Один их эффективных способов утилизации отходов лесопиления и деревообработки – производство топливных брикетов. Выбор пресса для брикетирования зависит от вида и влажности используемого сырья. Наиболее прочные брикеты получаются при влажности измельченной древесины 4–6%.
В отличие от других видов переработки образовывающихся на предприятии отходов – изготовления арболита, фибролита, холоднокатаных плит из коры, пеллет – выпуск топливных брикетов не требует больших затрат и значительных инвестиций в приобретение оборудования. Кроме того, многие технологии предусматривают использование одного или двух видов отходов предприятия, например, для производства арболита и фибролита применяется измельченная древесина кусковых отходов окоренных бревен хвойных пород, а для изготовления холоднокатаных плит – кора ели. При изготовлении топливных брикетов используются все виды древесных отходов, образующихся у предприятия, – опилки, стружка, кора.
Таблица 1. Норматив выхода отходов древесного сырья при лесопилении в зависимости от способа распиловки бревен
Измельченный материал состоит из двух частей: твердой и газообразной. Твердая часть представляет собой частицы материала, а газообразная из воздуха, заполняющего пространство между частицами и поры в самих частицах. При прессовании происходит обжатие измельченного материала, газообразная составляющая выдавливается, и материал превращается в брикет. Чтобы получить брикеты с высокой прочностью, давление прессования должно быть тоже высоким, а время обжатия - достаточным для обеспечения сцепления частиц прессуемого материала и для удаления воздуха. Оптимальное время выдержки брикета под давлением – 20–30 секунд. С уменьшением скорости обжатия материала одна и та же усадка происходит под действием меньшего давления.На прессование оказывают влияние силы трения и распирающие усилия брикетируемого материала, форма и размеры поперечного сечения матрицы.
Физические и химические факторы, воздействующие на процесс брикетирования, связаны со свойствами и состоянием брикетируемого материала, а механические факторы обусловлены конструкцией применяемого прессового оборудования.
Качество получаемых при прессовании брикетов зависит от химического состава и физического состояния измельченной древесины, ее веса, влажности, температуры нагрева перед прессованием, давления прессования и времени выдержки под давлением. Как показали исследования, проведенные сотрудниками Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета имени С. М. Кирова (СПбГЛТУ) Н.А. Модиным и А.Н. Ерошкиным, наиболее прочные брикеты получаются при высоте изделия 3–5 мм. Однако брикеты такой высоты не пригодны для практического использования. Вместе с тем у брикетов высотой 15 мм и выше механическая прочность немного понижается. Кроме того, качество брикета зависит от влажности древесины и коры.
При брикетировании различают оптимальную и критическую влажности. При критической влажности материала брикет еще получается, но прочность изделия невелика, при влажности, превышающей критическую, изготовленный брикет разваливается. Прочные брикеты получаются при влажности измельченной древесины 4–6%. Однако в этом случае древесина требует дополнительной подсушки. Как правило, влажность древесины, поступающей на пресс, составляет 10–14%. Это коррелируется с данными Центрального научно-исследовательского института механизации и энергетики лесной промышленности (ЦНИИМЭ) о том, что оптимальной влажностью для получения нормально прочных брикетов является влажность W = 8–15%, что соответствует пределу прочности на изгиб получаемых брикетов около 0,245 МПа.
Рис. 1. Номенклатура древесных отходов лесопиления и деревообработки на нижнем складе
Данные исследований ученых ЦНИИМЭ и СПбГЛТУ показывают, что наиболее прочные брикеты, при одних и тех же условиях брикетирования, получаются при соотношении щепы 25% и опилок 75%. При этом используется щепа крупной фракции – длина 14–19 мм, ширина 14–28 мм, толщина 2,3–2,5 мм. Это позволит повысить производительность рубильной машины, используемой для измельчения кусковых древесных отходов. Щепа крупной фракции должна быть игольчатой формы, ее условный диаметр должен быть 2–3 мм, а длина 10–12 мм. Однако при лесопилении, помимо опилок и кусковых древесных отходов, образуется некоторое количество коры, которую тоже нужно утилизировать. Несмотря на то что, согласно данным исследований СПбГЛТУ, наличие коры в брикетах снижает их механическую прочность, в брикетируемую массу можно вводить до 25% коры, не теряя при этом заданной прочности в 0,245 МПа при влажности 10–14%. Кору желательно измельчать до фракционного размера 5 мм при помощи молотковой дробилки.
Давление при брикетировании измельченных отходов древесины и коры - важный фактор, влияющий на механическую прочность и плотность брикетов. Изменение давления на разных типах прессов происходит при помощи клиновым устройств, изменением размера сечения матричного канала регулируемой части матрицы, изменением сечения канала цанговой части матрицы гидроприжимами и т.д. Давление свыше 150 МПа целесообразно применять для брикетирования коры. Для изготовления брикетов из опилок и щепы или с добавлением 25% коры давление должно составлять 98 МПа. У прессов с паспортным давлением 100 МПа меньше габариты, металлоемкость и стоимость по сравнению с прессами большего давления.
Целлюлоза, лигнин и гемицеллюлоза составляют 96% веса сухой древесины. На долю целлюлозы у различных пород древесины приходится от 48 до 56% веса, она же обуславливает упругость древесины и ее механическую прочность. Лигнин, содержащийся в древесине, придает ей прочность и сопротивляется физическим и химическим воздействиям. По химическому составу лигнин высокомолекулярен и аморфен.При нагреве древесины до 150 С ее химический состав почти не изменяется, при нагреве до 200 С в древесине быстро распадаются углеводы, а при температуре свыше 250 С продукты распада углеводов превращаются в летучие вещества, что ведет к потере веса.
Оборудование для брикетирования
Изначально технологии брикетирования разрабатывались для утилизации стружки и опилок. При этом дополнительное измельчение прессуемого материала не требовалось. Для утилизации кусковых отходов лесопиления – реек, горбылей, обаполов измельчение обязательно.Измельчать древесину следует при ее влажности 30–70%, так как при этом уменьшается расход мощности и сушка происходит в общем потоке сырья для брикетирования. Для первичного измельчения целесообразно применять барабанные рубильные машины. По сравнению с дисковыми, они проще и надежнее в работе и имеют меньшие габариты и массу.
После измельчения древесина поступает на сепарационные установки, где включается в общий поток сырья. Работа брикетных установок, а также качество брикетов зависят от размеров частиц брикетируемого сырья. Оптимальные размеры частиц – от 0,5 до 7 мм.Сепарационные установки состоят из механизмов подачи сортируемого материала (ленточных, скребковых, шнековых и других транспортеров, бункеров, питателей), сортировочных устройств и механизмов транспортировки рассортированного материала.Основным оборудованием сепарационных установок являются сортировочные устройства: механические, пневматические, гидравлические и электрические. Для сепарации древесной мелочи применяются пневматические и механические сортировочные устройства.
Механические сортировочные установки подразделяются на инерционные и ситовые. Инерционные основаны на принципе использования кинетической энергии сортируемых частиц. Частицам придается одинаковая скорость, и за счет различной массы они совершают различный путь в свободном полете. Минус таких установок ‒ низкое качество сепарации.Ситовые сортировочные установки обеспечивают разделение частиц по размерам в результате прохода этих частиц через калиброванные отверстия сита. Данные установки подразделяются на барабанные и грохоты. Они просты по конструкции, но имеют значительные габариты. Кроме того, при сортировке мелких древесных частиц сетчатые сита таких установок часто засоряются, что уменьшает их производительность и снижает качество сепарации.Пневматические сортировочные устройства основаны на разности скоростей витания частиц в зависимости от их размеров. В случае подачи материала пневмотранспортом происходит частичная сортировка: крупные частицы не транспортируются, а очень мелкие уносятся вместе с воздухом. При этих условиях дополнительная подсортировка не требуется. Однако для успешной работы таких установок требуется подача сепарируемого сырья в сухом виде.
Для сушки измельченной древесины применяются сушилки разных типов ‒ бара-банные; ротационные; шнековые; ленточные; пневмосушилки; аэрофонтанные; тарельчатые и вибрационные. В России распространены барабанные, шнековые, ленточные, пневмосушилки и аэрофонтанные сушилки. К недостаткам барабанных (ленточных) сушилок относится их громоздкость и сложность в обслуживании. Пневмосушилки имеют значительную высоту, что осложняет монтаж конструкции, и, кроме того, данный тип сушилок не обеспечивает постоянства заданного режима сушки. Аэрофонтанные сушилки менее высокие, просты в обслуживании и имеют большой съем испаряемой влаги с единицы объема. Однако скорость прохождения древесной массы в них меньше, что снижает их производительность.
Основным оборудованием, определяющим производительность брикетных предприятий, являются прессы. Существуют разные типы прессов: штемпельные с открытой матрицей (одноштемпельные и двухштемпельные); шнековые; гидравлические; ротационные (револьверные, кольцевые, вальцовые и другие). Обычно измельченная древесина прессуется на штемпельных прессах, создающих давление 100 МПа, применяют для этой цели и шнековые прессы. Основными узлами оборудования являются: привод, прессующий механизм, камера прессования и питатель. Прессующие механизмы подразделяются на кривошипно-шатунный; кривошипно-рычажный; коленчато-рычажный. В России из-за простоты конструкции наибольшее распространение получили кривошипно-шатунные.
Брикетные прессы выпускают с закрытой и открытой камерой прессования. Первые используются для получения цилиндрических брикетов (шнековый, копровый и другие). Вторые применяются для изготовления шашечных и брусковых брикетов. Закрытые камеры в виде стакана цилиндрической формы устанавливают в количестве двух (на копровых прессах) и более штук. Наиболее популярны прессы с открытой камерой, которая может быть разъемной с поворотной верхней частью и цанговой. Открытые камеры со-стоят из дозаторов, матриц и механизмов прижима. Матрицы образуют канал, в котором происходит формирование брикета и выдержка его под давлением. От формы и размеров поперечного сечения этого канала зависят форма и размеры брикета. Дозаторы обеспечивают подачу порции прессуемого материала в загрузочную ка-меру и предварительное уплотнение материала перед брикетированием. Дозаторы могут быть в виде шнеков, поворотных затворов, двусторонних захватов, которые устанавливают в загрузочной камере или поблизости от нее. Механизмы прижима матриц применяют для изменения размеров поперечного сечения матричного канала. Это позволяет регулировать усилие подпора и установить необходимое давление прессования.
Механизмы прижима подразделяются на рычажные, винтовые, пружинные, клиновые, гидравлические. Гидравлические механизмы прижима отличаются малыми габарита-ми, плавностью регулирования и достаточной быстротой действия. К недостаткам относится необходимость приобретения специального гидравлического оборудования. Питатели предназначены для подачи прессуемого материала из бункеров или циклонов к вертикальному загрузочному каналу или дозатору. Они представляют собой транспортные устройства, производительность которых соответствует производительности пресса. Подача материала питателями регулируется в зависимости от фракции прессуемого материала. В России распространены шнековые и инерционные питатели.
Кулерина не является частью пресса и служит для транспортировки брикетов от пресса к бункеру, а также для выравнивания внутренних напряжений в брикетах. Кулерина создает дополнительный подпор при прессовании. На предприятиях встречаются само-дельные кулерины, состоящие из четырех стальных полос, стянутых стяжными хомутами. Для выравнивания внутренних напряжений в брикетах непосредственно за матрицей рас-полагают прямолинейный участок кулерины, затем она может иметь плавный изгиб для транспортировки брикетов в бункера. Поперечное сечение кулерины соответствует форме и размерам брикетов.
При выборе пресса нужно руководствоваться такими критериями, как:
Технологии производства
Существуют три основные технологические схемы изготовления брикетов: холодное брикетирование с предварительным дроблением и сортировкой по крупности; брикетирование при неглубоком прогреве сырья с дроблением и отсортировкой; брикетирование при глубокой термообработке сырья с дроблением и отсортировкой. В случае если на предприятии не образуются кусковые отходы древесины или они используются для других целей, операция предварительного дробления может быть исключена.
Установки для брикетирования при неглубоком прогреве сырья требуют меньшего расхода энергоносителей на глубокий прогрев измельченной древесины, чем установки третьего типа. И вместе с тем неглубокая предварительная тепловая обработка брикетируемого сырья позволяет получать качественные брикеты без приложения высокого давления.
Брикеты, используемые в качестве технологического сырья для химической промышленности, должны легко распадаться и размельчаться при растирании. Их изготавливают из древесных отходов влажностью 20% без глубокой термообработки прессуемого материала. Также изготавливают и обычные топливные брикеты. Типовая технологическая схема брикетирования при неглубоком прогреве сырья с дроблением и отсортировкой, с простой компоновкой выглядит следующим образом: мелкие древесные отходы (опилки, а также кусковые древесные отходы) после измельчения подаются в циклон, а затем поступают в загрузочный бункер. Из бункера часть отходов подается в топку, а основная масса – в сушилку. Из топки дымовые газы проходят через искрогаситель, затем смешиваются с воздухом и при температуре этой смеси t=300–400 С поступают в сушильный барабан. Часть газов подается в оболочку сушильного барабана для его обогрева.
Специальные топливные брикеты для промышленности должны иметь повышенную влагоустойчивость и требуют предварительного прогрева до 250–300 С без доступа воздуха. Такая технология приводит к потере веса брикетов, требует специального оборудования и значительных эксплуатационных затрат на энергоносители. Если на предприятии не образуется большого количества отходов, то массовый выпуск брикетов будет не-целесообразным, так как не сможет оправдать капитальные и эксплуатационные затраты на подобную установку.
При «холодном» брикетеровании для увеличения эффективности прессования матрица пресса прогревается до 50–65 С. В некоторых типах прессов для этого используется постоянная подача возвратной воды из системы теплоснабжения цеха. Для перемещения и перемешивания отходов внутри сушильного барабана установлен шнек, состоящий из отдельных лопаток, укрепленных на валу. Сухие и нагретые от-ходы из сушилки попадают в бункер и далее по вертикальному каналу в камеру сжатия пресса. Из пресса по кулерине (охладителю) брикеты транспортируются на склад готовой продукции, представляющий собой саморазгружающийся бункер. Смесь дымовых газов, золы, воздуха, водяных паров и древесной пыли из сушилки проходит через золоуловитель, вентилятор, а затем через дымовую трубу выбрасывается в атмосферу.
Хранение брикетов под открытым небом невозможно из-за быстрого набора ими влажности более 70% под воздействием атмосферных осадков и, как следствие, потери механической прочности. Так как при попадании в воду брикет распадается за 4–5 мин., хранят эту продукцию только в закрытых неотапливаемых складах. В таком помещении брикеты могут находиться в течение года и более без потери ими необходимых товарных качеств.
Комментарии