В настоящей статье рассмотрены операции брикетирования измельченных древесных материалов на лесных терминалах. Исследование базируется на положениях механики — теории вязкоупругости [1] и пластичности [2], при иллюстрации результатов моделирования будем опираться на сведения, полученные предыдущими исследователями в области брикетирования отходов лесозаготовок [3–9]. Реализация математической модели потребует использования численных методов в системах компьютерной математики, расчеты проведены в среде Maple.
В процессе обработки деловой древесины в лесном терминале остается 20–30 % древесной биомассы. Эти отходы состоят из тонкомера, сучьев и части стволов дерева, имеющих дефекты, а также кусковых и мягких отходов лесопиления. В некоторых случаях сюда относится древесина пней. Часть этих отходов измельчают на рубительных машинах, а полученную щепу транспортируют щеповозами к заводам по производству плит с плечом перевозки 100–500 км. Оставшуюся часть отходов либо сжигают, либо закапывают. Если учесть, что в 1 м 3 щепы объем собственно древесины составляет 20 %, становится очевидным, что перевозить щепу невыгодно.
В последние 20 лет появились установки, позволяющие в условиях лесного терминала перерабатывать щепу в мелкоформатные топливные брикеты (пеллеты). Это направление развито в Швеции и Финляндии, в России таких установок пока нет.
Однако во всех странах с развитой деревообработкой имеются предприятия, работающие на древесных отходах и производящих топливные брикеты различного назначения. Сырьем для этих предприятий служат лесосечные отходы (кроны деревьев, пни, бурелом, валежник, обрезки стволов, сухостой и т. д.).
Стандартная технология производства топливных брикетов предусматривает измельчение их в самоходных или передвижных рубильных машинах с получением щепы, транспортировку на склад, доизмельчение на мелкие фракции до длины не более 8 мм сушка, до влажности 10 % и брикетирование щепы и опилок в топливные брикеты плотностью 800 кг/м 3 . Особенностью данной технологии является то, что для ее реализации требуется стационарное отапливаемое помещение с площадью не менее 600 м 2 и высокие требования к исходному сырью для производства брикетов. То же самое относится к производству паллет.
В Российской Федерации при объеме лесозаготовок около 500 млн м 3 древесины на лесных терминалах образуется порядка 100 млн м 3 лесосечных отходов, т. е. при работе 100 наиболее крупных леспромхозов и лесокомбинатов на каждом из них в год образуется порядка 1 млн м 3 отходов. Выберем на 1 лесокомбинате 10 лесных терминалов и примем коэффициент использования отходов 0,5. Тогда получается, что реально на одном терминале можно перерабатывать в год 50 тыс. м 3 отходов. При этом необходимо учитывать, что через 1–2 года лесной терминал перебазируется на новое место лесозаготовки.
Суть предлагаемой концепции заключается в том, что отходы лесозаготовки, образующиеся в лесном терминале, поступают в газогенератор, где образуется генераторный (древесный) газ. Существующие стационарные установки сжигания щепы и опилок являются стационарными и неприменимы в условиях лесного терминала. Для того, чтобы их использовать в этих условиях, необходимо изменить структуру загружаемого в них сырья. Из рубильной машины поступает сырье длиной от 3 до 30 мм, поэтому сжигание их в установке будет происходить неравномерно. Это вызывает необходимость подачи сырья более однородного строения, т. е. предварительного брикетирования. Хотя теория брикетирования и разработана, оборудования и технологии переработки разнородного по размерам сырья не разработано, несмотря на большое количество публикаций.
В статье предложена модель получения топливных брикетов из разнородного по размерам сырья для сжигания в газогенераторах.
В данной работе одной из задач является определение оптимальных либо, как минимум, рациональных сочетаний режимов работы пресса, работающего на лесном терминале, и свойств брикетируемого древесного сырья. Критерием оптимальности можем считать энергетическую себестоимость брикета, рациональности — обеспечение требуемой прочности брикета в течение заданного промежутка времени хранения и транспортировки.
Для достижения обозначенной цели математическая модель должна учитывать скорость v и давление p (либо усилие P ) прессования, определяющие энергетическую стоимость брикета, деформативные характеристики сырья. Физическая картина формирования брикета предполагает возникновение упругих, вязких и пластических деформаций [3–8]. Обозначим допущение о том, что деформативные характеристики сырья будем считать производными величинами от влажности W , температуры T , гранулометрического состава f и материала брикета (кора, древесина определенной породы, либо их смесь). Проверка разрабатываемых теоретических положений будет выполнена в результате сопоставления расчетных и опытных данных в главе 4 работы.
Линейные вязко-упруго-пластические модели хорошо известны, они использовались, например, в работах [7–8] при исследовании прессования древесного сырья, в т. ч. отходов. Впоследствии научное описание брикетирования древесных материалов было усовершенствовано за счет введения в математические модели функций, связывающих деформативные характеристики и деформацию сжатия брикета, что позволило на теоретическом уровне учесть выраженный нелинейных характер зависимости потребного давления прессования и плотности брикета, наблюдающийся в экспериментах [9].
Авторы [10–11] используют понятие «упрочнение» по отношению к увеличению модуля общей деформации E и вязкости η сырья при непосредственно уплотнении; при этом явление мгновенного («распрессовка») и длительного упругого восстановления учитываются лишь качественно в рамках дискуссии. Подобное допущение оправдано тем, что указанные исследования выполнены для топливных брикетов, предназначенных для реализации стороннему потребителю, изготовленных из мелкодисперсного сырья и отличающихся сравнительно высокими значениями плотности (свыше 1000 кг/м 3 ). При подобных параметрах сырья явления упругого восстановления практически не заметны.
Технология производства брикетов, исследуемая в статье, предполагает использование более легких прессов, позволяющих производить брикеты с плотностью до 900 кг/м 3 ; при этом упругое восстановление может привести к разрушению брикета за несколько часов либо суток. Но, тем не менее, даже при такой плотности брикета на выходе из матрицы при его прессовании связь давления и плотности нелинейна, т. е. явление «упрочнения» выражено существенно. Попытка построить математическую модель с учетом возможного увеличения E , η в данном случае приведет к получению искаженных результатов при моделировании восстановления материала брикета (за счет увеличения параметра η ). В связи с чем следует положить в основу разрабатываемой математической модели иные предпосылки. Построим упруго-вязко-пластическую модель с учетом переменного предела пластичности σ T , зависящего от деформации сжатия ε; в этом случае станет возможным учесть как повышающееся сопротивление брикета прессованию при увеличении плотности, так и его упругое восстановление, влияющее на форму брикета в сравнительно краткосрочном промежутке времени, что будет показано далее.
Литература:
1. Бленд Д. Теория линейной вязко-упругости. М.: Мир, 1965. 200 с.
2. Малинин Н. Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: «Машиностроение», 1975. 400 с.
3. Власов Ю. Н., Григорьев И. В., Куницкая О. А., Хитров Е. Г., Рунова Е. М. Моделирование физико-механических свойств сырья для производства топливных брикетов. Системы. Методы. Технологии. 2020. № 2 (46). С. 40–46.
4. Vlasov Ju., Bogatova E., Iliushenko D., Khitrov E. Study of briquetting of woodworking waste with industrial press equipment. 19th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2019. Conference proceedings. 2019. pp. 829–834.
5. Vlasov Ju., Khitrov E., Khakhina A., Gigorev G., Dmitrieva I. Theoretical effect of moulding speed and processing time on sawdust briquettes density. 19th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2019. Conference proceedings. 2019. pp. 861–868.
6. Швецова В. В. Повышение эффективности использования отходов окорки путем вибрационного уплотнения транспортного пакета. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.21.01 / СанктПетербургский государственный лесотехнический университет им. С. М. Кирова. Санкт-Петербург, 2013. 20 с.
7. Ильюшенко Д. А. Разработка технологии производства брикетов из отходов окорки. Автореферат диссертации на соискание ученой степени / Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С. М. Кирова. Санкт-Петербург, 2012.
8. Кучер С. В. Совершенствование операций утилизации низкотоварной древесины на нижних лесопромышленных складах: дис. … канд. техн. наук: 05.21.01 / Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С. М. Кирова. Санкт-Петербург, 2019. 151 с.
9. Чибирев О. В. Совершенствование процесса брикетирования отходов лесопереработки на гидравлическом прессовом оборудовании: дис. … канд. техн. наук: 05.21.01 / Северный (Арктический) университет имени М. В. Ломоносова. Архангельск, 2018. 121 с.
10. Хитров Е. Г., Власов Ю. Н., Угрюмов С. А. Топливные брикеты из древесных опилок и математическое описание процесса их брикетирования. Все материалы. Энциклопедический справочник. 2019. № 10. С. 34–40.
11. Бирман А. Р., Хитров Е. Г., Угрюмов С. А., Власов Ю. Н. Совершенствование производства круглых топливных брикетов из древесных опилок. Все материалы. Энциклопедический справочник. 2020. № 1. С. 41–46.
