Повышение эффективности работы лесных терминалов применением мобильных энергогенерирующих комплексов

Во введении изложено содержание диссертационной работы, обоснованы
актуальность и научная новизна выполненных исследований, их практическая
значимость, результаты внедрения, а также сформулированы основные положе-
ния, выносимые на защиту.
В первом разделе представлена обработка древесины на лесных термина-
лах, а также проведен анализ технических характеристик основного технологи-
ческого оборудования лесных терминалов и вариантов использования альтерна-
тивных источников энергии для энергоснабжения лесного терминала.
В настоящее время интенсивно ведутся исследования в области преобразо-
вания тепловой энергии в электрическую. Наиболее перспективным вариантом
энергоснабжения лесного терминала является вариант энергогенерирующего
комплекса на базе газогенератора, работающего на топливных брикетах из от-
ходов основного производства лесного терминала (твердые и мягкие отходы ле-
сопиления, порубочные остатки).
Во втором разделе представлены теоретические исследования брикетиро-
вания измельченных древесных материалов на лесных терминалах. Вначале ис-
следуется вязко-пластическая модель:
d 1
     T   He    T  ,(1)
dt 
где ε – относительная деформация сжатия, t – время, η – вязкость, σT – предел
пластичности, He(…) – единичная функция, которую определим следующим
образом:
1,    T  0
He    T   .(2)
0,    T  0
При    T  0 , напряжение, вызываемое действием рабочего органа прес-
са, вызывает сжатие материала брикета, то есть:
d 1
     T .(3)
dt
В разрабатываемой модели использована новая зависимость σT(ε) в виде
 T  a  b 2 ,(4)
где a, b – числовые коэффициенты (по результатам обработки опытных данных
предыдущих исследователей, a=33,772, b=82,609). С учетом (4), (3) примет вид:
    a  b 2  .
d 1(5)
dt
Начальные условия к решению уравнения (3) следующие:
t  0 .(6)

  0
Решение уравнения (5) с учетом начальных условий (6) имеет вид:
t a 2  4b
2  sh
2.(7)

t a  4b
t a  4b
a 2  4b  ch a  sh
22
В основной части главы рассмотрен более сложный случай – модель упру-
го-вязко-пластического материала с переменным пределом пластичности. На
рисунке 1 в виде схемы представлена реологическая модель упруго-вязко-
пластического тела с переменным пределом пластичности.

Рисунок 1 – Схема реологической модели упруго-вязко-пластического тела с переменным
пределом пластичности

Для схемы,представленнойнарисунке1,полученоуравнение
(при    T  0 ):
d 2  E02EE E  dEEEE
E0  2   a b 0   0 1  a 0 1 b 0 12 
dt 221  dt1212
d 2 E   E02  E12 d E0 E1
 2  0 1,(8)
dt12dt 12
где E0, E1, E2, η1, η2 – параметры, связанные с жесткостью и вязкостью элемен-
тов модели. Начальные условия к решению зададим согласно схеме на рисунке 1:
P
 t  0 
E0
 d11 
.(9)
 P    

 dt t  0 1  2 
При постоянной скорости прессования запишем:
v
  t,(10)
h0
где v – скорость рабочего органа пресса, h0 – условная высота брикета:
m 0
h0 ,(11)
F
где m – масса брикета, ρ0 – начальная плотность брикета (500 кг/м3), тогда:
 E02EE E  vE EE E
 a  b 0   0 1    a 0 1   b 0 1  2 
 221  h01 21 2
d 2 E01  E02  E12 d E0 E1
 2 .(12)
dt12dt 12
начальные условия к решению зададим согласно схеме на рисунке 2:
  t 0  0

 d E0 
v .(13)
 dt t  0
h0
Модель реализована при помощи численного метода Рунге-Кутты 4-5 по-
рядка точности, решение выполним в среде Maple 2017. Для иллюстрации при-
мем ρ0 = 500 кг/м3, E0 = 250 МПа, E1 = 100 МПа, η1 = 10⸱103 МПа⸱с (E1/η1 =
0,01 с-1), η2 = 10⸱103 МПа⸱с (E1/η2 = 0,01 с-1), a = 33,772 МПа, b = 82,609
МПа1/2.
Рассмотрим случай, когда σ = const = P = 30 МПа, t = 0…100 с. На
рисунке 2 представлены графики изменения деформации по времени при воз-
действии рабочего органа пресса на брикет. На рисунке 3 проиллюстрировано
изменение деформации брикета по времени до и после снятия нагрузки.

Рисунок 2 – Изменение деформации брикетаРисунок 3 – Изменение деформации брикета
по времени (сплошная линия – с учетомпо времени (до и после снятия нагрузки)
увеличения предела пластичности, пунктир-
ная линия – без учета изменения предела
пластичности)

На рисунке 4 представлен график увеличения расчетного значения предела
пластичности брикетируемого материала по формуле (4). На рисунке 5
представлен график изменения плотности брикета по времени воздействия,
плотность рассчитана по формуле:
0
.(14)
1 

Рисунок 4 – Предел пластичности материалаРисунок 5 – Изменение плотности брикета с
по времени (сплошная – предел пластично-учетом увеличения предела пластичности
сти, пунктирная –напряжение)материала, постоянная нагрузка

Далее рассмотрим процесс брикетирования с постоянной скоростью. При-
d
мем для иллюстрации 0,001 c-1, прочие параметры те же, что и ранее. На
dt
рисунке 6 представлен график напряжения сжатия, изменяющегося по времени
(по мере увеличения деформации). При этом расчетное значение плотности
брикета будет изменяться в соответствии с графиком, представленным на
рисунке 7.

Рисунок 6 – Напряжение сжатия в зависимо-Рисунок 7 – Плотность в зависимости от
сти от времени брикетированияd
dвремени брикетирования ( 0,001 с-1)
( 0,001 с-1)dt
dt
Сравнительно «медленный» режим прессования обуславливает низкую
плотность брикета и напряжение сжатия. Приведем пример для случая, когда
d
 0,005 c-1 (рисунок 8, 9).
dt

Рисунок 8 – Напряжение сжатия в зависи-Рисунок 9 – Плотность в зависимости от
мости от времени брикетированиявремени брикетирования
dd
( 0,005 с-1) (сплошная линия – напря-( 0,005 с-1)
dtdt
жение сжатия, пунктирная линия – предел
пластичности материала брикета)

Реализация математической модели при значениях ее параметров, ориен-
тировочно принятых на основе данных, полученных предыдущими исследова-
телями, показала, что эксперимент целесообразно осуществлять с использова-
нием установки, обеспечивающей давление прессования до 40-50 МПа; при
этом следует ориентироваться на время брикетирования в пределах 60-120 с.
Целесообразно исследовать брикетирование древесного материала различной
влажности, при различной температуре, за счет чего станет возможным полу-
чить сведения о брикетировании сырья с различными деформативным характе-
ристиками.
В третьем разделе представлена методика и аппаратура эксперименталь-
ных исследований. Наиболее ответственным узлом линии по производству бри-
кетов является установка, схема которой представлена на рисунке 10.
Работа установки: 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 диа-
метром 90 мм и высотой 100 мм. В таком положении происходит выдержка в
течение 20 с. После этого давление в гидроцилиндре плавно снижается до атмо-
сферного. Пружины 19 отделяют матрицу 11 от пресс-конуса 4 и упора 18,
включается электроцилиндр (механотронный модуль) 12, который перемещает
матрицу 11 с брикетом 16 к камере охлаждения 13 длиной 300 мм. Включением
второго гидроцилиндра 7 брикет 16 заталкивается в камеру охлаждения 13, ко-
торая за счет вентилятора 14 обдувается холодным воздухом, забираемым с
улицы. За счет этого цилиндрическая поверхность брикета охлаждается и, на-
чиная с четвертого хода поршня, брикет 16 свободно выпадает из камеры охла-
ждения и падает на транспортер 15, идущий к газогенератору. Через 2-3 мин
брикет попадает в топку газогенератора и обеспечивает равномерное выделение
тепла при горении. Установка позволяет использовать практически весь диапа-
зон древесных частиц, получаемых при измельчении, а также повысить равно-
мерность и скорость выделения газов в газогенераторе. Используемая щепа со-
стояла на 80% из древесины сосны и на 20% из древесины березы.

Рисунок 10 – Схема установки брикетирования щепы:
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;
16-топливный брикет; 17-пульт управления; 18-упор; 19-пружины

Теплота сгорания брикетов определяется как низшая теплота сгорания топ-
лива в рабочем состоянии. Испытания образцов брикетов по серии опытов про-
водилось по ГОСТ 147 при помощи калориметра сгорания бомбового АБК-1.
Взвешивание навесок проводилось в соответствии с требованиями ГОСТ
147 на весах лабораторных 2 класса точности ВЛР-200 с погрешностью взвеши-
вания по шкале ±0,15 мг. Калориметр был подключен к персональному компь-
ютеру, программа расчета результата измерения удельной теплоты сгорания то-
плива проводила коррекцию результата с последующим вычислением низшей
теплоты сгорания в соответствии с требованиями ГОСТ 147.
Механическая плотность брикетов определялась по методике испытаний
натуральной древесины на сжатие вдоль волокон. Ввиду малой прочности бри-
кета на прочность испытывался весь брикет, причем сжатие проводилось в на-
правлении прессования. Прочность определялась через 10 мин после прессова-
ния брикета и определялась по форме
(15)
где p-нагрузка при которой разрушается брикет, кг; r-радиус брикета, см.
Зольность определялась по ГОСТ Р 54185-2010. Для определения зольно-
сти использовали по 2 аналитические пробы биотоплива для всей серии опытов.
Зольность определяли расчетным путем исходя из массы остатка, образовавше-
гося после сжигания навески биотоплива в муфельной печи при свободном дос-
тупе воздуха и температуре (550±10)°С. Результаты испытаний вычисляли до
0,01%. За окончательный результат испытаний принимали среднее арифметиче-
ское значение результатов двух параллельных определений.
Плотность и влажность брикетов определялась по ГОСТ 16483.1-84 и
ГОСТ 16483.7-71сразу после выпрессовки из матрицы.
Основное назначение брикетов – получение однородного сырья для сжига-
ния в газогенераторе с целью равномерного синтезирования генераторного газа
с одинаковой теплотворной способностью. Полученные брикеты в пресс-
грануляторе по транспортеру попадают в бункер газогенератора. В одном бун-
кере должно скопиться 25 брикетов размерами: диаметр 100 мм, высота 120 мм,
масса 0,7 кг. Общая масса брикетов, загружаемых в топку газогенератора
25х0,7=17,5 кг. Поскольку время прессования 1 брикета составляет 1 мин, то
время между получением брикета и попаданием его в топку составит 25 мин.
Рассмотрим факторы, влияющие на брикетирование:
1. Состав сырья – щепа без фракционирования размерами длина 3-30 мм,
ширина 1-15 мм, толщина 1-10 мм. В щепе могут присутствовать 1-3% опилок.
2. Влажность щепы принимаем от 5 до 30%.
3. Плотность брикета – 500-1000 кг/м3 , для чего массу прессуемой щепы
принимаем 500 г, 600 г, 700 г, 800 г.
4. Температура щепы в процессе прессования 80±50 С.
5. Давление прессования постоянным фактором.
6. Время выдержки в пресс-форме 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 незна-
чительное 0,5-1 мм, то контролировалось изменение высоты брикета. За счет
упругих свойств щепы сразу после выпрессовки брикета из матрицы на 5-10 мм
высота брикета увеличивалась, затем происходило медленное увеличение высо-
ты брикета до 120-150 мм, после чего иногда происходило разрушение брикета.
В качестве вторичных факторов определялась распрессовка (высота) бри-
кета через 25 мин выдержки в комнатных условиях и время до полного разру-
шения брикета, в часах. Непосредственное прессование брикетов производи-
лось на механотронном модуле.
Получение брикетов: 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. При
этом усилие электроцилиндра развивалось в интервале 12-25 т, что соответство-
вало удельному давлению 20-45 МПа. Конец штока электроцилиндра снабжен
телескопическим пуансоном, который менял свой диаметр от 140 до 90 мм. Ко-
нус 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 из-
влекался из пресс-формы и проходил кондиционирование, а в пресс-форму ус-
танавливался конус с новым приемником и операция повторялась. Напряжение
сжатия практически линейно зависит от конечной плотности брикета и в мень-
шей степени от влажности и температуры.
Брикеты, полученные при влажности щепы 20% рассыпались в течение 10-
20 мин после выпрессовки из матрицы, и был сделан вывод, что влажность 20%
неприемлема. Брикеты, полученные при влажности 15% рассыпались через 2
часа, а брикеты, полученные при влажности 10% рассыпались через 1 сутки.
Отсюда вывод, оптимальная влажность щепы должна быть в интервале 10-15%.
Дальнейшее направление исследований состояло в том, чтобы определить
условия, при которых увеличение объема брикета после выпрессовки из матри-
цы было минимальным. При этом установлено, что наибольшая распрессовка
происходит в направлении прессования, в поперечном направлении диаметр
брикета увеличивается сразу после выпрессовки на 2-3 мм и далее не меняется
вплоть до расслоения брикета.
Высота брикета, т.е. размер в направлении прессования является опреде-
ляющей величиной, влияющей на его стабильность. 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. Отсюда вывод, что максимально
возможное сохранение плотности брикета и максимальный выход по массе бу-
дет реализовываться только для плотности 700 кг/м3, т.е. когда масса засыпае-
мой порции щепы составляет 700 г.
Оптимальными параметрами технологии получения брикетов из нефрак-
ционированной щепы на лесных терминалах следует считать влажность щепы
10%, а температура 800 С.
В четвертом разделе приведены результаты теоретических и эксперимен-
тальных исследований, позволяющие получить оптимальный режим получения
«короткоживущих» топливных брикетов.
На рисунке 11 показано предложенное техническое решение по получению
тепловой и электрической энергии в установках газификации, оборудованных
термоэмиссионными и термоэлектрическими элементами, вырабатывающими
электрическую энергию (Патент № 2652241 РФ, МПК C10J 3/00. Комплекс
энергогенерирующий). Источником энергии являются отходы основного
производства лесных терминалов и порубочные остатки (кроновая часть
деревьев).
1
Рисунок 11 – Комплекс энергогенерирующий:
1 – стенка цилиндрической части рабочей камеры реактора газификации,
2 – термоэмиссионный элемент, 3 – кожух, 4 – термоэлектрический элемент,
5 – очаг тепла, 6 – реактор газификации, 7 – коммутатор токов и напряжений,
8 – блок подготовки топлива

Выбор газогенератора в качестве источника тепловой энергии предпочти-
телен по трём основным признакам: доступность на лесном терминале и низкая
себестоимость; безотказность его хранения; высокая степень экологичности
производства тепловой энергии.
Проектируемая установленная электрическая мощность выбирается из ус-
ловия переработки всех отходов производства деревоперерабатывающего пред-
приятия (до 4 т в сутки). Опытным путем установлено, что при переработке 4 т
топлива методом газогенерации может быть получено 4 МВт∙час электрической
и 12 Гкал тепловой энергии. В этом случае электрическая мощность комплекса
должна составлять не менее 35 кВт. Генерацию большей электрической мощно-
сти могут обеспечить несколько блоков газогенерации, работающие на сумми-
рующий ресивер-накопитель. Таким образом, объектом экономической оценки
является мобильный энергогенерирующий комплекс общей тепловой мощно-
стью 175 кВт и электрической – 35,1 кВт.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На основании результатов выполненных в соответствии с поставленными
целью и задачами теоретических и экспериментальных исследований могут
быть сделаны следующие выводы:
1.Лесные терминалы значительно повышают эффективность лесоза-
готовительного производства, при значительных расстояниях вывозки заготов-
ленной древесины за счет увеличения коэффициента полнодревесности
воза готовой продукции или полуфабрикатов. Использование лесных термина-
лов активно развивается в Сибири и на Дальнем Востоке.
2.Основным технологическим оборудование лесных терминалов яв-
ляются мобильные лесопильные станки и рубительные машины. Между их ос-
новными техническими характеристиками возможно установить статистические
взаимосвязи. Например, мощность электропривода ленточных пильных станков
тесно коррелирует с максимальным диаметром распиливаемых бревен:
y=12,996x+2,9894; (коэффициент линейной корреляции r=0,71). Потребляемая
мощность мобильных рубительных машин связана с максимальным диаметром
перерабатываемого сырья: y=8,9092x-130,75.
3.Наиболее перспективным вариантом энергоснабжения лесного тер-
минала является вариант энергогенерирующего комплекса на базе газогенера-
тора, работающего на топливных брикетах из отходов основного производства
лесного терминала (твердые и мягкие отходы лесопиления, порубочные остатки).
4.В результате выполненных исследований получено уравнение, учи-
тывающее упругие, вязкие и пластические деформации брикета при его прессо-
вании в закрытой матрице. При составлении математической модели учтено,
что предел пластичности является переменной величиной, связанной с относи-
тельной деформацией сжатия материала брикета. На основании эксперимен-
тальных данных, полученных предыдущими исследователями, установлен ха-
рактер этой связи – в виде полинома второй степени; определены ориентиро-
вочные значения его коэффициентов.
5.С практической точки результаты позволят моделировать влияние
скорости прессования на напряжение сжатия брикета при регулировании ко-
нечной плотности и времени обработки, затухание деформации брикета при
длительной обработке с постоянным давлением прессования, распрессовку бри-
кета после непосредственного извлечения из матрицы и распрессовку брикета
при хранении. Например, при значениях параметров модели, принятых на осно-
ве данных предыдущих исследователей, прогнозируемое значение плотности
брикета из измельченной древесины составит 900 кг/м3 при времени прессова-
ния 1,5 мин. и давлении до 40 МПа.
6.Для реализации математической модели целесообразно использо-
вать численные методы, поскольку его точное решение громоздко, анализ его
сложен. Для формулирования практических выводов о рациональных парамет-
рах технологического процесса брикетирования измельченных древесных отхо-
дов на лесных терминалах потребуются дополнительные экспериментальные
сведения, развивающие представления о вязких свойствах древесных частиц.
При этом потребуются результаты замеров «мгновенной» распрессовки, сведе-
ния о восстановлении формы брикета при длительном хранении, результаты за-
меров силовых параметров процесса брикетирования при варьировании време-
ни прессования.
7.Реализация математической модели при значениях ее параметров,
ориентировочно принятых на основе данных, полученных предыдущими иссле-
дователями показала, что эксперимент целесообразно осуществлять с использо-
ванием установки, обеспечивающей давление прессования до 40-50 МПа, при
этом следует ориентироваться на время брикетирования в пределах 60-120 с.
Целесообразно исследовать брикетирование древесного материала различной
влажности при различной температуре, что обеспечит возможность получать
сведения о брикетировании сырья с различными деформативным характеристи-
ками.
8.Оптимальные параметры для получения «короткоживущих» топ-
ливных брикетов: плотность брикета 700 кг/м3в щепы 10%; удельное давление
30-40 Мпа; температура щепы 80-100 0С; размер щепы по длине 3-35 мм; время
прессования 20 с; время выдержки в матрице 3 мин; время между получением
брикета и попаданием в топку 25 мин.
9.Предложено техническое решение по получению тепловой и элек-
трической энергии в установках газификации, оборудованных термоэмиссион-
ными и термоэлектрическими элементами, вырабатывающими электрическую
энергию. Источником энергии являются отходы основного производства лес-
ных терминалов и порубочные остатки (кроновая часть деревьев).
10.Разработанный энергогенерирующий комплекс обладает следую-
щими отличительными особенностями:
а) массогабаритные размеры предложенного энергогенерирующего ком-
плекса не превышают существующих аналогов технических систем;
б) предлагаемая техническая система отличается большей надежностью,
высокой доступностью топлива;
в) экологические параметры устройства превосходят аналоги: меньше вы-
бросов в атмосферу, отсутствует загрязнение почвы, низкий уровень шума из-за
отсутствия трущихся элементов;
г) предлагаемый энергогенерирующий комплекс полностью автономен, со-
держит минимальное количество компонентов, поэтому степень отказов мини-
мальная.