Экспериментально-теоретическое исследование процесса получения топливных брикетов из отходов деревообрабатывающей промышленности

УДК 674.815

М. Ф. Гильфанов, В. Н. Башкиров, Л. Н. Герке,

А. Н. Грачёв

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ ИЗ ОТХОДОВ ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Ключевые слова: топливные брикеты, брикетирование, прессование, опилки.

В статье рассмотрен процесс переработки измельченных древесных отходов в топливные брикеты. Проведены экспериментальные исследования, определяющие оптимальные параметры процесса прессования опилок. Получены выражения, описывающие процесс брикетирования, которые определяют оптимальные режимные параметры данного процесса.

Keywords: briquettes, briquetting, pressing, sawdust.

The article deals with the processing of shredded wood waste into fuel briquettes. Experimental studies defining the optimum parameters of the compaction of sawdust. Expressions describing the process of briquetting, which determine the optimal operating conditions of the process.

Проблема поиска альтернативных источников энергии и перспективных путей ресурсосбережения является очень актуальной и становится одной из главных для экономически развитых государств. Перерабатывая отходы в больших масштабах, можно значительно экономить энергетические и сырьевые ресурсы и, тем самым, снижать загрязнение окружающей среды. В этой связи на современном этапе развития весьма важным являются задачи по исследованию и разработке технологий, обеспечивающих комплексное использование сырья и экологическую безопасность производства [1]. Отходы деревопереработки, химических производств, переработки сельскохозяйственной продукции, торфоразработок, пищевой промышленности могут быть превращены в высококачественное топливное сырье. С этой целью во многих странах ведутся исследования и разработки, результатами которых становятся новые виды топлива. Одним из таких энергоносителей, все больше завоевывающих мировые рынки, является твердое биотопливо. Преимуществом этих альтернативных источников энергии является то, что они являются возобновляемыми и имеют низкую себестоимость производства.

Процессы, применяемые для преобразования биомассы в форму, пригодную для транспортировки, складирования и хранения с целью использования её энергии, включают в себя пиролиз, газификацию или уплотнение. Последний процесс, известный как технология брикетирования, представляется одним из перспективных решений для переработки отходов деревообработки [2]. Топливные брикеты - это прессованные отходы деревообработки (опилки, щепа, стружка и др.), сельского хозяйства (солома, шелуха и др.), в том числе торф и древесный уголь. Брикеты имеют большую объемную плотность энергии и удобны для хранения и транспортировки. Экологически чистые топливные брикеты обладают высокой теплотворной способностью. Они используются во всех видах топок котлов центрального отопления, а также в коммунальном секторе (в каминах, печках, грилях и пр.). Одно из достоинств брикетов - это постоянство температуры при их сгорании на протяжении всего времени горения. Другим преимуществом при их использовании в качестве топлива является снижение ущерба окружающей среде по сравнению с ископаемым твердым топливом.

Затраты энергии на образование брикетов существенно зависят от физикомеханических свойств перерабатываемого материала, при этом необходимо знать основные закономерности процесса прессования, которые имеют существенное значение для процесса брикетирования. Таким образом, целью данного исследования является выявление

оптимальных параметров и изучение процесса прессования материалов, являющихся отходами деревообработки.

Для проведения исследования процесса брикетирования различных материалов использовался гидравлический пресс, снабженный манометром и развивающий усилие 50 МПа. Пресс-форма, в которой формируется брикет, состоит из пуансона, матрицы (канала прессования) и упора. Получаемые брикеты имеют форму цилиндров диаметром 20 мм и высотой 8 мм при массе 3 г. В качестве исследуемого материала прессования используются сосновые опилки с влажностью 8-12%. Удельное давление прессования 200-500 кгс/см2. Результаты исследования показаны графически на рис.1.

Канал прессования, который имеет в нижней части упор, заполняется материалом, а сверху закрывается пуансоном. Полученная пресс-форма помещается между опорными плитами пресса, после чего начинают равномерно повышать давление. Замеряя величину перемещения пуансона при фиксированных показаниях манометра, получена нагрузочная кривая (ОВ1). После достижения максимального для данного пресса давления, равномерно понижаем давление, регистрируя величину перемещения пуансона при тех же фиксированных показаниях манометра для получения кривой разгрузки (В1Е). Таким образом, получается зависимость величины перемещения пуансона (деформации материала) от давления, действующего на материал. Зависимость между приращением давления прессования и увеличением уплотнения вещества является основной характеристикой процесса брикетирования. Кривой прессования ОВ1Е (рис.1) устанавливает связь между высотой брикета в матрице И и давлением прессования Р. Кривая прессования состоит из ветви нагрузки ОВ1 - сжатия вещества под внешним давлением и ветви разгрузки В1Е -освобождения сжатого брикета от приложенного к нему давления.

Физическая сущность процесса прессования заключается в вытеснении газообразной фазы, сближении частиц уплотняемого материала и увеличении молекулярных сил сцепления между поверхностями отдельных частиц [3]. Весь процесс уплотнения можно разделить на три этапа.

На первом этапе значительно уменьшается объем материала, сопровождающийся перемещением его в продольном и поперечном направлениях канала прессования. При этом из прессуемой массы вытесняется воздух, частицы материала сближаются между собой, их взаимное расположение стабилизируется, и увеличивается площадь соприкосновения частиц между собой. Увеличение плотности материала происходит при незначительном росте давления. Энергия, подводимая к материалу на этом этапе, расходуется, в основном, на преодоление трения между частицами материала, на трение его о стенки прессовального канала и на вытеснение воздуха. В связи с рассеиванием энергии деформация материала необратима на этом этапе.

Второй этап характеризуется интенсивным развитием упруговязких деформаций и быстрым увеличением давления прессования. По сравнению с первым этапом давление возрастает во много раз при меньшей деформации материала. Часть подводимой энергии затрачивается на преодоление внутреннего трения и разрушение частиц, другая часть накапливается в спрессованном материале.

На третьем этапе сжимается уже сформированный монолит. Это сопровождается быстрым ростом давления при незначительном увеличении плотности. Зависимость между деформацией материала и давлением на этом этапе практически линейная, при этом деформация носит упругий характер. Энергия, подведенная к материалу на этом этапе, накапливается в виде упругой энергии.

Основным показателем, характеризующим процесс прессования различных материалов, является плотность получаемых брикетов, которая зависит от давления, прикладываемого к сжимаемому материалу [4]. Зависимость между этими величинами позволяет определять усилия, действующие в деталях и механизмах машин, и энергию, потребную для уплотнения. Для получения зависимости давления прессования Р от плотности материала р принимаем следующие допущения:

- начальная плотность материала р одинакова во всем объеме прессовального канала;

- начальные напряжения в материале, при отсутствии внешнего трения, равны нулю;

- нормальные напряжения в каждой точке любого поперечного сечения канала прессования равны;

- плотность материала в процессе сжатия возрастает непрерывно.

40.........................і і і і

о -

О 87,5 175 262,5 350 437,5

_________________________________________________Давление Р, кгс/см:__________________________________________

Рис. 1 - Зависимость деформации материала от давления при процессе прессования опилок

Это дает основание полагать, что приращение давления, соответствующее некоторому интервалу деформации материала, зависит лишь от плотности, то есть производная давления по плотности является непрерывной функцией приложенного давления dP/dp = f(P). Исследование процесса прессования опилок дает основание полагать, что функция f(P) -линейная, то есть dP/dp = aP+b. Разделяя переменные и интегрируя правую и левую части этого уравнения в пределах от 0 до P и от ро до р, получаем:

P = C[ea

где C = b/a. При P = C(e — 1), р = р0 + 1/a величина 1/a представляет собой приращение начальной плотности материала. Коэффициенты C и a зависят от начальной плотности материала: C = 0,3913 + 0,00055р0; a = 5,82 *10"3 - 0,0054* 10"3р0. Графически данная зависимость представлена на рис. 2.

1400 1200

ГО

Д 1000 ¥

d 800 л

§ 600 т

I 400 с

200

0

0 1Э0 200 300 400 500

Давление Р, кгс/см2

Рис. 2 - Экспериментальная и теоретическая диаграммы прессования опилок

Наряду с зависимостью Р = ^р), представленной уравнением (1), закон прессования выражается зависимостью между давлением и деформацией, т.е. Р = ^Э). Для вывода данной зависимости рассмотрим процесс сжатия материала в закрытом канале длиной Ь и площадью поперечного сечения и, полагая, что весь объем его заполнен массой материала М. Начальная плотность материала в канале ро = М/Ьи, следовательно, разность между конечной и начальной плотностью представляем в виде:

р - Ро = М

1

1

= Р о

Э

1_ - Э

что

(1_ - Э)и Ьи

Подставив выражение (2) в уравнение (1), получаем следующее соотношение:

Р = фхрар 0Э/(1_ - Э) -1].

Из уравнения следует, что если Э=0, тогда Р=0, а если Э^Ь, то Р соответствует физическому смыслу задачи.

Рассмотрим данный процесс графически (рис. 3,4). До начала прессования весь объём канала заполняется материалом, начальная плотность которого ро. По мере продвижения пуансона на величину Э материал сжимается в направлении действия пуансона и стремится расшириться перпендикулярно этому направлению. Возникающему расширению препятствуют стенки прессовального канала, вследствие чего возникает боковое давление на них, а в результате этого появляются силы трения материала о стенки матрицы. Таким образом, пуансон в процессе перемещения преодолевает не только сопротивление материала сжатию, но и трение его о стенки канала. После уплотнения материал занимает в канале объем, равный и(Ь-Э), и плотность его будет р. За время рабочего хода пуансона давление его на материал возрастает от нуля в точке О до максимального значения Р в точке В по кривой ОВ1, которая описывается уравнением (1). Вследствие трения материала о стенки канала на упор передается меньшее давление, чем давление, действующее на материал со стороны пуансона.

IV

В,

к р* к > -гггтггттпттт Ш Рх ГГПТТТТТТгггт-п

ль 6 Л

Рис. 4 - Диаграмма процесса прессования опилок

Чтобы установить закономерность распределения давлений вдоль оси канала, рассмотрим равновесие элементарного слоя материала толщиной Сх, удаленного от пуансона на расстояние х. Слева на него действует давление Рх, справа - Рх+СРх, а по периметру -давление Чх и обусловленная им сила трения Р. Тогда уравнение равновесия слоя в проекции на ось канала х принимает вид:

Рхи -

где / - коэффициент трения материала о стенки канала.

Боковое давление Чх зависит от осевого давления [1] и состоит из двух слагаемых. Первое слагаемое представляет собой боковое давление, вызываемое осевым и равное ^Рх. Второе слагаемое Чо выражает остаточное боковое давление, обусловленное упругим расширением спрессованного материала. Таким образом, зависимость между боковым давлением Чх и осевым Рх имеет вид:

Чх =^Рх + Чо ,

где ^ - коэффициент бокового распора.

После подстановки дх из (5) и соответствующих преобразований уравнение (4) принимает вид:

СРх I

р х = — ГСх.

^Рх + Чо и

Знак минус в правой части уравнения (6) показывает, что давление в направлении

сжатия уменьшается. Интегрируя левую часть уравнения (6) в пределах от Р до Рх, а правую

от 0 до х, получаем:

1п Чо + дРх = --Гс1х.

Чо +^Р и

Решив это уравнение относительно рх, получаем выражение:

рх = [р + Чо/ ^]ехр[- /мх1 / и] - ^ / ц.

Здесь Р зависит от положения пуансона и определяется по уравнению (3). Таким образом, пользуясь уравнением (8), можно определить давление Рх на любом расстоянии от пуансона, и оно является уравнением кривой В1С1, показывающей падение давления от Р в точке В до Р1 в точке С (упор канала).

Для определения давления Р1 на упоре подставим в уравнение (8) вместо х величину 1_-

Э, равную расстоянию между пуансоном и упором:

Рх =[Р + Чо/ фхр[- Ш - Э)1 /и]-Чо/ |д.

Из этого уравнения следует, что с увеличением высоты сформированного брикета давление на упоре уменьшается, а значит, и плотность брикета по направлению от пуансона к упору снижается. Чем меньше высота брикета, тем плотность его становится более равномерной.

Для определения закономерности изменения бокового давления Чх по длине канала в уравнение (5) подставляем значение из уравнения (8). После преобразований получаем:

Чх =

Сила трения материала о стенки канала определяется как разность усилий на пуансоне и упоре:

Р = и

Подставляя в выражение (11) Р1 из уравнения (9), получаем развернутое уравнение для определения силы трения:

Р, = и

Оно показывает, что сила трения зависит от физико-механических свойств материала Г,^) и отношения периметра поперечного сечения камеры к его площади 1/и.

С уменьшением этого отношения сопротивление трению материала о стенки канала и работа на его преодоление уменьшаются. Следовательно, наиболее рациональным является круглое сечение канала, так как при этом величина 1/и при заданной площади минимальна.

Если уравнение (12) представить в виде:

Р = иР[1 - ехр

то первое слагаемое представляет собой силу трения, вызванную осевым давлением, а второе -силу трения, вызванную упругим расширением сжатого материала.

После сжатия материала пуансон из точки В возвращается в первоначальное положение (холостой ход). При этом давление падает до нуля, но не мгновенно, а с некоторым опозданием, так как спрессованный материал, обладающий упругими свойствами, расширяется и на обратном пути ЛИ воздействует на пуансон с некоторым давлением упругого расширения. В силу этого давление от Р уменьшается до нуля по кривой В1Е, которая описывается уравнением:

Р = Рв ехр[- ахрЛк/ И]/

Расширение сформированных брикетов имеет упругий характер, так как их плотность высока. Поэтому кривую В1Е можно принять за прямую.

Когда пуансон отходит назад, давление становится равным нулю, и уравнение трения принимает вид:

Р =

Это выражение представляет собой силу трения, удерживающую брикет в прессовальном канале.

Во время выталкивания брикета из камеры упор отсутствует. Приравняв правую часть уравнения (9) нулю и решив его относительно Р, определяем давление, необходимое для выталкивания брикета из камеры:

Р =

Уравнение (16) описывает изменение давления при выталкивании брикета (кривая КС).

Таким образом, площадь ОВ1В диаграммы прессования пропорциональна энергии, затраченной на сжатие материала. Эта энергия расходуется на преодоление вязкого трения между частицами материала при их уплотнении и относительном перемещении и на преодоление внешнего трения частиц материала. Площадь ЕКС пропорциональна энергии, затраченной на выталкивание брикета из закрытого канала. Баланс энергии при образовании брикета представляем равенством:

А = А1 + А2 - Аз,

где А1 - энергия, затраченная на формирование брикета (площадь диаграммы ОВ1В); А2 -энергия, затраченная на выталкивание брикета из канала (площадь диаграммы ЕКС); А3 -энергия упругого расширения сжатого материала (площадь диаграммы ВВ1Е). Отнеся затраты энергии А к массе прессуемой порции материала, получаем соответствующие значения удельных работ.

Мощность, потребную для обеспечения заданной производительности прессовального канала, можно вычислить по выражению:

N = 2,72 *1о -3АО,

где А - удельная энергия, Дж/кг; О - производительность, т/ч.

Коэффициент полезного действия равен отношению давления упора к давлению пуансона:

Р

Г| = = ехрНд!/и)

Время, в течение которого материал находится под нагрузкой, является одним из факторов, влияющих на упругое расширение брикетов после освобождения их из прессовальных каналов. Чем больше это время, тем меньше увеличиваются в объеме брикеты после разгрузки. Это показывает, что при выдержке под нагрузкой энергия упругих

223

деформаций, накопленная спрессованным материалом, рассеивается. Чем дольше материал находится под давлением, тем большая часть энергии успевает рассеиваться, и тем меньше он расширяется после нагрузки. Вследствие рассеивания энергии напряжения в спрессованном материале уменьшаются, значит, имеет место релаксация напряжений.

Таким образом, в результате проведенных исследований и математических расчетов можно сделать следующие выводы:

- представленная зависимость приращения давления прессования с увеличением уплотнения вещества позволяет получать древесные брикеты с заданными эксплуатационными свойствами;

- полученные выражения хорошо согласуются с результатами экспериментального исследования каждой из стадий процесса брикетирования древесных частиц при определенных параметрах;

- полученные зависимости позволяют определить оптимальные режимные параметры и основные конструктивные характеристики оборудования для осуществления процесса получения древесных брикетов.

Литература

1. Грачёв, А.Н. Утилизация отработанных деревянных шпал методом пиролиза / А.Н. Грачёв и др. // Вестн. Казан. технол. ун-та. - 2008. - №5. С. 166-170.

2. Debdoubi, A., El Amarti, A., Colacio, E. Production of fuel briquettes from esparto partially pyrolyzed // Energy Conversion and Management. - 2005. - V. 46. - P. 1877-1884.

3. Смольянинов, С.И. Маслов, С.Г. Термобрикетирование торфа. Томск, Изд. ТГУ, 1975.— 108 с.

4. Кучинскас, З.М. Оборудование для сушки, гранулирования и брикетирования кормов.- М.: Агропромиздат, 1988. - 208 с.

© М. Ф. Гильфанов - асп. каф. химической технологии древесины КГТУ, zaex@mail.ru; В. Н. Башкиров - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической технологии древесины КГТУ; Л. Н. Герке - канд. техн. наук, доц. той же кафедры; А. Н. Грачёв - канд. техн. наук, доц. той же кафедры.