Russian Federation
Petrozavodsk, Russian Federation
Voronezh, Voronezh, Russian Federation
VAC 05.21.00 Технология, машины и оборудование лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева
About 100 million m3 of timber waste is generated at forest terminals in the Russian Federation, with a harvesting volume of about 500 million m3 of timber. Waste generated at the terminal can be used to produce generator gas, but this requires preliminary preparation of the raw materials. A homogeneous structure of raw materials is recommended for the efficient use of gas generating plants. It can be achieved, for example, by briquetting the waste after it has been crushed. At the same time, the process of briquetting waste at forest terminals will differ from briquetting in the conditions of specialized enterprises. Timber terminals, which are temporary warehouses for timber, usually do not have a centralized electricity connection. The use of internal combustion engines as power plants significantly increases the cost of the woodworking process, since the cost of fuel is quite high, and the efficiency of internal combustion engines is much lower than that of electric motors. In this regard, the search for the most optimal mobile power plants for power supply of forest terminals is a very urgent task. It is preferable to use lighter presses at terminals, since the requirements for density and strength of briquettes for gas-fired plants are lower than for biofuels intended for sale. Known studies are focused mainly on the production of fuel briquettes sold to third-party consumers with a density of more than 1000 kg/m3. The strength is sufficient at a density of briquettes up to 800 kg/m3 for feeding briquettes into gas generating plants. The deformation characteristics of the compacted material will be different in the indicated density range. It requires further experimental studies
forest terminals, power supply, logging waste, briquetting of chopped wood
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.
1. Grigorev I., Shadrin A., Katkov S. (et al.) Russian sawmill modernization (a case study). Part 2: improving the efficiency of wood chipping operations. International Wood Products Journal. 2021. DOI:https://doi.org/10.1080/20426445.2020.1871276.
2. Grigorev I., Ivanov V., Khitrov E., Kalistratov A., Bozhbov V. New approach for forest production stocktaking based on energy cost . 14th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2014. Sofia, 2014. pp. 407-414.
3. Tambi A.A., Morkovina S.S., Grigor'ev I.V., Grigor'ev V.I. Razvitie cirkulyarnoy ekonomiki v Rossii: rynok biotopliva. Lesotehnicheskiy zhurnal. 2019. T. 9. № 4 (36). S. 173-185. DOI:https://doi.org/10.34220/issn.2222-7962/2019.4/19.
4. Markov O.B., Voronov R.V., Davtyan A.B., Grigor'ev I.V., Kalita G.A. Matematicheskaya model' vybora sistemy mashin dlya sozdaniya i ekspluatacii lesnyh plantaciy. Derevoobrabatyvayuschaya promyshlennost'. 2021; 1: 16-26.
5. Grigor'ev V. I. Lesnye plantacii v Aziatsko-Tihookeanskom regione. Nauka i innovacii: vektory razvitiya. Materialy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii molodyh uchenyh. Sbornik nauchnyh statey. V 2-h kn. 2018. S. 75-78.
6. Voronov R.V., Markov O.B., Grigor'ev I.V., Davtyan A.B. Matematicheskaya model' modul'nogo principa podbora sistemy mashin dlya sozdaniya i ekspluatacii lesnyh plantaciy. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Lesnoy zhurnal. 2019;5 (371): 125-134. DOI:https://doi.org/10.17238/issn0536-1036.2019.5.125.
7. Grigorev I.V., Shadrin A.A., Voronova A.M. (et al.) Improving the efficiency of wood chipping operations. INMATEH - Agricultural Engineering. 2020; 61(2): 217-224. DOI:https://doi.org/10.35633/inmateh-61-24.
8. Grigor'ev V. I. Vozmozhnosti razvitiya importa rossiyskogo tverdogo biotopliva. Povyshenie effektivnosti lesnogo kompleksa. Materialy Shestoy Vserossiyskoy nacional'noy nauchno-prakticheskoy konferencii s mezhdunarodnym uchastiem. Petrozavodsk, 2020. S. 44-45.
9. Grigor'ev V. I., Ermakova N. A. Transformaciya cepochek dobavlennoy stoimosti v rossiyskoy lesnoy promyshlennosti. Innovacionnaya ekonomika. 2020;4 (25): 4-19.
10. Grigor'ev V. I., Belyaeva N. B. Politiko-ekonomicheskie aspekty razvitiya proizvodstva drevesnogo biotopliva v Rossii. Innovacionnye processy v nauke i tehnike XXI veka. Materialy XVIII Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii studentov, aspirantov, uchenyh, pedagogicheskih rabotnikov i specialistov-praktikov. Tyumen', 2020. S. 116-119.
11. Vlasov Yu. N., Grigor'ev I. V., Kunickaya O. A., Hitrov E. G., Runova E. M. Modelirovanie fiziko-mehanicheskih svoystv syr'ya dlya proizvodstva toplivnyh briketov. Sistemy. Metody. Tehnologii. 2020;2(46): 40-46. DOI:https://doi.org/10.18324/2077-5415-2020-2-40-46.
12. Vlasov Yu. N., Grigor'ev I. V., Kunickaya O. A., Hitrov E. G. Analiz issledovaniy po tematike pressovaniya drevesnyh othodov. Resources and Technology. 2020;17(2): 1-22. DOI:https://doi.org/10.15393/j2.art.2020.5183.
13. Chibirev O. V., Kunickaya O. A., Davtyan A. B. Analiz issledovaniy processa briketirovaniya othodov lesopererabotki na gidravlicheskom pressovom oborudovanii. Resources and Technology. 2019;16(2): 97-118. DOI:https://doi.org/10.15393/j2.art.2019.4522.
14. Chibirev O. V., Kunickaya O. A., Grigor'ev M. F. Raschet potrebnogo davleniya pressovaniya opilok pri formirovanii briketa. Remont. Vosstanovlenie. Modernizaciya. 2019;2: 22-25. DOI:https://doi.org/10.31044/1684-2561-2019-0-2-22-25.
15. Vlasov Yu., Khitrov E., Khakhina A., Grigorev G., Dmitrieva I. Theoretical effect of moulding speed and processing time on sawdust briquettes density. 19th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2019. Conference proceedings. 2019: 861-868. DOI:https://doi.org/10.5593/sgem2019/3.2/S14.111.
16. Hitrov E. G., Vlasov Yu. N., Ugryumov S. A. Toplivnye brikety iz drevesnyh opilok i matematicheskoe opisanie processa ih briketirovaniya. Vse materialy. Enciklopedicheskiy spravochnik. 2019. № 10. S. 34-40. DOI:https://doi.org/10.31044/1994-6260-2019-0-10-34-40.
17. Birman A. R., Hitrov E. G., Ugryumov S. A., Vlasov Yu. N. Sovershenstvovanie proizvodstva kruglyh toplivnyh briketov iz drevesnyh opilok. Vse materialy. Enciklopedicheskiy spravochnik. 2020. № 1. S. 41-46. DOI:https://doi.org/10.31044/1994-6260-2020-0-1-41-46.
18. Krizan P., Šoos L., Matus M., Svatek M., Vukelic D. Evaluation of measured data from research of parameters impact on final briquettes density. In: Aplimat - Journal of Applied Mathematics. Vol. 3, No. 3 (2010), pp. 68-76. (PDF) Evaluation of measured data from research of parameters impact on final briquettes density (researchgate.net).
19. Nilsson D., Bernesson S., Hansson P. Pellet production from agricultural raw materials - A systems study. Biomass and Bioenergy, 2011;35: 679-689. DOIhttps://doi.org/10.1016/j.biombioe.2010.10.016.
20. Nimlos M. N., Brooking E., Looker M. J., Evans R. J. Biomass torrefaction studies with a molecular beam mass spectrometer. Prepr. Pap.-Am. Chem. Soc. 2003; 48(2): 590. (PDF) Biomass Torrefaction Studies With a Molecular Beam Mass Spectrometer (researchgate.net).
21. Lehtikangas P. Quality properties of pelletised sawdust, logging residues and bark. Biomass and Bioenergy, 2001; 20: 351-360. DOIhttps://doi.org/10.1016/S0961-9534(00)00092-1.
22. Blecher L., Kwade A., Schwedes J. Motion and stress intensity of grinding beads in a stirred media mill. Part 1: Energy density distribution and motion of single grinding beads. Powder Technology, 1996;86: 59-68. Lutz Blecher's research works | Technische Universität Braunschweig, Braunschweig and other places (researchgate.net).
