автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Повышение эффективности использования отходов окорки путем вибрационного уплотнения транспортного пакета

На правах рукописи

005538314

ШВЕЦОВА Виктория Викторовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВ ОКОРКИ ПУТЕМ ВИБРАЦИОННОГО УПЛОТНЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО ПАКЕТА

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ь: ноя тз

Санкт-Петербург - 2013

005538314

т, кг

-п = 3000 ---и = 0

Рисунок 3. Плотность древесной коры после приложения ударной нагрузки с учетом и без учета вязкого сопротивления

Для описания процесса уплотнения древесной коры под действием вибрационной нагрузки используем модель, представленную на рисунке 4.

Рисунок 4. Расчетная модель вибрационного уплотнения: 1 - промежуточная масса; 2 - прессформа; 3 - шток; 4 - вибровозбудитель; 5 - древесная кора; 6 - жесткое основание

Установка представляет собой размещенную на жестком основании 6 подрессоренную (жесткость с\, коэффициент демпфирования щ) платформу

расчетов жесткости с,- принимались равными МО9 Н/м, коэффициенты демпфирования п - 1-107 кг/с (на 2 порядка меньше). Предварительные расчеты показали, что изменение массы штока т3, прессформы тг и промежуточной массы т\ в пределах величин одного порядка не оказывают существенного влияния на перемещение штока г3(0, поэтому при проведении расчетов они принимались постоянными (т\ = 1000 кг, тг = 100 кг, т3 = 100 кг).

На рисунках 5, 6, представлены графики, иллюстрирующие характер зависимости перемещения и скорости штока 3 от времени г. Как видно из графиков, время, за которое совершается максимальное перемещение штока гз, не превышает 2 с, ввиду этого дальнейшая вибрационная обработка нецелесообразна.

Рисунок 5. Перемещение штока гъ{{) Рисунок 6. Скорость штока

В практических расчетах для определения плотности полученного в результате вибрационной обработки материала (при начальной плотности 300 кг/м3) удобно использовать полученное по результатам вычислений корреляционное уравнение:

р = 827 - 210,84 + 25,575РДИН - 0,07п + 0,04Лтг - 0,0016Рдинтг - 6,95ЛРДИН,

1 <: А < 1,5, м2 (12)

10 < Рдин < 50, кН 3000 < п < 6000, мин-1 Из графиков по (12) видно, что более высокие плотности материала получаются при более низкой частоте колебаний, при п = 3000 мин'1 (50 Гц) материал с плотностью 800 кг/м3 получается при Р,ат ~ 18 кН (А = 1 м2) и Рд„н = 34 кН (А = 1 м2), а при и = 6000 мин'1 (100 Гц) - при Рдщ, = 40 кН и Рдии ~ 50 кН соответственно.

Рдин' КН

-п = 3000 ---п = 6000

Рисунок 7. Изменение плотности материала в зависимости от Рдин

при А = 1 м2

3. МЕТОДИКА КСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В разделе рассматриваются методические положения проведения экспериментов, обработки экспериментальных данных, характеристики исходных материалов и оборудования. Экспериментальные исследования проводились в лаборатории кафедры Технологии лесозаготовительных производств СПбГЛТУ имени С.М. Кирова.

Целью проводимых исследований являлось определение влияния плотности древесной коры и скорости приложения нагрузки на коэффициент вязкого сопротивления коры.

Контролируемые независимые параметры: порода древесины, кора которой использовались при проведении исследований, влажность, масса и температура экспериментального материала, его фракционный состав, масса груза.

Управляемые независимые параметры: скорость приложения нагрузки, начальная плотность обрабатываемой среды.

Выходные параметры: коэффициент вязкого сопротивления коры уплотнению.

При проведении исследований использована экспериментальная установка кафедры ТЛЗП для исследования динамического уплотнения древес-

ных материалов. Коэффициент вязкого сопротивления определялся косвенно с использованием зависимостей (таблица 1) на основании среднего по результатам трех повторений значения плотности древесной коры после приложения нагрузки.

На основании технической информации и конструктивных особенностей экспериментальной установки были выбраны основные уровни факторов и интервалы их варьирования (таблица 2). Таблица 2

Уровни варьирования факторов

Фактор Обозначение Единица измерения Уровни варьирования Интервал

Нижний Основной Верхний

Начальная плотность материала Ро кг/м3 300 500 700 200

Скорость приложения ударной нагрузки У0 м/с 4 6 8 2

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

После статистической обработки экспериментальных данных получено уравнение регрессии, описывающее влияние начальной плотности древесной коры на коэффициент п\

п = 0,00189/302- 0,983^0-24,9^+ 250Ь + 0,125р<^ + ...

1759 ^ '

Зависимость (13) также можно представить в виде графика на рисунке

V, М/С „о

Рисунок 8. Влияние начальной плотности древесной коры на коэффициент

вязкости п

График показывает, что коэффициент вязкости изменяется в зависимости от начальной плотности коры в достаточно узком диапазоне от 2500 до 3000 кг/с; таким образом, учитывая его влияние на плотность получаемого материала, можно рекомендовать при практических расчетах принимать его значение равным 3000 кг/с.

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В технологической части диссертации разработан опытно-промышленный участок по производству матов из древесной коры производительностью 1000 кг/час, определена стоимость основного оборудования, обеспечивающего необходимую производительность, основные расходы и валовая прибыль.

7. Перспективой дальнейших исследований должно явиться экспериментальное исследование вибрационного уплотнения древесной коры при варьировании ее температуры и влажности.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Швецова В. В., Ефимова Е. В., Гумерова О. М. Определение коэффициента вязкого сопротивления при деформировании древесных материалов под действием динамической нагрузки / Научное обозрение. - М., 2013, вып. №1.

2. Швецова В.В., Бирман А.Р., Ефимова Е.В. О выборе типа ядра интегрального уравнения релаксации напряжений в древесных материалах / Системы. Методы. Технологии. - Братск, 2012, вып. №4 (16).

3. Ефимова Е.В., Бирман А.Р., Швецова В.В. Некоторые аспекты энергоемкости процесса переработки древесной коры / Системы. Методы. Технологии. - Братск, 2012, вып. №4 (16).

4. Швецова В.В. Влияние динамического усилия на плотность транспортного пакета древесной коры при вибрационном уплотнении / Технология и оборудование лесопромышленного комплекса. - СПб.: ЛТА, 2013, вып. № 6.

5. Швецова В.В. Применение древесных материалов при водоочистке / Материалы IX МНПИК «Леса России в XXI веке». - СПб, 2012 г.

6. Швецова В.В., Бирман А.Р., Хитров Е.Г., Костюков И.И. Модель вибрационного уплотнения древесной коры / Материалы ВНПК «Российский лес - 2011». - Вологда, 2011.

Просим принять участие в работе диссертационного Совета Д.212.220.03 или прислать Ваш отзыв на автореферат е двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Институтский пер. д. 5 — 1 с пометкой «в ученый Совет».

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет

имени С.М. Кирова»

*1 и 1 "*'

на правах рукописи

ШВЕЦОВА Виктория Викторовна

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВ ОКОРКИ ПУТЕМ ВИБРАЦИОННОГО УПЛОТНЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО ПАКЕТА

05.21.01 - «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

научный руководитель

доктор технических наук, профессор

БИРМАН Алексей Романович

Санкт-Петербург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................9

1.1. Способы использования древесной коры в промышленности..............................9

1.2. Математическое описание процесса уплотнения древесной коры.....................13

1.3. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ......................................23

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ......................................................................25

2.1. Общая часть..............................................................................................................25

2.2. Определение зависимости модуля деформации древесной коры от степени уплотнения при действии статической нагрузки.........................................................26

2.3. Определение влияния коэффициента вязкости древесной коры на степень уплотнения при действии динамической нагрузки.....................................................33

2.4. Математическая модель уплотнения древесной коры под действием вибрационной нагрузки..................................................................................................46

2.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.............................................................................................54

3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................56

3.1. Общие положения....................................................................................................56

3.2. Основное оборудование и приборы.......................................................................57

3.3. Методика планирования и проведения экспериментальных исследований по определению влияния плотности древесной коры на коэффициент ее вязкого сопротивления.................................................................................................................58

3.4. Методика обработки результатов экспериментальных исследований по определению влияния плотности древесной коры на коэффициент ее вязкого сопротивления.................................................................................................................65

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................69

4.1. Результаты экспериментальных исследований по определению влияния

плотности древесной коры на коэффициент ее вязкого сопротивления...................69

4.2. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.............................................................................................75

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ....................................................................................76

5.1. Производительность участка по переработке коры.............................................76

5.2. Участок по производству матов.............................................................................78

5.3. Линия по производству брикетов...........................................................................86

5.4.1. Участок прессования.........................................................................................86

5.4.2. Дозаторы.............................................................................................................95

5.4.3. Измельчение сырья..........................................................................................100

5.4.4. Оценка экономической эффективности организации утилизации древесной коры.............................................................................................................................102

ОБШИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ....................................................................105

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ............................................................107

ПРИЛОЖЕНИЯ К РАБОТЕ............................................................................................115

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. При современном состоянии окорки древесины в лесной, целлюлозно-бумажной промышленности Российской Федерации ресурсы коры, пригодной для использования, составляют свыше 6 млн. м3 [1], [2], [3]. Известны различные способы использования коры - энергетическое использование [4], [5], т.е. сжигание коры для получения тепловой или электрической энергии, механическая переработка коры на строительные и изоляционные плиты [6], [7], химическая переработка коры для получения экстрактов и химикатов [8], [9], биологическая переработку коры для приготовления мульчи [10], [11] и др. [12]. Перспективным способом использования древесной коры является получение из нее сорбентов нефтепродуктов [13]. Древесная кора обладает характерными для сорбентов морфологическими особенностями: наличие пор, полостей между структурными элементами, открытых пор-каналов, пронизывающих весь ее объем, пор-ячеек. В зарубежной литературе имеются патенты о применении коры для удаления углеводородов с поверхностей [14]. Использование этого типа сырья обусловлено достаточно высокой поглощающей способностью получаемых сорбентов, их низкой стоимостью, возможностью дальнейшей утилизации.

Задача утилизации отходов окорки по-прежнему остается актуальной [2], [15]. Одной из причин этого является тот факт, что использование коры за пределами лесоперерабатывающего предприятия, даже на сравнительно небольшом расстоянии, всегда сопряжено с трудностями в перевозке такого рыхлого материала. Грузоподъемность транспорта в этом случае используется неэффективно [4]. С целью облегчения транспортировки коры ее следует уплотнять [4]. Опыт различных областей промышленности показывает, что эффективным способом уплотнения сыпучих материа-

лов, к которым относится и древесная кора, является применение воздействий динамического, в частности, вибрационного, характера [16]. При действии динамических нагрузок снижается эффективный коэффициент трения как между самими частицами материала, так и между частицами материала и окружающими поверхностями [16]. Это значительно уменьшает потребные усилия прессования и ведет к уменьшению габаритов и сложности изготовления прессового оборудования, что снижает его стоимость [17].

Процесс уплотнения древесной коры при вибрационном воздействии в научной литературе практически не освещен [17], что делает невозможным подобрать параметры работы и разработать рациональные конструкции установок для уплотнения древесной коры. Таким образом, исследование процесса уплотнения древесной коры и разработка технологии ее уплотнения за счет нагрузки вибрационного характера, является актуальной задачей.

Степень разработанности темы исследования. Известны математические модели процесса уплотнения древесной коры под действием ударной нагрузки и статической нагрузки. Модели вибрационного уплотнения коры практически не рассмотрены. В научной литературе недостаточно сведений, касающихся численных значений коэффициента вязкого сопротивления коры уплотнению.

Цель работы. Совершенствование технологии уплотнения древесной коры путем действия вибрационной нагрузки.

Сформулированы следующие задачи исследования, которые необходимо решить для достижения поставленной цели:

1. Провести теоретические исследования процесса уплотнения древесной коры под действием вибрационной нагрузки.

2. Провести теоретические исследования с целью установить корректность использования линеаризованных зависимостей при описании вибрационного уплотнения коры.

3. Провести теоретические исследования по определению вязкого сопротивления древесной коры при уплотнении при действии вибрационной нагрузки.

4. Построить математическую модель процесса уплотнения древесной коры под действием вибрационной нагрузки.

5. Разработать опытную установку для определения влияния вязкого сопротивления коры на ее плотность после воздействия динамической нагрузки.

6. Провести экспериментальные исследования по определению влияния плотности древесной коры на коэффициент ее вязкого сопротивления уплотнению.

7. Дать рекомендации по организации опытно-промышленного участка по переработке древесной коры.

Научная новизна. Разработана математическая модель процесса уплотнения объема древесной коры под действием вибрационной нагрузки, учитывающая реологические характеристики уплотняемого материала, раскрывающая их влияние на процесс уплотнения материала и позволяющая оптимизировать режимы работы прессового оборудования с учетом требований, предъявляемых к конечной продукции.

Значимость для теории и практики. Построенная математическая модель процесса уплотнения древесной коры развивает теорию уплотнения измельченных древесных материалов. Результаты работы позволяют расширить объем перерабатываемой в промышленности древесной коры, обосновать рациональные параметры технологического процесса уплотнения, дают возможность совершенствовать конструкторские решения при проектировании прессового оборудования. Разработанная опытная установка позволяет расширить спектр проводимых исследований, касающихся уплотнения древесной коры, с достаточной точностью получать данные, характеризующие процесс уплотнения древесной коры под действием нагрузки динамического характера.

Результаты работы могут быть рекомендованы к использованию производственными, проектными, научно-исследовательскими и учебными организациями лесной отрасли.

Методика и методы исследования. Базой для исследования послужили научные работы признанных ученых в области лесопереработки и комплексного использования древесных ресурсов. При проведении исследований использованы методы прикладной математики, теории эксперимента и обработки экспериментальных данных. На защиту выносятся следующие положения:

1. Математическая модель процесса уплотнения объема древесной коры под действием гармонической вибрационной нагрузки, позволяющая определить рациональные параметры технологической операции вибрационного прессования коры при регулировании конечной плотности получаемого материала.

2. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, устанавливающие влияние вязкого сопротивления древесной коры уплотнению, расширяющие представления о процессе уплотнения древесной коры при действии нагрузок динамического характера.

Достоверность выводов и результатов исследований обеспечена: применением методов математической статистики; проведением экспериментальных исследований в лабораторных условиях и подтвержденной адекватностью полученных моделей за счет удовлетворительной сходимости экспериментальных и теоретических данных.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях: «Пути и опыт модернизации оборудования лесопромышленного комплекса», СПб, 2010, «Совершенствование и повышение надежности оборудования предприятий целлюлозно-бумажной и лесоперерабатывающей промышленности», СПб, 2011, «Леса России в XXI веке», СПб, 2012; а также на научно - технических конференциях лесоинженерного факультета Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии имени С.М. Кирова в 2010-2012 гг.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в шести печатных работах, включая три статьи в журналах, рекомендованном ВАК РФ для публикации материалов кандидатских и докторских диссертаций. Результаты исследований отражены в научно-технических отчетах по НИР.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Способы использования древесной коры в промышленности

Современная практика использования древесины в лесоперерабатывающей промышленности требует очистки от коры практически всех видов лесоматериалов (исключая топливные дрова). В настоящее время окорка круглых лесоматериалов производится на лесопромышленных складах различного назначения и принадлежности - нижних складах лесозаготовительных предприятий, лесоперевалочных базах, биржах сырья потребителей [1], [15].

Количество коры, получаемой при окорке бревен, зависит от их диаметра, места произрастания и породы древесины. Определению толщины коры различных пород древесных пород посвящен ряд научных работ [6], [18]. По данным [6], [4], массовое содержание коры (в процентах от объема древесины) может достигать 14 %.

Для ориентировочных расчетов на практике принимают, что при окорке 1 пл. м3 круглого леса хвойных пород получают 30 кг абсолютно сухой коры, т.е. 10 % коры от объема древесины.

Наиболее простым и доступным способом утилизации древесной коры является использование ее в качестве топлива [17]. На целлюлозно-бумажных предприятиях кору сжигают в специальных котлоагрегатах высокой производительности, как правило, в смеси с другими видами топлива: щепой, углем или жидким топливом [19], [20].

В работах [4], [17], [21], [22], [23] отмечено, что древесная кора является выгодным сырьем для производства топливных брикетов.

По мнению специалистов, возможно использование коры в качестве добавки при производстве стружечных плит [9], [24], [25]. Плиты из коры имеют меньшую прочность, чем плоскопрессованные древесностружечные плиты, но при этом прочность таких плит близка к прочности штампованных древесностружечных плит. Плиты из коры имеют высокие изоляционные показатели и низкие показатели набухания, что обусловливает их применение в строительстве в качестве прокладочного материала для крыш, полов и стен внутри зданий

Исследования, проведенные в ЦНИИМОД, ЛатНИИЛХП и БТИ, а также разработанная технология свидетельствуют о возможности изготовления древеснокорье-вых плит [6], [26].

В настоящее время известен целый ряд материалов на основе органических заполнителей, связанных минеральными связующими: фибролит, дюризол, пилинобе-тон, опилкобетон, арболит. Проведенные в нашей стране и за рубежом исследования доказали возможность использования коры в качестве наполнителя в строительных материалах [27].

В работе [6] предложен материал из коры на гипсовом вяжущем, названный ко-ролитом. Стоимость гипсового королита в 2 раза меньше стоимости фибролита и арболита. Королит на гипсовом вяжущем можно применять в качестве утеплителя при устройстве стен и полов в сочетании с бетонами и другими отделочными материалами.

Найден способ получения бетона с добавками коры [21]. По этой технологии изготавливают строительные плиты, обладающие достаточной прочностью и хорошей звукоизолирующей способностью.

Еще одним из возможных путей использования древесной коры является ее применение в сельском хозяйстве в качестве удобрения или стимулятора почвы [28], [29], [30]. Работа по использованию коры на компостные удобрения проводилась в Чехии, Финляндии, Германии, Польше, Японии, США и других странах [6]. Результаты

опытных работ позволили сделать вывод об эффективности использования коры в качестве сырья для получения удобрения. Кора по сравнению с другими лесными отходами обладает рядом преимуществ с точки зрения получения компостов, пригодных для удобрения, так как содержит много лигнина и имеет большой гумусовый потенциал. Лубяной и прикамбиальный слои, богатые питательными веществами, благоприятно влияют на активное развитие жизнедеятельности микроорганизмов. Разложение компоста из коры в почве происходит достаточно медленно, в течение 5—7 лет, что свидетельствует о большом экономическом эффекте этого удобрения [31].

Отметим еще одну перспективную область применения древесной коры. В связи с высокими объемами производства (в 2003 г. около 258 тыс. т) [32] и использования углеводородных масел существует проблема их разлива на территории предприятий. Многие органические фракции нефтепродуктов, при проливах попадая в почвы или в водную среду, оказывают токсическое действие на животных, почвенную биоту, растения [32]. При загрязнениях твердых и водных поверхностей нефтепродуктами приемлем сорбционный метод очистки. Список испытанных сорбентов включает лигно-целлюлозные волокна, минеральные продукты, синтетические полимерные сорбенты и различные природные материалы [32]. Альтернативным способом получения сорбентов является использование в качестве сырья отходов деревообрабатывающей промышленности, в частности коры хвойных древесных пород [21]. В зарубежной литературе имеются патенты о применении коры для удаления углеводородов с поверхностей [21].

Использование этого типа сырья обусловлено достаточно высокой поглощающей способностью получаемых сорбентов, их низкой стоимостью, доступностью как местного материала и возможностью дальнейшего применения.

Теоретическими предпосылками изучения поглощающих свойств коры послужило то, что она обладает характерной для сорбентов морфологической особенностью: наличие пор, полостей между структурными элементами, открытых (сообщающихся) пор-каналов, пронизывающих весь ее объем, не сообщающихся пор-ячеек.

Существующие и предлагаемые для использования схемы переработки коры включают стадии поэтапной экстракции растворителями различной природы: гекса-ном, изопропиловым спиртом водным и водно-ор�