НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА”

Бать Роман Ярославович

УДК 66.047.45.661.2/6.001.2

Утилізація промислових відходів переробки деревини

шляхом створення біопалива

Спеціальність 21.06.01 – Екологічна безпека

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор

Мальований Мирослав Степанович, Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, м. Львів, кафедра екології та охорони навколишнього середовища, завідувач кафедри.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Бехта Павло Антонович, Львівський Національний лісотехнічний університет України, м. Львів, кафедри хімічної технології переробки деревини, завідувач кафедри.

кандидат технічних наук

Жовмір Микола Михайлович, Інституту технічної теплофізики НАН України, м. Київ, старший науковий співробітник.

Захист відбудеться 23 травня 2008 року о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 35.052.16 в Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів-13, пл. Св. Юра, 3/4, VIII корпус НУЛП, ауд. 115.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національного університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів-13, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий 22 квітня 2008 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доц. О.А. Нагурський

Актуальність теми. Виробництво енергії є пов’язаним з глобальним забруднення атмосфери вуглекислим газом, який спричиняє парниковий ефект. В 2006 році до атмосфери потрапило 7 млрд т СО2 і намічається тенденція до зростання цього викиду. Впровадження альтернативних джерел енергії спричинить зменшення парникового ефекту. Одним з альтернативних джерел використання є біомаса, значні запаси якої є в Україні. В процесі переробки деревини, яка є одним із найстаріших конструкційних матеріалів і об’єми використання якої і на сьогоднішній день значні, утворюється велика кількість відходів. У випадку відсутності технологій їх утилізації ці відходи здатні нагромаджуватись і спричиняти збільшення кількості парникових газів внаслідок розкладу ксиланів (опорні речовини деревини), забруднення води та ґрунтів в районах звалищ відходів, що викликає замулювання водойм та загибель водних мешканців, збільшення забруднених ґрунтів, популяції гризунів та комах, які можуть стати розсадниками хвороб. Однією із найбільш перспективних і найдавніше відомих технологій утилізації відходів переробки деревини, які вже неможливо використовувати в інших технологіях, є спалювання. У цьому випадку вдається додатково вирішити важливе завдання поповнення енергетичних запасів за умов мінімізації забруднення атмосфери продуктами горіння. Адже відомо, що в Україні щорічно утворюється до 49 млн т деревних відходів, енергія яких еквівалентна 10 – 20 млрд м3 природного газу, разом з тим під час горіння в атмосферу виділяється еквівалентна кількість вуглекислого газу, яка була раніше поглинута із атмосфери в процесі росту та розвитку дерева. Але для використання деревини як палива в промислових масштабах необхідно забезпечити його відносну однорідність за вологістю та гранулометричним складом, забезпечити сприятливі умови транспортування, дозування та зберігання. Одним із перспективних шляхів вирішення цієї проблеми є гранулювання. Важливо створювати гранули із використанням дешевого зв’язуючого. А у разі використання як зв’язуючого відходів виробництва паперу, накопичення яких також створює певну екологічну проблему, актуальність досліджень ще більше підсилюється. Дисертаційна робота присвячена дослідженню оптимальних режимів підготовки відходів лісової промисловості до їх спалювання (співвідношення зв’язуючого компонента та деревних відходів, методика подачі зв’язуючого компонента, методи грануляції), що визначає її актуальність та важливість для забезпечення екологічної безпеки України.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно з планом науково-дослідницької роботи кафедри “Екологія та охорона навколишнього середовища” Національного університету “Львівська політехніка” з проблеми “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології” згідно з науково-технічною програмою Міністерства освіти України (№ держреєстрації 01960000134)

Мета і задачі дослідження: Метою роботи є розроблення комплексної технології утилізації відходів лісового господарства, що утворюються під час переробки деревини шляхом створення паливних гранул.

Для досягнення зазначеної мети необхідно було вирішити такі завдання:

· провести моніторинг відходів деревини за масштабами накопичення, видами та фізико-хімічним складом;

· встановити оптимальні співвідношення компонентів паливних гранул;

· розробити технологічну схему установки гранулювання відходів перероблення деревини.

Об’єкт дослідження: відходи перероблення деревини із лісопилень Державного підприємства “Львівліс” та Жидачівського целюлозно-паперового комбінату.

Предмет дослідження: технологія створення паливних гранул.

Методи досліджень включають в себе розроблення методики проведення експериментів та методики визначення теплотворної здатності згідно існуючих ДСТУ. Використовувались також існуючі методики для визначення кількості летких компонентів, золи, а також динамічної та статичної міцності гранул.

Наукова новизна одержаних результатів. В результаті досліджень шляхів вирішення проблеми – зменшення екологічного навантаження внаслідок розроблення та впровадження технології утилізації відходів лісового господарства та відходів перероблення деревини Жидачівського целюлозно-паперового комбінату, вперше отримано та сформульовано такі результати:

1. на основі даних моніторингу відходів перероблення деревини України проведена оцінка їх запасів та придатності для виробництва паливних гранул;

2. встановлено ступінь екологічної небезпеки від забруднення навколишнього природного середовища відходами деревопереробки та ступінь зменшення викидів СО2 в результаті застосування біопалива;

3. встановлено вплив добавки зв’язуючого в склад паливних гранул на їх якісні показники (теплотворну здатність, зольність);

4. досліджено вплив добавок торфу та дрібнодисперсного вугілля в складі паливних гранул на якість гранул;

5. встановлено вплив тиску на режими формування гранул.

Практичне значення одержаних результатів:

§ Розроблена технологічна схема отримання паливних гранул з використанням деревних відходів та зв’язуючого.

§ Запропонована конструкція апарату для формування паливних гранул, яку захищено патентом України. Проведена успішна апробація технології отримання паливних гранул на ДП “Вигодський лісгосп”.

Особистий внесок здобувача. Безпосередня участь на всіх етапах виконання дисертаційної роботи від збору інформації до її опрацювання та застосування в проведених дослідженнях. Постановка задач та їх обговорення проводились під керівництвом д.т.н., проф. Мальованого М.С. Всі наукові дослідження, їх теоретичне пояснення та обґрунтування, представлені в дисертаційній роботі, виконані дисертантом особисто.

Розглянуто біопотенціал Львівської області [1]; розглянуто технологію створення гранули на основі відходів лісової та целюлозно-паперової промисловості [2, 3]; досліджено оптимальний склад біокомпозиції [4, 5, 6, 7]; вплив складу композиції на характер біопалива [ 8, 9, 10].

Апробація результатів роботи. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися та були схвалені на конференціях:

· Десятій науковій конференції “Львівські хімічні читання” (25 – 27 травня 2005 р. – м. Львів).

· Третьей международной конференции “Энергия из биомассы” (18 – 20 сентября 2006 г. – г. Киев).

· Международной конференции “Перспективы развития химической переработки горючих ископаемых” (12 – 15 сентября 2006 г. – г. Санкт-Петербург).

· Міжнародній науково-практичній конференції “І Всеукраїнський з’їзд екологів”. Секція “Переробка та утилізація промислових і побутових відходів” (4 – 7 жовтня 2006 р. – м. Вінниця).

· V международной конференции “Проблемы промышленной теплотехники” (22 – 26 мая 2007 г. – г. Киев).

· IV науково-технічній конференції “Поступ в нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості” (11 – 14 вересня 2007 р. – м. Львів).

Робота виконувалася на кафедрі екології та охорони навколишнього середовища Національного університету “Львівська політехніка”.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 4 наукові праці, серед яких 3 у фахових виданнях, що передбачені переліком ВАК України, матеріали представлені та опубліковані у 6 збірниках матеріалів і тез Міжнародних науково-практичних конференцій. Отримано один деклараційний патент України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, списку літератури та додатків. Загальний обсяг дисертації становить 122 сторінки; вона містить 10 таблиць, 50 рисунків. Бібліографія містить 140 літературних джерел.

У розділі 1 проведено огляд літературних джерел, у яких наведена класифікація відходів перероблення деревини, аналіз перспективи використання некондиційних відходів деревини для виробництва біопалива, розглянуто перспективні технології гранулювання кускових матеріалів. Проаналізовано два основних способи гранулювання: під дією високого тиску та із додаванням зв’язуючої речовини. Розглянуто технології спалювання біомаси.

У Розділі 2 розглянуто основні об’єкти, методику та інструментарій досліджень, фізико-хімічну характеристику твердих відходів деревини, зв’язуючого компоненту та горючих додатків до паливних гранул (торф, дрібнодисперсний вугільний пил) і умови формування гранул на екструдері та під високим надлишковим тиском. Також приведено методики визначень основних фізико-механічних показників одержаних гранул.

Принципова схема установки, на якій вивчались особливості практичної реалізації процесу із формуванням паливних гранул наведена на рис. 1.

У розділі 3 наведені результати екологічного моніторингу утворення деревних відходів та факторів впливу їх на довкілля. Внаслідок складування деревних відходів на звалищах втрачається значна кількість потенційного біопалива, яке в умовах зростаючої енергетичної кризи так необхідне для людства в загальному та для економіки України зокрема. Так, за оцінками ряду дослідників, тільки в процесі розпилювання кругляка річний об’єм відходів на лісопильнях України становить 0,452 м3 деревини, що відповідає енергетичному потенціалу 0,114 млн. т умовного палива. Аналіз даних моніторингу дозволяє стверджувати, що основна кількість підприємств, як видно із рис.2 (де потенційно можуть утворюватись деревні відходи, придатні для використання як паливо), зосереджені у Західному регіоні України (Львівській, Волинській, Закарпатській та Івано-Франківській областях). Значне насичення підприємствами, де потенційно можуть створюватись деревні відходи, спостерігається також у Київській, Вінницькій, Харківській та Дніпропетровській областях. Решту території України можна вважати мало забрудненою деревними відходами. Основними регіонами, в яких зосереджені продукти, що можуть використовуватись як додатки до паливних гранул (торф та дрібнодисперсне вугілля), є Західний, Північний та Східний. Це зумовлено із значними запасами та видобутком вугілля, а саме Донецьким та Львівсько-Волинським басейном. Поклади торфу зосередженні у Волинській, Львівській, Івано-Франківській областях.

На сьогоднішній день спостерігається динаміка щорічного збільшення кількості цих продуктів, що створює в місцях їх локалізації значну екологічну загрозу внаслідок:

· додаткового створення парникових газів в результаті розкладу відходів;

· загрози здоров’ю людей та тварин в результаті потрапляння пилу в їх органи дихання.

Гранулювання відходів перероблення деревини з використанням лігніну, як зв’язуючого, можливе 2 методами:

1. Створення в процесі пресування гранул за високих тисків, (що внаслідок тертя супроводжується підвищенням температури) достатніх для вивільнення лігніну із деревних відходів у вільний простір гранул. Цей лігнін за умови мінімального вільного об’єму служить зв’язуючим для гранули. Такий метод створення гранули нами умовно названо методом високого тиску.

2. Внесення в склад композиції лігніну, який утворюється як відхід в технології виробництва паперу. За цих умов процес можна реалізувати за низьких тисків. Метод умовно названо методом низького тиску.

Перевагою першого методу є велика густина гранули внаслідок значного ущільнення сировини, недолік – велика затрата енергії на створення тиску. В свою чергу перевагою другого методу є невеликі енергетичні затрати внаслідок невеликих тисків формування гранули, недолік – невелика густина.

На нашу думку перспективним був би третій проміжний метод, коли за умови досягнення тиску (значно меншого, ніж потрібно за першим методом), достатнього для ущільнення гранули, в склад композиції вносилась би невелика кількість лізину, достатня для заповнення вільного об’єму.

У розділі 4 наведені результати кінетики сушіння відходів лісового господарства. Зважаючи на те, що відходи деревини зберігаються під відкритим небом, їх вологість може досягати понад 70% у розрахунку на суху масу. Використання вологої сировини для виготовлення гранул є недоцільним у зв’язку із низькою теплотворною здатністю та неможливістю забезпечити міцність гранул. Крім цього, зменшення кількості вологи, яка випаровується під час горіння, покращує умови експлуатації металічних елементів печі (за рахунок зменшення інтенсивності їх корозії). Тому для подальшого використання відходів деревини, як сировини для виготовлення гранул, їх необхідно висушити до вологості нижче 10% у розрахунку на суху масу. Нами було запропоновано проводити процес сушіння відходів деревини в нерухомому шарі.

З метою правильної організації технологічного процесу сушіння необхідно вивчити вплив швидкості теплового агенту, його температури, товщини шару на процес сушіння відходів деревини. Нами були проведені експериментальні дослідження процесу сушіння відходів лісового господарства за різної ви--соти шару матер---іа-лу та із різною температу-----рою теплового агенту.

На рис. 3 зображені результати експерименту дослід---жень впливу висоти шару на кінетику сушіння деревних відходів. Із рис.3 видно, що з ростом висоти шару вологого матеріалу, тривалість сушіння зростає. Якщо вологий матеріал висотою 10·10-3 м досягає кінцевої вологості за 4200 с, то шар висотою 40·10-3 м – за 9400 с, що пояснюється дифузією вологи з нижніх шарів матеріалу до поверхні, а також збільшенням кількості вологи за умови зростанням висоти вологого матеріалу. Зростання висоти у 4 рази призводить до зростання тривалості сушіння в 2 рази. З подальшим збільшення шару зростає шлях дифузії вологи до поверхні, що призводить до зростання загального часу та до перегрівання верхніх шарів і зростання тривалості сушіння в другому періоді. Як видно із графічної залежності (рис.3), за умови різної висоти шару кінетичні криві характеризуються чітко вираженим першим та другим періодами сушіння. Відомо, що на швидкість протікання процесу сушіння в першому періоді мають вплив зовнішні чинники, такі як швидкість обдування матеріалу та температура теплоносія, а в другому періоді – молекулярна дифузія та вологопровідність шару. У зв’язку з тим, що перший період є тривалим у часі, інтенсифікувати процес сушіння можна за рахунок збільшення швидкості руху теплового агенту або його температури. Із збільшенням швидкості руху теплового агенту, зростає коефіцієнт тепловіддачі, зменшується дифузійний опір, але також збільшується винесення вологого матеріал із зони сушіння. Це в свою чергу збільшує навантаження на очисну систему, а також викликає необхідність повторного сушіння винесених частинок. Тому була підібрана оптимальна швидкість агенту, який забезпечував високі показники процесу сушіння із мінімальними втратами вологого матеріалу. Досліди показали, що оптимальною в проведеннях експериментах є швидкість 4,2 м/с, за цієї швидкості втрати не перевищують 3,5%. Зрозуміло, що чим менший шар, тим швидше проходить процес сушіння, але дуже малий шар ускладнює експериментальне вивчення кінетики процесу та вносить похибку під час розрахунку. Тому нами було обрано висоту шару 20·10-3 м для проведення експерименту із різними температурами теплового агенту. Результати експериментальних досліджень впливу температури теплового агенту на кінетику сушіння деревних відходів зображені на рис. 4.

Можна побачити, що із збільшенням температури тривалість сушіння зменшується. Коли температура теплового агенту становить 135°С, то вологий матеріал досягає кінцевої вологості за 3900 с, із температурою теплового агенту 60°С – за 7200 с. Зрозуміло, що чим вища буде температура теплоносія, тим менша тривалість сушіння. Однак, підвищення температури призводить до зростання втрат тепла в навколишнє середовище та до перегрівання верхніх шарів матеріалу. В залежності від параметрів сушіння (висоти шару, температури), по різному необхідно організовувати процес в промислових умовах. Встановлення залежності сушіння від технологічних параметрів теплового агенту та висоти шару, є основою для розроблення конструкції сушильної установки. Оптимальними в нашому випадку будуть такі умови, коли тривалість сушіння та енергетичні затрати будуть мінімізовані. Кінцева тривалість сушіння тирси буде залежати як від висоти шару, так і від технологічних параметрів теплоносія (температури та швидкості руху теплоносія). В нашому випадку оптимальна висота нерухомого шару деревних відходів 20·10-3 м, а температура теплового агенту 100°С.

У розділі 5 викладені результати пошуку оптимального співвідношення між кількістю деревних відходів та зв’язуючої речовини, із наступним проведенням фізико-механічних досліджень над одержаними гранулами (визначення теплотворної здатності, зольності, коксового залишку, вмісту летких компонентів та статичної міцності). Дослідження проводились в кілька етапів.

На 1 етапі визначалися властивості гранул із різним співвідношенням зв’язуючої речовини у відношенні до деревних відходів. Результати експериментів із визначенням теплотворної здатності та динамічної міцності гранул наведені на рис. 5. За результатами експериментів можна зробити висновок, що найбільш придатна концентрація зв’язуючої речовини, за умови екструзійного формування гранули, становить 20%.

Це зумовлено:

· вищою теплотворною здатністю порівняно із деревними відходами;

· збільшенням статичної міцності.

За результатами проведених експериментів можна зробити такі висновки:

1. із додаванням зв’язуючої речовини зростає теплотворна здатність гранули, порівняно із гранулою без зв’язуючої речовини;

2. під час використання зв’язуючого компоненту відбувається формування гранул під впливом менших тисків, що забезпечує певну статичну міцність;

3. зв’язуюча речовина виступає в ролі мастила, що зменшує сили тертя, а отже енергетичні затрати на їх подолання.

На 2 етапі досліджувалась можливість внесення торфу та дрібнодисперсного вугільного пилу в склад гранули. Розрахунок вмісту торфу та дрібнодисперсного вугільного пилу проводився виходячи із маси деревних відходів. За основу була взята концентрація 20% зв’язуючої речовини. За результатами проведених досліджень гранул із вмістом паливних додатків можна зробити висновок, що теплотворна здатність знижується із збільшенням концентрації паливних додатків (рис. 6).

На 3 етапі формування гранул проводилось під високим надлишковим тиском. До відходів деревини додавали різне процентне співвідношення зв’язуючої речовини в межах від 4 до 20%. За умови високих концентрацій, більших за 6%, відбувалося значне видалення зв’язуючої речовини через дренажні отвори. В деяких випадках втрати досягали 50%, що є недопустимим. Отже, в подальшому були розглянуті менші концентрації, а саме від 4 до 6%. Основні критерії, які висувалися до гранули: велика густина, мала втрата маси під час формування, висока статична та динамічна міцність. Додавання зв’язуючої речовини проводилась двома методами; із подачею в центр деревних відходів та із перемішуванням. Результати експериментів зображенні на рис. 7.

В експериментах, де застосовувалась зв’язуюча речовина, як видно із рис. 7 зросла густина гранул. Це зумовлено кращими властивостями склеювання, яких надає зв’язуючий компонент, порівняно із гранулами, в яких не було зв’язуючої речовини.

За умови формування гранул із різними процентними вмістами зв’язуючої речовини, відбувалися втрати прес-маси через дренажний отвір, які визначалися різницею маси суміші до та після формування.

За результатами експериментів (рис. 8.) можна зробити висновок, що найбільш доцільним методом подачі зв’язуючої речовини є перемішування; завдяки цьому досягається рівномірний розподіл зв’язуючої речовини у всій масі деревних відходів, що в свою чергу зменшує втрати маси під час формування гранули. Також були проведені експерименти із визначенням динамічної та статичної міцності За результатам експериментів були побудовані графіки, які наведені нижче.

Як видно з рис. 9 динамічна міцність гранули збільшилась за умови додавання зв’язуючої речовини. Це зумовлено кращим склеюванням частинок деревини між собою, що в свою чергу перешкоджає руйнуванню гранул під час перемішування. І чим вища динамічна міцність гранули, тим менше вона втратить своєї маси під час транспортування.

З рис. 10 видно, що статична міцність зростає в тих гранулах, в яких відбувалось перемішування зв’язуючої речовини з деревними відходами. Це зумовлене кращим розподілом зв’язуючого у всьому об’єму гранули з утворенням армуючого каркасу з деревини, скріпленого зв’язуючою речовиною.

Під час реалізації технології формування гранули високого тиску за умови використання зв’язуючої речовини:

§ зростає її густина та теплотворна здатність

§ збільшується її динамічна та статична міцність;

§ встановлено, що в’яжучі властивості проявляються за умови перемішування зв’язуючої речовин із деревинними відходами.

У розділі 6 розглянуті перспективні технологічні схеми установки із формуванням паливних гранул. Механізм пресування гранул із відходів деревини полягає у наступному: спочатку відбувається ущільнення матеріалу за рахунок зменшення вільного об’єму між частинками, далі відбувається деформація та ущільнення самих частинок внаслідок чого виникає молекулярне зчеплення. Подальше збільшення тиску під час пресування призводить до утворення не тільки пружних, але й пластичних деформацій, що збільшує сили міжмолекулярного зчеплення між дрібнодисперсними частинками та відповідно, міцність гранул.

Щоб забезпечити необхідну міцність гранул процес пресування проводимо під тиском 100…200 МН/м2.

З метою зменшення енергетичних затрат на виготовлення гранул та забезпечення їх високої міцності доцільно до дрібнодисперсних частинок відходів деревини додавати зв’язуючі додатки. В цьому випадку аналогічну якість гранул отримували із тиском 10 … 50 МН/м2.

Технологія виробництва гранул екструзійним методом складається з таких стадій:

1. Подрібнення (необхідне для сировини, яка надходить із лісу та лісопилень). Відходи деревини подрібнюються до розміру частинки, яка дорівнює діаметру гранули. Це також значно полегшує процес сушіння. Але подрібнені деревні відходи не повинні бути дуже малими, бо в такому випадку ускладнюється дозування та збільшуються зусилля під час гранулювання. Для процесу подрібнення переважно використовується молотковий млин із одержанням гомогенної за дисперсністю сировини для подальшого формування.

2. Сушіння (необхідне для досягнення необхідної вологості сировини). Для сушіння переважно використовують стрічкову сушарку. Як тепловий агент використовують димові гази, які одержують в процесі спалювання гранул.

3. Гранулювання проводять із додаванням зв’язуючої речовини на екструзійній установці, принцип роботи якої описаний у другому розділі.

4. Просіювання необхідне для видалення дрібних частинок з метою одержання гомогенного продукту, з якими в подальшому не буде проблем в процесі транспортування та дозування в котли. Для просіювання переважно використовують вібраційні сита.

5. Зберігання.

На рис. 11 зображено принципову схему процесу гранулювання. Відходи деревини привозяться автотранспортом до складу деревних відходів 1, де вони сортуються за гранулометричним складом та зберігаються. В подальшому розділені відходи деревини надходять на проміжний склад 2. В установку для гранулювання 5 подається зв’язуюча речовина та деревні відходи. Суміш, яка видавилась через дренажний отвір, повертається на початок установки 5. Готові гранули подаються на вібросито 6, для видалення дрібних частинок, які використовуються як паливо у печі 8, а придатні гранули направляються на склад готової продукції 7. В подальшому відбувається пакування гранул та відвантаження їх споживачеві. В пропонованій технології для формування гранул використовувався апарат 5, на конструкцію якого нами отримано патент.

Ще один спосіб виготовлення палива із деревних відходів та зв’язуючої речовини полягає у пресуванні із застосуванням високих тисків. Доцільно таким методом виробляти не одиничні гранули, а паливні брикети більшого розміру, які розділяють на окремі куски. Складається з таких ж стадій, що і екструзійний метод, але на відміну від нього в технологію введена стадія охолодження.

Пресування гранул проводиться за допомогою преса-гранулятора.

Охолодження є дуже важливим етапом під час виробництва гранул. Після пресування температура гранул становить приблизно 90°С. Під час охолодження гранула стабілізується, лігнін затвердіває на поверхні гранули, тому форма гранули залишається без змін.

На рис. 12 зображено принципову схему гранулювання. Відходи деревини привозять автотранспортом до складу деревних відходів 1, для сортування за гранулометричним складом та зберігання. В подальшому розділені відходи деревини подаються на проміжний склад 2. Звідки відходи подаються для гранулювання в прес-гранулятор. Після виходу із прес-гранулятора 4 гранули подаються на охолодження, яке відбувається за допомогою повітря в охолоджуваній установці 5. Готові гранули подаються на вібросито 6, для видалення дрібних частинок, які використовуються як паливо у пічці 8, а придатні гранули направляються на склад готової продукції 7. В подальшому відбувається упакування брикетів та відвантаження споживачеві.

Дослідно-промислові випробування відбувалися на базі “ДП Вигодський лісгосп”. Для проведення процесу формування брикетів була використана установка високого тиску, яка зображена на рис. 13.

Послідовність етапів для формування паливних брикетів:

1. дозування зв’язуючої речовини та перемішування її із деревними відходами;

2. подавання підготовленої суміші в завантажувальний бункер;

3. гранулювання з одержанням паливних брикетів.

Принцип роботи установки полягає в наступному. У завантажувальний бункер 1 подається сировина. В подальшому сировина надходить в дозуючий пристрій 2 та транспортуючий пристрій 3. Завдяки проходженню цих елементів установки сировина остаточно перемішується із зв’язуючою речовиною та транспортується до фільєри 4, в якій остаточно відбувається формування паливних брикетів.

Проведене випробування показало, що одержані екструзійним методом гранули із додаванням зв’язуючої речовини згідно таких показників як динамічні та статична міцність, теплотворна здатність та зусилля для їх формування відповідали показникам, одержаним із застосуванням прес-гранулятора, а в деяких випадках навіть перевищували їх.

Висновки

1. Під час заготовки та перероблення деревини утворюється значна кількість відходів, які нагромаджуються та становлять небезпеку в екологічному плані: – за умови гниття виділяються парникові гази, які забруднюють повітря, заскладовані відходи забруднюють навколишню територію.

2. Результати моніторингу відходів перероблення деревини свідчать про значні об’єми забруднення цими відходами навколишнього середовища та необхідність розроблення технології утилізації відходів, яка б дозволяла зменшити екологічне навантаження та одночасно отримати додаткову кількість необхідної людству енергії.

3. Встановлені оптимальні умови попереднього сушіння сировини: висота шару 20·10-3м, температура теплового агенту 100°C.

4. В результаті експериментів встановлені оптимальні режимні параметри екструзійного гранулювання гранул:

§ вологість вихідної сировини – менше 10% у розрахунку на суху масу;

§ вміст зв’язуючого в гранулі – 20%;

§ можливий вміст добавки торфу – до 20%;

§ можливий вміст дрібнодисперсного вугілля – до 20%.

5. Встановлений експериментально оптимальний тиск формування гранул методом високого тиску: - 990 МПа; а подача сировини відбувається із попереднім перемішуванням;

6. Розроблена технологія формування паливних гранул екструзійним методом. Для процесу формування запропонований апарат, конструкція якого захищена патентом України.

7. Розроблена технологія отримання паливних брикетів із додаванням зв’язуючого, що дозволило зменшити тиски формування брикетів із 1100 МПа до 990 МПа, технологія апробована в дослідно-промислових умовах на базі “ДП Вигодський лісгосп”.

Основний зміст дисертації викладений у публікаціях:

1. Гумницький Я.М., Бать Р.Я. Біопотенціал Львівської області // Вісн. нац. ун-ту “Львівська політехніка”. – 2005. – №536. – С. 220 – 222.

2. Мальований М.С., Бать Р.Я. Технологія створення біокомпозиції на основі відходів лісової та целюлозно-паперової промисловості // Науковий вісник Національного лісотехнічного університету. – 2006. – Випуск 16.2. – С. 86 – 88.

3. Мальований М.С., Атаманюк В.М., Бать Р.Я. Відновлювальні джерела енергії. Оптимальний склад біокомпозиції // Хімічна промисловість України. – 2007. 2 (79). – С.61 – 64

4. Мальований М.С., Атаманюк В.М., Бать Р.Я. Біокомпозиція на основі відходів деревини та натурального в’яжучого // Ринок інсталяції. – 2006. 11. – С. 40 – 41.

5. Гумницький Я.М., Бать Р.Я. Створення біомасових композицій // Десята наукова конференція “Львівські хімічні читання-2005”, Львів, 25-27 травня, 2005 р. – С. д16.

6. Мальованый М.С., Атаманюк В.М., Бать Р.Я. Гранулирование топливных материалов // Перспектива развития химической переработки горючих ископаемых: Тези доповідей. – Санкт – Петербург, 12 – 15 сентября 2006 г. С. 223.

7. Мальованый М.С., Атаманюк В.М., Бать Р.Я. Гранулювання паливних матеріалів // Третья международная конференция “Энергия из биомассы”: Тези доповідей. – Київ, 18 – 20 вересня 2006 р.

8. Мальований М.С., Бать Р.Я. Створення палива на основі деревної стружки // Перший Всеукраїнський з’їзд екологів: Тези доповідей. – Вінниця, 4 – 7 жовтня 2006 р. С. 210.

9. Мальований М.С.,Атаманюк В.М., Бать Р.Я. Влияние состава композиции на характеристики биотоплива на основании отходов переработки древесины //V международной конференции “Проблемы промышленной теплотехники”: Тези доповідей. – Киев 22 – 26 мая 2007 г. – С.286 – 288.

10. Мальований М.С., Бать Р.Я. Гранулювання паливних матеріалів /IV науково-технічна конференція “Поступ в нафтогазопереробній та нафтохімічній промисловості”: Тези доповідей. – 11 – 14 вересня 2007 р. м. Львів. – С. 340.

11. Установка для формування паливних матеріалі. Деклараційний патент на винахід №21200 В30 В11/22 С10L 5/40 від 21.04.2006 Мальований М.С., Бать Р.Я.; опубл. 15.03.2007. – Бюл.№3.

АНОТАЦІЯ

Бать Р.Я. Утилізація промислових відходів переробки деревини шляхом створення біопалива. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01 – екологічна безпека. Національний університет “Львівська політехніка”. – Львів, 2008.

На основі результатів екологічного моніторингу встановлено, що в Україні утворюється значна кількість відходів деревини, яка не використовується, а тільки забруднює навколишнє середовище (повітря, водойми та прилеглі території). В дисертації на основі розробленої та апробованої методики запропоновано одержувати паливні гранули, які можна використовувати як паливо. Це приведе до скорочення використання основних видів палива.

Експериментально визначено оптимальне співвідношення деревних відходів та зв’язуючої речовини, в якості якої виступають відходи целюлозно-паперового комбінату. Визначена теплотворна здатність, динамічна та статична міцність одержаних гранул. Запропонована конструкція апарату із виготовленням гранул екструзійним методам та принципова технологічна схема здійснення процесу для формування паливних гранул.

Ключові слова: екологічний моніторинг, екструзійний метод, паливні гранули, деревні відходи, динамічна та статична міцність гранул, теплотворна здатність

Аннотация

Бать Р.Я. Утилизация промышленных отходов переработки древесины путём создания биотоплива. – Рукопись

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01. – экологическая безопасность. Национальный университет “Львовская политехника”, - Львов, 2008.

С использования результатов экологического мониторинга установлено, что в Украине образовывается значительное количество отходов древесины, которая не используется, а только загрязняет окружающую среду (атмосферу, водоемы и прилегающую территорию). В диссертации на базе разработанной и апробированной методики предложено получать древесные гранулы, которые можно использовать в качестве топлива. Это приведет к сокращению использования основных видов топлива.

В роботе изложены результаты поиска оптимального соотношения между количеством древесных отходов и связующего вещества последующим проведением физико-механических исследований полученных гранул. Исследования проходили в три этапа:

1. определение свойств гранул с разным соотношением связующего вещества по отношению к древесным отходам;

2. исследование возможности внесения торфа и мелкодисперсной угольной пыли в состав гранул;

3. формирование гранул под высоким избыточным давлением.

Определены оптимальные условия сушки сырья. Предложено проводить процесс сушки отходов древесины в неподвижном слое. Подобрана оптимальная скорость теплового агента, который обеспечивал бы высокие показатели процесса сушки с минимальными потерями влажного материала. Установлена зависимость сушки от технологических параметров теплового агента и высоты слоя отходов, что является основой разработки конструкции сушильной установки.

Экспериментально определено оптимальное соотношение древесных отходов и связующего вещества, в качестве которого выбраны отходы целлюлозно-бумажного комбината. Определена теплотворная способность, динамическая и статическая прочность полученных гранул. Предложена конструкция аппарата по изготовлению гранул экструзивным методом и принципиальная технологическая схема осуществления процесса для формирования топливных гранул.

Получен патент на полезную модель, установки формирования топливных гранул.

Основные результаты исследований подтверждены данными испытаний в производственных условиях на «ДП Виготський лесхоз». Практические разработки и рекомендации исследований использованы в процессе проектирования промышленной установки производства гранул экструзивным методом с добавлением связующего вещества производительностью 100 тон/год. Проведенное исследование показало, что получены экструзивным методом гранулы с добавлением связующего вещества согласно таких показателей как динамическая и статическая мощность, теплотворная способность и усилия для их формирования, соответствуют показателям гранул полученных с использованием пресс-гранулятора, а в некоторых случаях даже превышали их.

Ключевые слова: экологический мониторинг, экструзивный метод, топливные гранулы, древесные отходы, динамическая и статическая прочность гранул, теплотворная способность.

Annotation

Bat R.Y. Utilization of industrial reprocessed wooden wastes by creation of bio fuel. – Manuscript.

Thesis on obtaining a candidate’s degree of science, specialty 21.06.01.-ecological security. National university “Lvivska Politekhnika”, - Lviv, 2008.

On the basis of ecological monitoring results is ascertained; that a great amount of unutilized wooden wastes created in Ukraine pollute the environment (air, water basins and surrounding territories). In the thesis there are represented developed and approbated methods of obtaining fuel grains which can be used as a bio fuel. This will lead to reduction in use of the main kinds of fuel.

It is experimentally determined optimal correlation of wooden wastes and bonding substance, which is represented by the wastes of integrated pulp-and-paper mill. Also is stated thermal power, dynamic and static solidity of received grains. Is proposed a design of grains production apparatus with extrusion method and technically principle scheme of the grains creation process.

Key words: ecological monitoring, extrusion method, fuel grains, wooden wastes, dynamic and static solidity of grains, thermal power.