автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Совершенствование технологий торрефикации и гранулирования фракционированной древесины

На правах рукописи

Ч Vх <—

ТЮРИКОВА Татьяна Витальевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ТОРРЕФИКАЦИИ И ГРАНУЛИРОВАНИЯ ФРАКЦИОНИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

05.21.05 - древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 1 ¿ЯГ 2015

Архангельск 2015 005571375

005571375

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

Научные руководители доктор технических наук, профессор

Мелехов Владимир Иванович

кандидат технических наук, доцент Мюллер Оскар Давыдович

Официальные Шамаев Владимир Александрович

оппоненты: доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО

«Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», кафедра древесиноведения, профессор Будник Павел Владимирович кандидат технических наук, Региональный центр трансфера технологий ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет», директор

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»

Защита состоится 29 сентября 2015 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 на базе ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, ауд. 1220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» и на сайте www.narfu.ru

Автореферат разослан «_»_2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент

Земцовский Алексей Екимович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Древесина является органическим, пористым, негомогенным материалом растительного происхождения, имеющим сложный химический и компонентный состав. Многообразие свойств древесины обеспечивает ее разнообразное применение и в то же время отсутствие гомогенности усложняет ее использование.

Как возобновляемый источник энергии с нейтральным уровнем эмиссии углерода древесина может эффективно использоваться в решении энергетических проблем. Однако, проблема переработки низкоквалитетных отходов древесины, особенно мягких в виде опилок, в энергоносители до сих пор остается актуальной во всем мире, что связано с одной стороны с их низкой теплотворной способностью и энергетической плотностью, неоднородным гранулометрическим составом, а с другой — сложностью и высокой стоимостью теплогене-рирующего оборудования для их сжигания.

В настоящее время в мировой практике наметилась тенденция повышения эксплуатационной и энергетической эффективности древесного топлива полученного из отходов деревопереработки путем предварительной термической обработки (торрефикации) в инертной среде при температуре 250 - 300°С и последующего гранулирования. Однако следует отметить, что исследования в этом направлении немногочисленные, в отдельных источниках приводятся противоречивые сведения о существе и характере технологических решений. В связи с этим проведение целенаправленных исследований в этом направлении является актуальным.

Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.21.05 «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки». Область исследований п.2 Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции.

Объект и предмет исследования: процессы термообработки и прессования мягких древесных отходов.

Цель работы: совершенствование технологий торрефикации мягких древесных отходов и гранулирования мелкодисперсной торрефицированной древесины.

Для достижения поставленной цели определены задачи:

1. Провести аналитический обзор состояния ресурсов древесины и исследований в области переработки древесных отходов в товарную продукцию;

2. Выполнить теоретические исследования и разработать математическую модель процесса торрефикации фракционированной древесины;

3. Разработать методику и создать экспериментальную установку для проведения исследований процесса торрефикации мягких отходов деревопереработки;

4. Разработать методику проведения исследования процесса гранулирования мелкодисперсной торрефицированной древесины и создать экспериментальную установку;

5. Теоретически исследовать процесс прессования торрефицированной древесины, представить и научно обосновать математическую модель процесса;

6. Провести научный анализ результатов исследования и сделать выводы;

7. Разработать технические решения технологических процессов торрефикации и гранулирования мягких древесных отходов.

Научная новизна диссертационной работы:

Разработаны методики исследования процесса торрефикации мягких древесных отходов и процесса гранулирования торрефицированной древесины; математические модели процесса торрефикации древесины и процесса прессования мелкодисперсного торрефицированного материала, адекватно отражающие теплофизические и физико-механические свойства материала.

Доказана эффективность науглероживания, энергоконцентрации древесины путем торрефикации.

Определены технологические параметры процессов торрефикации и гранулирования торрефицированной древесины.

Практическая значимость: Научно обоснованные технологические решения по торрефикации мягких древесных отходов древесины могут быть использованы при проектировании технологических участков по производству энергоэффективного биотоплива.

Методы исследования. В процессе исследования использованы методы математического моделирования, натурного эксперимента, обоснованных методик научного поиска, планирования экспериментальных исследований, теория вероятности и математической статистики.

На защиту выносятся научные положения:

1) Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов торрефикации и гранулирования древесины;

2) Методики исследования теплофизических процессов трансформации древесины;

3) Математические модели, адекватно отражающие процессы термической и механической обработки мягких древесных отходов.

Достоверность результатов исследования обеспечивается достаточными объемами теоретических и экспериментальных исследований с применением методов математического моделирования, теории планирования многофакторных экспериментов и статистической обработкой результатов исследований;

4

хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований; применением современных методик, сертифицированного оборудования, программного обеспечения.

Апробация результатов. Основные научные положения и результаты исследования представлены и обсуждены: на международной научно-технических конференции «Строительная наука - 2014: теория, образование, практика, инновации», САФУ, Архангельск, 2014 г.; на международной конференции «Биоэнергетика: пеллеты, брикеты, щепа, котельные и ТЭЦ на биотопливе», г. Москва, 2014 г.; на научно-техническом семинаре в ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова», г. Архангельск, 2014 г.; на региональной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава в ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова», г. Архангельск, 2014.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 5 работ, в том числе 2 статьи в изданиях по перечню ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация представлена на 142 страницах, состоит из введения, пяти глав, содержит 69 иллюстраций, 15 таблиц и список литературы из 169 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, приведены цель и задачи исследований, объект исследования, отмечена научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен комплексный анализ ресурсов древесины. В России общий объем срубленной древесины, с учетом неликвидной и оставленной на лесосеках в 2012 году, составил 264,5 млн. м3. Основными потребителями древесины являются деревообрабатывающая и лесохимическая отрасли промышленности. Технологические процессы механической обработки древесины предусматривают выработку пиломатериалов, столярно-строительных изделий и конструкций, мебели, фанеры, плитных материалов.

При заготовке и переработке круглых товарных сортиментов образуется большое количество первичных и вторичных отходов древесины. В среднем потери на каждый кубометр заготовленной древесины составляют 0,3 - 0,5 м3. До 30 - 50 % исходного запаса древесины остается на лесосеке. На деревопере-рабатывающих предприятиях в первичные и вторичные отходы переходит до 40% обрабатываемой древесины.

Основными показателями определения направления использования древесных отходов считаются размерно-качественные характеристики. Крупные

кусковые отходы - рейки, горбыль используются для производства мелкотоварной продукции, клееных заготовок, целлюлозы и т.п.

Большой проблемой является переработка мягких древесных отходов, большая часть из которых остается невостребованной и скапливается на территориях предприятий, несанкционированных свалках, создавая пожароопасную и ухудшая экологическую обстановку.

В то же время древесные отходы могут сыграть большую роль в решении энергетических проблем, как возобновляемый источник энергии. Необходимость энергетического использования отходов деревообработки и малоценной древесины вызвана экономической эффективностью комплексного использования древесного сырья и решением экологических проблем.

Фундаментальные работы по изучению особенностей древесных отходов как топлива были проведены И.Ф. Копериным, С.И. Головковым, В.И. Найденовым, В.В. Померанцевым, Ф.И. Зыковым, Л.М. Стерлиным, В.А. Тевлиным, М.М. Цывиным и др.

В работе приведен обзор технологий энергетического использования древесины. Процессы прямого сжигания дровяной древесины, кусковых и мягких отходов обладают рядом существенных недостатков, выражающихся в сложности процессов подготовки, транспортирования и хранения, регулирования и механизации процесса сжигания топлива. Отмечено, что важным недостатком древесного топлива является низкая насыпная плотность и ограниченная теплотворная способность. Особенно это можно отнести к мягким древесным отходам, проблема сжигания которых не решена.

Одним из направлений устранения рассмотренных недостатков является увеличение насыпной плотности, снижение технологической влажности и повышение теплового потенциала специально приготовленного древесного топлива. Для этого применяют технологии производства древесных брикетов и пеллет.

Наряду с преимуществами перед другими видами древесного топлива брикеты и пеллеты обладают рядом отрицательных физических свойств. Одним из них является их высокая сорбционная способность.

В настоящее время в мировой практике наметилась тенденция повышения эксплуатационной и энергетической эффективности древесного топлива путем торрефикации, заключающейся в медленном нагреве (скорость нагрева не более 50 °С/мин.) древесины в инертной среде при температуре 250 - 300 °С. В результате процесса термического преобразования древесины, в том числе мягких древесных отходов, получается твердый однородный гидрофобный биологически стойкий продукт с минимальным содержанием влаги, более высоким содержанием энергии по сравнению с первоначальной массой. При по-

б

тере 30 % начальной массы сохраняется до 90% энергии, содержащейся в исходной древесине. Происходит уплотнение потенциальной энергии за счет извлечения из древесины влаги, а также летучих веществ, образующихся в ходе распада гемицеллюлозы и частичного разложения целлюлозы и лигнина.

По химическому составу, содержанию влаги торрефицированная древесина существенно отличается от необработанной древесины, и, следовательно, отличными будут и технологические режимы ее гранулирования - температура подогрева и технологическая влажность материала, усилие прессования, скорость передачи усилия.

Исследования по термической обработке и гранулированию торрефици-рованной древесной массы ведутся в США, Канаде, Нидерландах, Бельгии, Швеции, Испании. Создано несколько экспериментальных установок, выпускающих торрефецированные гранулы. В России производства по выпуску тор-рефицированного топлива в настоящее время нет.

Большой разброс параметров режимов процесса торрефикации и гранулирования торрефицированной древесины приводимых в различных научно-технических публикациях не позволяет теоретически определить оптимальные условия протекания этих процессов, их связи между собой. Это определило направление комплексного диссертационного исследования.

Во второй главе рассмотрены физические явления, происходящие в древесине при нагревании ее в интервале 250 — 300°С. За счет теплопроводности и конвекции происходит прогрев древесины. Тепловой поток, распространяясь с пропорциональной скоростью, стремится внутрь древесной массы. При температуре около 180° С в поверхностных слоях древесины начинает происходить реакция пиролиза. Образуется зона пиролиза, которая при нагреве ниже лежащих слоев, также стремится внутрь древесины. Этот эндотермический процесс создает фронт реакций первичного разложения менее термостойких компонентов материала с выделением углекислоты, реакционной воды и других продуктов. При этом начинает изменяться компонентный состав древесины. Экзотермические реакции происходят при температуре выше 250 °С. Начинается бурный распад древесины с образованием основной массы продуктов разложения. Под влиянием конвекции летучие вещества начинают двигаться наружу, создавая охлаждающий эффект за счет теплообмена в наружных слоях, где температура выше. Древесина становится более пористой. Основным фактором, определяющим характер технологического процесса торрефикации является его продолжительность, обозначим которую через тт. Общая продолжительность процесса торрефикации состоит из времени прогрева исходного сырья до температуры испарения влаги тпр, времени испарения содержащейся в древесине влаги ти (процесс эндотермический), времени дополнительного прогрева древе-

7

сины до температуры термического разложения тдпр и времени разложения тэ.р. Таким образом:

Тт — ТПр + Ти + Тд пр + тэ р (1)

Так как в процессе торрефикации происходит изменение массы исходного древесного сырья за счет испарения влаги и удаления газифицированных продуктов термического разложения древесины, а также теплообмен с окружающей средой, то в основу математической модели технологического процесса торрефикации древесины положены уравнения материального баланса и теплообмена. В исходной древесной массе, состоящей из мелкодисперсных древесных частиц со средне-интегральным эквивалентным диаметром с1ч и начальной плотностью р0, выделен элементарный объем йУ = йх • йу • <1г (рисунок 1). Кажущаяся масса ш выделенного элемента будет равна:

т = р0с1У = pQd.xd.ydz

(2)

Рисунок 1 - Схема тепловых потоков

Процессы испарения влаги и термического разложения древесины ведут к потере массы выделенного элементарного объема древесины.

Получена система дифференциальных уравнений для нахождения времени испарения влаги ти и разложения древесины тэ р (с учетом, что Т = д + Ьж + 273 = -д + Гж; — температура среды; t - температура материала):

Лр

Тт = Ро

ИЛ4Г; ехр

(-

КО? + т.

-)+Улн ехр (

1=2

(3)

(__^

V К09 + Гжу

дд [дЧ 2М\ I Е01 \

+ ехр (-Щ^г^) -

з

4 1=2

Аг —постоянная Аррениуса; Е0 — энергия активации; й —газовая постоянная; Т —абсолютная температура протекания реакции (К); -теплота реакций испарения влаги, образования газообразных и жидких продуктов разложения древесины; 19 = £ — £ж; а = — —коэффициент температуропроводности. рс

Данная система дифференциальных уравнений позволила определить целевую функцию и значимые параметры для составления регрессивной модели

процесса торрефикации. Целевой функцией является минимизация массового выхода древесины Утд, а значимыми параметрами являются температура греющей среды £ж, продолжительность процесса торрефикации тт, фракционный состав исходного сырья с2ч, исходная влажность древесного сырья ИЛ

В главе представлен поэтапный анализ физического процесса прессования. Процесс прессования древесной шихты схематично можно разделить на четыре участка (рисунок 2).

Рисунок 2 — Процесс формирования древесной гранулы: 1— прессовочный ролик; 2 - матрица; 3 - цилиндрический канал фильеры матрицы; 4 - входной конический канал фильеры матрицы; 5 - выходной конический канал фильеры матрицы.

В зоне I происходит уплотнение древесной шихты. В зоне II (в конической фаске цилиндрического отверстия матрицы) формируется цилиндрическая гранула и происходит истечение спрессованной древесной шихты в цилиндрический канал матрицы. Зона III представляет собой цилиндрический канал матрицы, в котором стабилизируется и закрепляется цилиндрическая форма древесной гранулы. Зона IV - зона выхода спрессованной гранулы из цилиндрического канала матрицы.

На рисунке 3 представлена расчетная схема по определению усилий при проталкивании древесной шихты через конический канал в цилиндрический канал матрицы. Процесс выдавливания древесной шихты происходит в области пластических деформаций, при этом соблюдаются условия постоянства объема.

Рисунок 3 - Расчетная схема для конического канала матрицы. £> — диаметр сечения конического канала на входе; с10 — диаметр сечения конического канала на выходе; сI —диаметр текущего сечения конического канала на радиусе г; — радиус телесного угла, опирающегося на дугу диаметром О; Я2 — радиус телесного угла, опирающегося на дугу диаметром ¿о;

-О-О

2у — угол при вершине конического канала; р1 —давление на входе в конический канал; р2 —давление на выходе из конического канала.

Определение давления выталкивания рг во входном сечении выделенного элемента произведено на основании энергетического баланса действующих на данный элемент сил. За промежуток времени Аt давление pt совершит работу выталкивания, равную АВЬ|Т. Эта работа будет затрачена на совершение работы силами давления на выходе из конического канала АВЬ1Х, работу сил трения о боковую поверхность Атр и работу пластической деформации древесной шихты в коническом канале Апл.

Уравнение энергетического баланса для выделенного элемента запишется в виде: АВЬ|Т + Апл + Авых + Атр = 0 (4)

Разделив правую и левую часть уравнения на время получено уравнение баланса мощностей для выделенного элемента, которое будет основным уравнением по определению давления на входе в конический участок рх:

WBb,T + Nnn + WBblx + NTp = 0 (5)

Определив мощности для пластического деформирования элемента сил выталкивания во входном сечении конического канала NBbIT, сил давления на выходе из конического канала NBblx, сил трения древесной шихты о боковую поверхность конического канала NTp, получили уравнение для расчета перепада давления в коническом канале матрицы:

АРк = Рг ~ Р2 = 2 (l + 2(1_С05^п2у) <Мп£ (6)

В третьей главе изложены методики и результаты экспериментальных исследований процесса торрефикации древесины.

Основным показателем, характеризующим процесс торрефикации фракционной древесины, является показатель массового выхода обрабатываемого древесного материала. При некорректном управлении процессом и несовершенной технологии легко перейти из стадии торрефикации в стадию глубокого пиролиза, что может привести к потерям массы древесного торрефиката, получению продукта несоответствующего качества. Разные размеры частиц древесины и их различная влажность могут вызвать неравномерную карбонизацию древесины из-за неравномерной теплопередачи. При этом мелкие фракции могут превратиться в уголь, в то время как крупные не будут полностью подвержены термической обработке.

За целевую функцию для математического планирования экспериментов принято:

у = у = . Ю0% -» min; (7)

шд

где пц д - масса торрефицированной, тд - масса необработанной древесины.

Для исследований процесса торрефикации древесины подготовлены пробы еловых опилок, и создан экспериментальный стенд, общий вид которого и технологическая схема представлены на рисунке 4. Стенд состоит из высокотемпературной камеры, оснащенной системой контроля температуры и конденсационную систему. В соответствии с методикой исследования проводились в режиме термохимической активации.

в тягу

Рисунок 4 - Общий вид и технологическая схема экспериментальной установки: 1 - высокотемпературная камера; 2 - конденсационная система; 3 - приемник конденсата

Экспериментальные исследования предусматривали проведение разведывательных и основных опытов. Для исследований было определено три температурных режима: 250, 270, 290 0 С. Скорость нагрева материала 8 °С/ мин. Другим важным параметром при разложении лигноцеллюлозной полимерной структуры древесины является фактор времени. Установлена продолжительность термической обработки древесных проб 240 мин. с интервалом 30 мин.

Результаты разведывательных опытов, для проведения которых были приняты однофакторные эксперименты, представлены на рисунке 5.

Рисунок 5 - Зависимость массового выхода торрефициро-ванной древесины от продолжительности процесса при температурах 250, 270, 290 °С

120

0 100 200 300

Продолжительность процесса торрефикации, мин.

Для проведения основных экспериментальных исследований установлены граничные интервалы и выбраны следующие параметры процесса: температура процесса 270 °С, временной интервал 60 - 240 мин. Целью основных экспериментов являлось получение уточненной математической модели для определения массового выхода торрефицированной древесины при определенных количественных факторах проведения процесса в виде уравнения регрессии. В качестве основной функции получения математической модели был принят полином второго порядка - В-план. Опыты отличались уровнями варьируемых факторов. Проведено 126 наблюдений при фиксированной температуре термообработки 270°С. Для проведения экспериментов на экспериментальном стенде выбрано три изменяемых технологических фактора: продолжительность процесса торрефикации тп (х/), толщина насыпного слоя древесины /г.„ (х2), размер фракции (1„ (хз) и интервалы их варьирования.

Таблица 1- Методическая сетка опытов проведения экспериментальных исследований процесса торрефикации фракционированной древесины

№ XI у (дубль 1) у (дубль 2) у (дубль 3)

1.1. 2.1. 3.1. 1.2. 2.2. 3.2. 1.3. 2.3. 3.3.

1 -1 -1 -1 72,14 72,93 72,15 73,19 73,33 71,87 71,98 71,73 72,53

2 1 -1 -1 51,67 51,46 52,34 52,41 51,66 51,91 52,54 51,38 51,99

3 -1 1 -1 77,75 78,23 76,78 77,82 77,44 76,92 78,62 78,51 76,79

4 1 1 -1 55,37 56,05 55,47 57,05 57,01 55,77 57,04 55,89 56,43

5 -1 -1 1 74,28 73,34 74,12 74,63 73,76 74,78 74,01 74,13 73,13

6 1 -1 1 53,78 55,26 54,32 53,75 53,79 55,11 54,51 54,73 54,13

7 -1 1 1 79,68 81,33 79,77 81,09 80,39 81,01 80,27 80,14 79,9

8 1 1 1 58,48 56,97 58,42 57,89 58,64 57,91 56,99 57,95 57,59

9 -1 0 0 74,74 76,02 75,91 76,29 76,44 74,96 74,98 75,65 75,14

10 1 0 0 53,95 55,37 53,89 54,31 55,58 53,91 55,69 54,72 55,75

11 0 -1 0 62,98 64,06 63,17 63,54 64,02 62,58 63,11 63,12 62,88

12 0 1 0 68,94 67,94 67,44 68,11 67,59 67,34 68,77 68,28 68,11

13 0 0 -1 64,37 65,81 65,52 66,18 64,87 65,13 66,02 64,62 64,88

14 0 0 1 66,91 68,34 68,49 68,24 66,68 67,44 68,01 67,52 66,78

Составлены матрица В-плана для трех факторов и методическая сетка опытов проведения экспериментальных исследований процесса торрефикации древесины (таблица 1). В результате обработки данных исследований получена математическая модель для определения массового выхода древесины при определенных количественных факторах, влияющих на выход материала, в виде уравнения регрессии, графически представленная на рисунках 6, 7, 8: у = 65,837 - 10,495*! + 2,432х2 + 1,067х3 - 0,634хг2 - 0,152лг| + 0,616*| - 0,487x^2 (8)

Так как план эксперимента ненасыщенный, проведена проверка уравнения регрессии на адекватность.

80,000

♦ х1; (х2=х3=0) ■ х2; (х1=хЗ=0) АхЗ; (х1=х2=0)

1,2 -0,9 -0,6 -0,3 0 0,3 0,6 0,9 1,2 Уровни варьирования факторов

Рисунок 6 - Зависимости

у(х,; х2=х3=0), у(х2; х,=х3=0), у(х3; х!=х2=0)

Рисунок 7 - Зависимости у(х1; х2; х3=0), у(х,; х3; х2=0), у(х2; х3; х,=0)

♦ х1, х2, (х3=0) ■ х1, хЗ, (х2=0) Ах2, хЗ, (х1=0)

-1,2-0,9-0,6-0,3 0 0,3 0,6 0,9 1,2 Уровни варьирования факторов

Рисунок 8-Зависимость

у(х,, х2, х3)

Наибольшее влияние на изменение массы торрефицированной древесины при постоянной температуре процесса оказывают факторы х, и х2, которые соответствует натуральным факторам продолжительности процесса и толщине

насыпного слоя древесины. Размер древесной фракции оказывает незначительное влияние на скорость протекания процесса торрефикации.

Получена регрессионная модель по определению массового выхода древесного торрефиката с натуральными обозначениями факторов: 7Т.д. = 75,106 - 0,084тп + 0,21ЛМ - 0,39^о - 0,0001т* - 0,0005^ + 0,154^ - 0,0003тпЛи (9)

Проведен анализ сорбционных способностей торрефицированной древесины. В результате анализа элементного состава торрефицированной древесины установлены зависимости содержания углерода и водорода от времени торрефикации при фиксированной температуре. Сделан вывод, что с увеличением продолжительности процесса торрефикации происходит науглероживание древесины при незначительных потерях водорода.

В главе изложена методика по определению теплотворной способности и зольности торрефицированной древесины, установлены их зависимости от продолжительности процесса при температуре процесса 270 °С.

В четвертой главе изложены методика проведения и результаты экспериментальных исследований процесса гранулирования торрефицированной древесины. В результате процесса торрефикации получен мелкодисперсный гидрофобный древесный материал с повышенным содержанием углерода. Для удобства использования в качестве топлива, повышения насыпной плотности, транспортабельности, энергоконцентрации измельченную торрефицированную древесину необходимо спрессовать в гранулы или брикеты.

Определена целевая функция для математического планирования экспериментов на натурном стенде по производству древесных гранул:

у = = СЮ)

где Ц,- усилие прессования, кгс; йф - площадь входного сечения канала матрицы, мм.

В основу методики определения давления прессования древесины положен принцип формирования гранул, заключающийся в продавливании древесины через перфорированные поверхности. Давление возрастает до значения, при котором происходит проталкивание шихты через конический и цилиндрический участки фильеры матрицы.

В качестве основного оборудования использовался экспериментальный стенд (рисунок 9) на базе испытательной машины АС-50ШХ, 8Н1МА02и. Для исследования процесса прессования была изготовлена специальная цилиндрическая матрица с фильерой диаметром 8 мм (рисунки 10, 11) с обогревом. Для проведения исследования процесса прессования подготовлены древесные

шихты из торрефицированной древесины, полученной при параметрах процесса термической обработки тп = 120 мин. и 1„ = 270°С,

Рисунок 9 - Экспериментальный стенд: 1 - универсальная испытательная машина AG-X Plus 50kN, SHI-MADZU; 2 - матрица для прессовки древесной гранулы; 3 автотрансформатор

В качестве основной функции получения математической модели был принят полином второго порядка - В-план. Опыты отличались уровнями варьируемых факторов. Проведено 84 наблюдения. Для проведения экспериментов на натуральном стенде выбрано три изменяемых технологических фактора: влажность торрефицированной древесины <рш (х;), температура подогрева прессуемого материала (х?), угол конуса при вершине конического канала матрицы у(х3) и интервалы их варьирования.

Рисунок 10 - Цилиндрические Рисунок 11 - Матрица с фильерой вставки с углами при вершине конуса диаметром 8 мм 2у = 60; 90; 120°

Составлены матрица В-плана для трех факторов и методическая сетка опытов проведения экспериментальных исследований процесса торрефикации древесины (таблица 2).

Таблица 2 - Методическая сетка опытов для проведения экспериментальных исследований

№ режима х2 у, кгс/мм2 (дубль 1) у, кгс/мм2 (дубль 2)

Проба 1 Проба 2 Проба 3 Проба 1 Проба 2 Проба 3

1 -1 -1 -1 34,33 32,73 31,57 35,51 34,20 36,63

2 + 1 -1 -1 16,48 19,00 17,88 15,00 16,63 17,88

3 -1 +1 -1 29,06 26,71 28,41 30,43 31,03 27,57

4 +1 +1 -1 14,01 12,62 16,01 15,22 13,08 12,63

5 -1 -1 + 1 52,67 50,68 51,86 54,34 50,77 54,23

6 + 1 -1 +1 26,72 27,00 27,37 28,11 26,11 28,27

7 -1 +1 +1 47,11 46,45 46,73 45,38 47,33 46,18

8 + 1 +1 + 1 22,72 23,20 22,04 22,67 23,24 24,62

9 -1 0 0 34,39 34,15 31,08 32,17 31,45 33,99

10 + 1 0 0 17,07 13,99 12,94 12,61 17,12 15,82

11 0 -1 0 22,77 23,18 26,39 24,01 24,57 24,56

12 0 +1 0 19,47 20,07 18,82 17,93 17,53 19,21

13 0 0 -1 20,35 22,07 20,68 18,55 22,57 19,88

14 0 0 +1 34,84 34,66 33,87 34,22 35,05 33,45

В результате обработки данных экспериментальных исследований получена математическая модель для определения давления прессования мелкодисперсной торрефицированной древесины при определенных количественных факторах, в виде уравнения регрессии, графически представленная на рисунках 12, 13, 14:

у = 21,250 - 9,885Xl - 2,432х2 + 6,852х3 + 2,657х? + 6,274х| (11)

Так как план эксперимента ненасыщенный, проведена проверка уравнения регрессии на адекватность.

Отмечено, что наибольшее влияние на изменение давления прессования

древесной шихты оказывают факторы xt и х3, которые соответствуют натуральным факторам влажности древесной шихты и углу при вершине конического канала матрицы. Причем влияние фактора х3 в интервале варьирования -1...0 значительно ниже, чем в интервале варьирования 0 ...+1. Наименьшее влияние оказывает фактор х2, соответствующий натуральному фактору температуре нагрева древесной шихты.

Получена регрессионная модель по определению давления прессования древесной шихты с натуральными обозначением факторов:

р = 94,863 - 2,052<рш - 0,041tm - 2,053у + 0,027^ + 0,028к2 (12)

16

Рисунок 12 -Зависимости у(хи х2=х3=0), у(х2; х!=хз=0), у(х3; х,=х2=0)

Рисунок 13 -Зависимости у(х¡, х2, х3=0); у(хи х3, х2=0); у(х2, х3, х,=0)

КЬООО

-о,чюо

-10 1 Уровни варьирования

♦ х1, х2, (х3=0) ■ х1, хЗ, (х2=0) Лх2, хЗ, (х1=0)

Рисунок 14 -Зависимость у(х,, х2, х3)

Для анализа плотности древесных гранул построены графические зависимости р(Сш; <рш) для у = 30, 45, 60° (рисунок 15). Отмечено, что плотность древесных торрефицированных гранул варьируется в пределах 0,965 - 1,319

г/см3. Средняя плотность полученных гранул - 1,099 г/см3. Можно сделать вывод, что при объемном прессовании плотность гранул практически не зависит от изменения величины достигнутого давления, а обуславливается объемным сжатием и сопротивлением проталкивания через цилиндрический канал. Незначительное повышение плотности наблюдается при увеличении влажности и температуры древесной шихты.

Влажность , температура древесной шихты

Рисунок 15 — Зависимость изменения плотности древесных гранул от влажности и температуры древесной шихты

В пятой главе рассмотрена принципиальная схема переработки мягких древесных отходов в высокопотенциальное древесное топливо (рисунок 16).

(3 Рисунок 16.

Принципиальная схема

__У __производства топливных

' ^ 2 ' 4 ' ' ( ' гранул из

1 ^ ^ (=270°с => 4 й= торрефицированных

8 ■10°/о ол мм древесных опилок:

ч_У V-- 4-■' к-> ' г 1 - накопитель древесных

Л опилок;

--, ^_ ^ г_^ 1 2 - сушильная камера;

ю ( 9 , Г 7 б 3 ~ реактор;

<*= у =зо° <= ^-2о-зо»/<с= 4 - камера охлаждения (=12о-18с°с _ торрефицированной

^-••-' '' ' 4 '' древесины;

5 - молотковая мельница; 6 - система сит; 7 - камера кондиционирования; 8 -гранулятор; 9 - камера охлаждения гранул; 10 - зона фасовки или складирования топливных гранул

■у=305 ■ у=45°

y=60^

Предложенная принципиальная схема производства торрефицированного высокоэнергетического топлива может быть рекомендована проектным организациям при разработке производственных комплексных технологических решений по производству высокопотенциального биотоплива.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработаны направления совершенствования технологий облагораживания древесного топлива из мягких отходов деревопереработки путем термического преобразования в высокопотенциальный энергетический ресурс.

2. Проведен комплексный анализ состояния ресурсов древесины и направлений переработки древесных отходов в товарную продукцию.

3. Разработаны математические модели процесса торрефикации древесины и процесса прессования мелкодисперсной древесины.

4. Экспериментально установлены граничные условия и режимные параметры процесса торрефикации фракционированной древесины.

5. Изучено влияние исследуемых факторов на изменение массы древесины при термическом воздействии в инертной среде. Установлено, что температурный режим оказывает превалирующее влияние на скорость протекания процесса торрефикации древесины.

6. Получен новый энергоэффективный продукт в виде мелкодисперсной науглероженной массы древесины. При термической обработке древесины при температуре 270 °С в течение 150 минут потеря массы древесины составляет 32% ±3, а потеря теплоты сгорания в перерасчете на первоначальный объем - 16 % ±2, происходит повышение энергетического потенциала торрефицированной древесины в 1,2... 1,3 раза.

7. Разработана методика проведения экспериментальных исследований и определены основные технологические параметры процесса гранулирования торрефицированной древесины. На основании обработки результатов экспериментальных исследований получена адекватная математическая модель для определения давления прессования древесной шихты в замкнутой фильере.

8. Установлено влияние различных сочетаний факторов на изменение давления прессования: угол при вершине конического канала матрицы, влажность и температура прогрева древесной шихты. Доказано, что путем гранулирования торрефицированной древесины возможно получение древесного топлива с повышенной плотностью материала до 1,3 г/см3. При объемном прессовании плотность гранул практически не зависит от величины достигнутого давления, а обуславливается объемным сжатием и сопротивлением проталкивания через цилиндрический канал.

9. Предложена технологическая схема производства топливных гранул из модифицированной термообработкой древесины путем прессования.

10. Рекомендовано процесс торрефикации мягких древесных отходов проводить при температурном режиме 270 °С, влажности древесины до 10 %. Продолжительность процесса термической обработки древесины определяется заданным количественным выходом торрефиката.

19

11. Рекомендовано для процесса гранулирования торрефицированной древесины применять матрицы с углом конуса входного канала - 30° при температуре прогрева древесной шихты - 120... 180 °С влажности древесной шихты -20...30%.

Основные результаты диссертации опубликованы: В изданиях по перечню ВАК

1. Мюллер О.Д. Экспериментальное определение влияния на модуль Юнга давления прессования древесной гранулы. / О.Д. Мюллер, В.И. Мелехов, Д.Л. Герасимчук, Н.М. Клюшин, Т.В. Тюрикова // - Архангельск: ИВУЗ «Лесной журнал», №3/345,2015.- С. 102- 110.

2. Мюллер О.Д. Математическая модель процесса формирования древесных гранул / О.Д. Мюллер, В.И. Мелехов, В.К. Любов, Т.В. Тюрикова //Архангельск: ИВУЗ «Лесной журнал» № 2/344, 2015. - С. 104 - 122.

В прочих научных изданиях

3. Тюрикова Т.В. Применение торрефицированного древесного топлива в индивидуальных домах / Т.В. Тюрикова, Е.В. Сазанова // Строительная наука - 2014: теория, образование, практика, инновации. Сборник трудов международной научно-технической конференции 22 - 23 мая 2014 г. / под ред. Б.В. Лабудина / -Архангельск: Изд-во ООО «Типография «ТОЧКА», 2014. -427 стр. - С. 375 -377.

4. Тюрикова Т.В. Биоуголь как источник энергетических ресурсов северного региона /Т.В. Тюрикова // Экологические проблемы Арктики и северных территорий: межвуз. сб. науч.тр. / Сев. (Арк.) федер. Ун-т им. М.В. Ломоносова. - Архангельск, 2013.-Вып. 16,-С. 217-218

5. Мелехов В.И. Повышение энергетической эффективности древесной биомассы. / В.И. Мелехов, Т.В. Тюрикова, Е.В. Кабанова, A.C. Почтовалова // Экологические проблемы Арктики и северных территорий: межвуз. сб. науч.тр. / Сев. (Арк.) федер. Ун-т им. М.В. Ломоносова. - Архангельск, 2015. - Вып. 17.- С.366-368.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с указанием фамилии, имени, отчества, почтового адреса, адреса электронной почты, наименования организации и должности, подписанные и заверенные печатью, просим направлять по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, д. 17, САФУ им. М.В. Ломоносова, диссертационный совет Д 212.008.01

Подписано в печать 08.07.2015. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №3753 Издательский дом имени В.Н. Булатова САФУ

163060, г. Архангельск, ул. Урицкого, д. 56