Информационно-образовательный портал
e-mail: mail@infobraz.ru

ПУТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ ЗАЩИТНЫХ ЛЕСНЫХ ПОЛОС

Реферат. В настоящее время использование древесных отходов в качестве биотоплива является крайне актуальной задачей. Производство биотоплива сдерживается применением ручного труда или малопроизводительных машин на сборе и переработке отходов. Биотопливо может быть получено из древесных отходов после реконструкции защитных лесных полос. Измельчение предлагаемых отходов является наиболее правильным вариантом решения проблемы их утилизации, потому что является одним из разрешенных способов, не наносящим вреда окружающей среде и снижает вероятность возникновения пожаров. Технологии и оборудование для производства топливной щепы разнообразны. Наибольшее распространение получили технологии с применением мобильных рубительных машин, так как состав технологических операций предполагает минимум дополнительного оборудования. Высокопроизводительные рубительные машины имеют высокую цену, поэтому их покупка в условиях степной и лесостепной климатических зонах экономически невыгодна. Этот факт обуславливается отсутствием в данных лесорастительных зонах производством товарной древесины и ведением санитарных рубок. В данных лесорастительных зонах наиболее часто используют агрегаты на базе колесных тракторов общего назначения, так как существует необходимость их использования в частых перемещениях в легкодоступных местах.При производстве топливной щепы наибольшее распространение получили дисковые рубительные машины. Широкий спектр применения машин данного типа свидетельствует об универсальности используемых конструктивных схем, которым свойственны: маневренность, высокая производительность и компактность. В связи с вышеизложенным нами предлагается конструкция рубительной машины, которая позволяет перерабатывать отходы, получаемые при реконструкции защитных лесных полос в высокоэффективное биотопливо.

Ключевые слова: биотопливо, защитные лесные полосы, лесостепная и степная климатические зоны, дисковая рубительная машина.

Одним из перспективных направлений при реконструкции защитных лесных полос может являться организация рационального использования древесных отходов от рубок ухода, санитарных и других видов рубок. Практический опыт агролесомелиоративных мероприятий показывает, что с развитием химической и химико-механической переработки древесного сырья возможно использовать сучья, ветви, вершины, пни, кору. При этом отходы лесосечных работ должны быть заготовлены и переработаны на технологическое сырье в виде биотоплива [1, 2].

Материалы и методы. Вопрос о необходимости развития производства биотоплива из предлагаемых древесных отходов становится все более значимым и переходит в плоскость принятия конкретных инвестиционных и хозяйственных решений. Поэтому особенно актуальной становится тема эффективности использования древесных отходов в энергетических целях [3, 4].

Древесным топливом называют топливо, которое производится из древесных отходов.

Древесное топливо подразделяется следующим образом:

  • первичное древесное сырье, произведенное на лесозаготовках;
  • вторичное древесное сырье, произведенное из древесного сырья, применяемого раньше для других целей (ящичная тара, отходы от строительства и т.д.).

    Так же древесное топливо делится на: необлагороженное и облагороженное.

    К необлагороженному древесному топливу относятся: дрова, щепа, стружка, опилки, отходы раскряжевки и лесопиления.

    К облагороженному древесному топливу относятся: топливные брикеты, таблетки, гранулы, пелетты, древесный порошок.

    Основные виды древесного топлива имеют следующие характе­ристики:

  • дробленые древесные отходы, производимые в соответствии с ТУ 13-539-85 (дрова, кора, хвоя, листья, которые дробятся валками или цепами на куски различной величины);
  • обдирное топливо, которое почти полностью состоит из дробленой коры;
  • топливная щепа, производимая в соответствии ТУ 13-735-83. Является древесным топливом, полученным путем разрушения сырья с помощью режущего инструмента. Состоит из частиц, имеющих низкошероховатую поверхность среза. Включает размеры фракций, находящиеся в пределах 5 – 50 мм;
  • топливные опилки, представляют собой побочный продукт распиловки лесопиломатериалов и имеют размер фракций 1 – 5 мм;
  • топливные брикеты представляют собой древесное топливо, полученное путем прессования измельченного древесного сырья в специальных прессах в цилиндры с размерами гранул не превышающими 25 мм;
  • топливные таблетки изготавливаются аналогично топливным брикетам и имеют преимущественно цилиндрическую форму с диаметром менее 25 мм;
  • топливный порошок, получаемый из высушенного и размолотого древесного топлива. Фракционный состав продукта менее 1 мм.

    Как правило, дробленые древесные отходы перед сжиганием проходят соответствующую подготовку, то есть производится их измельчение до получения биомассы с примерно одинаковыми размерами частиц, позволяющими применить для их дальнейшего промышленного использования стандартные средства механизации, а также обеспечивающими эффективное сжигание частиц древесного топлива наиболее эффективным слоевым способом.

    Основные направления в энергетическом использовании древесных отходов представляются следую­щими:

  • собственные нужды предприятий в виде энергоносителя для отопления, сушки древесины, утилизационных производственных котельных;
  • муниципальные и районные котельные, теплоцентрали, работающие на отходах лесопиления;
  • нужды населения.

    Как правило, дробленые является одним из важнейших этапов при производстве биотоплива, то есть производится измельчение до получения биомассы с примерно одинаковыми размерами частиц, позволяющими применить для их дальнейшего промышленного использования стандартные средства механизации, а также обеспечивающими эффективное сжигание частиц древесного топлива наиболее эффективным способом.

    Очень сложным является вопрос определения оптимальных размеров частиц, до которых надо измельчать дробленые, обдирные древесные отходы и топливную щепу перед их сжиганием.

    В существующих котельных установках слоевого типа производится сжигание древесного топлива различного фракционного состава: от дров в виде метровых поленьев до опилок с размером фракций не более 6 мм.

    Основываясь на опыте сжигания горючих ископаемых, то сжигание каменных углей в котельных установках производится после измельчения кусков твердого топлива в высокодисперсную угольную пыль.

    Угольная пыль сжигается при помощи горелок в топочных устройствах, являющейся камерой, экранированной со всех сторон специальными трубными экранами.

    Данный способ позволяет сжигать отходы каменного угля с малой активностью и непригодные для сжигания слоевым способом. Пылеугольный способ сжигания отходов твердого топлива позволяет механизировать процессы производства тепловой энергии при малом количестве обслуживающего персонала, упростить и провести унификацию топочных устройств.

    В настоящее время для производства топливной щепы применяются стационарные и мобильные рубительные машины, разработанные для производства технологической щепы [5, 6, 7].

    Результаты и обсуждение. Исследование элементов топливной щепы полученной при помощи прямых режущих ножей на дисковой рубительной машине показал, что динамические характеристики ножей приводит к некачественному измельчению мелких длинных веточек, входящих в состав порубочных остатков[8, 9].

    Особенностью лесостепной и степной климатические зон является то, что они относятся к малолесным и среднелесным районам европейской части России, которых отсутствует промышленная заготовка древесины. Наибольшее распространение получили рубки деревьев в погибших и поврежденных защитных лесных полосах, а отходы древесины, получаемые при этом, находят своего потребителя и остаются на вырубках, становясь потенциально опасными в экологическом плане.

    Поэтому измельчение отходов после реконструкции защитных лесных полос позволит решить проблему их использования в качестве топливной щепы, как источника тепловой энергии для нужд предприятий и населения региона.

    Нами предлагается рубительная машина, для измельчения древесных отходов (рис. 1) [10].

    Устройство для измельчения древесных отходов, содержит корпус загрузочного патрона 1, щепопровод 2, измельчитель 3, ременную передачу 4, приводной вал 5, механизм подачи 6, состоящий из подающего устройства 7 и подающих вальцов 8, раму подъемного устройства 9 с шарнирами 10 , 11 и тягой 12, гидроцилиндр 13, трубопровод 14, систему шкивов, состоящую из шкивов 15, шкива 16, шкива 17, вал 18, вал 19, клиноременную передачу 20, понижающий редуктор 21.

    Устройство для измельчения древесных отходов работает следующим образом: маневрированием трактора устройство подается к куче порубочных остатков таким образом, чтобы рама подъемного устройства 9, шарнирно закрепленная с внешней стороны боковых стенок корпуса загрузочного патрона 1 на оси подающего устройства механизма подачи 6, располагалась в нижней части кучи порубочных остатков.

    После этого в гидроцилиндре 13 при помощи трубопровода 14, соединенного с гидросистемой трактора, создается избыточное давление. Вследствие этого шток гидроцилиндра 13, выходя из корпуса гидроцилиндра 13 через шарниры 10, 11, расположенные на раме подъемного устройства и тягу 12 воздействует на раму подъемного устройства 9. Так как рама подъемного устройства 9 представляет из себя многозвеньевую систему, то горизонтальное движение штока гидроцилиндра 13 преобразуется в вертикальное движение рамы подъемного устройства 9. В результате куча порубочных остатков ­располагается на уровне большего основания корпуса загрузочного патрона 1, имеющего призмовидную форму, меньшим основанием прикрепленным к измельчителю 3, а большее основание является входным отверстием для подачи порубочных остатков.

    При этом подающее устройство механизма подачи 6, ось которого установлена в основании нижней части входного отверстия корпуса загрузочного патрона 1 и подающие вальцы 8, перпендикулярно прикрепленные к внутренним боковым стенкам корпуса загрузочного патрона 1 в два ряда, обеспечивают постоянную подачу ветвей в корпус загрузочного патрона 1 и дальнейшее движение порубочных остатков к измельчителю 3.Вращательное движение подающего устройства 7 механизма подачи 6 и подающих вальцов 8, а соответственно и линейное движение измельчаемого материала в корпусе загрузочного патрона 1 с определенной скоростью подачи, обеспечивается при помощи ременной передачи 4 и системы шкивов, состоящей из шкивов 15, шкива 16, шкива 17, которые через понижающий редуктор 21 с валами 18, 19, приводного вала 5 и клиноременную передачу 20, соединены с валом отбора мощности трактора.

    Доуплотнение порубочных остатков производится при помощи пластин 22. Измельчение порубочных остатков происходит при помощи режущих элементов расположенных на фронтальной части измельчителя 3. Измельченные части крон и ветвей под действием центробежной силы транспортируется через щепопровод 2 в приемную тару для использования в качестве биотоплива.

    Предлагаемая машина позволяет перерабатывать отходы, получаемые при реконструкции защитных лесных полос в высокоэффективное биотопливо.

    Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что использование древесных отходов после реконструкции защитных лесных полос для получения тепла и электрической энергии решает ряд проблем:

  • экономические (уголь и мазут необходимо доставить до потребителя зачастую за тысячи километров, древесина же произрастает вблизи);
  • экологические (при использовании биотоплива, как возобновляемого источника энергии, выбросы парниковых газов считаются нулевыми);
  • социальные (рост рабочих мест в биоэнергетике приводит к созданию новых рабочих мест в других отраслях).

    Для определения часовой производительности предварительно определялся запас порубочных остатков, расположенных на вырубке, который составил 68,8 н.м3. Хронометражные наблюдения проводились при помощи секундомера.

    Во время проведения исследования опытный образец рубительной машины для измельчения порубочных остатков (рис. 2) имела следующие технологические параметры:

  • угловая скорость рубительного диска, 1/с – 76;
  • угловая скорость крестообразного подающего устройства,
    1/мин – 50;
  • угловая скорость подающих вальцов, 1/мин – 20;
  • количество рубительных ступенчатых ножей, шт. – 4.

    При определении часовой производительности опытного образца рубительной машины определялся объем порубочных остатков, расположенных на вырубке и измельченный в течение часа. В результате проведения эксперимента производительность опытного образца машины для измельчения порубочных остатков составила 34 пл. м3 [3].

    Выводы

    Анализ щепы полученной на предлагаемой дисковой рубительной установке показал, что образующий крутящий момент и центробежные силы на боковых кромках лезвий ножа приводит к образованию сколов, отщепов и неудовлетворительному перерезанию мелких длинных веточек, так как сквозное отверстие в теле диска превышает длину лезвия ножа.

    В силу этого короткие грани отщипывают часть перерабатываемой древесины, а веточки не перерезаются из-за отсутствия жесткой опоры контрножей. Все это снижает полезный выход щепы нормальной фракции и увеличивает брак на 10…15%.

    Это обуславливается целым рядом причин, связанных как с разносортицей перерабатываемой древесины, большой сбежистостью веток, так и с особенностями технологического процесса резания. В щепе присутствует большое количество ненужных фрагментов (коры, рогаток, сколов, отщепов, крупных фракций), что в конечном итоге снижает качество щепы [10].

    При измельчении порубочных остатков (ветки, сучья) вследствие особенного строения происходит несколько видов резания (рубки):

    1 этап резания: диаметр веток максимальный (Dв = max) – образование щепы стандартных размеров;

    2 этап резания: диаметр веток уменьшатся (Dв < max) – происходит процесс переламывания;

    3 этап резания: диаметр минимальный (Dв = min) – разрыв, отрыв мелких частей.

    При резании прямым резцом отделение щепы происходит при прохождении 20-30 процентов пути резания (процесс скольжения), отсюда следует то, что 70 процентов пути проходит вхолостую, т. к.проходит процесс подачи древесины после схода ножа и встречи с другим ножом. Именно поэтому снижается производительность установки потому, что работа резания используется не полностью.

    При неполном срезе толстой стружки, сколы, отщепы, длинные веточки уплотняют измельченную массу в кожухе диска с налипанием частиц на поверхности трубопровода, что приводит к экстремальной, аварийной ситуации машины.

    Для того чтобы избежать данные недостатки, предлагается модернизация режущего аппарата – нож особой конструкции с комбинированным лезвием (рис. 3), состоящим из трех лезвий, имеющих одинаковую длину (L1 = L2 = L3), но расположенных ступенчато по отношению друг к другу с целью обеспечения непрерывной подачи материала после отделения щепы. Лезвия имеют следующие углы наклона в плане: α1 = 00; α2 = 50; α1 = 100.

    Данные углы наклона в плане обусловлены тем, что они обеспечивают плавное возрастание силы резания и способствуют равномерному измельчению порубочных остатков в их вершине, где диаметр принимает минимальное значение [10].

    литература

    1. Шабаев А. И. Концептуальные основы адаптивно-ландшафтного агролесомелиоративного обустройства земель в Поволжье / А. И. Шабаев, П. Н. Проездов, Д. А. Маштаков, Т. Н. Ковалева, А. Н. Ковалев // Нива Поволжья. – 2011. – № 3. – С. 49–55.
    2. Фокин С. В. О необходимости реконструкции защитных лесных насаждений в степном Заволжье / Д. С. Соколов, С. В. Фокин, В. Г. Попов // Международный научно-исследовательский журнал. – 2015. – № 7(38) Ч. 2. – С. 124–126.
    3. Фокин С. В. Общие вопросы производства биотоплива из отходов лесосечных работ / С. В. Фокин, Д. В. Есков, Д.А. Рыбалкин // В сборнике: Проблемы агропромышленного комплекса стран Евразийского Экономического Союза материалы I международной научно-практической конференции. – 2015. – С. 236–238.
    4. Березников C. В. О актуальноcти производcтва биотоплива в уcловиях леcоcеки / C. В. Березников, C. В. Фокин. – Cовременное cоcтоя­ние еcтеcтвенных и техничеcких
      наук: Мат. YII Междунар.науч.-практ. конференции (20.06.2012). – М. : Издательcтво «Cпутник+», 2012. – C. 152–154.
    5. Березников C. В. Обоcнование конcтрукции резца для рубительной машины диcкового типа /
      C. В. Березников, C. В. Фокин. – Техника и технология: новые перcпективы развития: Материалы YII Международной научно-практичеcкой конференции. – М.: Издательcтво «Cпутник+»,2012. – C. 232–234.
    6. Березников C. В. Cоcтав и применение программного комплекcа для иccледования процеccов резания порубочных оcтатков комбинированным и традиционным ножами / C. В. Березников, C. В. Фокин – Актуальные направления научных иccледований XXI века: теория и практика: cборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практичеcкой конференции: изд-во ВГЛТА, Воронеж, 2014 г. – № 2, ч. 2 – C. 234–237.
    7. Березников C. В. О технологии и cредcтвах измельчения порубочных оcтатков / C. В. Березников,
      C. В. Фокин – Актуальные вопроcы науки: Мат. YI Международной научно-практичеcкой конференции (10.07.2012). – М.: Издательcтво «Cпутник+», 2012. – C. 61–63.
    8. Березников C. В. Технико-экономичеcкие показатели работы новой конcтрукциидиcковой рубительной машины / C. В. Березников, C. В. Фокин. – Актуальные направления научных иccледований XXI века: теория и практика: cборник научных трудов по материалам международной заочной научно-практичеcкой конференции: изд-во ВГЛТА, Воронеж, 2014 г. № 3, ч. 2. – C. 270–272.
    9. Березников C. В. К обоcнованию конcтруктивно-технологичеcких элементов машины для измельчения порубочных оcтатков [Электронный реcурc] / C. В. Березников,
      C. В. Фокин. – Cовременные проблемы науки и образования. – 2014. – № 3; Режим доступа: http://www.science-education.ru/117-13172.
    10. Устройство для измельчения порубочных остатков: Пат. 2354545 Рос. Федерация: А 01 G 23/06 / Цыплаков В. В., Шпортько О. Н., Фокин С. В.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». – № 2007147160; заявл. 18.12.2007; опубл. 10.05.2009, Бюл. № 13.

Метки: Агрономия, лесное и водное хозяйство