Утилізація промислових відходів переробки деревини шляхом створення біопалива : Утилизация промышленных отходов переработки древесины путем создания биотоплива

Краткое содержание

Дисертація складається зі вступу, шести розділів, списку літератури та додатків. Загальний обсяг дисертації становить 122 сторінки; вона містить 10 таблиць, 50 рисунків. Бібліографія містить 140 літературних джерел.

У розділі 1 проведено огляд літературних джерел, у яких наведена класифікація відходів перероблення деревини, аналіз перспективи використання некондиційних відходів деревини для виробництва біопалива, розглянуто перспективні технології гранулювання кускових матеріалів. Проаналізовано два основних способи гранулювання: під дією високого тиску та із  додаванням зв’язуючої речовини. Розглянуто технології спалювання біомаси.

У Розділі 2 розглянуто основні об’єкти, методику та інструментарій досліджень, фізико-хімічну характеристику твердих відходів деревини, зв’язуючого компоненту та горючих додатків до паливних гранул (торф, дрібнодисперсний вугільний пил) і умови формування гранул на екструдері та під високим надлишковим тиском. Також приведено методики визначень основних фізико-механічних показників одержаних гранул.

Принципова схема установки, на якій вивчались особливості практичної  реалізації процесу із формуванням паливних гранул наведена на рис. 1.

У розділі 3 наведені результати екологічного моніторингу утворення деревних відходів та факторів впливу їх на довкілля. Внаслідок складування деревних відходів на звалищах втрачається значна кількість потенційного біопалива, яке в умовах зростаючої енергетичної кризи так необхідне для людства в загальному та для економіки України зокрема. Так, за оцінками ряду дослідників, тільки в процесі розпилювання кругляка річний об’єм відходів на лісопильнях України становить 0,452 м³ деревини, що відповідає енергетичному потенціалу 0,114 млн. т умовного палива. Аналіз даних моніторингу дозволяє стверджувати, що основна кількість підприємств, як видно із рис.2 (де потенційно можуть утворюватись деревні відходи, придатні для використання як паливо), зосереджені у Західному регіоні України (Львівській, Волинській, Закарпатській та Івано-Франківській областях). Значне насичення підприємствами, де потенційно можуть створюватись деревні відходи, спостерігається також у Київській, Вінницькій, Харківській та Дніпропетровській областях. Решту території України можна вважати мало забрудненою деревними відходами. Основними регіонами, в яких зосереджені продукти, що можуть використовуватись як додатки до паливних гранул (торф та дрібнодисперсне вугілля), є Західний, Північний та Східний. Це зумовлено із значними запасами та видобутком  вугілля, а саме Донецьким та Львівсько-Волинським басейном. Поклади торфу зосередженні у Волинській, Львівській, Івано-Франківській  областях.

На сьогоднішній день спостерігається динаміка щорічного збільшення кількості цих продуктів, що створює в місцях їх локалізації значну екологічну загрозу внаслідок:

·       додаткового створення парникових газів в результаті розкладу відходів;

·       загрози здоров’ю людей та тварин в результаті потрапляння пилу в їх органи дихання.

Гранулювання відходів перероблення деревини з використанням лігніну, як зв’язуючого, можливе 2 методами:

1.      Створення в процесі пресування гранул за високих тисків, (що внаслідок тертя супроводжується підвищенням температури) достатніх для вивільнення лігніну із деревних відходів у вільний простір гранул. Цей лігнін за умови мінімального вільного об’єму служить зв’язуючим для гранули. Такий метод створення гранули нами умовно названо методом високого тиску.

2.      Внесення в склад композиції лігніну, який утворюється як відхід в технології виробництва паперу. За цих умов процес можна реалізувати за низьких тисків. Метод умовно названо методом низького тиску.

Перевагою першого методу є велика густина гранули внаслідок значного ущільнення сировини, недолік – велика затрата енергії на створення тиску. В свою чергу перевагою другого методу є невеликі енергетичні затрати внаслідок невеликих тисків формування гранули, недолік – невелика густина.

На нашу думку перспективним був би третій проміжний метод, коли за умови досягнення тиску (значно меншого, ніж потрібно за першим методом), достатнього для ущільнення гранули, в склад композиції вносилась би невелика кількість лізину, достатня для заповнення вільного об’єму.

У розділі 4 наведені результати  кінетики сушіння відходів лісового господарства. Зважаючи на те, що відходи деревини зберігаються під відкритим небом, їх вологість може досягати понад 70% у розрахунку на суху масу. Використання вологої сировини для виготовлення гранул є недоцільним у зв’язку із низькою теплотворною здатністю та неможливістю забезпечити міцність гранул. Крім цього, зменшення кількості вологи, яка випаровується під час горіння, покращує умови експлуатації металічних елементів печі (за рахунок зменшення інтенсивності їх корозії). Тому для подальшого використання відходів деревини, як сировини для виготовлення гранул,  їх необхідно висушити до вологості нижче 10% у розрахунку на суху масу. Нами було запропоновано проводити процес сушіння відходів деревини в нерухомому шарі.

 З метою правильної організації технологічного процесу сушіння необхідно вивчити вплив швидкості теплового агенту, його температури, товщини шару на процес сушіння відходів деревини. Нами були проведені експериментальні дослідження процесу сушіння відходів лісового господарства за різної ви­­соти шару матер­­­іа­лу та із різною температу­­­­­рою теплового агенту.

На рис. 3 зображені результати експерименту дослід­­­жень впливу висоти шару на кінетику сушіння деревних відходів. Із рис.3 видно, що з ростом висоти шару вологого матеріалу, тривалість сушіння зростає. Якщо вологий матеріал висотою 10·10^-3 м досягає кінцевої вологості за 4200 с, то шар висотою 40·10^-3 м – за 9400 с, що пояснюється дифузією вологи з нижніх шарів матеріалу до поверхні, а також збільшенням кількості вологи за умови зростанням висоти вологого матеріалу. Зростання висоти у 4 рази призводить до зростання тривалості сушіння в 2 рази. З подальшим збільшення шару зростає шлях дифузії вологи до поверхні, що призводить до зростання загального часу та до перегрівання верхніх шарів і зростання тривалості сушіння в другому періоді. Як видно із графічної залежності (рис.3), за умови різної висоти шару кінетичні криві характеризуються чітко вираженим першим та другим періодами сушіння. Відомо, що на швидкість протікання процесу сушіння в першому періоді мають вплив зовнішні чинники, такі як швидкість обдування матеріалу та температура теплоносія, а в другому періоді – молекулярна дифузія та вологопровідність шару. У зв’язку з тим, що перший період є тривалим у часі, інтенсифікувати процес сушіння можна за рахунок збільшення швидкості руху теплового агенту або його температури. Із збільшенням швидкості руху теплового агенту, зростає коефіцієнт тепловіддачі, зменшується дифузійний опір, але також збільшується винесення вологого матеріал із зони сушіння. Це в свою чергу збільшує навантаження на очисну систему, а також викликає необхідність повторного сушіння винесених частинок. Тому була підібрана оптимальна швидкість агенту, який забезпечував високі показники процесу сушіння із мінімальними втратами вологого матеріалу. Досліди показали, що оптимальною в проведеннях експериментах є швидкість 4,2 м/с, за цієї швидкості втрати не перевищують 3,5%. Зрозуміло, що чим менший шар, тим швидше проходить процес сушіння, але дуже малий шар ускладнює експериментальне вивчення кінетики процесу та вносить похибку під час розрахунку. Тому нами було обрано висоту шару 20·10^-3 м для проведення експерименту із різними температурами теплового агенту. Результати експериментальних досліджень впливу температури теплового агенту на кінетику сушіння деревних відходів зображені на рис. 4.

Можна побачити, що із збільшенням температури тривалість сушіння зменшується. Коли температура теплового агенту становить 135°С, то вологий матеріал досягає кінцевої вологості за 3900 с, із температурою теплового агенту 60°С – за 7200 с. Зрозуміло, що чим вища буде температура теплоносія, тим менша тривалість сушіння. Однак, підвищення температури призводить до зростання втрат тепла в навколишнє середовище та до перегрівання верхніх шарів матеріалу. В залежності від параметрів сушіння (висоти шару, температури), по різному необхідно організовувати процес в промислових умовах. Встановлення залежності сушіння від технологічних параметрів теплового агенту та висоти шару, є основою для розроблення конструкції сушильної установки. Оптимальними в нашому випадку будуть такі умови, коли тривалість сушіння та енергетичні затрати будуть мінімізовані. Кінцева тривалість сушіння тирси буде залежати як від висоти шару, так і від технологічних параметрів теплоносія (температури та швидкості руху теплоносія). В нашому випадку оптимальна висота нерухомого шару деревних відходів 20·10^-3 м, а температура теплового агенту 100°С.

У розділі 5 викладені результати пошуку оптимального співвідношення між кількістю деревних відходів та зв’язуючої речовини, із наступним  проведенням фізико-механічних досліджень над одержаними гранулами (визначення теплотворної здатності, зольності, коксового залишку, вмісту летких компонентів та статичної міцності). Дослідження проводились в кілька етапів.

На 1 етапі визначалися властивості гранул із різним співвідношенням зв’язуючої речовини у відношенні до деревних відходів. Результати експериментів із визначенням теплотворної здатності та динамічної міцності гранул наведені на рис. 5. За результатами експериментів можна зробити висновок, що найбільш придатна концентрація зв’язуючої речовини, за умови екструзійного формування гранули, становить 20%.

Це зумовлено:

• вищою теплотворною здатністю порівняно із деревними відходами;


• збільшенням статичної міцності.

За результатами проведених експериментів можна зробити такі висновки:

1. із додаванням зв’язуючої речовини зростає теплотворна здатність гранули, порівняно із гранулою без зв’язуючої речовини;


2.  під час використання зв’язуючого компоненту відбувається формування гранул під впливом менших тисків, що забезпечує певну статичну міцність;


3. зв’язуюча речовина виступає в ролі мастила, що зменшує сили тертя, а отже енергетичні затрати на їх подолання.

На 2 етапі досліджувалась можливість внесення торфу та дрібнодисперсного вугільного пилу в склад гранули. Розрахунок вмісту торфу та дрібнодисперсного вугільного пилу проводився виходячи із маси деревних відходів. За основу була взята концентрація 20% зв’язуючої речовини. За результатами проведених досліджень гранул із вмістом паливних додатків можна зробити висновок, що теплотворна здатність знижується із збільшенням концентрації паливних додатків (рис. 6).

На 3 етапі формування гранул проводилось під високим надлишковим тиском. До відходів деревини додавали різне процентне співвідношення зв’язуючої речовини в межах від 4 до 20%. За умови високих концентрацій, більших за 6%, відбувалося значне видалення зв’язуючої речовини через дренажні отвори. В деяких випадках втрати досягали 50%, що є недопустимим. Отже, в подальшому були розглянуті менші концентрації, а саме від 4 до 6%. Основні критерії, які висувалися до гранули: велика густина, мала втрата маси під час формування, висока статична та динамічна міцність. Додавання зв’язуючої речовини проводилась двома методами; із подачею в центр деревних відходів та із перемішуванням. Результати експериментів зображенні на рис. 7.

В експериментах, де застосовувалась зв’язуюча речовина, як видно із рис. 7 зросла густина гранул. Це зумовлено кращими властивостями склеювання, яких надає зв’язуючий компонент, порівняно із гранулами, в яких не було зв’язуючої речовини.

За умови формування гранул із різними процентними вмістами зв’язуючої речовини, відбувалися втрати прес-маси через дренажний отвір, які визначалися різницею маси суміші до та після формування.

За результатами експериментів (рис. 8.) можна зробити висновок, що найбільш доцільним методом подачі зв’язуючої речовини є перемішування; завдяки цьому досягається рівномірний розподіл зв’язуючої речовини у всій масі деревних відходів, що в свою чергу зменшує втрати маси під час формування гранули. Також були проведені експерименти із визначенням динамічної та статичної міцності За результатам експериментів були побудовані графіки, які наведені нижче.

Як видно з рис. 9 динамічна міцність гранули збільшилась за умови додавання зв’язуючої речовини. Це зумовлено кращим склеюванням частинок деревини між собою, що в свою чергу  перешкоджає руйнуванню гранул під час перемішування. І чим вища динамічна міцність гранули, тим менше вона втратить своєї маси під час транспортування.

З рис. 10 видно, що статична міцність зростає в тих гранулах, в яких відбувалось перемішування зв’язуючої речовини з деревними відходами. Це зумовлене кращим розподілом зв’язуючого у всьому об’єму гранули з утворенням армуючого каркасу з деревини, скріпленого зв’язуючою речовиною.

Під час реалізації технології формування гранули високого тиску за умови використання зв’язуючої речовини:

§  зростає її густина та теплотворна здатність

§  збільшується її динамічна та статична міцність;

§  встановлено, що в’яжучі властивості проявляються за умови перемішування зв’язуючої речовин із деревинними відходами.

У розділі 6 розглянуті  перспективні технологічні схеми установки із формуванням паливних гранул. Механізм пресування гранул із відходів деревини полягає у наступному: спочатку відбувається ущільнення матеріалу за рахунок зменшення вільного об’єму між частинками, далі відбувається деформація та ущільнення самих частинок внаслідок чого виникає молекулярне зчеплення. Подальше збільшення тиску під час пресування призводить до утворення не тільки пружних, але й пластичних деформацій, що збільшує сили міжмолекулярного зчеплення між дрібнодисперсними частинками та відповідно, міцність гранул.

Щоб забезпечити необхідну міцність гранул процес пресування проводимо під тиском 100…200 МН/м².

З метою зменшення енергетичних затрат на виготовлення гранул та забезпечення їх високої міцності доцільно до дрібнодисперсних частинок відходів деревини додавати зв’язуючі додатки. В цьому випадку аналогічну якість гранул отримували із тиском 10 … 50 МН/м².

Технологія виробництва гранул екструзійним методом складається з таких стадій:

1.      Подрібнення (необхідне для сировини, яка надходить із лісу та лісопилень). Відходи деревини подрібнюються до розміру частинки, яка дорівнює діаметру гранули. Це також значно полегшує процес сушіння. Але подрібнені деревні відходи не повинні бути дуже малими, бо в такому випадку ускладнюється дозування та збільшуються зусилля під час гранулювання. Для процесу подрібнення переважно використовується молотковий млин із одержанням гомогенної за дисперсністю сировини для подальшого формування.

2.      Сушіння (необхідне для досягнення необхідної вологості сировини). Для сушіння переважно використовують стрічкову сушарку. Як тепловий агент використовують димові гази, які одержують в процесі спалювання гранул.

3.      Гранулювання проводять із додаванням зв’язуючої речовини на екструзійній установці, принцип роботи якої описаний у другому розділі.

4.      Просіювання необхідне для видалення дрібних частинок з метою одержання гомогенного продукту, з якими в подальшому не буде проблем в процесі транспортування та дозування в котли. Для просіювання переважно використовують вібраційні сита.

5.      Зберігання.

На рис. 11 зображено принципову схему процесу гранулювання. Відходи деревини привозяться автотранспортом до складу деревних відходів 1, де вони сортуються за гранулометричним складом та зберігаються. В подальшому розділені відходи деревини надходять на проміжний склад 2. В установку для гранулювання 5 подається зв’язуюча речовина та деревні відходи. Суміш, яка видавилась через дренажний отвір, повертається на початок установки 5. Готові гранули подаються на вібросито 6, для видалення дрібних частинок, які використовуються як паливо у печі 8, а придатні гранули направляються на склад готової продукції 7. В подальшому відбувається пакування гранул та відвантаження їх споживачеві. В пропонованій технології для формування гранул використовувався апарат 5, на конструкцію якого нами отримано патент.

Ще один спосіб виготовлення палива із деревних відходів та зв’язуючої речовини полягає у пресуванні із застосуванням високих тисків. Доцільно таким методом виробляти не одиничні гранули, а паливні брикети більшого розміру, які розділяють на окремі куски. Складається з таких ж стадій, що і екструзійний метод, але на відміну від нього в технологію введена стадія охолодження.

Пресування гранул проводиться за допомогою преса-гранулятора.

Охолодження є дуже важливим етапом під час виробництва гранул. Після пресування температура гранул становить приблизно 90°С. Під час охолодження гранула стабілізується, лігнін затвердіває на поверхні гранули, тому форма гранули залишається без змін.

На рис. 12 зображено принципову схему гранулювання. Відходи деревини привозять автотранспортом до складу деревних відходів 1, для сортування за гранулометричним складом та зберігання. В подальшому розділені відходи деревини подаються на проміжний склад 2. Звідки відходи подаються для гранулювання в прес-гранулятор. Після виходу із прес-гранулятора 4 гранули подаються на охолодження, яке відбувається за допомогою повітря в охолоджуваній установці 5. Готові гранули подаються на вібросито 6, для видалення дрібних частинок, які використовуються як паливо у пічці 8, а придатні гранули направляються на склад готової продукції 7. В подальшому відбувається упакування брикетів та відвантаження споживачеві.

Дослідно-промислові випробування відбувалися на базі “ДП Вигодський лісгосп”. Для проведення процесу формування брикетів була використана установка високого тиску, яка зображена на рис. 13.

Послідовність етапів для формування паливних брикетів:

1.    дозування зв’язуючої речовини та перемішування її із деревними відходами;

2.    подавання підготовленої суміші в завантажувальний бункер;

3.    гранулювання з одержанням  паливних брикетів.

Принцип роботи установки полягає в наступному. У завантажувальний бункер 1 подається сировина. В подальшому сировина надходить в дозуючий пристрій 2 та транспортуючий пристрій 3. Завдяки проходженню цих елементів установки сировина остаточно перемішується із зв’язуючою речовиною та транспортується до фільєри 4, в якій остаточно відбувається формування паливних брикетів.

Проведене випробування показало, що одержані екструзійним методом гранули із додаванням зв’язуючої речовини згідно таких показників як динамічні та статична міцність, теплотворна здатність та зусилля для їх формування відповідали показникам, одержаним із застосуванням прес-гранулятора, а в деяких випадках навіть перевищували їх.