На правах рукописи Глядяев Сергей Олегович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНЫХ
реклама
На правах рукописи Глядяев Сергей Олегович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ ЛЕСОЗАГОТОВОК ПУТЕМ ПРОИЗВОДСТВА ИЗ НИХ ТОПЛИВА ДЛЯ ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК 05.21.01. – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Архангельск - 2009 2 Работа выполнена в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии им.С.М.Кирова Научный руководитель кандидат технических наук, доцент Беленький Юрий Иванович Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Мартынов Борис Григорьевич кандидат технических наук Ведущая организация Братский государственный технический университет Защита диссертации состоится « » 2009 г. в часов на заседании диссертационного Совета Д.212.008.01 в Архангельском государственном техническом университете (наб. Северной Двины, 17, главный корпус, ауд.228). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Архангельского государственного технического университета. Автореферат разослан « » Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент 2009 г. Земцовский А.Е. 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Эффективное использование природных возобновляемых ресурсов на базе их устойчивого воспроизводства в условиях улучшения экологии окружающей среды является одним из основных направлений развития лесной отрасли народного хозяйства. Работа машин и оборудования в лесной промышленности производится на сжигании дорогостоящих и токсичных нефтепродуктах. Поэтому актуальным становится с одной стороны замена не возобновляемого топлива возобновляемым, и с другой создание на его основе эффективных и рентабельных технических установок, способных обеспечить автономным теплом и энергией лесозаготовительное производство в лесу и на лесопромышленном складе. Имеющиеся значительные запасы низкокачественной древесины и отходов лесозаготовки являются основой для развития биоэнергетической промышленности, способной решать задачу энергетической и экологической безопасности регионов. Древесные отходы лесозаготовок после естественной сушки удовлетворяют условиям автогенного горения: влажность меньше 50%, зольность меньше 60%, горючая масса больше 25%/ Технологическая схема полной газификации в газогенераторных установках может рассматриваться как перспективное энерготермическое использование древесного сырья. Целенаправленная работа по развитию биоэнергетики позволит создать технологии , улучшающие экологическую обстановку при их невысокой стоимости. Газогенераторные двигатели, работающие на продуктах газификации древесины, применялись в годы Великой Отечественной войны, в середине прошлого столетия большое количество газогенераторных станций работало на биотопливе и торфе. Но затем их производство быстро свернулось, и опыт их производства стал мало пригоден. Научно обоснованные методы расчета любых типов газогенераторных установок с дизельным приводом должны быть основаны на решении вопросов качественной подготовки древесного топлива, газофикации древесины, работы на производимом газе и системы регулирования. Это возможно путем проведения экспериментальных исследований на газогенераторной дизельной установке и их аналитического обобщения с целью получения методической базы при проектировании и технического оснащения промышленных установок. Объекты и методы исследования. Объектом исследования является процесс производства биотоплива из древесных отходов лесозаготовок. Теоретические и экспериментальные исследования выполнены на основе технической термодинамики, системного анализа, теории вероятностей и статистики. Цель работы и задача исследования. Совершенствование технологии лесозаготовки на основе научно обоснованных решений производства качественного древесного топлива из отходов для газогенераторных 4 установок, обеспечивающих автономное воспроизводство энергии в лесу и лесопромышленном складе. Исходя из поставленной цели, сформулирована задача исследования: обосновать оптимальный выбор технологических схем разработки лесосек и оборудование, включающих основной технологический процесс заготовки круглого леса и переработки древесных отходов, исследовать качество измельченной древесины, получаемой в стационарных и передвижных рубительных машинах, и определить статистические закономерности формирования её фракционного состава, построить математическую модель естественного способа сушки древесных отходов, провести экспериментальные исследования на лабораторной газогенераторной установке. разработать методику расчета основных массогабаритных параметров газогенераторной установки с газодизелем. Научные положения, выносимые на защиту : статистический детерминизм формирования фракционного состава измельченной древесины в рубительных машинах, выбор и обоснование оптимальных технологических процессов лесосечных работ с переработкой древесных отходов, математическая модель атмосферной и транспирационной сушки древесины, аналитическое обобщение результатов работы лабораторной газогенераторной установки на древесных отходах, методика расчета основных параметров газогенераторных установок на древесных отходах в качестве автономных теплоэнергетических установок для лесопромышленных предприятий. Обоснованность и достоверность научных положений подтверждается аналитическим обобщением экспериментальных исследований, корректностью принятых допущений при формулировании математической модели с позиции теории статистических инвариантов, теории принятия оптимальных решений Практическая значимость работы. Результаты выполненных исследований способствуют выбору оптимальных решений ресурсосберегающих технологий переработки древесных отходов на биотопливо и их эффективное использование на лесопромышленных предприятиях Основные научные и практические результаты, полученные лично автором: - аналитическое обобщение формирование фракционного состава измельченной древесины в рубительных машинах с позиции теории статистических инвариантов, 5 - математическая модель естественной сушки древесных отходов лесозаготовок, - методика расчета основных параметров газогенераторных установок с дизелем, работающих на горючем газе, производимого из древесных отходов лесозаготовок, - рекомендация использования тепла отработанных газов в газодизеле в качестве сушильного агента для измельченной древесины. Место проведения. Работа выполнена в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии на кафедре Технологии лесозаготовительных производств. Апробация работы. Основные научные положения диссертации обсуждались и были одобрены на Международной научно-практической конференции «Современные проблемы лесозаготовительных производств, производства материалов и изделий из древесины» (СПб, 2009 г), научнотехнических конференциях СПбГЛТА ( 2007-2009 г.г.). Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 5 печатных работ, из них 1 в издании, рекомендованнным ВАК, и монография. Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести разделов, основных выводов, списка литературы 133 наименований. Общий объём работы 119 стр., включая 10 рисунков и 20 таблиц. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задача исследования, научная новизна и научные положения, выносимые на защиту, а так же практическая значимость. 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧА ИССЛЕДОВАНИЯ. В данном разделе выполнен аналитический анализ четырех основных типов технологических процессов заготовки древесины целыми деревьями, хлыстами, сортиментный и щепой и переработки получаемых древесных отходов на лесосеке и промышленном складе; образования лесосечных отходов в процессе проведения рубок главного и промежуточного пользования, разнообразия номенклатуры отходов лесозаготовок, древесных ресурсов для биотоплива потенциальных, реальных и экономически доступных. Определение отдельных видов ресурсов древесного сырья основано на использовании аналитического, нормативного и табличного методов. Применение метода зависит от требуемой точности и влияния различных факторов. Реальный объем вторичного сырья в процессе лесозаготовок зависит от принятой технологии и системы машин. Технологические процессы использования древесных отходов в качестве сырья в последующих производствах предполагают его измельчение с предъявлением соответствующего качества. Комплексное использование лесных ресурсов в целом становится необходимой составляющей рентабельного развития предприятий лесной отрасли Информация о зольности древесины различных пород, содержание энергии и вещественного состава сжигаемых топлив, представленные 6 соответственно таблицами 1, 2, 3 указывает на то, что использование измельченной древесины в качестве топлива для тепло-энергетических установок является экологически перспективным. Таблица 1. Зольность древесины в зависимости от породы. Порода Содержание золы в % от древесины абсолютно сухой древесины Дуб Береза Бук Липа Клен Сосна Ель 1,58 1,1 0,90 1,22 0,8 Поэтому древесным отходам как биотоплива соответствует процесс автогенного горения в тепло-энергетических установках, обеспечивающего благоприятную экологическую обстановку региона. Аналитический анализ выполнен на основании исследований Анучина Н.П., Кочегарова В.Г., Бит Ю.А., Меньшикова В.Н., Коробова В.В., Рушнова Н.П., ПатякинаВ.И., Шегельмана И.Р., Васильева С.Б., Гинзбурга Д.Б., Лаутнера Э.М. и других. Таблица 2 Содержание энергии в одной тонне различных видов топлив. Вид топлива Нефть Уголь Кокс Дизельное Древесный уголь Древесное(30% влажности) кВт/ч 11806 7528 7750 11806 7861 1722 В сравнении с 1 т. Нефти 1,0 0,63 0,65 1,0 0,66 0,35 7 Таблица 3. Вещественный состав сжигаемых топлив. Анализ ресурсов вторичного сырья лесозаготовок, переработки и использования позволил сделать вывод о необходимости решения задачи, изложенной в общей характеристике работы. 2. ПРОИЗВОДСТВО ИЗМЕЛЬЧЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ. В зависимости от вида и размеров перерабатываемого древесного сырья, условий осуществления процесса и требований к качеству получаемой щепы рубительные машины имеют различное конструктивное исполнение. Оно характеризуется такими признаками, как мобильность, тип рабочего органа, профиль его поверхности, вид и количество режущего инструмента, способ и направление подачи древесного сырья на переработку, форма загрузочного устройства, способ отбора щепы и др.. По признаку мобильности рубительные машины делятся на стационарные и передвижные. Стационарные рубительные машины эксплуатируются на индивидуальных неподвижных основаниях (фундаментах). Передвижные рубительные установки могут быть автотракторными, плавучими, железнодорожными. Самоходные рубительные установки компонуются на самоходных шасси (автомобиль, трактор). Для обеспечения загрузки древесным сырьем на шасси устанавливаются механические и гидравлические манипуляторы, а так же устройства для подачи древесного сырья к механизму резания. В ряде случаев на самоходное шасси устанавливают автономные энергетические установки для привода механизма резания. 8 В качестве основного классификационного признака принимается конструктивная схема механизма резания машины, по этому признаку они разделяются на три класса: дисковые, барабанные и конические.. На лесосеке возможно производство щепы следующими системами машин: первой ЛП-17А выполняет валку и пакетирование тонкомерных деревьев, ЛТ-168 собирает и транспортирует сырье к месту переработки, УРП-1 измельчает древесину, ТМ-12 вывозит щепу в контейнерах. второй ЛТ-168 собирает и транспортирует отходы к месту переработки, УРП-1 производит измельчение лесосечных отходов, ТМ-12 вывозит щепу в контейнерах. третьей ЛП-19А совершает валку и пакетирование деревьев на волоке, ЛО-120 удаляет крону и раскряжевывает деревья. ЛТ-189 собирает произведенные сортименты и вывозит к погрузочной площадке. После окончания производства круглого леса мобильная рубительная машина УРП-1 измельчает древесные отходы, и автощеповоз ТМ-12 вывозит щепу. При транспортировке щепы и порубочных остатков невозможно использовать полностью грузоподъемность транспортных средств, т.к. в процессе транспортировки груз уплотняется. Для транспортировки в зависимости от расстояния , вида груза могут быть использованы несколько видов транспортных машин. На небольшие расстояния щепу и порубочные остатки перевозят тракторами с прицепом. При дальних перевозках используются автомобили с прицепом. Объем груза зависит от типа машины, емкости кузова и прицепа. Щепа как предмет труда характеризуется весьма разнообразными показателями в зависимости от влажности, породы, способа загрузки и др.. Свойство щепы с точки зрения транспортировки и выгрузки из подвижного состава определяется объемной массой, сыпучестью, влажностью, степенью уплотнения, формой и фракционным составом и др.. Количество измельченной древесины учитывают плотной и насыпной массой, которая зависит от влажности. В процессе погрузки щепа уплотняется и несколько ухудшает разгрузку в силу слипания и смерзания. Степень использования грузоподъемности характеризуется коэффициентом использования. Различают коэффициенты статического и динамического использования грузоподъемности Kc = Qf / Qb , (1) Kd = Pf / Pb , (2) 9 Где Qf , Qb – соответственно фактическое количество груза и для перевозки т , Pf , Pb – соответственно фактическое и возможное количество тоннокилометров при полном использовании грузоподъемности. Коэффициент использования грузоподъемности зависит от правильного выбора транспортного средства при перевозке грузов определенного характера, конструкции навесного оборудования и др.. Производительность автопоезда можно определить по формуле П = [( T – t ) Q ] / ( t1 + t2 + t3 + t4 + t5 ) , (3) Где Т – продолжительность смены, t - подготовительно-заключительное время на смену, Q – полная нагрузка, - коэффициент использования времени на смену, t1 , t2 , t3 – время пробега 1 км в обоих направлениях по магистрали ( ветке, усу), t4 , t5 – соответственно время погрузки и разгрузки автопоезда. 3.ЕСТЕСТВЕННАЯ СУШКА ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ Атмосферный воздух можно использовать в качестве естественного источника тепла для сушки древесины. К естественным способам относятся атмосферная и транспирационная сушки. Время достижения материалом древесины равновесной влажности зависит от начальной влажности, температуры и относительной влажности воздуха. Процесс сушки гигроскопических капиллярно-пористых материалов определяется испарением влаги с поверхности в окружающий воздух и продвижением влаги из внутренних слоев к зоне испарения. Скорость испарения влаги с поверхности гигроскопического материала пропорциональна разности упругостей на его поверхности и в воздухе dm/dt = (Um – Up) , (4) где dm/dt – интенсивность влагоотдачи, - коэффициент влагоотдачи, t – время , Um , Up – соответственно поверхностная и равновесная концентрация влаги. Процесс продвижения влаги изнутри материала к поверхности описан уравнением dm/dt = – D1 dU/dn , (5) где dU/dn – градиент концентрации в направлении потока, D1 – коэффициент влагопроводности, Удаление влаги из плоского материала представлено уравнением диффузии U/t = – D1 2U/x2 , (6) при граничных условиях - (Um – Up) = D1(U/x) x = S/2 , (7) где s – толщина материала. Cогласно уравнению (7) время диффузионной сушки до влажности W будет описываться формулой t = d2 (24 D1)-1 ln [(Wн – Wp)/(Wk – Wp)] , (8) где d – диаметр, Wн , Wk , Wp - соответственно начальная, конечная и равновесная влажности. 10 В капиллярно-поровой структуре материала древесины процесс испарения будет определяться не только диффузией, но и течением пленочной жидкости. Поэтому в общем случае имеет место двухфазное движение в виде водяного пара и жидкости Q = Q0 + Ql , (9) Где Q0 – поток пара, Ql – поток жидкости . Суммарному потоку фаз для стационарных условий протекания процесса соответствует уравнение Q = - r2D (RT)-1grad р + 2rH3(3V)-1grad P = const , (10) При построении уравнения сушки круглых лесоматериалов проницаемое пространство древесины представлено в виде системы продольных и радиальных капилляров, в которой количество воды, испаряющееся в единицу времени, описано уравнением Q = n dLn/dt + rdLr/dt , (11) Где п , r – соответственно площади испарения влаги через продольные и радиальные капилляры, dLn/dt , dLr/dt – соответственно скорости испарения из продольных и радиальных капилляров. Для площадей испарения имеют место выражения n = 2( - p)V/lL , (12) и r = 4( - p) (1- )V/lL , (13) Полученная формула сушки лесоматериалов имеет вид W = Wp + (Wн – Wp) exp(–2ct1/2) , (14) согласно которой время сушки до влажности W равно t = [ ln (Wн – Wp) (W – Wp)-1]2 / 42c , (15) -1 здесь с = VmDps(1-)[2n/knL + (1-)r/krd] (RT) . (16) Полученная формула сушки учитывает все основные параметры, характеризующие естественную сушку лесоматериалов: коэффициента диффузии , парциального давления насыщенного пара , начальной влажности древесины , гигроскопической влажности , относительной влажности воздуха, толщину материала. Если длина много больше диаметра, то в условиях атмосферной сушки коэффициент с принимает значение с = са = VmDps(1-)[(1-)r/krd] (RT)-1 , (17) и влага удаляется в основном с боковой поверхности. При транспирационной сушке влага удаляется в основном через торцовые поверхности, поэтому здесь коэффициент с равен с = сТ = 2VmDps(1-)[n/knL] (RT)-1 . (18) В процессе испарения влаги диффузная составляющая непрерывно увеличивается, а капиллярная уменьшается Для измельченной древесины коэффициент с можно определять выражением с = са = VmDps(1-)[r/krd] (RT)-1 , (19) Полученные формулы определяют процесс атмосферной сушки лесоматериалов при учете диффузионного и капиллярного процессов 11 испарения и позволяют формулировать условия получения качественной щепы и её эффективного хранения. 4. ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ЩЕПЫ Методика проведения исследований качества щепы заключалась в выполнении следующих работ: отбора проб, определения содержания в щепе коры и гнили, фракционного состава, породного состава, влажности. Исследование проводилось в Лисинском лесхоз-техникуме. Щепа получалась из свежесрубленной стволовой древесины разных пород и кустарника. Лесосечные работы выполнялись на лесных площадях со средним объемом хлыста 0,21-0,35 м3, средним диаметром 24 см и средней высотой 17,5 м. Почвогрунты можно отнести к торфо-болотным, перегнойноглеевым с несущей способностью 0,01-0,10 МПа, т.е. условия проходимости ограниченные. При разработке лесосек в таких условиях порубочные остатки летом укладываются на трелевочный волок, чтобы происходила естественная сушка. Производство щепы производилось стационарной рубительной машиной МРН20-1 на территории нижнего склада и передвижной рубительной машиной Валмет-1100 на лесосеке. В качестве сырья для получения щепы на нижнем складе использовалась свежесрубленная низкокачественная древесина и малоценных пород. Образцы длиной 1 м и диаметром 12, 16, 20, 34, 40 см рассортировывались по породам. Бревна диаметром больше 24 см раскалывались. На лесосеке щепа заготавливалась из порубочных остатков зимней и летней заготовки. Породный состав определялся по формуле древостоя. Производство щепы из кустарников осуществлялось передвижной рубительной машиной из пород ива, ольха, береза, осина, их диаметр не превышал 10 см. Результаты исследования обработаны по программе «Statistica». При производстве щепы из тонкомерных деревьев получены следующие фракции: мелкая зелень в виде хвои и почек, мелкие включения древесины и коры, содержание данной фракции до 5%, крупная зелень в виде пучков хвои с хворостом, большие куски коры, щепа с неотделенной корой, мелкие сучки с хвоей или без неё, содержание данной фракции до 20% , стволовая с неотделенной корой в виде больших кусков с корой и без нее, содержание данной фракции 75%/ При просеивании щепы, получаемой из сучьев диаметром меньше 4 см, получаются следующие фракции: -мелкая зелень в виде хвои и почек – 2%, кора – 5,7%, древесина с неотделенной корой – 92,7%. Статистические закономерности механического процесса измельчения древесины рубительными машинами рассмотрены его с позиции теории 12 статистических инвариантов, как характеристик однородности неоднородных структур, и являющейся основой в статистической механике С механической точки зрения формируемую щепу можно представить в виде динамической системы с большим числом степеней свободы, роль которых выполняют параметры, описывающие её состояние. В стационарных условиях такие системы стремятся к своему предельному наиболее вероятному состоянию. Совокупность измельченной древесины можно рассматривать как своего рода условное фазовое пространство, состоящее из числа ячеек, равного числу дискретных значений j размеров щепы. В каждой ячейке содержится количество nj щепы размером lj , характеризующейся энергией образования ej . Поэтому задача исследования ставится следующим образом: найти наиболее вероятное распределение щепы от её размера в стационарных статистических условиях её образования при выполнении равенств nj = N = const , (20) ej nj = E = const , (21) первое равенство отражает условие постоянства общего числа образующейся измельченной древесины в единицу времени, а второе характеризует постоянство энергии образования. Вероятность заполнения ячеек фазового пространства описывается зависимостью вида Pj = N! / П nj ! , (22) С учетом формулы Стирлинга, справедливой при n 1, n ! = nn en , формула (22) записана в виде Sj = ln Pj = N ln N - nj ln nj . (23) Таким образом, наиболее вероятное распределение обусловлено равенствами d Sj = d ln Pj = ln nj dnj = 0 , (24) dN = dnj = 0 . (25) dE = ej dnj = 0 . (26) Решения системы уравнений построено методом неопределенных множителей Лагранжа путем умножения (25) на , а (26) на , после суммирования получено уравнение ( ln nj – + ej ) dnj = 0 , (27) из которого следует условие его выполнения ln nj – + ej = 0 , (28) поэтому решение (опуская нижний индекс) принимает вид n = exp exp ( – e ), (29) из условия нормировки (20) получено значение exp = N , (30) поэтому функция распределения фракционного состава щепы имеет вид n = N exp (– e ) . (31) 13 Механическая энергия е образования щепы является суперпозицией двух конкурирующих энергий поверхностной и объёмной: при уменьшении размеров первая увеличивается, а вторая уменьшается (и наоборот). Поэтому энергия образования измельченной древесины в зависимости от размеров имеет экстремум. В окрестности экстремума возможно представление этой функции в ряд по степеням текущего l и наиболее вероятного lm размеров е = em + ( l – lm ) [de/dl]m + ½ ( l – lm )2[ d2e/dl2 ]m + 1/6 ( l – lm )3[d3e/dl3]m + …. , В экстремуме [ de/dl ]m = 0 , и ограничиваясь квадратичным членом, получаем представление (31) в виде n = B exp [ – ( l – lm )2 ] , (32) 2 2 здесь B = N exp( –em ) , = ½ [d e / dl ]m . При l = lm параметр распределения B = nm , поэтому построенная функция распределения щепы по размерам принимает трех параметрический вид n = nm exp [ – ( l – lm )2 ] , (33) её можно записать в безразмерном виде, как однопараметрическую, опираясь на модальные значения n* = exp [ – (l* – 1 ] , (34) 2 где n* = n / nm , = l m . Трех параметрическое распределение (33) принимает вид двух параметрического нормального распределения в условиях, когда nm = [(2)1/2 ]-1 , = (22)-1 , (35) а однопараметрическое (34) становится нормальным, когда = . Сравнение результатов расчета построенной математической модели с опытными данными по критерию χ2 Пирсона показало их адекватность на уровне вероятности достоверности 0,95. Выполненные исследования раскрывают общий характер статистической закономерности формирования фракционного состава измельченной древесины, производимой рубительными машинами, и указывают на статистический детерминизм последующих технологических процессов, которые в качестве сырья используют древесную щепу. 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАЗОГЕНЕРАТОРНОЙ ДИЗЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ На рынке имеет место широкий спектр дизельных установок различной мощности, поэтому обеспечение их газогенераторными и установками, производящими горючий газ из измельченной древесины отходов лесозаготовок, является экономически выгодным проектом. Пи этом достигается рентабельная автономность энергетических и тепловых модулей и обеспечивается экологическая безопасность региона. Для разработки методики обеспечения дизельной установки необходимым количеством щепы, из которой производится горючий газ, были проведены экспериментальные исследования. 14 Исследования выполнены в лаборатории ДВС и ДУ СПбГМТУ на базе ГИПХ газогенератора и вихрекамерного дизеля 248,5/11 мощностью 8 кВт, с целью определения особенностей рабочего процесса при использовании газогенераторного газа, получаемого из измельченной древесины. Установка включает в себя следующие элементы и системы: газогенератор, способный газифицировать древесные отходы, характеризующиеся большим количеством летучих, и обеспечивающий выход генераторного газа с наименьшим количеством смол, системы охлаждения и очистки , предназначенные для снижения температуры генераторного газа и очистки его от вредных примесей, к числу которых относятся зола, сажа, смолистые вещества, сернистые соединения и влага, систему розжига, обеспечивающую пуск газогенератора, систему воспламенения и сжигания газогенераторного газа, системы управления, измерения и регистрации параметров работы при проведении испытаний. Внешний вид установки показан на рис.1. Опытный газогенератор относится к типу газогенераторов , обеспечивающих обращенный процесс газификации. Воздух подается в среднюю по высоте часть камеры, в которой происходит процесс горения древесных отходов. Образующиеся газы отсасываются вниз и затем через кольцевое пространство между корпусом и бункером поступают в системы очистки и охлаждения через газоотборный патрубок, расположенного в верхней части газогенератора. Активная зона расположена в камере газификации от места подвода воздуха до нижнего среза, ниже расположен зольник. Зона сухой перегонки и зона подсушки располагаются выше активной зоны, но влага древесных отходов и летучие не могут выйти из газогенератора, минуя активную зону. Проходя через активную зону с высокой температурой, продукты сухой перегонки подвергаются разложению, в результате которого количество смол в выходящем из генератора газе незначительно. Для грубой очистки генераторного газа в принятой схеме используется двухступенчатый очиститель вихревого типа. Очистители такого типа (циклоны) при небольших размерах дают высокую степень очистки газа (до 90-95%). В работающем газогенераторе температура газа составляет 150-3500С. Для повышения плотности заряда газовоздушной смеси необходимо охлаждать газ перед его подачей в систему питания двигателя. Для охлаждения используются радиаторы, в которых происходит охлаждение и доочистка. Тонкий очиститель предназначен для максимальной очистки газа от водяных паров и вредных примесей перед его поступлением в систему питания двигателя. 15 Рис.1 Опытная газогенераторная установка Система розжига ( и отбора) генераторного газа , включающая в свой состав электровентилятор, предназначена для розжига газогенератора Система воспламенения и сжигания генераторного газа используется при автономной стендовой отработке двигателя и включает в себя эжектор и воспламенитель. Конструкционные параметры опытной установки: диаметр камеры газогенерации 170 мм, диаметр горловины камеры газогенерации равен 82 мм, высота активной зоны 200 мм, расстояние от фурменного пояса до горловины 120 мм, бункер объемом 85 л и высотой 680 мм, зольник газогенератор высотой 100 мм и площадью поперечного сечения 1590 см2 . Очистители типа циклон имеют сравнительно небольшие габариты и массу и обеспечивают хорошую очистку газа в достаточно широком диапазоне изменения режимных параметров. Они обеспечивают коэффициент очистки потока газа в пределах 0,85-0,90 от первоначального содержания пыли. При последовательном соединении двух циклонов коэффициент очистки возрастает до 0,97. Газ высокой теплотворной способности и гибкая работа установки были обеспечены: скоростью дутья в пределах 20-30 м/с, числом фурм 8. диаметром фурмы 6,5 мм. высотой зольника 100 мм. 16 Принципиальная схема опытной газогенераторной дизельной установки показана на рис.2. Рис2. Принципиальная схема опытной газогенераторной дизельной установки 1 – газогенератор, 2 – циклон, 3 – циклон, 4 – радиатор, 5 – тонкий очиститель, 6 – вентилятор, 7 – дизель, 8 – ресивер, 9 – смеситель. На основе экспериментальных данных установлено, что оптимальная скорость газа на входе в циклон должна составлять 18-20 м/с, при больших скоростях возрастают потери напора на циклоне, а при меньших ухудшается очистка. Для опытной установки принято: расходы газа 15-35 нм3/ч, скорость газа на входе в установку 10-250м/с, скорость газа на выходе из установки 4-7 м/с, скорость газа во внутреннем цилиндре 1,5 м/с, максимальные суммарные потери напора 100-540 ммвод.ст. температура корпуса циклона 200-2500С. Окончательная очистка газа от пыли, смол, конденсата и т.п. производится в тонком очистителе, который выполнен в виде цилиндра с размещенным внутри фильтром., имеется отстойник для конденсата со сливным отверстием. 17 В качестве фильтрующего материала применена «древесная шерсть» (тонкая стружка сечением 0,4х2,5 мм), которая обладает развитой поверхностью контакта и обеспечивает высокие параметры очистки газа, толщина её набивки составляет 100 мм. В качестве охладителя принята радиаторная схема с прямоугольными ребрами, как наиболее подходящая для данных условий работы и облегчающая очистку охладителя от загрязнений. Потери напора на радиаторе не превышали 35-40 мм вод.ст.. Критерием качества газогенераторного газа является содержание в нем основного горючего компонента окиси углерода СО, оно существенно зависит от конструкции и режима работы, а так же от характеристик древесного топлива: породы, влажности, фракционности и др.. Пробные пуски и начальные исследования газогенератора показали, что для получения газа с необходимым для работы двигателя содержанием окиси углерода необходимы как работы по доводке некоторых конструктивных элементов, так и накопление навыков его эксплуатации, потерянных после 50-х годов. Для газодизеля актуален интенсивный розжиг генератора перед пуском, тем интенсивнее, чем выше влажность топлива. Необходимая удельная производительность пускового вентилятора должна быть в диапазоне 1,5-2,3 м3/час кВт. В результате исследования было установлено следующее: исследуемый диапазон содержания СО в генераторном газе шире, чем у газогенераторных установок 30-50-х годов на дровяном топливе, с ухудшением качества газогенераторного топлива соответственно изменяются теплофизические свойства рабочего тела двигателя, что приводит к снижению температуры в цикле и давлений при фиксированных значениях доли жидкого топлива, при номинальном давлении в цикле (0,585 мПа) максимальные температуры в газодизеле выше на 300-3500К, чем у базового дизеля, как результат уменьшения воздуха при сгорании, с ухудшением качества генераторного газа цикловые подачи дизельного топлива, необходимые для достижения в газодизеле номинального давления, увеличиваются и составляют 24-80% от номинальной дозы топлива базового дизеля, уменьшение одной сотой (1%) содержания СО приводит к увеличению доли жидкого топлива на 0,02 (2%), на номинальном режиме работы газодизеля соотношение требуемых расходов вторичного и первичного воздуха с ухудшением состава генераторного газа увеличивается в 1,35 раза, 18 соотношение расходов вторичного воздуха и сухого генераторного газа при ухудшении качества газа увеличивается с 2,36 до 4,00, скорость воздуха из фурм является важным фактором влияния на весь процесс газогенерации, а, следовательно, на экономичность газодизеля, время пребывания СО2 в реакционной зоне не должно превышать 0,6 секунды, Полученные результаты позволяют сформулировать пути совершенствование газодизелей за счет оптимизации режимов розжига, повышения температуры в реакционной зоне газогенератора, скорости первичного воздуха, увеличения времени пребывания СО2 в реакционной зоне, уменьшения влажности биотоплива за счет естественной сушки. 6. ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ГАЗОГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ С ДИЗЕЛЕМ. На основании выполненных исследований сформулированы основные параметры, необходимые для проектирования газожидкостной энергетической установки задаваемой мощности: удельный расход измельченной древесины 1,4 кг/кВтчас , удельный расход газа 3,2 м3/кВтчас, удельный расход воздуха 3,4 м3/ кВтчас , удельная высота активной зоны 20 мм/кВтчас, удельная энергоемкость измельченной древесины 0.71кВтчас/кг , удельная энергоемкость газа 0?31 кВтчаc/м3 , удельная энергоемкость воздуха 0,29 кВтчас/м3 , удельная энергоемкость высоты активной зоны 0,24кВтчас/мм . На основании значений представленных параметров можно дать оценку массогабаритных показателей газогенераторной установки с газодизелем. Расчеты показывают, что для газодизеля можностью 180-220 кВт необходимо дополнительное оборудованиесо следующими габаритными объемами: газогенератор 7 м3 , высотой 4,0 м и диаметром 1,5 м; охладитель 0,9 м3 , высотой 3,0 м, диаметром 0,6 м; скруббер 5,4 м3 , высотой 3,5 м, диаметром 1,4 м; газосборник 0,4 м3 . Суммарный габаритный объем оборудования газогенераторной установки становится примерно равным 12,7 м3, его масса составит 2,4-4,0 т. Газоходы, объединяющие элементы установки , должны иметь диаметры порядка 22,5-35,0 см . Расход технической воды в оборотном контуре установки должен быть 73-77 л/мин. Эффективному кпд газодизеля , равному 25%, соответствуют следующие часовые расходы топлива: щепы 308 кг/час, жидкого дизельного топлива 9,7 кг/час . Экономия дизельного топлива составит 85 -90% от номинальной дозы. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 1. Эффективное использование древесных отходов лесозаготовительного производства в качестве топлива для газогенераторных дизельных установок является актуальным решением задачи экологической и энергетической безопасности народного хозяйства. Обобщение результатов эксплуатации - 19 газогенераторных установок прошлых лет и выполненных экспериментальных исследований на опытной лабораторной установке указывают на реальность создания на базе широко распространенного дизеля типа Д12 современной газодизельной установки мощностью 180-220 кВт , позволяющей сократить расход дизельного топлива не менее, чем в 5 раз. 2.Полученные значения удельных расходов измельченной древесины (1,4 кг/кВтчас), производимого из неё газа (3,2 м3/кВтчас), воздуха (3,4 м3/кВтчас) и удельной высоты активной зоны (20 мм/кВтчас) позволяют решать как прямую, так и обратную задачу при проектировании газогенераторных установок. 3.Результаты исследования позволяют сформулировать пути совершенствования газодизелей: оптимизацию режимов розжига следует производить пусковым регулируемым вентилятором производительностью порядка 20 м3/час, увеличение времени пребывания СО2 в реакционной зоне и полноты восстановления углекислого газа до окиси углерода СО, являющегося основным топливным компонентом, необходимо по возможности увеличивать высоту реакционной зоны, эффективно сухое пыле-золоудаление, повышенная влажность древесного топлива снижает температуру процесса газофикации, приводя к увеличению содержания негорючего СО2 , что приводит к уменьшению теплотворной способности производимого топлива, поэтому желательно иметь влажность топливной щепы не выше гигроскопической влажности, очистка производимого генераторного газа является важной составляющей работы газодизеля, розжиг производить или на древесном угле, или от остатков предыдущей работы, время от начала розжига до подключения двигателя на силовой газ составляет 10-12 минут. 4.Фракционный состав щепы, полученной на стационарной рубительной машине нижнего склада из стволовой древесины имеет дисперсию меньше, чем щепа, произведенная передвижной рубительной машиной на лесосеке. 5.Нормальный закон распределения, полученный в результате математического моделирования процесса образования щепы с позиции теории статистических инвариантов, адекватно описывает фракционный состав измельченной древесины, производимой рубительными машинами. 6.Построенная математическая модель естественной сушки лесоматериалов позволяет определять время сушки как на лесосеке, так и нижнем складе. 20 7.Отработанный газ может быть использован в качестве высокотемпературного агента в сушильных камерах для щепы и лесоматериалов. 1. 2. 3. 4. 5. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Беленький Ю.И., Глядяев С.О. Системы машин для переработки древесных отходов на технологическую щепу на лесосеке. // Технология и оборудование лесопромышленного комплекса. Вып.1 СПб.: СПбГЛТА..2008. С 43-45. Глядяев С.О. Повышение эффективности использования древесных отходов лесозаготовок путем производства из них газогенераторного топлива.//Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии: Вып.186. СПб.: СПбГЛТА, 2009.С.184-187. Глядяев С.О. Статистические закономерности формирования щепы в рубительных машинах. // Технология и оборудование лесопромышленного комплекса. Вып.3.СПб.: СПбГЛТА, 2009. С.57-60. Беленький Ю.И., Глядяев С.О. Возможности применения газогенераторных установок на лесосеке в качестве автономного энергетического модуля. Материалы международной научнопрактической конференции 27-28 марта 2009г. СПб.: СПбГЛТА, 2009. С.126-129. Беленький Ю.И., Глядяев С.О. Использование древесных отходов лесозаготовок в качестве биотоплива газогенераторных установок..- СПб.: СПбГЛТА, 2009. 70 с. Просим принять участие в работе диссертационного Совета Д.212.008.01 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 163007, Архангельск, наб. Северной Двины, 17, Архангельский государственный технический университет, Ученый совет. Факс: ГЛЯДЯЕВ СЕРГЕЙ ОЛЕГОВИЧ АВТОРЕФЕРАТ
