?У статті розглянуто отримання твердого біопалива шляхом брикетування відходів біомаси. Проводиться загальний аналіз технології виробництва брикетів, виявляються основні її проблемні стадії, а також проводиться порівняльний аналіз існуючого устаткування

Ключові слова: паливні брикети, сушарні апарати, шнекові преси

В статье рассмотрено получение твёрдого биотоплива методом брикетирования отходов биомассы. Проводится общий анализ технологии производства брикетов, выявляются главные её проблемные стадии, также проводится сравнительный анализ имеющегося оборудования

Ключевики: топливные брикеты, сушильные аппараты, шнековые прессы

This article represents production of solid biofuel by biomass's waste briquetting. It conducts a global analysis of production techniques of fuel briquettes, exposes main problem stages and conducts comparative analysis of equipment

Keywords: fuel briquettes, drying vehicles, screw presses

УДК 674.08

РАЗВИТИЕ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ ИЗ БИОМАССЫ

А.Г. Трошин

Доцент

Кафедра «Интегрированные технологии, процессы и

аппараты»* Контактный тел.: 050-400-70-97 E-mail: TROSHIN@I.UA

В.Ф. Моисеев

Доктор

Кафедра «Химическая техника и промышленная

экология»* Контактный тел.: 067-695-85-14

И.А. Тельнов*

Контактный тел.: 095-808-17-40 E-mail: ITELNOV@Яху.COM

С.И. Завинский*

Контактный тел.: 063-808-84-34 E-mail: ZOWA333@MAIL.RU *Государственный технический институт «Харьковский

политехнический институт» ул. Фрунзе, 21, Харьков, 61002, Украина

В сложный экономической ситуации Украины всё более животрепещущим становиться вопрос увеличения эффективности использования энергоресурсов. Обычно в качестве горючего в нашей стране употребляют газ, нефтепродукты либо уголь. Такое горючее употребляется, как и в промышленных котельных, так и для отопления личных жилых помещений. Одним из главных недочетов углеводородных топлив является неизменный рост цен на их. В период с 2004 по 2010 гг. газ и нефть в Украине подорожали в среднем в 3-4 раза. Недочетом угля является высочайшее содержание в нем серы, которое для энергетических углей добивается 4,5%, также довольно высочайшая зольность (не ниже 12-15%). Всё это делает животрепещущим использования экологически незапятнанных, возобновляемых источников энергии.

Биотопливо имеет значительную долю посреди применяемых в странах Европы возобновляемых источников энергии. В качестве био сырья могут быть применены отходы деревообрабатывающей индустрии (стружка, опилки, щепа, кора, и т.п.) либо отходы сельского хозяйства (трава, шрот, шелуха). Украина — страна с развитым агропромышленным комплексом. Переработка и утилизация отходов с получением экономической выгоды приобретает необыкновенную актуальность в критериях экономического кризиса.

Целью истинной работы является определение направлений развития процессов и оборудования для получения топливных брикетов из биомассы. В статье проводится общий анализ технологии производства брикетов, выявляются главные её проблемные ста-

дии, также проводится сравнительный анализ имеющегося оборудования.

Количество отходов, начиная от заготовки леса, до получения пиломатериалов громадны — до нескольких 10-ов процентов от начального количества древесного сырья. На сегодня эти отходы в большинстве случаев сжигаются. Но эффективность сгорания их мала, хранение просит огромных помещений, не допускающих увеличения влажности, а транспортабельность вообщем нецелесообразна в виду низкой насыпной плотности. Более всераспространенным решением утилизации отходов деревообрабатывающих компаний является их брикетирование.

В европейских странах есть эталоны, которым должны соответствовать производимые брике-ты[1]:

В общем виде разработка получения топливных брикетов состоит из последующих шагов: измельчение сырья, его сушка, и прессование в брикеты. Измельчение сырья является первым предварительным шагом перед прессованием. Для наилучших критерий прессования сырьё размельчают до фракции 3-8 мм. Дальше измельчённая стружка и опилки подвергаются сушке.

Исходная влажность разных партий сырья из-за может очень отличаться и нередко находится в зависимости от критерий хранения. Конечная влажность сырья перед брикетированием должна составлять 8 — 10%.

Фактически прессование — завершающий шаг производства топливных брикетов. Сама разработка прессования (дальше брикетирование) известна издавна. Сущность её заключается в том, что брикет формируется при одновременном воздействии высочайшего давления и темпе-

Черта ONORM7135 (Австрия) SS18 71 21 (Швеция) DIN 51731 / DIN plus(Германия)

группа Древесные брикеты Брикеты (кора) Группа 1 Группа 2 Группа 3 HP1 HP2 HP3 HP4 HP5

Поперечник, мм. 20-120 20-120 min 25 min 25 min 25 >100 60-100 30-70 10-40 4-10

Длинна, мм. max 400 max 400 max 300 min 10 max 100 нет >300 150- 300 100- 150 <100 <50
Насыпная плотность, кг/м3 > 550 > 450 > 450

Плотность, кг/дм3 > 1,0 > 1,0 нет нет нет 1-1,4

Содержание воды, % <12 <18 < 12 < 12 < 15 <12
Зольность, % < 0,5*) < 6,0*) < 1.5 < 1.5 <1,5
Теплота сгорания низш, ИДж/кг > 18,0 *) > 18,0 >16.2 >16.2 17,5 -19,5 ***)

Сера, % <0,04*) < 0,08*) < 0.08 < 0.08 < 0,08
Азот, % < 0,3 %*) < 0,6%*) <0,3
Хлор, % < 0,02*) < 0,04*) < 0.03 < 0.03 <0,03
Арсениум, мг/кг <0,8
Кадмий, мг/кг <0,5
Хром, мг/кг <8
Медь, мг/кг <5
Ртуть, мг/кг <0,05
Цинк, мг/кг <100
Примеси, мг/кг max 2% только натуральные

Уделяет свое внимание высочайшая плотность, низкие зольность и содержание вредных примесей.

Основными преимуществами производства брикетов из биомассы, отходов обработки древесной породы и с/х индустрии являются:

— получение качественного (высококалорийного, низкозольного, экологически неопасного, комфортного в транспортировке и применении) органического горючего;

— утилизации множества отходов;

-уменьшение зависимости от обычных источников энергии как на муниципальном уровне так и на уровне личного хозяйства;

— развитие малого и среднего бизнеса, обеспечения занятости.

ратуры, при всем этом в сырьё не добавляется никаких связывающих веществ, а связывание обеспечивается за счёт лигнина, который активируется при экстремальных критериях прессования.

Для реализации технологии при рентабельности производства, к оборудованию предъявляется ряд требований, такие как низкая металлоемкость, простота в обслуживании, устойчивость высококачественных характеристик производимых брикетов при колебаниях свойства перерабатываемого сырья.

Анализ развития производства брикетов показал, что в ближайшее время целенаправлено разрабатывать мобильные установки, которые бы могли производить переработку сырья различного свойства на месте образования либо складирования отходов. Предпосылкой

Е

этому является низкая насыпная плотность необработанных отходов биомассы (травы, шелухи, ветвей, коры и др.), а означает издержки на транспортировку и хранение сырья становятся значимыми даже для больших стационарных установок. С помощью мобильных установок, целенаправлено перерабатывать отходы прямо на месте образования. К оборудованию мобильных установок в дополнение к обозначенным выше требованиям добавляются требования компактности, высочайшей гибкости, способности резвой переналадки под разные виды сырья, завышенной надежности.

Самым энергозатратным шагом при производстве брикетов является сушка.

Сейчас распространённым оборудованием, являются сушильные барабаны. Это связано не с их технологическими и эксплуатационными качествами, а с тем, что их много осталось со времён СССР. Но вследствие огромных габаритов и низкой удельной напряженности по испаряемой влаге (при производительности 1 т/час 4000х10000х2000 мм. [2-4]), они не подходят для использования в мобильных установках.

На рынке представлены сушильные аппараты HGJ-I, HGJ-II, HGJ-Ш (создание Китай) (рис. 1), производительностью по высушенному материалу 1-1.4 т/час

[5].

Рис. 1.: 1 — печь с жарким воздухом; 2 — отверстие для загрузки сырья; 3 -буфер; 4 — печь с жарким воздухом;

5 — циклон; 6 — отверстие для выгрузки; 7 — вытяжка для пара; 8 — аспиратор

Корпус сушилки состоит из 2-ух частей: труб большего и наименьшего поперечника. Под воздействием сужения скорость движения материала возрастает, и благодаря этому подсушенный материал попадает в последующую зону сушки. В последующей зоне цикл повторяется до того времени, пока транспортный вентилятор не вышлет сухой материал в сборный бак (бункер). К плюсам можно отнести простоту конструкции. Но аппарат имеет огромные габариты (21000×1200 х2500 мм).

К относительно новым аппаратам, можно отнести аэро сушилку, типа АС-3 [3]. Это энер-гоэфективный агрегат для одновременной сушки и доизмельчения сыпучих дисперсных материалов ак-тиваторно-вихревого типа (рис. 2). Конструктивно АС представляет собой металлической параллелепипед, снутри которого размещен скоростной активатор на базе дисков с молотками и направляющие. Движение сырья снутри агрегата скооперировано таким макаром, что частички обрабатываемого материала испытывают удары активатора и множественные обоюдные встречные соударения. Для удерживания сырья в рабочей камере до момента заслуги нужной влажности либо размера частиц служит разработанная специально

система динамической систематизации сырья. Отделение системы от наружной среды осуществлено 2-мя шлюзовыми затворами. Производительность находится в зависимости от влажности и размера частиц сырья на входе, нужной конечной влажности и степени измельчения материала. Габариты АС-3 составляют 4020×1310х 850 мм при производительности 1 т/ч высушенных опилок из сырья влажностью 50%.

Рис. 2.: 1- основание; 2 — патрубок входной;

3 — промежная секция; 4 — вспомогательная секция;

5- секция с классификатором; 6 —воздуховод Ду350;

7 — циклон; 8 — воздуховод Ду 450; 9 — вентилятор циклона

Ещё одним аппаратом такового класса является так именуемый «диспергатор», производящий сразу измельчение и сушку материалов для брикетирования (рис.3) [6]. Крутящийся ротор с круговыми лопатками делает в аппарате вихревое движение воздуха. Сепарация готового продукта из аппарата осуществляется таким макаром, что выносятся маленькие и сухие частички, а большие и мокроватые находятся в диспергаторе до окончания процессов сушки и измельчения. Габариты установки при производительности 1 т/час составляют 1550×1640х850 мм.

2

Рис. 3.: 1 — движок для измельчителя; 2 —загрузочный отсек; 3 — воздуховод; 4 — корпус диспергатор

Сравнительный анализ сушилок разных типов указывает (табл. 1), что сушилки с механической

3

активацией материала имеют в 2 — 3 раза огромную удельную напряжённость по испаряемой влаге, чем сушилки других типов. Платой за это является повышение издержек электроэнергии. Но это может быть допустимо, беря во внимание, что в этих сушилках происходит также и доизмельчение сырья. Потому такими комбинированными аппаратами целенаправлено комплектовать мобильные установки.

Таблица 1

Аппарат Напряженность процесса сушки по влаге кг/ч х м3 Механическая энергия (кВт) на (т/ч) высушиваемой воды

АС-3 130 234,5

Диспергатор 122,5 370

барабанные сушилки 37,5 111

сушильные аппараты HGJ-Ш 40-50 100

Брикетирование размельченного и высушенного сырья производят с помощью штемпельных либо шнековых прессов.

Штемпельные прессы (табл. 2) имеют огромное конструктивное обилие. Более распространёнными являются прессы одно- и двухштемпельные с открытой матрицей (непрерывного деяния), с кривошипно-шатунным, эксцентриковым либо гидравлическим приводом [7].

Таблица 2

Тип привода пресса Компания, завод-изготовитель и марка пресса сече- ние бри- кета, мм. Мощ- ность эл.дв., кВт Макс. усилие прессо- вания Производ., кг/ч

эксцентри- ковый С.Е№еЬеп, ВР 5000 диам. 75 37 — 1300

Криво- шипо- шатунный механизм Наша родина, Б-9027 100х47 37 460 кН. до 700

Гидравли- ческий ПБ-160, гидро- привод конторы DUPLO- МАТ1К (Италия) диам 70 7,5 120 бар до 60

Процесс прессования происходит безпрерывно при повторяющейся подаче сырья поршнем в конусообразную камеру. На производительность оборудования оказывает влияние поперечник прессующего поршня и число его ходов.

Необходимо подчеркнуть, что давление прессования в этих прессах обычно не превосходит 100 МПа, как правило еще ниже. Потому в их формируются брикеты плотностью до 850 кг/м3. Такие брикеты представляют собой на самом деле уплотнённую стружку

и не выдерживают долгого хранения и потому создание их не прибыльно. В литературе их время от времени именуют технологическими.

Шнековые прессы более всераспространены на сегодня. Механизм работы этих прессов основан на процессе экструдирования перерабатываемого материала коническим шнеком через формирующее устройство. На сегодня на рынке представлено огромное количество прессов этого типа, в т.ч. российского производителя (табл. 3)[8].

Таблица 3

Показатель «Жаско» УБО-2 ПКТИ — Лес-пром УБТ-300 ЕВ-350 г. Черкассы Пресс ЕД-350, г. Запорожье

Производительность, кг/ч 400-700 350 -450 350 350 — 450

Установленная мощность, кВт 52 46 46,4 50

Число оборотов 800 600 — —

Сечение брикета, мм 35*** 50х50 53х53 50х50

Плотность брикета, кг/м3 1100-1300 1100- 1300 1000- 1200 1200

Габариты, м 2.32х1.42х х 1.7 4.1х1.4х х3.2 3.8х1.2х х2.25** 2.5х1.5х х2.3

** В размеры включена рубильная машина. *** Верный шестигранник с обозначенной длинноватой стороны

Главным достоинством прессования шнеком является давление, развиваемое при брикетировании — порядка 150 — 200 МПа. Это даёт возможность получать материал плотностью 1150 — 1200 кг/м3. Такие брикеты можно отнести уже к «топливным». В критериях насыщенного трения шнека и материала происходит разогрев последнего, что, в совокупы с давлением, развиваемым прессом, активизирует природный клей

— лигнин. Это вещество выступает в качестве связывающего. Также шнековые экструдеры обустроены дополнительным подводом тепла к формирующему каналу. При всем этом поверхность брикета обжигается с образованием гидрофобного слоя. В процессе обжига и предыдущего ему прессования, выделяется определённое количество остаточной воды, происходит частичный пиролиз материала. Эти процессы приводят к выделению воды и дыма, которые отводятся через отверстие в брикете, образованное хвостовиком шнека. В конечном итоге брикеты владеют существенно наилучшими механическими качествами по сопоставлению с произведёнными в штемпельных прессах, что очень упрощает их транспортировку и хранение, также имеют завышенную гидростойкость.

В целом аппараты удовлетворяют идее сотворения мобильных установок, так как имеют довольно ординарную, надёжную, малогабаритную конструкцию и относительно маленькие габариты.

Но шнековые прессы владеют и рядом недочетов. Основным из их является абразивный износ шнека. Из опыта эксплуатации шнековых прессов установлено, что последний, очень нагруженный виток приходит в негожее состояние после одной

смены работы, максимум двух-трёх[8]. Значительному абразивному износу подвергается и втулка матрицы. Обычно она делается из инструментальной износоустойчивой стали марки Х12М либо Р6М5 и просит подмены после 5-6 месяцев работы[8]. Решения данной задачи довольно многообразны, хотя и необходимо подчеркнуть, что часто она перекладывается производителями оборудования на плечи потребителей. Более пользующееся популярностью решение — это изготовка сборных шнеков, что позволяет поменять только изношенную часть шнека, также наплавлять изношенные витки (электродами марки Т-590, ОЗШ-1 либо наплавкой порошка марки 10Р6М5 и др.) [8].

Ещё одним недочетом прессов такового типа является большая зависимость производительности от свойства прессуемого сырья, что приводит к необходимости установки дополнительных узлов. К ним можно отнести подпрессовующий загрузочный шнек либо другое устройство равномерной подачи сырья и механизм конфигурации зазора меж прессующим шнеком и втулкой. Выполнение и принцип деяния этих узлов многообразны, хотя имеют и одну общую черту

— они все увеличивают стоимость на оборудование.

Выводы

1. Топливные брикеты являются качественным и экологически незапятнанным топливом, создание которого прибыльно в критериях малого и среднего бизнеса.

2. Современной тенденцией технологии производства топливных брикетов является создание мобильных комплексов, осуществляющих переработку древесных отходов на месте их образования.

3. Для использования в составе мобильных установок нужно использовать сушилки с механической активацией материала, которые обеспечивают удельную напряжённость по влаге не ниже 120 кг воды на м3 сушилки в час.

4. Основными целями развития конструкций шнековых прессов является обеспечение автоматического регулирования работы пресса зависимо от свойства перерабатываемого сырья, обеспечение долговременной работы пресса в критериях абразивного воздействия сырья.

Литература

1. Эталоны свойства на топливные брикеты в странах Европы [Электронный ресурс] / ЗАТ Агротонпром.— Режим доступа : www/ URL: http://agrotonprom.at.ua/ blog/standarty_kachestva_na_toplivnye_brikety_v_stra-nakh_evropy/2010-03-15-1/ — 15.03.2010 г. — Загл. с экрана.

2. Сушилка роторная барабанная [Электронный ресурс] / Промышленная группа «Компания Восток”.— Режим доступа : www/ URL: http://www.pgvk.ru/srb/index.htm/

— Загл. с экрана.

3. Сушка биомассы [Электронный ресурс] / ООО ”Пор-тал-Инжиниринг”.— Режим доступа : www/ URL: http://www.wood-pellets.com/cgi-bin/cms/index.cgi?-ext=content&pid=990&lang=1/ — 2005 г. — Загл. с экрана.

4. Барабанная сушилка для опилок (производства Польши) [Электронный ресурс] / Центр Технологий Деревообработки.— Режим доступа : www/ URL: http://www. woodmach.com/site/index.php?go=Pages&in=view&id=-35/— Загл. с экрана.

5. Сушильные машины [Электронный ресурс] / ПП «Фо-ра-Захід».— Режим доступа: www/ URL: http://old.fora-zakhid.com.ua/ru/obladnannya/sushilni-mashini/ — Загл. с экрана.

6. Диспергатор. Оборудование для сушки и измельчения древесных отходов, торфа, гидролизного лигнина и других материалов [Электронный ресурс] / ООО ”Полиме-р+”.— Режим доступа: www/ URL http://www.disperga-tor.com/ — Загл. с экрана.

7. Полосы брикетирования биомассы [Электронный ресурс] / ООО ”Портал-Инжиниринг”.— Режим доступа : www/ URL: http://www.wood-pellets.com/cgi-bin/ cms/index.cgi?ext=content&lang=1&pid=989/ — 2005 г.

— Загл. с экрана.

8. Гомонай, В. М. Создание топливных брикетов. Древесное сырье, оборудование, технологии, режимы ра-боты[Текст] : учеб. / В. М. Гомонай. — М. : ГОУ МИО МГУЛ, 2006. — 68 с.

э