автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Технология и пресс для производства топливных гранул из стеблей подсолнечника

- I о^ /п На правахрукописи

Волков Дмитрий Сергеевич

ТЕХНОЛОГИЯ И ПРЕСС ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА

ТОПЛИВНЫХ ГРАНУЛ — 9

ИЗ СТЕБЛЕЙ ПОДСОЛНЕЧНИКА

Специальность05.20.01 -Технология и средства механизации сельского хозяйства (по техническим наукам)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 ДПР НЮ

Зерноград 2012

)

005018372

Диссертация выполнена б ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет» и ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроннжеперная академия».

Научный руководитель:

академик РАСХН, Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Долгов Игорь Асонович (ФГБОУ ВПО ДГТУ)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Краснов Иван Николаевич (ФГБОУ ВПО АЧГАА, проф. кафедры)

доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Тищенко Михаил Андреевич

(ГНУ СКНИИПТИМЭСХ Россельхозакадемии,

зав. лабораторией)

Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный

аграрный университет (г. Ставрополь)

Защита состоится апреля 2012 года в ___часов на заседании

диссертационного совета ДМ 220. 001.01 при ФГБОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия» по адресу: 347740, г. Зерноград Ростовской области, ул. им. Ленина, 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО АЧГАА.

Автореферат разослан ч/7 ъ/ъяРл? 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, " I ,

профессор ' Н.И.Шабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБО ТЫ Актуальность темы. Подсолнечник являйся высокорослым растением, из биомассы которого полезно используются только маслосемена, массовая доля которых составляет всего лишь 8-10 %. Известны научные исследования по использованию в качестве корма зерновых отходов послеуборочной обработки маслосемяи. Практически используется в качестве добавок к комбикормам шрот - отходы после отжима масла. Остальная биомасса в количестве до 90% не используется, засоряет и затрудняет обработку полей.

В современном мире обостряются вопросы энергообеспечения. Ископаемые виды топлива по прогнозам специалистов через пару столетий будут исчерпаны. В тоже время твердое биотопливо используется человеком с первобытных времен. В последнее время все большую популярность приобретает производство топливных гранул и брикетов из возобновляемых видов сырья, в том числе отходов сельскохозяйственного и деревообрабатывающего производства.

Поэтому разработка технологии безотходной переработки всей биомассы подсолнечника является актуальной задачей.

Цель исследовании: разработать технологический процесс безотходной переработки биомассы подсолнечника с производством из полевых отходов (стебли, корзинки) топливных гранул и обосновать параметры и режим работы пресса для их изготовлении.

Объект исследования. Процесс переработки полевых отходов подсолнечника в топливные гранулы и шестеренный пресс доя их изготовления.

Предмет, исследовании. Закономерности формирования твердых гранул из измельченных стеблей и корзинок подсолнечника.

Научная новизна состоит в обоснованных параметрах технологического процесса сбора отходов подсолнечника в поле, предварительной подготовки сырья и производства топливных гранул шестеренным прессом, новизна совершенствования которого подтверждена патентом на полезную модель № 90733, реализация которой позволила:

изучить физико-механическнс, теплофизические свойства измельченных отходов подсолнечника и исследовать их влияние на процесс формирования топливных гранул;

установить зависимости удельных затрат энергии и качества получаемых гранул от гранулометрического состава, влажности и температуры измельченных отходов подсолнечника, получить математическую модель процесса подготовки сырья к гранулированию;

обосновать подачу сырья и частоту вращения матрицы шестеренного пресса для изготовления качественных топливных гранул.

Практическая значимость работы заключается в разработанной безотходной технологии выращивания подсолнечника с переработкой его полевых отходов в топливные гранулы и обоснованном режиме работы пресса для их изготовления, использование которой позволяет:

получит!, дополнительный доход от выращивания подсолнечника путем переработки засоряющих поле отходов в топливные гранулы; очистить коля от стеблей и корзинок подсолнечника; изготавливать гранулы из измельченных отходов подсолнечника е минимальными затратами энергии и с должным качеством на шестеренном прессе с модернизированной матрицей (патент №90733 на полезную модель);

получить дополнительный годовой экономический эффект от использования разработанной технологии, который сопоставим со стоимостью основной продукции от выращивания подсолнечника (стоимости маслосемян). На защиту вынесены следующие основные положения:

• физико-механические и теплофизические свойства измельченных отходов подсолнечника;

• , закономерности сжатия измельченных отходов подсолнечника;

• модель подготовки (кондиционирования) отходов подсолнечника , к прессованию;

• параметры и режим работы шестеренного пресса для изготовления топливных гранул;

• дополнения к методике инженерного расчета пресса. Апробация работы. Основные положения диссертационной работы

доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГ'ОУ ВПО «Донской государственный технический университет» и ФГОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия». Разработанная технология и рекомендации по результатам исследований проверены в производственных условиях холдинга ООО «ЮгАгроХолдинг» и ООО « Дон-МаслоПродукт» Ростовской области.

Публикация результатов исследования. Результаты исследований опубликованы в 6-ти печатных работах, из которых 4-ре статьи в изданиях из перечня ВАК и патент,на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, общие выводы, библиографический список из 128 наименований, в том числе 15 на иностранных языках, и приложения. Работа изложена на 150 страницах текста, содержит 31 рисунок, 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ •Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, объект и предмет исследований, научная новизна. Представлены основные положения, вынесенные на защиту.

В первой главе «Анализ исследований технологического процесса производства топливных гранул и брикетов из биосырья и прессового оборудования. Цель и задачи исследования» рассмотрены перспективы расширения объемов производства топливных гранул и обзор нормативных актов, анализ технологического процесса производства топливных гранул из биосырья, обзор оборудования для производства топливных гранул и брикетов, анализ результатов научных исследований процессов производства твердых

гранул из сыпучею сырья растительного происхождения, обзор и анализ исследований режима работы прессующих устройств, анализ исследований шестсрснных грануляторои.

Вопросам уплотнения растительных материалов посвящены исследования Горячкина В.П., Алферова С.А., Пустыгипа М.А., Особопа В.И., Долгова И. А., Некрашевича В.Ф., Фарбмана Г.Я., Мельникова C.B., Николаева Д.И'., Подкользина Ю.В., Скальвейта X., Буссе В., Батлера Й.Л., Макколли X. Ф., Гиакомелли Е. и других.

Уплотнению бурых углей и торфа посвящены работы Наумовича В.М., прессованию металлических порошков - Ждановича Г.М. Уплотнению измельченной массы растений, фракционированию и использованию жома, сока и насты растений иосвяшсны работы Фомина В.И., Пройдак Н.И., Новикова H.H., Пири Н.В. и других.

Выводы из осуществленного обзора литергпурных источников следующие:

- общая теория формирования твердых гранул из сыпучего сырья разработана в достаточной степени

- конструктивно-технологические схемы устройств для прессования растительных материалов весьма многообразны, однако среди них для производства топливных гранул из измельченных стеблей подсолнечника наиболее предпочтительны шестеренные прессы;

- исследования шестеренных прессов известны в области гранулирования рассыпных кормов, что вызывает необходимость в обосновании параметров и режима работы в сфере производства топливных гранул из резко отличающегося сырья и по совершенно другим нормативным требованиям к качеству готовой продукции;

- сложившейся общепризнанной технологии производства топливных гранул нет;

- производство топливных гранул из стеблей подсолнечника не отражено в литературных источниках.

Научная гипотеза. Изучив и целенаправленно усилив свойства сыпучего сырья образовывать плотное тело на основе теории межмолекулярного прилипании Дерягина, можно определить показатели рационального технологического процесса, а также обосновать параметры и режим работы пресса для изготовления топливных гранул из полевых отходов подсолнечника.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Изучить физико-механические и теплофизические свойства измельченных стеблей подсолнечника и определить их влияние на процесс формирования твердых гранул из рассыпной массы измельченных стеблей подсолнечника.

2. Оптимизировать параметры состояния сырья, подготовленного к прессованию в гранулы, в направлении ресурсосбережения процесса.

3. Обосновать параметры матрицы и прессующего вальца, а также определить область рационального режима работы пресса.

4. Разработать дополнения к методике расчета шестеренного пресса и оценить экономическую целесообразность практического использования технологии н пресса для производства топливных гранул из полевых отходов подсолнечника.

Во второй главе «Теоретическое обоснование производства топливных гранул из полевых отходов подсолнечника шестеренным прессом выдавливающего типа» приведен аналитический анализ вопросов технологии переработки полевых отходов подсолнечника и работы шестеренного пресса, не освещенные в работах предыдущих исследователей.

Параметрическая модель технологического процесса учитывает преемственность операций и изменение свойств сырья от операции к операции (рис.1).

Рисунок 1- Параметрическая модель технологического процесса переработки полевых отходов подсолнечника в топливные гранулы

В модели применены обозначения: Г,,Тг,7] - температура полевых отходов подсолнечника на различных этапах технологического процесса; /„,/,. 12 - размер частиц по гранулометрическому составу, исходное состояние в поле, после скашивания и измельчения, после дробления перед прессованием; 1т - размеры топливных гранул; - масса отходов подсолнечника в поле, масса измельченного сырья после досушивания и дробления, масса готовых гранул, масса сжигаемых гранул в процессе досушивания сырья и его нагрева перед прессованием; пу,ух - кинематические и конструктивные параметры уборочного средства; пг,уг - кинематические-, тепловые и конструктивные параметры измельчителя и дробилки; п2,Р,у, ■• кинематические, силовые и конструктивные параметры пресса и охладителя с упаковщиком.

Входными параметрами полевых отходов подсолнечника являются масса стеблей и корзииок на корню М„, характерный размер стеблей и корзинок /„, температура Г„ насыпная масса у„. С этими параметрами полевые отходы подсолнечника подвергаются скашиванию, например, силосоубороч-

ным комбайном с накоплением в тележку с сеткой, например, 2ПТС-40. Полевые отходы подсолнечника транспортируются в виде измельченной массы с размерами частиц /, и насыпной массой у, при температуре окружающего воздуха 7, и количестве Л/„.

На пункте переработки вначале сырье подвергается операциям кондиционирования. Влажность доводится до 10-12%, размер частиц до 2-4 мм, температура доводится до 373 °К.

В третьем блоке подготовленная масса гранулируется, выходной продукт отсортировывается, крошка возвращается на повторное прессование, готовые гранулы охлаждаются м упаковываются. Часть готовых гранул используется в теплогенераторе с целыо досушивания сырья и нагрева его перед прессованием.

Из морфологического анализа растений подсолнечника баланс составных частей можно отобразить равенством:

Л/й = Л/, + Мк + М0 (1)

где мл - биологическая масса растений на 1 га посевов, кг; м - масса маелоесмян, кг; Мк - масса корзинок, кг; М0 - масса листостебельной части, составляющая полевые отходы подсолнечника, кг.

Из всех категорий полезным продуктом является растительное масло. Жмых используется на корм. Лузга вывозится на свалку. Отходы маслосемяп в результате послеуборочной очистки не используются. Корзинки после вымолачивания и листостебельиая часть растений разбиваются дисковыми боронами по всей поверхности поля и засоряют почву, гак как плохо заделываются во время пахоты и долго не перегнивают.

С точки зрения безотходности технология переработки всей биомассы растений подсолнечника должна выглядеть гак:

Мй = Мм + Мж + + Мп, , (3)

где Л/„ - масса кормовых гранул, кг; м„„ - масса топливных гранул. В таком случае из переработки выпадают лишь корни растений. Масса полевых отходов подсолнечника, которую можно использовать дпя изготовления топливных гранул

М,=*-Л/0, (4)

где к - коэффициент учета потерь при скашивании стеблей. Масса изготовленных топливных гранул равна массе подготовленною сырья (Л/,). Если использовать гранулы для теплогенератора вместо газа или дизельного топлива, то масса товарных гранул уменьшится на величину израсходованной части.

Обоснование кондиционирования полевых отходов подсолнечника перед гранулированием. Полевые отходы подсолнечника представляют собой стебли подсолнечника и вымолоченные корзинки. Измельченная их смесь является объектом прессования. Поэтому эффективность процесса гранулирования в решающей степени зависит от физико-механических свойств прессуе-

мого материала. Задача оптимизации является экстремальной и компромиссной. При этом учитывались две функциональные зависимости:

Wya=F(i,T,/, ), (5) и К = f(i, Т, /,), (6)

где Wy„ - удельная работа сжатия, Дж/кг; i - влажность смеси, %; Т - температура, К; I - длина частиц измельченных стеблей и корзинок подсолнечника, м; К - крошимоеть гранул, %.

Обоснование производительности и конструктивных параметров пресса. Производительность пресса в первом приближении можно определить по формуле

где </ - производительность, кг/с; S„ - площадь поперечного сечения одного канала прессования, м ; L - длина каналов прессования, м; р - плотность монолита в канале прессования, кг/м1; Z„ - число каналов прессования; Р -коэффициент заполнения каналов прессования, учитывающий использование живого сечения; - время пребывания сырья в канале прессования, с.

Стандартное исполнение зубчатого венца матрицы и прессующего вальца может поднять долю площади каналов прессования до 50%. В настоящей работе разработан способ фрезерования зубчатого венца по схеме «впадина-впадина-зуб», приводящий к увеличению суммарной площади каналов прессования до 2/3 (67%). Корректирующая проверка должна проводиться по целому числу шагов зацепления на делительной окружности.

Анализ условий вовлечения сырья в зону сжатия, времени его обработки и обоснование длины канала прессования. Рабочая частота вращения матрицы определяется из условия •

"„„„ <v <".»«> (8)

где нп,ш - минимальная частота вращения матрицы, об/мин; л - максимальная частота вращения матрицы, об/мин.

Время обработки материала от момента захвата материала до окончания формирования гранул и отделения ее от матрицы можно представить суммой

' = '^+'„Р> (9)

где / - общее время обработки, с; tcx- время сжатия материала, с; / -время продвижения сжатых порций вдоль канала прессования, с. Сжимающая сила направлена перпендикулярно поверхности вальца, то есть

по направлению радиуса вальца (рис. 2).

•исуиок 2.- Схема сил в прессе

Время сжатия г/

/ . -- " .

где «сж- угол прессования, рад; «>-угловая скорость вращения матрицы, рад/с.

Время продвижения материал а по каналу зависит от его длины, толщины порции, и частоты продвигающих воздействий

) ¿0

где - длина канала прессования, м; п - число оборотов матрицы за I минуту, об/мин;

или

(П)

к - число проталкивающих воздействий за I оборот (число пресс-сующих вальцов, размещенных внутри матрицы); ЛЛ'- толщина единичной сжатой порции сырья, впрессованной в канал зубом вальца, м.

Мощность для прессования в кольцевых грануляторах определяется формулой :

^'я/. = 10 '!'п, -9,.,, -7,, (¡2)

2,,-а..

где 2у - число каналов прессования в пределах угла «.„. 7.

360

Мощность электродвигателя учитывает условии холостого хода машины и КПД составляющих ее механизмов:

= -(13)

где Л'„-мощность холостого хода; и КПД трансмиссии и двигателя.

В третьей главе «Программа и методика экспериментального исследования процесса изготовления топливных гранул из полевых отходов подсолнечника» представлены программа и методики экспериментальных исследований.

Программой экспериментов предусматривалось:

- определить физико-механические н тсплофизические свойства измельченных полевых отходов подсолнечника, влияющие на осуществление операций разрабатываемого технологического процесса;

- экспериментально проверить закономерности сжатия измельченных отходов подсолнечника и определить численные значения констант основных зависимостей;

- оптимизировать физико-механические свойства измельченных полевых отходов подсолнечника по минимальным затратам на формирование гранул;

- обосновать рациональный режим работы гранулятора. Теплофизические характеристики определены методом плоского зонда. В результате проведения опытов определялись: максимум температуры нагретого материала тсшкс ; температура пустого зонда в момент его погружения в материал тзшкс; время цикла тц; температура зонда Т3К"'Н в момент, когда был максимум температуры исследуемого материала. Расчеты производились с учетом температуры материала Тс в начале опыта.

По известному т,( определялся коэффициент температуропроводности а = х2/2т„ , , (14) где * - - расстояние от зонда до точки измерения температуры исследуемого материала, м; т1( — время от погружения зонда в исследуемый материал до достижения материалом максимума температуры в точке измерения, с. Теплоемкость материала определялась по формуле

1пс = 1п0-1|п?-1|пгц - 1пАТ-— Л, (15)

2 2. 4аг,,

где £>- количество теплоты, отдаваемое пластиной зонда материалу, Дж; а - коэффициент температуропроводности, м/с; дГ- разность между начальной и конечной температурой зонда, °С; Л — постоянная величина, определяемая формой и размерами зонда; q - ускорение свободного падения, м/с2.

Количество теплоты (?, отдаваемое зондом материалу, определялось из выражения @ = >п„с„(гГ - г;'1"), (16)

где ш„ — масса пластины зонда, кг; с„ - теплоемкость материала, из которого сделана пластина зонда, Дж/(кг-°С); Т','"" - температура нагрева зонда, °С; Г™ - температура зонда в конце опыта, °С.

Постоянная величина А определялась по формуле

Л = 1п 2 + 1п 5 + - 1п/г, (17)

2

где 5 — площадь пластины зонда, м .

Теплопроводность X исследуемого материала определялась из выражения: Х~с-а-р . (18)

Оптимизация технологических свойств измельченных полевых отходов подсолнечника по минимальным затратам энергии на формирование гранул проводилась в лабораторных условиях на гидравлическом прессе ОКС-1671М. Пресс оснащен тензометрическим штемпелем, камерой прессования с упором и измерительной аппаратурой. Для определения зависимости удельной работы сжатия от влажности, длины частиц и температуры сырья принята методика планирования грехфакторного эксперимента с ортогональным планом второго порядка (табл. 1).

По полученным диаграммам (рис. 3) определялись значения усилия сжатия и хода штемпеля. Работа сжатия пересчитывалась на 1 кг сжимаемого сырья: \Ууд -- Бф |Ар цх/ т, где 8гр - площадь графика Р = Г(х), мм2; |др масштаб силы сжатия, Н/мм; |лх масштаб перемещений, м/мм; ш масса сжимаемой порции, кг.

Таблица I - Факторы и уровни их варьирования

Фактор Обозначение натур. кодиров. Ед. изм ер. Уровни факторов

-1,215 -1,0 0 +1,0 »{¿15 :

Влажность I Х| % 5,4 6 9 12 — -1-— 12,6

Длина частиц ! мм 4,4 <Д5) 5 (Д6) 8 т " 11 (Д12). 93 л 11,6 100

Темпсразург Т Хз 3С 18 2.5 59

Рисунок 4 - Гранулятор с экспериментальной матрицей

Рисунок 3 - Образец диаграммы и пробы гранул

Гранулятор (рис. 4) состоит из матрицы I и расположенного внутри нее прессующего вальца 2. Матрица приводится во вращение от электродвигателя 3 через ременную передачу 4 и вертикальный вал 5. Прессующий узел заключен в кожух б, сверху которого установлена загрузочная горловина 7. Нож 8 отделяет готовые гранулы. Плужок 9 разравнивает сырье.

В четвертой главе «Анализ результатов экспериментального исследования производства гранул из полевых отходов подсолнечника» приведены результаты экспериментов.

Получены следующие результаты исследования свойств полевых отходов подсолнечника. Относительная влажность составила 8 — 10 %. Значение объемной массы измельченного подсолнечника 98 кг/м3для сырья с частицами 2,5 мм и 123 кг/м3 для сырья с частицами 8 мм. Угол естественного откоса исследуемого продукта при изменении гранулометрического состава проб оставался примерно одинаковым и находился в пределах 30-3 I

Результаты определения коэффициен та трения не стали показали, что в диапазоне температуры от 5 до 25°С и в пределах влажности от 8 до 2.0% для среднего размера частиц 2.5мм коэффициент трения в покое равен 0,51 ±0,01, а в движении 0,47±0,01. Для среднего размера 8мм коэффициент трения в покое равен 0,62 ±0,0!, а в движении 0,53±0,01.

С ростом температуры массы со средним размером частиц 2,5мм от 18"С до 30"С увеличиваются коэффициент температуропроводности от 17,2-10'2 до 25,0-10"2 м2/с, коэффициент теплопроводности от 5,4-102 до 7,3-10"" Вт/(м град) и теплоемкость от 16,9 до 23,2 Дж/(кг- г рад).

При увеличении температуры массы со средним размером частиц 8мм от 18"С до 30"С происходит увеличение коэффициента температуропроводности от 15,0-10"2 до 21,7 ■ 102 м2/с, коэффициента теплопроводности от 5,МО"2 до 6,7-10"2 Вт/(м град) и теплоемкости от 15,6 до 19,2 Дж/(кг-град).

Установленная зависимость теплофизических свойств измельченных полевых отходов подсолнечника от температуры объяснима тем, что вязкость некоторых компонентов подсолнечника (растительных смол и эфирных масел, воды) с повышением температуры снижается.

Закономерности сжатия отходов подсолнечника проверялись при обработке диаграмм. Определены значения постоянных величия в уравнении сжатия (а и Р0): Р0= 0,325 МПа, а =5,673.

Формулы описывают процесс с погрешностью не более 5,6%.

120 m по

с 100

ш 90

* 80

S 70

а во

I 50

ш 40

§ 30 Й 20 о

- ;

200 400

600

800 1000 1200

Плотность, кг/иуб.м

--«--■Рад! 1'яд2

Рис.5 График зависимости давления сжатия и плотности прессовки

13

Результаты оптимизации физико-механических свойств исходной измельченной массы полевых отходов подсолнечника При исследовании влияния влажности, длины частиц и температуры на удельную работу сжатия сырья и крошимость производимых гранул получены следующие регрессионные уравнения в кодированных обозначениях: для удельной работы сжатия

у. --31,38 - 4,! 1üx] + 0,4625х2- 0,9196xi- 0,4700* ,х2 + 0,545х,х1 -+ 0,40х;х з+ 2,134x2i; (¡9)

—=1,298< ^табл =2,125

расч 1 J О Í О 'вол '

l,UU {20)

для крошимости гранул:у2=9,08-3,0496х|-0,767х2-0,2963хз + 0,475х2|.(21)

Критерий Фишера — (^3043^ ~ i ,933 < F^ =2,125 (22)

Рисунок 5 - Поверхность удельной ^<¡1 г_г", работы сжатия под-

,„ ; i : солнечника при тем-

40 : . , ' I , ¡ I 1 ; г

I'.: пературе 59 С (Х3=

& ■§ 35 Г .,'.; и 30-35 Обработка

1« С/ "¡I? 25-30 Данных проведена по

S | зо rfl i ¡ -у^ЦЯЯКШ, i u V-критерию, по кри-

^ " Г|ii герию Кохрена, по

25 // 7,4 доверительному ин-

6 7 . w Дяима тервалу с критерием

Влажность//. И Стыодента и по кри-

терию Фишера.

Удельная работа уменьшается с повышением влажности сырья и с уменьшением размера частиц (рис. 5).

Качество гранул улучшается с увеличением влажности и уменьшением размера частиц в исследованном диапазоне.

Анализируя зависимости (20) и (2i), можно сделать вывод, что минимальное значение удельной работы сжатия при удовлетворительном качестве гранул (крошимость менее 10%) составляет 30...35 к/Дж/кг и соответствует влажности от 7,5 до 8,0% отходов подсолнечника размером частиц 5...6.мм.

Раскодированное уравнение удельной работы сжатия полевых отходов подсолнечника имеет вид

WyJi59,9137-5,1364Í -0,5080/+0,4843Т+0,0993 i/ 0,0220 i-T-0,0039 /НО,237 Ii2, (23)

а для крошимости гранул

К - 20,9727 - 1,9665 i - 0,2557 / - 0,0087 Т + 0,0528 i2, (24)

где влажность в %, длина частиц в мм и температура в °С .

L

1А

Температура, ТИЦ 10.. II ММ (Х2~

град. Цельсии 0,8697)

и 4015 удельную работ у - 35-40 сжатия полевых отв зо-з5 ходов подсолнеч-»25-30 ника с длиной час-

Рис. 6 - Поверхность отклика, характеризующая

25

7

/

25

11

Влажность, %

Уравнения (23) и (24) используются при определении условий кондиционирования исходной массы для подготовки измельченных полевых отходов подсолнечника к прессованию с целью минимизации удельной работы сжатия.

Оценить целесообразность подог рева массы перед прессованием можно сравнением затрат энергии на увеличение температуры и экономией удельной работы сжатия полевых отходов подсолнечника. По данным факторного эксперимента снижение удельной работы сжатия сырья при нагреве массы на 1 градус составляет в среднем 53,31 Дж/кг.град. Теплоемкость измельченных отходов подсолнечника составляет от 17 до 22 Дж/кг.град. Отсюда следует вывод о том, что с точки зрения экономии затрат энергии на операцию сжатия сырья специальная технологическая операция подогрева массы перед прессованием целесообразна. Тем не менее, с экономической точки зрения включение в технологию специальной операции по подогреву массы перед прессованием до высоких температур необходимо обосновать сравнением эксплуатационных затрат с учетом не только стоимости электрической и тепловой энергии, но и затрат на здание, оборудование, их содержание и оплату труда дополнительных работников. Из соотношения значений сэкономленной энергии и удельной теплоемкости материала следует вывод, что коэффициент полезного действия комплекта нагревательного оборудования должен быть не менее 32-41%.

Режим работы граиулятора определен двухфакторным экспериментом с изменением числа оборотов от 200 до 250 за минуту и подачи сырья от 40 до 60 г/с. Критериями оценки (отклика) явились производительность по массе качественных гранул и качество гранул, исчисляемое их крошимо-егью.

Для надежности результата 0,95 уравнения производительности пресса (ФП:С1=0,998) и крошимости гранул (Фт7=0,993) подтверждено сходимостью расчетных и опытных данных.

Два уравнения в совокупности являются математической моделью процесса гранулирования на данном грануляторе:

У,: 174,8443+37,9!67Х, i 18, 13Х2+4,95Х,Х2+1,759Х,2+1,742Х-Г Z, -6,0999+2, бббХ, + 1,25Х2+0,8Х,Х2+0,0607Хг+ 0,0605X¿

(25)

N Т"

N

N.

up

/А .240 | 235 230

—Промкциптмпь РиСуНОК 8 - КОМПрОМИССНПЯ

задача выбора рациональною режима работы гранулятора.

фанулятора, кг/ч " " Крошикоетт.. % Щ] Область рациональною режима работы

Тч-

40 ¿2 44 46 4а 50 5? 54 56 58 ВО

Число оборотов матрицы, об/нии

¡2» 215 210 205 201

Для определения зоны рациональных значений параметров режима работы, применен г рафический метод двухмерных сечений. На рисунке 8. представлены одновременно изолинии производительности гранулятора и крошимости гранул

-Г

Анализируя изображение двухмерных сечений поверхностей производительности гранулятора и крошимости гранул (рис. 8), рациональной зоной следует признать диапазон в правой верхней области изображенного пространства до изолинии крошимости гранул 10%. В раскодированном виде уравнения выглядят: , Qi ^ 0,018 q2 У 0,003 п3+0,0198 q п-2,423 q-1,518 п+229,76 \^Kr-0,0006q2+0,000in2+0M32qn-0,5l3q-0,1532n+23,85. (26)

Рекомендуемыми параметрами и режимом работы являются: Диаметр делительной окружности матрицы, мм 180

Сечение каналов прессования, мм Модуль зубчатого венца, мм Схема фрезерования Число каналов прессования Коэффициент перфорации матрицы, % Диаметр прессующего вальца, мм Подача сырья, г/с Число оборотов матрицы, об/мин Производительность гранулятора, кг/ч Энергоемкость процесса, кВт-ч/т

Уравнения дополняют методику расчета грануляторов шестеренного типа. Они способствуют выбору конкретных значений технологических, кинематических и конструкторских параметров при проектировании прессов этого типа для производства топливных гранул из полевых отходов подсолнечника.

9x9

3

«впадина-впадина-зуб» 160 60 150

58...60 244...239 221...226 33

Технологический процесс производства топливных гранул т полевых отходов подсолнечника включает следующие операции.

1. Скашивание стеблей подсолнечника в поле силосоуборочным комбайном после обмолота корзинок, Одновременно со скашиванием стебли измельчаются и масса загружается в закрытую сеткой тележку. Таким образом, полевая операция создает сырьевую массу из полевых отходов подсолнечника с размерами частиц 60-80мм. Влажность массы зависит от погодных условий, однако, в результате полевых наблюдений влажность стеблей в период уборки подсолнечника равна 10-14% и только после дождя на второй день повышалась до 20-22%. Температура в этот период в Ростовской области от 17 до24°С.

2. Транспортирование сырьевой массы к стационарному пункту переработки отходов подсолнечника в топливные гранулы. Перевозку массы можно осуществить агрегатами в составе колесных тракторов класса 1,4т и тележек-кормовозов, например 2ПТС-100. Параметры массы не изменяются. Насыпная масса сырья составляет около 100кг/м\

3. Прием сырья на пункте переработки. Масса выгружается в приемный бункер, например, измельчителя зеленой массы (ИЗМ) из комплекта оборудования АВМ-1,5. Сырье подвергается доизмельчению и направляется в дробилку молотковую, например, ДКУ-1М. Если влажность сырья более 12%, то масса вначале досушивается в барабанной низкотемпературной сушилке и после этого направляется на измельчение в дробилке. Параметры сырьевой массы после измельчителя зеленой массы: размер частиц 20-30мм, температура и влажность не изменяются.

4. Досушивание массы перед дроблением. Процесс и оборудование подробно неразработаны. Рекомендуется низкотемпературная сушилка с использованием подогретого воздуха от твердотопливного теплогенератора, чтобы в качестве топлива использовать отходы подсолнечника в рассыпном или гранулированном виде. Параметры массы: влажность не более 12%, температура порядка 70-80г'С.

. 5. Дробление отходов подсолнечника. Молотковыми дробилками измельчить до частиц от 6 до 8мм и сразу же подать в пресс. Температура массы несколько снизится до 40-50°С.

6. Прессование сырьевой массы в гранулы шестеренным гранулятором. Гранулы 9x9x20мм, плотность 1000-1100кг/м3, насыпной массой 600-650кг/м3. Влажность от 10 до 12%, температура 30-35"С.

7. Сортировка и возврат крошки на повторное гранулирование. Пнсв-мотранспортирующее устройство с использованием отработавшего воздуха в теплогенераторе и сушилке для использования принципа регенерации теплоты.

8. Затаривание кондиционных гранул и храпение.

В пятой главе «Дополнения к методике инженерного расчета пресса и экономическая эффективность производства топливных гранул из отходов подсолнечника» представлены дополнения к методике инженерного расчета

шестеренного пресса и результаты технико-экономической оценки практического использования результатов исследований.

Стоимость дополнительной продукции с 1 га посева подсолнечника определена по цене топливных гранул, сопоставленной с ценой угля на основе пропорциональности теплотворной способности. По предложенной технологии безотходной переработки подсолнечника стоимость дополнительной продукции составит 23,35 тысяч рублей с 1 га посевов.

Переработка молевых отходов подсолнечника в топливные гранулы шестеренным прессом обеспечивает годовую экономию в сумме 7746'),4 рублей по сравнению с использованием кольцевого пресса.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Относительная влажность подсолнечника составила 8 - 10 % и при благоприятных погодных условиях не требуется дополнительного досушивания сырья перед его измельчением и прессованием. Угол естественного откоса исследуемого продукта при изменении гранулометрическою состава проб оставался примерно одинаковым и находился в пределах 30-31°. Среднее значение объемной массы измельченного подсолнечника составляет при среднем размере частиц 2,5 мм 123 кг/м', при увеличении среднего размера частиц до 8 объемная масса уменьшается до 98 кг/м1. Это указывает на необходимость сжимать исходное сырье в 9-11 раз, чтобы получить гранулы плотностью 900-1000 кг/м3. Вторым следствием является потребность в большеобъемных транспортных средствах для доставки отходов подсолнечника на пункт переработки. Для среднего размера частиц 2,5мм коэффициент трения в покое равен 0,51 ±0,01, а в движении 0,47±0,01. Для среднего размера 8мм коэффициент трения в покое равен 0,62 ±0,01, а в движении 0,53±0,01.

2. При исследовании теплофизических свойств подсолнечника установлено, что с увеличением "температуры и среднего размера частиц пЬдсолнеч-никовой массы тенлофизичес.кие показатели увеличиваются.

Коэффициент температуропроводности равен для фракции 2,5мм от 17,2-10"2 до 25,0 10 х м2/с, для фракции 8мм соответственно от 15,0-10"2 до 21,7-10"2 м2/с. Коэффициент теплопроводности составил от 5,4-10"2 до 7,3-10'2 и от 5,1 10 2 до 6,7-10"2 Вт/(м-град) для фракций соответственно 2,5 и 8мм. Теплоемкость полевых отходов подсолнечника равна от 16,9 до 23,2 Дж/(кг град) в диапазоне температуры от 18 до 30"С для размера частиц 2,5мм; теплоемкость нолевых отходов подсолнечника равна от 15,6 до 19,2 Дж/(кгград) в диапазоне температуры от 18 до 30°С для размера частиц 8мм.

3. Формование топливных гранул из полевых отходов подсолнечника рекомендуется при размере частиц 8мм, влажностью 12-14% , температуре 50-60°С. Давление прессования составляет 50 МПа для достижения плотности топливных гранул 1000-1100кг/м3, удельная работа сжатия составляет кДж/кг при крошимости гранул не более 10%, Полученная математическая

/

модель поведения сырья в процессе сжатия (формулы 4.3) позволяет рассчитан, технологические параметры и оценить энергоемкость операции сжатая отходов подсолнечника до необходимой плотности с допустимой крошимо-стьк) готовых гранул.

4. Аналитические зависимости, полученные для определения производительности гранулятора в функции параметров зубчатой матрицы и зубчатою прессующего вальца, подтверждаются экспериментальными данными с погрешностью от 5,9 до 26 %.

5. Режим работы гранулятора описывается математической моделью, составленной из двух уравнений: функции производительности и функции крошимости гранул в зависимости от частоты вращения матрицы и подачи сырья (4.8 и 4.7). Область компромиссного решения задачи оптимизации по наибольшей производительности при допустимом уровне крошимости гранул соответствует частоте вращения матрицы 239-244 об/мин и подаче сырья 58-60 г/с.

6. Рациональный режим работы шестеренного пресса соответствует подаче сырья 58-60 г/с, частоте вращения матрицы 239-244об/мин. Производительность шестеренного пресса с горизонтальной матрицей диаметром 180мм и внутренним прессующим зубчатым вальцом составит 226 кг/ч при энергоемкости технологического процесса 23 кВт ч/т (без учета затрат энергии на холостой ход пресса).

7. Технологический процесс производства топливных гранул из полевых отходов подсолнечника рекомендуется в следующей последовательности операций с их параметрами: скашивание стеблей в поле силосным комбайном с первичным измельчением до частиц 60-80мм с погрузкой в боль-шеобъемные тележки-кормовозы 2ПТС-100; транспортирование к стационарному пункту переработки с выгрузкой в приемный бункер измельчителя зеленой массы (ИЗМ) от комплекта оборудования АВМ-1,5; измельчение массы до размера частиц 20мм; дробление молотковой дробилкой до частиц 8мм; прессование шестеренным прессом при влажности 12-14%; пневмосор-тирование гранул с отделением крошки и возврат се на повторное гранулирование; упаковка и хранение гранул.

При влажности сырья более 14% масса из ИЗМ подается на досушивание в барабанную низкотемпературную сушилку с подогревом теплоносителя (воздух) в теплогенераторе, работающем на сыпучих или гранулированных отходах подсолнечника.

8. Разработанная методика инженерного расчета гранулятора для производства топливных гранул учитывает отличительные признаки малогабаритного гранулятора и физико-механические свойства материала.

9. Экономический эффект от внедрения результатов исследований составляет 77469,4 руб. за один год использования пресса, при снижении удельной материалоемкости с 2,54 до 0,99 кг/т. Срок окупаемости капитальных вложений - 0,14 года. Стоимость дополнительной продукции составит 23,35 тысяч рублей с 1 га посевов.

ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ В изданиях из перечня ВАК

1. Волков Д.С. Определение рационального режима работы гранулятора шестеренного типа [Текст]/Д.С. Волков, A.B. Щербина// Вестник Донского государственного технического университета - Ростов-на-Дону,

2009. Том 9, №4 (43). - С. 724 - 727.

2. Волков Д.С. Результаты оптимизации технологических свойств сырья перед гранулированием [Текст]/ Д.С. Волков// Естественные и технические науки - г. Москва, 2011. № 3 (53) - С.417 -420.

3. Волков Д.С. Технология переработки биомассы подсолнечника [Текст] /Д.С. Волков// Механизация и электрификация в сельском хозяйстве - г. Москва, 2011. № 5 - С.31 -32.

4. Волков Д.С. Оптимизация параметров гранулирования отходов подсолнечника [Текст] /Д.С. Волков// Технологии и средства механизации в сельском хозяйстве - г.Москва, 2011. № 7 - С.29-30.

В описаниях патентов

5. Волков Д.С. Патент №90733 «Сборная матрица шестеренного гранулятора кормов» [Текст] /Д.С. Волков, В.И. Щербина, A.B. Щербина,

A.Н. Шишин, В.Ф. Яламов// RU 90733 U1, МПК ВЗОВ 11/00. Опубл. 20. 01.

2010. Бюл.№2.

В сборниках трудов

6. Волков Д.С. Результаты экспериментального определения рационального режима работы шестеренного гранулятора [Текст] / Д. С. Волков,

B.И. Щербина, A.B. Щербина, Ж В. Матвейкина, А.Н. Шишин// Вестник аграрной науки Дона - Зерноград, 2008. Вып. 4. - С. 91-94.

7. Волков Д.С. Перспективы производства топливных гранул и брикетов из биосырья [Текст]/ //Совершенствование процессов и технических средств в АПК. Сб. н. т. Вып. 8, - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2009. - С. 75 - 76.

В печать '/4". .2012.

Формат 60x84/16. Бумага тип №3. Офсет.

Объем О усл.п.л. Заказ № /-/й- Тираж /¿^йкз. Цена свободная

Издательский центр ДГГУ

Адрес университета и полиграфического предприятия: 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина,!.

Диссертация Волкова Дмитрия Сергеевича защищена на заседании диссертационного совета ДМ 220.001.01 в Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии 19 апреля 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ.220.001.01, д.т.н.

Н.И.Шабанов

61 12-5/3855 ФГОУ впо

«Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия»

На правах рукописи

Волков Дмитрий Сергеевич

ТЕХНОЛОГИЯ И ПРЕСС ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТОПЛИВНЫХ ГРАНУЛ

ИЗ СТЕБЛЕЙ ПОДСОЛНЕЧНИКА

Специальность 05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: академик РАСХН, заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Долгов Игорь Асонович

Зерноград - 2012

Содержание

Реферат ^тр.

ВВЕДЕНИЕ....................................................................... 9

1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ТОПЛИВНЫХ ГРАНУЛ И БРИКЕТОВ ИЗ БИОСЫРЬЯ И ОБЗОР ПРЕССОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ. ЦЕЛЬ И

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.................................................... И

1.1. Перспективы расширения объемов производства топливных гранул и обзор нормативных актов................................................. 11

1.2. Анализ технологического процесса производства топливных гранул из биосырья..................................................................... I4

1.3. Обзор оборудования для производства топливных гранул из био-

1 Я

сырья..................................................................................

1.4. Анализ результатов научных исследований процессов производства твердых гранул из сыпучего сырья растительного происхождения..................................................................................... ^

1.4.1. Зависимости давления и плотности растительного материала

21

при его сжатии......................................................................

1.4.2. Обзор исследований напряженного состояния сжатого материала при его уплотнении.........................................................

1.4.3. Работа формирования гранул............................................. 25

1.5. Обзор и анализ исследований режима работы прессующих устройств................................................................................. ^

1.5.1. Прессы для топливных гранул........................................... 26

1.5.2. Обзор конструктивных схем прессов................................... 34

1.5.3. Анализ исследований шестеренных грануляторов.................. 40

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................ 39

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВА ТОПЛИВНЫХ ГРАНУЛ ИЗ ПОЛЕВЫХ ОТХОДОВ ПОДСОЛНЕЧНИКА

ШЕСТЕРЕННЫМ ПРЕССОМ ВЫДАВЛИВАЮЩЕГО ТИПА.......... 42

2.1. Модель функционирования линии переработки стеблей подсол-

49

нечника в топливные гранулы................................................... ^

2.2. Обоснование кондиционирования полевых отходов подсолнеч-

46

ника перед гранулированием.....................................................

2.3. Обоснование производительности и конструктивных параметров

49

пресса.................................................................................

2.4. Анализ условий вовлечения сырья в зону сжатия и обоснование

длины канала прессования.......................................................

2.5. Энергоемкость процесса гранулирования............................... 59

ВЫВОДЫ............................................................................ 60

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ ГРАНУЛ ИЗ ПОЛЕВЫХ ОТХОДОВ ПОДСОЛНЕЧНИКА............... 63

3.1. Программа экспериментального исследования процесса переработки полевых отходов подсолнечника в топливные гранулы............ 63

3.2. Общая методика исследования............................................. 64

3.3. Методика определения физико-механических и теплофизических свойств полевых отходов подсолнечника..................................... 67

3.3.1. Методика определения влажности и объемной массы измельченных стеблей подсолнечника.................................................. 67

3.3.2. Методика определения угла естественного откоса измельченных стеблей подсолнечника и коэффициентов трения их по стали..... 67

3.3.3. Методика определения теплофизических характеристик измельченных полевых отходов подсолнечника............................... 70

3.4. Методика оптимизации технологических свойств измельченных полевых отходов подсолнечника по минимальным затратам энергии

на формирование гранул..........................................................

3.5. Методика экспериментального определения рационального режима работы гранулятора......................................................

3.6. Методика определения погрешности полученных результатов..... 86

3.7. Методика измерения производительности гранулятора............ 87

3.8. Методика измерения мощности привода и определения энергоемкости процесса гранулирования............................................. 87

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОИЗВОДСТВА ГРАНУЛ ИЗ ПОЛЕВЫХ ОТХОДОВ ПОДСОЛНЕЧНИКА........................................................................... 89

4.1. Физико-механические и теплофизические свойства измельченных стеблей подсолнечника...................................................... 89

4.2. Результаты экспериментальной проверки закономерностей сжа-

93

тия......................................................................................

4.3. Результаты оптимизации физико-механических свойств исходной измельченной массы полевых отходов подсолнечника............... 94

4.4. Результаты определения рационального режима работы гранулятора....................................................................................

4.5. Технологический процесс производства топливных гранул из полевых отходов подсолнечника................................................... ИЗ

ВЫВОДЫ............................................................................ 116

5. ДОПОЛНЕНИЯ К МЕТОДИКЕ ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЕТА ПРЕССА И ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОИЗВОДСТВА ТОПЛИВНЫХ ГРАНУЛ ИЗ ОТХОДОВ ПОДСОЛНЕЧНИКА.. 117

5.1. Дополнения к методике инженерного расчета шестеренного

117

пресса.................................................................................

5.2. Экономическая эффективность производства топливных гранул

из полевых отходов подсолнечника............................................. 119

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ................................................................. 130

133

Литература...........................................................................

ПРИЛОЖЕНИЯ.................................................................... 146

Приложение А (обязательное). Результаты экспериментального определения исходной влажности, объемной массы, угла естественного откоса измельченных полевых отходов подсолнечника............. 146

Приложение Б. Патент №90733. «Сборная матрица шестеренного

гранулятора кормов». Ш 90733 1Л МПК ВЗОВ 11/00..................... 147

Приложение В. Акт внедрения результатов исследования в ЗАО

149

«ЮгАгроХолдинг».................................................................

Приложение Г. Акт внедрения результатов исследования в ЗАО

«Донмаслопродукт»................................................................ 15 ^

РЕФЕРАТ.

Подсолнечник является высокорослым растением, из биомассы которого полезно используются только маслосемена, массовая доля которых составляет всего [тишь 8-10 %. Известны научные исследования по использованию в качестве корма зерновых послеуборочных отходов маслосемян. Практически используется в качестве добавок к комбикормам шрот - отходы после отжима масла. Остальная биомасса в количестве до 90% не используется, засоряет и затрудняет обработку

полей.

В данной работе поставлена цель разработать технологический процесс и обосновать режим работы пресса для производства топливных гранул из полевых

отходов подсолнечника.

Для обоснования безотходной технологии переработки биомассы подсолнечника рассмотрен материальный баланс и намечены основные технологические операции. Обоснованием для осуществления технологических операций явились экспериментально измеренные физико-механические и теплофизические свойства полевых отходов подсолнечника. Основой для определения параметров процесса подготовки сырья к прессованию в гранулы является математическая модель, характеризующая удельную работу сжатия материала и прочности готовых гранул в функции влажности, размера частиц и температуры измельченных полевых отходов подсолнечника. Аналитически выявленные факторы увеличения производительности прессующего узла позволили разработать сборную конструкцию зубчатой матрицы с увеличенным до 60% живым сечением каналов прессования. Параметры рабочего органа взаимосвязаны с требованиями евростандартов на качество топливных гранул. Производственные исследования проведены для установления рационального режима работы пресса и получения эксплуатационных показателей, которые использованы в технико-экономическом анализе эффективности технологии и шестеренного пресса для производства топливных гранул из полевых отходов подсолнечника.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ А - межцентровое расстояние, м;

А1 - работа сжатия, затрачиваемая на упругие и пластические деформации

прессуемого материала о стенки камер и вытеснение воздуха, Дж; А2 - работа сталкивания материала с перемычек между отверстиями прессовальных камер матриц, Дж; А3 - работа выталкивания спрессованного материала из камер прессования,

Дж;

А4 - работа размалывания спрессованных монолитов и материала на отдельные гранулы (брикеты), Дж; А5 - работа упругого расширения, возвращаемая рабочим органом пресса,

прессованным материалом при освобождении его от нагрузки, Дж; а, Ро - постоянные основного закона сжатия; а - угол зацепления зубчатых колес, рад; В - ширина зуба, ширина колеса м; Д - диаметр колеса, м; Р - сила трения, Н; i - коэффициент трения; £г.с - коэффициент трения корма по стали; Ь - высота прессовки, м; К3 - коэффициент заполнения впадин;

Кб - коэффициент гранулирования (доля готовых гранул от массы поданного сырья);

К1 - коэффициент пропорциональности, учитывающий долю поверхности зубьев;

ц ,в0,Ц - эмпирические коэффициенты;

Мс - момент сопротивления вращению одного колеса, Н • м;

т - модуль зубьев, мм;

]Чпр - суммарная мощность привода , кВт;

N0« - мощность на сжатие сырья, кВт;

]ЧХХ - мощность холостого хода пресса,кВт;

1ЧП - мощность на проталкивание гранул вдоль камер, кВт;

]Чи - мощность на преодоление сил инерции, кВт

П - периметр камеры прессования, м;

Р - действующее давление, МПа;

Р0 - характеристика сопротивляемости сырья сжатию, МПа;

- подача сырья, кг/с;

- остаточное боковое давление;

Яа - радиус поверхности головки зуба, м; га - радиус головки зубьев колес, м;

2

80 - площадь сечения канала прессования, м ,

I - время формирования гранулы;

II - периметр сечения, периметр камеры прессования м;

з

Уь у2. объем гранулы до и после её извлечения из камеры прессования, м ,

Ураз - объем разовой порции, м3;

со - угловая скорость зубчатых колес, с"1;

ф - угол трения о цилиндрическую поверхность головок зуба колес; Ф - значение угла образования замкнутого пространства под зубом; р0 - плотность (насыпная масса) сырья, кг/м ; 5 - коэффициент бокового давления; X - степень сжатия;

у - относительное изменение плотности сырья при одноосном сжатии; £ - коэффициент бокового давления.

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире с каждым годом обостряются вопросы энергообеспечения. Ископаемые виды топлива по прогнозам специалистов через пару столетий будут исчерпаны. В тоже время твердое биотопливо используется человеком с первобытных времен. В последнее время все большую популярность приобретает производство топливных гранул и брикетов из возобновляемых видов сырья, в том числе отходов сельскохозяйственного и деревообрабатывающего производства.

Наибольшее разнообразие сырья дает сельское хозяйство. Например, из всей биомассы выращиваемого подсолнечника извлекается лишь до 8-10% в

виде растительного масла.

Однако полному использованию всей биомассы подсолнечника препятствует отсутствие безотходных технологий переработки всех частей растения в полезные продукты и современных технических средств для осуществления технологических операций на ресурсосберегающих принципах.

Для полезного использования полевых отходов подсолнечника необходимо исследовать условия, при которых из них можно формовать топливные гранулы, установить параметры и основные показатели технологических операций, наконец, создать совершенные технические средства.

В связи с этим целью диссертации явилось разработать технологический процесс и обосновать режим работы пресса для производства топливных гранул из полевых отходов подсолнечника.

Объект исследования. Процесс переработки полевых отходов подсолнечника в топливные гранулы и шестеренный пресс для их изготовления.

Предмет исследования. Закономерности формирования твердых гранул из измельченных стеблей и корзинок подсолнечника.

Научная новизна состоит в обоснованных параметрах технологического процесса сбора отходов подсолнечника в поле, предварительной подготовки сырья и производства топливных гранул шестеренным прессом, новизна совершенствования которого подтверждена патентом на полезную модель № 90733, реализация которой позволила:

• изучить физико-механические, теплофизические свойства измельченных отходов подсолнечника и исследовать их влияние на процесс формирования топливных гранул;

• установить зависимости удельных затрат энергии и качества получаемых гранул от гранулометрического состава, влажности и температуры измельченных полевых отходов подсолнечника, получить математическую модель процесса подготовки сырья к гранулированию;

• обосновать подачу сырья и частоту вращения матрицы шестеренного пресса для изготовления качественных топливных гранул.

Практическая значимость работы заключается в разработанной технологии переработки полевых отходов подсолнечника в топливные гранулы и обоснованном режиме работы пресса для их изготовления, использование которой позволяет:

• получить дополнительный доход от выращивания подсолнечника путем переработки засоряющих поле отходов в топливные гранулы;

• очистить поля от стеблей и корзинок подсолнечника;

• изготавливать гранулы из измельченных отходов подсолнечника с минимальными затратами энергии и с должным качеством на шестеренном прессе с модернизированной матрицей (патент № 90733 на полезную модель);

• годовой экономический эффект от использования разработанной технологии достигает и сопоставим со стоимостью основной продукции от выращивания подсолнечника (стоимости маслосемян).

Народнохозяйственное значение работы заключается в получении дополнительного дохода с 1 га посевов подсолнечника путем переработки засоряющих почву полевых отходов в топливные гранулы.

На защиту выносятся:

- общая технология переработки полевых отходов подсолнечника в топливные гранулы;

- физико-механические и теплофизические свойства полевых отходов подсолнечника;

- математическая модель кондиционирования сырья из полевых отходов

подсолнечника перед гранулированием;

- научно обоснованные параметры и рациональный режим работы шестеренного пресса для производства топливных гранул из полевых отходов подсолнечника;

-дополнения к инженерному расчету гранулятора и рекомендации производству.

Реализация результатов исследований. Результаты исследований приняты к использованию ЗАО «ЮгАгроХолдинг» и ЗАО «Донмаслопродукт». ^

Публикации результатов исследований. Результаты исследований опубликованы в 6-ти печатных работах, из которых 4-ре статьи в издании из

перечня ВАК и 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, общие выводы, библиографический список из 128 наименований, в том числе 15 на иностранных языках, и приложения. Работа изложена на 150 страницах текста, содержит 31 рисунок, 12 таблиц.

1. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ТОПЛИВНЫХ ГРАНУЛ И БРИКЕТОВ ИЗ БИОСЫРЬЯ И ОБЗОР ПРЕССОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Перспективы расширения объемов производства топливных гранул и обзор нормативных актов

Твердое биотопливо используется человеком с первобытных времен. С развитием технологий усложнялись способы его применения и расширялся перечень материалов для его производства. В последние годы все большую популярность приобретает производство топливных брикетов и древесных гранул из возобновляемых видов сырья, в том числе отходов сельскохозяйственного и деревообрабатывающего производства /1, 12/.

В Германии цена сельскохозяйственного биотоплива уже превысила цену продовольственных товаров в пересчете на калорийность. В таких странах используются системы центрального отопления на пшенице или маисе определенных сортов. В сельском хозяйстве много подсолнечной лузги и другого растительного сырья, которое применяется сейчас сельхозпроизводителями при выпуске топливных гранул для собственных нужд и на экспорт. Тем не менее и у производства древесных гранул есть перспективы. Древесные гранулы являются энергетически стабильным, безотходным и экологичным видом биотоплива. Эти качества позволили полностью автоматизировать процесс потребления древесных гранул, что привело к появлению нового рынка бытовых и промышленных котельных на гранулах древесных во многих странах, особенно в США, Канаде, Великобритании, Италии, государствах Скандинавии и Центральной Европы. Прим