Введение
Комплексная и эффективная переработка всей заготавливаемой фитомассы древесины, включая кроновую часть и, в ряде случаев, пнево-корневую древесину, а также низкокачественную и низкотоварную древесину, повышает эффективность лесного комплекса в целом [1, 2].
Выращивание лесных плантаций энергетического назначения (топливных плантаций) широко распространено в мире, и в ближайшее время ожидается распространение этой практики и в Российской Федерации [3-6].
Одним из наиболее распространенных видов топлива из древесины являются топливные брикеты, которые могут иметь достаточно широкий спектр применения, включая лесные терминалы (непостоянные лесопромышленные склады) [7-10].
Теории и практике брикетирования измельченного древесного сырья посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных исследователей. Подробный анализ актуального состояния вопроса в области теории брикетирования отходов лесопереработки выполнен в [12], результаты теоретических исследований в области использования гидравлических прессов для брикетирования обсуждаются в [13]. В работе [14] представлена математическая модель прессования брикета из измельченных древесных материалов с учетом изменения физико-механических свойств сырья в процессе уплотнения; приведены зависимости, позволяющие обосновать давление прессования, требующееся для формирования брикета с плотностью свыше 1 г/см3. В исследованиях [15, 16] представлены математические модели, позволяющие учесть влияние реологических свойств брикетируемого сырья и скорости прессования на силовые показатели процесса. В работе [17] приводятся разработки по моделированию влияния формы брикета на давление и скорость прессования с учетом реологических свойств сырья; рассчитываются показатели процесса получения брикетов округлой формы.
В исследованиях зарубежных ученых приводятся результаты экспериментов в области производства брикетов и пеллет [18, 19]. Представляют интерес экспериментальные исследования в области изучения влияния параметров обработки сырья на показатели качества топливных брикетов [20-22].
Но подавляющее большинство известных публикаций по данному вопросу посвящено подготовке древесной массы к брикетированию и различным аспектам прессования при производстве топливных брикетов на стационарном оборудовании и получении высокоплотных брикетов.
Материалы и методы
Настоящее исследование выполнено в рамках научной школы «Инновационные разработки в области лесозаготовительной промышленности и лесного хозяйства» и ориентировано на брикетирование лесосечных отходов в условиях лесного терминала, в связи с чем непосредственно прессование брикета изучали как составную часть процесса, реализуемого установкой, схема которой представлена на рис. 1.
Рисунок 1. Установка брикетирования измельченных отходов: 1 - ленточный транспортер; 2 - бункер;
3 - дозатор; 4 - конус; 5 - пуансон; 6 - шток гидроцилиндра; 7 - гидроцилиндр; 8 - рама пресса;
9 - гидростанция; 10 - маслопровод; 11 - матрица;
12 - электроцилиндр; 13 - камера охлаждения;
14 - вентилятор; 15 - транспортер к газогенератору;
17 - топливный брикет; 18 - пульт управления; 19 - упор; 20 - пружины; 21 - топливный брикет
Figure 2. Installation for briquetting crushed waste: 1 - belt conveyor; 2 - hopper; 3 - dispenser; 4 - cone; 5 - punch;
6 - hydraulic cylinder rod; 7 - hydraulic cylinder; 8 - press frame; 9 - hydro station; 10 - oil line; 11 - matrix;
12 - electric cylinder; 13-cooling chamber; 14 - fan; 15 - conveyor to the gas generator; 17 - fuel briquette; 18 - control panel; 19 - stop; 20 - pru - gins; 21-fuel briquette
Источник: собственная композиция авторов
Source: author’s composition
Установка работает следующим образом. Горячая щепа транспортером 1 поступает в бункер 2 и далее в дозатор 3. Дозированное количество щепы (700 г) поступает в пресс-конус 4, где включается первый гидроцилиндр 7 и телескопический пуансон 5 прессует щепу в матрицу 11, где происходит формообразование брикета с диаметром 90 мм и высотой 100 мм. В таком положении происходит выдержка в течение 20 с. После этого давление в гидроцилиндре плавно снижается до атмосферного. Пружины 20 отделяют матрицу 11 от пресс-конуса 4 и упора 13, включается электроцилиндр (механотронный модуль) 12, который перемещает матрицу 11 с брикетом 21 к камере охлаждения 13 длиной 300 мм. Включением второго гидроцилиндра 7 брикет 21 заталкивается в камеру охлаждения 13, которая за счет вентилятора 14 обдувается холодным воздухом, забираемым с улицы. За счет этого цилиндрическая поверхность брикета охлаждается и, начиная с четвертого хода поршня, брикет 17 свободно выпадает из камеры охлаждения и падает на ленточный транспортер 15, идущий к газогенератору. Через 2-3 мин брикет попадает в топку газогенератора и обеспечивает равномерное выделение тепла при горении. Установка брикетирования позволяет использовать практически весь диапазон древесных частиц, получаемых на рубительных машинах различного класса, а также повысить равномерность и скорость выделения газов в газогенераторе.
Непосредственно прессование брикетов производилось на механотронном модуле, элементы которого представлены на рис. 2–4. На рис. 2 представлен механотронный модуль без прессующего конуса и матрицы, на рис. 3 – конус и матрица в сборе, на рис. 4 – конус с дозой щепы и матрица с запрессованным брикетом.
Рисунок 2. Механотронный модуль прессования брикетов: 1 – электроцилиндр; 2 – пресс-форма;
3 – крышка прессформы, 4 – механизм фиксации крышки с пресс-формой; 5 – пуансон
Figure 2. Mechanotron module for pressing briquettes:
1 – electric cylinder; 2 – mold; 3 – preform cover,
4 – mechanism for fixing the lid with the mold; 5– punch
Источник: собственная композиция авторов
Source: author’s composition
Технические характеристики установки приведены в табл. 1.
Получение брикетов происходило следующим образом. Щепа различной влажности, размеров и температуры помещалась в конус, установленный на матрице.
Количество щепы колебалось от 500 г до 800 г, что соответствовало плотности брикета 500-800 кг/м3.
Т а б л и ц а 1
Технические характеристики установки
брикетирования
T a b l e 1
Technical characteristics of the briquetting plant
|
№ |
Наименования показателя | Indicator names |
Размерность | Dimension |
Значения | Values |
|
1 |
Размеры (длина) древесных частиц, | Dimensions (length) of wood particles min max |
мм | mm мм | mm |
3 30 |
|
2 |
Влажность частиц | Particle humidity |
% |
15-25 |
|
3 |
Порода древесины | Wood type |
сосна, осина, ель, береза | pine, aspen, spruce, birch |
|
|
4 |
Содержание зелени, не более | Green content, no more than |
% |
20 |
|
5 |
Размеры брикета: | Briquette dimensions диаметр | diameter Высота | Height |
мм |mm |
90 100 |
|
6 |
Масса брикета | Briquette weight |
кг | kg |
0.7 |
|
7 |
Плотность брикета | Briquette density |
кг/м3 | kg/m3 |
750-800 |
|
8 |
Усиление гидроцилиндра | Hydraulic cylinder reinforcement |
т | t |
50 |
|
9 |
Габариты установки | Installation dimensions Длина | Length Ширина | Width Высота | Height |
м | m м | m м | m |
4 1.6 1.4 |
|
10 |
Масса установки | Installation weight |
т | t |
2.9 |
|
11 |
Производительность установки | Installation performance |
кг/ч |kg/h |
56 |
Рисунок 3. Узлы прессования механотронного модуля:
1 – прессующий конус; 2 – матрица; 3 – прессформа
Figure 3. Pressing units of the vacuum tube module:
1 – pressing cone; 2 – die; 3 – mold
Источник: собственная композиция авторов
Source: author’s composition
Рисунок 4. Прессующий конус и матрица
с древесиной: 1 – конус; 2 – щепа; 3 – матрица;
4 – прессованный брикет
Figure 4. Pressing cone and die with wood: 1 – cone;
2 – wood chips; 3 – matrix; 4 – pressed briquette
Источник: собственная композиция авторов
Source: author’s composition
При этом усилие электроцилиндра развивалось в интервале 12-25 т, что соответствовало удельному давлению 20-45 МПа. Конец штока электроцилиндра снабжен телескопическим пуансоном, который менял свой диаметр от 140 до 90 мм. Конус с приемником укладывались в пресс-форму, крышка закрывалась, и шток электроцилиндра проталкивал щепу в приемнике, формируя брикет высотой 100 мм и диаметром 90 мм. Обратным движением штока брикет в матрице извлекался из пресс-формы и проходил кондиционирование, а в пресс-форму устанавливался конус с новым приемником, и операция повторялась.
Используемая в экспериментах щепа состояла на 80 % из древесины сосны и на 20 % из древесины березы. Состав сырья принимали постоянным: это щепа без фракционирования размерами длина 3-30 мм, ширина 1-15 мм, толщина 1-10 мм. Допускалось включение 1-3 % опилок. Влажность щепы задавалась параметрами сушильной камеры, для экспериментов принят диапазон от 5 до 30 %.
При проведении исследований ориентировались на плотность брикета в диапазоне 500-1000 кг/м3, для чего массу прессуемой щепы принимали 500 г, 600 г, 700 г, 800 г.
Температура щепы, выходящей из сушилки, составляет 80-90 °С, в процессе прессования температура составляла 80±5 °С.
Время выдержки в пресс-форме определяется конструкцией установки и в экспериментах исследовалось в диапазоне от 20 с до 12 мин. В качестве индикатора процесса определялась распрессовка брикета после выталкивания его из матрицы. Поскольку увеличение диаметра брикета незначительное (0,5-1 мм), то контролировалось изменение его высоты.
Плотность и влажность брикетов определялась по ГОСТ 16483.1-84 и ГОСТ 16483.7-71 сразу после выпрессовки из матрицы.
Число наблюдений в опытах подбирали таким образом, чтобы обеспечить оценки критериев воспроизводимости опытов и адекватности математических моделей при мощности 0,05, что является общепринятым для исследований в области брикетирования растительного сырья.
Результаты и обсуждение
Давление прессования связано с конечной плотностью брикета и, в меньшей степени, с влажностью и температурой сырья. Средние результаты экспериментальных замеров (по 3 наблюдениям) представлены на рис. 5.
В результате пересчета экспериментальных данных получим оценку взаимосвязи напряжения сжатия и относительной деформации материала брикета (рис. 6).
Экспериментальные данные практически точно описываются степенными функциями
, (1)
где σ – сжимающее напряжение, ε – относительная деформация сжатия, числовые значения коэффициентов a, b представлены в табл. 2.
Высота брикета, т.е. размер в направлении прессования, является определяющей величиной, влияющей на его стабильность.
Рисунок 5. Взаимосвязь давления прессования и плотности брикета в матрице: 1 - влажность 10 %, температура 20 °С; 2 - влажность 10 %, температура 100 °С; 3 - влажность 15 %, температура 20 °С;
4 - влажность 15 %, температура 100 °С; 5 - влажность 20 %, температура 20 °С; 6 - влажность 20 %, температура 100 °С
Figure 5. The relationship between the pressing pressure and the density of the briquette in the matrix: 1 - humidity 10 %, temperature 20 °C; 2 - humidity 10%, temperature 100 °C;
3 - humidity 15%, temperature 20 °C; 4 - humidity 15%, temperature 100 °C; 5 - humidity 20%, temperature 20 °C;
6 - humidity 20%, temperature 100 °C
Источник: собственные измерения авторов
Source: authors ' own measurements
После выпрессовки брикета в нем срабатывают упругие силы и его высота со 100 мм увеличивается до 115-120 мм для плотности 500, 600 и 700 кг/м3.
Обработка опытных данных показала, что с точностью, достаточной для практических расчетов, функция распрессовки брикетов по времени может быть представлена экспоненциальной зависимостью
, (2)
параметры которой представлены в табл. 2.
Рисунок 6. Взаимосвязь напряжения сжатия и относительной деформации материала брикета в матрице: 1 – влажность 10 %, температура 20 °С;
2 – влажность 10 %, температура 80 °С; 3 – влажность 15 %, температура 20 °С; 4 – влажность 15 %, температура 80 °С; 5 – влажность 20 %, температура 20 °С; 6 – влажность 20 %, температура 80 °С
Figure 6. The relationship between the compression stress and the relative deformation of the briquette material in the matrix: 1 - humidity 10%, temperature 20 °C; 2 - humidity 10%, temperature 80 °C; 3 - humidity 15%, temperature 20 °C; 4 - humidity 15%, temperature 80 °C; 5 - humidity 20%, temperature 20 °C; 6 - humidity 20%, temperature 80 °C
Источник: собственные измерения авторов
Source: authors ' own measurements
Т а б л и ц а 2
Результаты аппроксимации экспериментальных данных
T a b l e 2
Results of experimental data approximation
|
W, % |
T |
a |
b |
α |
β |
|
10 |
20 |
116.03 |
3.1078 |
0.6975 |
-0.003 |
|
10 |
80 |
105.13 |
3.1863 |
0.6961 |
-0.005 |
|
15 |
20 |
83.192 |
3.1064 |
0.6916 |
-0.01 |
|
15 |
80 |
69.98 |
3.1178 |
0.6832 |
-0.012 |
|
20 |
20 |
60.009 |
3.1239 |
- |
- |
|
20 |
80 |
46.716 |
3.1362 |
- |
- |
в таблице обозначено: W – абсолютная влажность, T – температура брикетируемого сырья, a, b – значения коэффициентов в формуле (1), α, β – значения коэффициентов в формуле (2)
Восстановление размеров по высоте брикетов проиллюстрировано рис. 7, 8.
Рисунок 7. Изменение высоты брикетов при хранении:
1 – 5 мин; 2 – 0,5 ч; 3 – 2 ч; 4 – 24 ч (брикеты получены при влажности 10 %, температуре 80 °С, времени выдержки в матрице 12 мин)
Figure 7. Change in the height of the briquettes during storage: 1 - 5 min; 2 - 0.5 h; 3 - 2 h; 4 - 24 h (briquettes were obtained at a humidity of 10%, a temperature of 80 °C, a holding time in the matrix of 12 min)
Источник: собственная композиция авторов
Source: author’s composition
Рисунок 8. Увеличение высоты брикетов в зависимости от времени хранения: 1 - влажность 15 %, температура 20 °С; 2 - влажность 15 %, температура 80 °С;
3 - влажность 10 %, температура 20 °С; 4 - влажность 10 %, температура 80 °С
Figure 8. Increasing the height of the briquettes depending on the storage time: 1 - humidity 15%, temperature 20 °C;
2 - humidity 15%, temperature 80 °C; 3 - humidity 10%, temperature 20 °C; 4 - humidity 10%, temperature 80 °C
Источник: собственные измерения авторов
Source: authors ' own measurements
Таким образом, распрессовка брикетов, связанная с изменением деформации относительно брикета, еще не извлеченного из матрицы, представляется зависимостями, проиллюстрированными на рис. 9.
Рисунок 9. Распрессовка брикетов в зависимости от времени хранения: 1 - влажность 10 %, температура 20 °С; 2 - влажность 10 %, температура 80 °С;
3 - влажность 15 %, температура 20 °С; 4 - влажность 15 %, температура 80 °С
Figure 9. Pressing of briquettes depending on the storage time: 1 - humidity 10%, temperature 20 °C; 2 - humidity 10%, temperature 80 °C; 3 - humidity 15%, temperature 20 °C; 4 - humidity 15%, temperature 80 °C
Источник: собственные измерения авторов
Source: authors' own measurements
Выводы
Обработка опытных данных показала, что с точностью, достаточной для практических расчетов, функция распрессовки брикетов по времени может быть представлена экспоненциальной зависимостью
, (2)
параметры которой представлены в табл. 2.
Дальнейшая обработка опытных данных позволила описать взаимосвязь напряжения сжатия при прессовании и деформации в виде многопараметрической функции
(3)
Кроме того, в результате обработки экспериментальных данных могут быть получены сведения о соотношении параметров реологической модели прессуемого сырья. При использовании реологической модели с параллельным соединением упругого и вязкого элемента на стадии восстановления формы относительная деформация пропорциональна величине (Eд – модуль деформации, η – вязкость), структура данной формулы аналогична функции (2).
Результаты экспериментов и их обработки будут использованы при реализации теоретической модели прессования измельченного древесного сырья на лесных терминалах.
