так и тормозящий эффект на влагоудаление, следовательно, необходимо особое внимание уделять разработке режима сушки [3].

Для реализации процесса сушки древесного материала разработано большое количество сушилок различной конструкции. В силу высокой стоимости и сложности конструкций радиометрические, кондуктивные, диэлектрические и вакуумные сушильные установки не получили широкого распространения. Для сушки могут быть использованы камерные и ленточные сушильные установки, сушки в кипящем слое, сушильные установки вихревого типа. Широкое распространение получили барабанные сушилки. Одной из причин повышенных энергозатрат барабанной сушилки является неэффективный теплообмен между теплоносителем и материалом, причиной которого может служить неравномерное распределение сыпучего материала по сечению барабана и наличие зоны не закрытой завесой падающего материала, и, как следствие, снижение количества теплоносителя, проходящего через осушаемый материал. Для устранения данного недостатка необходимо усовершенствование конструкции внутреннего устройства барабанной сушилки (лопаток) [10, 13]. На основании существующих барабанных сушилок с учетом недостатков в их конструкции ООО «Доза-Агро» разработан трехпроходный сушильный барабан СБ-2. Главным оценочным критерием рабочего процесса разработанного сушильного барабана является его производительность, которая во многом определяется параметрами высушиваемого материала. Поэтому целью работы является выявление закономерности производительности трехпроходного сушильного барабана СБ-2для сушки древесных отходов от параметров исходного сырья.

Материалы и методы.

Нами проведено исследование по определению зависимости производительности трехпроходного сушильного барабана СБ-2 от параметров исходного сырья.  Сушильный барабан СБ-2входит в состав линий приготовления пеллет серий ТП-П, ТП-С и ЛС производства ООО «Доза-Агро» [6], состоит из установленного на раме 12 барабана 5, внутри которого смонтированы лопатки 6, предназначенные для перемещения и ворошения материала. Вращение барабана осуществляется с помощью приводного механизма 17 через приводную опору 14. Рабочий процесс осуществляется следующим образом.Материал, предназначенный для сушки, подается в загрузочное устройство, где контактирует с распределительными пластинами 1 и предварительно нагревается. Далее движение вдоль оси барабана и одновременная сушка материала происходит под действием горячего воздушного потока (агента сушки), создаваемого установленным после барабана вентилятором и нагреваемым в топочном блоке. Для интенсификации процесса сушки осуществляется перемешиваниематериала с горячим воздухом, которое происходит за счет перемещения материала по периферии барабана 5 под действием лопаток 6.

Исследование рабочего процесса сушильного барабана проводилось в условиях хозяйств ИП Кабанов, ИП Братчиков, ООО «Пенза-Пеллет», ООО «Тольятинскийпеллетный завод, ООО «Промлесилим», ООО «Маслянинский ЛПХ», ООО «Эколеспром», ООО «Брянский бройлер», ООО «Тандем ВП».

Определялось влияние влажности исходного сырья (изменялась от 30 до 50 % с шагом 10%), температуры исходного сырья (изменялась от -10 до +20 °С с шагом 15°С) и размера частиц исходного сырья. Размер частиц оценивался площадью их поверхности. За минимальное значение принимался опил размером 1´1´1 мм (площадь поверхности 6 мм2), за среднее значение ‒ дробленая щепа размером 10´5´2 мм (площадь поверхности 160 мм2), за максимальное ‒ щепа размером 10´10´3 мм (площадь поверхности 320 мм2). Эффективность работы сушилки оценивали ее производительностью, выраженной в процентном соотношении от максимально возможной и полученной при оптимальных условиях (таблица 1).

Отдельно необходимо выделить процесс сушки стружки. Образование стружки происходит нарезанием, а не дроблением, а ее толщина значительно меньше толщины щепы. Поэтому дополнительно проведено исследование по определению производительности сушилки при сушке стружки.

В качестве исходных данных также выступали влажность исходного сырья (изменялась от 30 до 50 % с шагом 10%), температура исходного сырья (изменялась от -10 до +20 °С с шагом 15°С) и размер частиц исходного сырья. Размер частиц изменялся на двух уровнях и оценивался площадью поверхности частицы. За минимальное значение принималась стружка с размерами 15×5×0,5мм (площадь поверхности 37,5 мм2), за максимальное ‒ стружка с размерами 25×25×0,5 мм (площадь поверхности 312,5 мм2). Рабочий процесс сушилки также оценивали ее производительностью, выраженной в процентном соотношении от максимально возможной и полученной при оптимальных условиях (таблица 2).

Обработка статистической информации т построение моделей регрессий, характеризующих влияние исследуемых факторов на производительность сушилки, проводилась методами планирования [5].

Результаты.

После обработки статистической информации по таблице 1 получена модель регрессии второго порядка (при 95%-ой доверительной вероятности), характеризующая процесс сушки дробленого материала в сушилке СБ-2:

(1)

Коэффициент детерминации уравнения (1) составляет 97,9%, что свидетельствует об адекватности модели и возможности ее использования при расчетах.

 

а

б

Рисунок 1 ‒ Сушильный барабан СБ-2: а ‒ трехмерная модель; б ‒ схема; 1 ‒ распределительные пластины загрузочного устройства; 2 ‒ аварийный отсекатель топочных газов; 3 ‒ датчик температуры на входе; 4 ‒ плавающий соединитель; 5 ‒ трехконтурной барабан; 6 ‒ лопатки барабана; 7 ‒ съемный бандаж; 8 ‒ опорные пластины; 9 ‒ упорная реборда; 10 ‒ взрыворазрядительный клапан; 11 ‒ датчик температуры на выходе; 12 ‒ рама опорная; 13 ‒ плавающий соединитель; 14 ‒ опора приводная; 15 ‒ опора пассивная; 16 ‒ теплоизоляция барабана; 17 ‒ приводной механизм

Таблица 1

 Влияние исследуемых параметров на производительность сушилки при сушке дробленого сырья

Номер опыта

Исследуемые факторы

Критерий оценки работы машины

Влажность исходного сырья

Температура исходного сырья

Площадь поверхности частицы сырья,

Производительность сушилки Qс, в % от максимальной

ненормированное значение

нормированное значение

ненормированное значение

нормированное значение

ненормированное значение

нормированное значение

W, %

х1

Т, °С

х2

Sп, мм2

х3

у

1

40

0

5

0

160

0

31,7

2

30

-1

-10

-1

160

0

49,4

3

50

+1

-10

-1

160

0

18,8

4

30

0

20

+1

160

0

65

5

50

+1

20

+1

160

0

24,7

6

30

-1

5

0

6

-1

84

7

50

+1

5

0

6

-1

31,9

8

40

0

5

0

160

0

31,7

9

30

-1

5

0

320

+1

54,6

10

50

+1

5

0

320

+1

17,6

11

40

0

-10

-1

6

-1

44,1

12

40

0

20

+1

6

-1

58

13

40

0

-10

-1

320

+1

14,5

14

40

0

20

+1

320

+1

19,1

15

40

0

5

0

160

0

31,7

Таблица 2

Влияние исследуемых параметров на производительность сушилки при сушке древесной стружки

Номер опыта

Исследуемые факторы

Критерий оценки работы машины

Влажность исходного сырья

Температура исходного сырья

Площадь поверхности частицы сырья,

Загруженность машины

ненормированное значение

нормированное значение

ненормированное значение

нормированное значение

ненормированное значение

нормированное значение

Производительность сушилки Qс, в % от максимальной

W, %

х1

Т, °С

х2

Sп, мм2

х3

у

1

30

-1,0

-10

-1,0

37,5

-1,0

64,6

2

40

0,0

-10

-1,0

37,5

-1,0

37,5

3

50

1,0

-10

-1,0

37,5

-1,0

21,7

4

30

-1,0

5

0,0

37,5

-1,0

71,4

5

40

0,0

5

0,0

37,5

-1,0

41,4

6

50

1,0

5

0,0

37,5

-1,0

27,1

7

30

-1,0

20

1,0

37,5

-1,0

85

8

40

0,0

20

1,0

37,5

-1,0

49,3

9

50

1,0

20

1,0

37,5

-1,0

32,3

10

30

-1,0

-10

-1,0

312,5

1,0

57

11

40

0,0

-10

-1,0

312,5

1,0

33,1

12

50

1,0

-10

-1,0

312,5

1,0

20,2

13

30

-1,0

5

0,0

312,5

1,0

63

14

40

0,0

5

0,0

312,5

1,0

36,5

15

50

1,0

5

0,0

312,5

1,0

23,9

16

30

-1,0

20

1,0

312,5

1,0

75

17

40

0,0

20

1,0

312,5

1,0

43,5

18

50

1,0

20

1,0

312,5

1,0

28,5

Рисунок 2 – Влияние на производительность сушилки СБ-2 влажности и температуры исходного сырья  при Sп = 175 мм2

 

Рисунок 3 – Влияние на производительность сушилки влажности и размеров частиц исходного сырья  при Т = 5°С

 

Рисунок 4 – Влияние на производительность сушилки температуры и размеров частиц исходного сырья при W = 40%

Рисунок 5 – Влияние на производительность сушилки влажности и температуры исходного сырья  при Sп =175 мм2

 

Рисунок 6 – Влияние на производительность сушилки влажности и размеров частиц исходного сырья  при T = 5°С

Рисунок 7 – Влияние на производительность сушилки температуры и размеров частиц исходного сырья при W = 40%

 

 

Наибольшее влияние на производительность сушилки оказывает фактор х1 (b1 = -20), в меньшей степени ‒ х3 (b3 = -14). Менее значимым из исследуемых факторов является фактор х2 ‒ температура исходного сырья. С целью повышения производительности сушилки необходимо стремиться снижать влажность и размеры частиц исходного сырья, а также проводить сушку при более высокой его температуре.

Для наглядности протекающего процесса приведены поверхности регрессии (рис.2-4). При снижении влажности с 50 до 30 % производительность сушилки возрастает в 2,6-3,7 раза в зависимости от температуры исходного сырья (рис. 2).

За счет уменьшения размеров частиц исходного сырья можно увеличить производительность сушилки на 70%, независимо от исходной влажности материала (рис. 3).

Максимальная производительность сушилки наблюдается при сушке опила размером 1´1´1 мм, с минимальной влажностью и максимальным значением его температуры. Наибольшее время сушки (а значит минимальная производительность сушилки) приходится при переработке щепы размером 30×30×5 мм, влажностью 55% и температурой -10°С.

Модель регрессии, описывающая процесс сушки древесной стружки, имеет вид (при 95%-ой доверительной вероятности):

         (2)

Коэффициент детерминации уравнения (2) составляет 99,6%, т.е. модель может быть признана адекватной модели. В наибольшей степени критерий оценки работы сушилки зависит от фактора х1 (b1 = -21,9): незначительное увеличение влажности исходного сырья ведет к резкому снижению производительности сушилки. В меньшей степени на критерий оптимизации влияет температура исходного сырья х2 (b2 = +6,6). С увеличением фактора х2 происходит рост производительности сушилки. Фактор х3 (размер стружки) в данном случае оказывает наименьшее влияние на производительность сушилки (b3 = -2,8). Повысить критерий у возможно за счет уменьшения размеров стружки.

На основании модели регрессии построены поверхности (рис. 5, 6 и 7).

Со снижением влажности исходного сырья с 50 до 30% наблюдается рост производительности сушилки в 2,8‒4,7 раза в зависимости от его температуры (рис. 5).

В зависимости от размеров стружки при снижении ее влажности в исследуемом диапазоне при фиксированном значении температуры также наблюдается рост производительности в 3,2-3,6 раза (рис. 6).

При фиксированной влажности за счет повышения температуры исходного сырья с -10 до +20°С можно увеличить производительность сушилки с 30 до 52% в зависимости от размеров стружки (рис. 7)

Для получения максимального эффекта необходимо стремиться проводить сушку стружки минимального размера с ее наименьшей влажностью и максимальной температурой.

Заключение. На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Наибольшее влияние на рабочий процесс сушилки СБ-2оказывает влажность исходного сырья ‒при ее увеличении с 30 до 50% в зависимости от вида сырья производительность сушилки падает в 2,6-4,7.

2. Процесс сушки дробленого древесного материала отличается от процесса сушки стружки, а именно наименьшее значение на производительность сушилки при сушке дробленого материала оказывает его температура, а при сушке стружки ‒ ее размеры.

3. Независимо от вида предварительной обработки исходного сырья максимально возможная производительность сушилки наблюдается при сушке материала минимальных размеров с минимальной влажностью и максимальной температурой.

4. Максимальная производительность сушилки, равная 100%, достигается при сушке опила размером 1×1×1 мм влажностью 30 % и температурой +20 °С.

5. При сушке стружки размером 15×5×0,5 мм влажностью 30 % и температурой +20 °С производительность сушилки составляет 85% от максимально возможной,при сушке стружки размером 25×25×0,5 мм ‒ 75%, щепы размером 10´5´2 мм ‒ 65%, щепы размером 10´10´3 мм ‒ 55%.

Список литературы

1. Ахмедьянова, Е. Н. Увеличение энергоэффективности установок сушки пеллет / Е. Н. Ахмедьянова // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2014. - №1-2. - Том 16. - С. 352-355.

2. Вакалюк Ю.В., Подольский И.И. Использование биотоплива на основе древесного сырья взамен каменного угля и мазута / Экология и промышленность России, 2011. - №10. - С. 24-27.

3. Гороховский, А.Г. Анализ процессов сушки древесины существенно неизотермическими режимами / А.Г. Гороховский, Е.Е. Шишкина, Е.В. Старова, А.А. Миков // Лесной журнал, 2018. - № 2. - С. 88-96.

4. Кодылев, А.В. Кинетика конвективной сушки сыпучих и дисперсных строительных материалов в сушильной установке с рекуперацией теплоносителя / А.В.Кодылев, А.Н.Лозинов, Р.А. Садыков // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета, 2016. - № 4(38). - С. 308-314.

5. Коновалов, В.В. Практикум по обработке результатов научных исследований с помощью ПЭВМ: учеб. Пособие / В.В. Коновалов; ПГСХА. - Пенза, 2003. - 176с.

6. Линии по производству топливных гранул и брикетов: [Электронный ресурс]. URL: https://www.dozagran.com/lines/. (Дата обращения: 01.10.2019).

7. Пономарева, Н. Г. Совершенствование технологии производства топливных гранул из древесной коры: специальность 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки»: автореф. дис. …канд. тех. Наук / Пономарева Наталья Геннадьевна; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова». - Архангельск, 2017. - 20 с.

8. Степанов, В. И. Отходы лесной промышленности и их использование в национальном хозяйстве / В. И. Степанов, Н. А. Мезина // Вестник Российского Экономического Университета им. Г.В. Плеханова, 2012. -№3(45). - С. 83-88.

9. Севастьянова, С.Н. Биоэнергетика. Древесные (топливные) гранулы / С.Н. Севастьянова // Вестник оренбургского государственного университета. - 2009. - №10(104) . - С. 133-138.

10. Субботин, М. Ю. Обоснование конструктивных параметров барабанных сушилок физико-механическими свойствами сыпучих материалов / М. Ю. Субботин //Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2014. - № 12. - С. 218-223.

11. Суханов, В. С. Роль биоэнергетики в повышении эффективности лесопромышленного комплекса / В. С. Суханов // Деревообрабатывающая промышленность. - 2010. - №1. - С. 2-5.

12. Федоренко, И.Я. Повышение эффективности работы барабанных сушилок / И.Я. Федоренко, В.И. Лобанов, А.В. Синогейкин. // Вестник Алтайского государственного аграрного университета, 2007. - № 12 (38). - С. 46-48.

13. Храмов, А.Н. Повышение эффективности сушки сыпучих материалов за счет интенсификации конвективного теплообмена / А.Н. Храмов, М.Ю. Субботин. // Вестник Иркутского государственного технического университета, 2014. - № 6(89). - С. 161-165.

14. Carle, J. Wood from planted forests: a global outlook 2005-2030/ J Carle, P Holmgren //Forest Products Journal. - 2008; 58(12):6-18.

15. Gamborg, C. Bioenergy and Land Use: Framing the Ethical Debate / C. Gamborg, K. Millar, O. Shortall, P. Sandoe. //Journal of Agricultural and Environmental Ethics. - 2012. -Volume 25. -Issue 6. - pp 909-925.

16. Gokmenoglu, K.K. (2019) Testing the Environmental Kuznets Curve Hypothesis: The Role of Deforestation. In: Shahbaz M., Balsalobre D. (eds) / K.K.Gokmenoglu, G.O. Olasehinde-Williams, N. Taspinar // Energy and Environmental Strategies in the Era of Globalization. Green Energy and Technology. Springer. - Cham. 2019. - pp 61-83.


Войти или Создать
* Забыли пароль?