Українська   Deutsch
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Биоэнергетика – это инновационная отрасль экономики, основанная на производстве из биомассы топлива и энергии.

В настоящее время биомасса преимущественно используется в виде твердого топлива (дров, опилок, щепы, топливных гранул и пеллет), замещающего углеводородное сырье в котлах, котельных, тепло- и электростанциях. При использовании древесного топлива не требуется серьезных модификаций технологического оборудования для сжигания топлива, при этом выбросы вредных веществ в окружающую среду значительно снижаются. Максимальная теплоотдача достигается при сжигании гранулированной и спрессованной древесины [1].

Биоэнергетика является основным, но не единственным способом переработки растительного сырья и бытовых отходов. На сегодняшний день из этих компонентов производят новый высокопрочный экологически чистый, не подвержен гниению материал – термопластический древесно- полимерный композит (ДПК).

Древесно-полимерные композиты (ДПК) – это материалы, где древесина смешивается с мономерами, которые затем полимеризуются и смешиваются с древесиной в процессе экструзии для приобретения требуемых свойств [2].

Материалы из древесно-полимерного композита сегодня широко применяются в Америке, европейских странах, Японии. По внешнему виду они схожи с древесиной и вместе с тем не подвержены гниению и плесени, не впитывают влагу, не имеют дефектов поверхности, высокотехнологичны в получении, и, наконец, преимущество такой продукции – её экологичности [3].

1. Актуальность темы

Переработка растительного сырья и бытовых отходов в наше время является важным этапом улучшения жизни человека, как с экологической, так и с технической стороны. Актуальность данной темы обусловлена малой интенсивностью переработки данного сырья и большими предпосылками получения качественного материала. Бытовые отходы и вторичное сельскохозяйственное сырьё, буквально являются подножным кормом для развития экономики страны. Ценовой всплеск на рынке нефти и нефтепродуктов, рост цен на не возобновляемое твёрдое и газообразное топливо, поощряют потребителей активнее переходить на альтернативные виды энергоносителей. Кроме экономических способствуют этому и экологические предпосылки. Наш мир служит огромным резервуаром для скопления большого количества бытовых и сельскохозяйственных отходов, которые пагубно влияют на состояние окружающей среды. Однако они являются ценным сырьём для переработки с получением биотоплива и других ценных материалов.

Подробно о каждой стороне переработки данного сырья.

Материальная сторона вопроса. На сегодняшний день материалы, которые применяются для производства биотоплива или ДПК больше негде не применяются или же применяются в малых количествах. Переработка сельскохозяйственных отходов (солома, шелуха семечек или гречки, остатки после покоса семечек или кукурузы), опавшей листвы может повысить экономику. Кроме этого топливные брикеты и пеллеты являются более дешевым видом топлива, но уступающим по КПД углю.

Экологическая сторона вопроса. Муниципальные и промышленные свалки, которые растут с каждым годом, и занимают всё большие территории плодородной почвы, могут быть переработаны. Пластик, который содержится в отходах (пластиковые бутылки, упаковочные материалы, промышленные отходы) перерабатываются в топливо или в материалы домашнего быта.

Техническая сторона вопроса. Древесина довольно часто применяется для строительства, только вот срок службы её ограничен, так как она подвержена гниению и легко воспламенима. Древесно-полимерный композит – это материал нового поколения, в эго основе полимер, который является матрицей и растительные отходы. ДПК не подвержен гниению, порог к воспламенению велик, обширность к применению не ограничена. Разработка технологии производства ДПК позволяет не только получить инновационную конкурентоспособную продукцию, но и решить вопросы переработки полимерных отходов.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью данной работы является разработать технологию и оборудования для переработки растительного сырья и бытовых отходов.

Основные задачи исследования:

  1. Изучить существующие технологии производства данного материала;
  2. Сделать выбор исходного сырья для производства;
  3. Разработать экспериментальное оборудование для проведения испытания;
  4. Подобрать оптимальный состав исходных компонентов.

Объект исследования: растительное сырьё (сельскохозяйственные отходы и отходы деревоперерабатывающих предприятий) и бытовые отходы.

Предмет исследования: топливо и древесно-полимерный композит (ДПК) и оборудование для их производства.

В рамках магистерской работы планируется получение качественного материала при минимальных затратах.

    3. Материал и технология производства

    Для разработки конструкции установки и технологии производства, нужно проанализировать существующие конструкционные схемы и технологии изготовления.

    3.1 Топливные брикеты

    В основе технологии производства топливных брикетов лежит процесс прессования шнеком агро-отходов (шелухи подсолнечника, гречихи и др.) и мелко измельченных отходов древесины (опилок) под высоким давлением, а в ряде случаев и при нагревании от 250 до 350 С°. Получаемые топливные брикеты не включают в себя никаких связующих веществ, кроме одного натурального – лигнина, содержащегося в клетках растительных отходов. При использовании агросырья возможно добавление связующих элементов. Температура, присутствующая при прессовании, способствует оплавлению поверхности брикетов, которая благодаря этому становится более прочной, что немаловажно для транспортировки брикет [4].

    Топливный экструзионный брикет

    Рисунок 3.1 – Топливный экструзионный брикет

    Сырьем для производства брикетов является тот же материал, что и для изготовления гранул – опилки различных пород древесины, щепа, лузга подсолнечника, гречихи, солома и многие другие растительные отходы. Технология производства брикетов схожа с технологией гранулирования, но более простая. Брикеты бывают разных форм – в виде кирпича, цилиндра или шестигранника с отверстием внутри. Стандартных размеров у данной продукции нет.

    Основным фактором, определяющим механическую прочность, водостойкость и калорийность брикета, являются его плотность. Чем плотнее брикет, тем выше показатели его качества. Чем ниже плотность брикетов, тем меньше их калорийность. Например, при плотности брикета 650-750 кг/м3 калорийность брикетов равна 12-14 МДж/кг; при плотности 1200-1300 кг/м3 – 25-31 МДж/кг.

    При производстве данной продукции следует обратить особое внимание на влагу – очень важный параметр, влияющий на плотность брикета. В случае превышения 14 % влажности сырья брикет разваливается на произвольные куски из-за избытка влаги.

    Объем брикета составляет 1/10 от объёма затраченного на его производство сырья, что дает значительную экономию при транспортировке и хранении биотоплива [1].

    3.2 Топливные гранулы – пеллеты

    В основе технологии производства топливных гранул, как и топливных брикетов, лежит процесс прессования измельченных отходов древесины, соломы, лузги и др.

    Сырьё (опилки, солома и т.д.) поступает в дробилку, где измельчаются до состояния муки. Полученная масса поступает в сушилку, из неё – в пресс-гранулятор, где древесную муку прессуют в гранулы. Сжатие во время прессовки повышает температуру материала, лигнин, содержащийся в древесине размягчается и склеивает частицы в плотные цилиндрики.

    Древесные топливные гранулы (пеллеты, ДТГ) – это небольшие цилиндрические прессованные древесные изделия диаметром 4-12 мм, длиной 20-50 мм, переработанные из высушенных остатков деревообрабатывающего и лесопильного производства: опилки, стружка, древесная мука, щепа, древесная пыль и т.д. Гранулы используются в котлах для получения тепловой и электрической энергии путем сжигания [1].

    Сам по себе процесс гранулирования – пеллетизации происходит в специальных кольцевых штампах (пресс-формах) вращающимися роторными вальцами, которые впрессовывают в многочисленные отверстия – фильеры пресс-формы, активизированное паром измельченное древесное сырье, после чего, срезанные с наружной стороны штампа специальным ножом гранулы, должны быть охлаждены и отделены от мелких частиц [1].

    3.3 Древесно-полимерный композит

    ДПК (древесно-полимерный композит) – инновационный материал, технология производства которого основана на смешивании муки, PE, PP, ПВХ и других компонентов при помощи специального оборудования в соответствии с установленными стандартами [5]. ДПК представлен на рисунке 3.2

    Древесно-полимерный композит

    Рисунок 3.2 – Древесно-полимерный композит

    Материалы с древесным наполнителем в последние годы заняли значительную часть рынка США. В Европе этот продукт также получает все более широкое распространение. Жидкое дерево представляет собой древесно-полимерный композит на термопластичном связующем, пригодный для промышленной переработки. Это означают возможность создавать методом выдавливания из смеси измельченной древесины и пластика любые профили. При этом новый материал сочетает лучшие свойства дерева и пластмассы [6].

    Производство древесно-полимерных композитов возможно с применением технологий экструзии, коэкструзии, литья под давлением, прессования; наибольшее распространение получил способ экструзии.

    Сменными параметрами процесса экструзионной обработки считаются состав, материал применяемого сырья и его влажность. Процесс экструзии допускает изменение давления, температуры, продолжительности и интенсивности воздействия на выпускаемый профиль из ДПК. В НИЦ "ДПК" выделяют три основных способа экструзии. Прямая одноступенчатая схема экструзии предполагает одновременную подачу в экструдер всех компонентов, предварительно смешанных в смесителе. Производство ДПК по двухступенчатой схеме с предварительной грануляцией всех компонентов обеспечивает более стабильный процесс экструзии, чем при одноступенчатой схеме. Экструзия с вводом древесного наполнителя в зону пластикации экструдера позволяет избежать обугливания и потемнения наполнителя, сократить выделение древесиной смолистых веществ, обеспечить лучшее смачивание наполнителя полимером и снизить износ оборудования [6].

    В процессе прямой экструзии подача древесного наполнителя, полимера и добавок ведется через систему объемного дозирования в экструдер. Системы объемного дозирования предполагают фракционный контроль древесного наполнителя. Если используется древесная мука, ее дисперсность должна быть 0,01-1 мм, опилок – от 1 до 8 мм, а размер древесных частиц должен быть 10-20 мм. Сырье мелких фракций используют для производства профилей из ДПК, не требующих дополнительной отделки поверхности. Под отделку пленками или покраску возможно использование древесного наполнителя со средним размером древесных частиц. Размер древесного сырья не играет роли при изготовлении профилей для технических нужд.

    Помимо фракционного состава древесного наполнителя учитывается его влажность. Кроме контроля влажности сырья следует обращать внимание на применяемые добавки (аддитивы) и их долю в смеси. Например, отсутствие антиоксидантов в компаунде сказывается на характеристиках эксплуатируемого изделия. Может начаться процесс окисления при использовании изделия вне помещений, что в итоге приведет к его разрушению [6].

    К древесно-композиционным материалам относят не только древесно-полимерные композиты (ДПК). Это и фибролит с применением древесной шерсти, и разные виды древесно-стружечных плит, в изготовлении которых используются древесные частицы (цементно-стружечные плиты, экструзионные древесно-стружечные плиты, плиты OSB), и массы древесные прессовочные, арболит, древесно-слоистый пластик (с использованием шпона), бакелит (на основе древесной муки), арбоформ (с использованием смеси лигнина и древесных волокон) [6].

    4. Сырьё для получения ДПК, топливных гранул и брикетов

    4.1 Сырьё для получения брикетов и пеллет

    Сельскохозяйственные остатки.

    Термин сельскохозяйственные остатки включает древесные остатки от культурных растений, остатки зерновых и травяных культур и продукты переработки сельскохозяйственных культур [7].

    Наиболее значительный потенциал для природно-климатических и хозяйственных условий нашей страны имеют кукуруза, рапс, многолетние травы, зерновые и зернобобовые культуры. Энергетическая ценность соломенных остатков составляет приблизительно 10 -17 МДж/кг, в зависимости от влажности, вида культуры и т.д. Таким образом, суммарный потенциал соломистых и травянистых остатков не превышает приблизительно 0,2-0,3 млн. т у.т.

    Биомасса сопутствующей лесной продукции.

    Суммарная площадь лесных земель государственного лесного фонда и земель, покрытых древесно-кустарниковой растительностью составляет приблизительно 8,5 млн. га, запасы древесины – 1340 млн. м3.

    Объем древесных остатков, которые могут быть определены как сопутствующая лесная продукция, зависит от состояния леса, его возраста, видов деревьев и т.д. В соответствии с опытом производства такого рода продукции ее объем может составить от 2 до 3 т с гектара леса или от 17 до 25 млн. т со всей площади. Энергетическая ценность 1 т условного топлива эквивалентна приблизительно 2,33 т древесины при влажности 10 %. Таким образом, суммарный энергетический потенциал лесных остатков может составить от 3 до 4 млн. т у.т. [7].

    Быстрорастущие древесные насаждения.

    Одним из наиболее перспективных направлений как с экономической, так и с экологической точки зрения является сельскохозяйственное лесоводство, которое основано на использовании специальных быстрорастущих древесных насаждений. Изучение потенциала быстрорастущих подвидов и гибридов ивы, тополя, осины и других растений сегодня активно проводится в ряде зарубежных стран (Швеция, Финляндия, США, Канада, Польша и др.) [7].

    В этой связи особый интерес представляет ива как растение, способное произрастать в условиях повышенной увлажненности и на разных типах почв, характеризующихся различным уровнем плодородия.

    Возделывание быстрорастущих древесных насаждений позволяет получать древесину, которая может быть использована как источник энергии на 4-й год после посадки плантации. Среднегодовой урожай при 4-летней ротации ивы в соответствии с результатами, достигнутыми в ряде зарубежных стран, может достигать до 10-15 т древесины влажностью 10 % с гектара (Швеция, США, Канада). Однократно заложенная плантация может быть использована для получения 3-4 урожаев продукции без значительного снижения продуктивности.

    Ивовые плантации могут успешно возделываться на малопродуктивных почвах различного механического состава, в том числе и на выработанных торфяниках, а также использоваться для восстановления нарушенных земель. Из других источников биомассы наиболее значительный потенциал имеют твердые отходы и отходы животноводства.

    Твердые производственные и бытовые отходы.

    Отходы такого рода достаточно разнообразны, поэтому их суммарный энергетический потенциал оценить довольно сложно.

    4.2 Сырьё для получения ДПК

    Качество выпускаемой продукции зависит от качества используемого сырья (наполнителя, полимера и добавок) и рецептуры смеси. Основное сырье для изготовления древесно-полимерных композитов – древесная мука и пластик. При производстве ДПК следует учитывать влажность древесной муки, она не должна превышать15% [6].

    Для получения древесно-полимерных композитов можно использовать муку разных пород древесины: у древесины хвойных пород яркий цвет, что сказывается на цвете готового изделия. Кроме того, повлиять на цвет продукта можно с помощью красителей.

    Выбор полимерной матрицы, используемой при производстве ДПК, зависит от сферы применения продукта. В Европе при производстве декинга предпочтение отдается поливинилхлориду (ПВХ) и полиэтилену (ПЭ), для выпуска профилей используется преимущественно полипропилен (ПП), для садовых заборов – ПЭ, а при производстве сайдинга в равных долях применяются ПВХ и ПП. В России основным полимером, который используется при изготовлении ДПК, является полиэтилен низкого давления (ПЭНД). Таким образом изготавливается, например, профиль с полой структурой [6].

    Помимо исходного сырья, при производстве изделий из древесно-полимерных композитов можно использовать вторично переработанное сырье. Из однородного вторсырья, при производстве которого не допускается смешивание полиэтилена с ПВХ, можно получить готовые изделия из ДПК более высокого качества, чем при использовании первичного полимерного сырья. Во вторсырье уже содержатся добавки, в том числе модификаторы, концентрация которых еще возрастает в процессе приготовления смеси для экструзии древесно-полимерных композитов (при сохранении базовой формулы), – отмечает специалист компании Интервесп Леонид Ляпин.

    Состав смеси для производства ДПК выбирают исходя из возможных сфер применения композитного материала, поэтому для придания необходимых эксплуатационных характеристик в смесь добавляют модификаторы, аддитивы, лубриканты. Акриловые модификаторы и хлорированный полиэтилен применяются для повышения ударной вязкости выпускаемой продукции. Акриловые модификаторы улучшают характеристики древесно-полимерных композитов, из которого изготавливают изделия, эксплуатируемые вне помещений, например, подобные изделия подвержены минимальному короблению при нагреве на солнце. Хлорированный полиэтилен используют для производства продукции из ДПК, эксплуатируемых в помещении. Использование вспенивателей на основе азодикарбонамида (АДК) повышает выход газа из древесно-полимерных композитов. Лубриканты позволяют снизить забивание отверстий в калибраторе и сократить число вынужденных остановок линии для чистки калибраторов [6].

    5. Экспериментальная часть

    5.1 Описание экспериментальной установки

    Установка, которая представлена (рис.5), позволит получать топливные брикеты и термопластический древесно-полимерный композит.

    Принципиальная схема установки для получения биотоплива и ДПК

    Рисунок 5 – Принципиальная схема установки для получения биотоплива и ДПК
    (анимация: 10 кадров, 5 циклов повторения, 169 килобайт)

    Преимуществом данной установки является автоматизация процесса нагрева, и контроля за процессом. С помощью электронного терморегулятора можно задавать наилучшую температуру процесса с высокой точностью. Новый нагревательный элемент позволяет произвести интенсивный нагрев за короткое время. Особую роль в процессе автоматизации играет специальный микроконтроллерный регулятор, который автоматически при изменении температуры управляет количеством оборотов двигателя. Данная автоматика позволяет перерабатывать сырьё с разной влажностью. Это позволяет исключить из цикла предварительную сушку исходных компонентов.

    Сменой экструзионной головки в данной установке можно гибко изменять технологический процесс производства различных композиционных материалов.

    5.2 Проведение испытания

    Первым этапом работы является разработка оборудования для переработки растительного сырья и бытовых отходов (пластика). Вторым важным этапом работы является разработка новой технологии получения продукта.

    Процесс получения продукта можно представить в виде следующих стадий:

    1. подготовка сырья перед процессом брикетирования (обязательно нужно тщательно измельчить все компоненты и равномерно перемешать);
    2. загрузка бункера шихтой;
    3. продвижение смеси шнеком по гильзе в зону нагрева, где происходит процесс нагрева и уплотнение;
    4. выдача готового продукта, через сменную экструзионную головку и охлаждение до комнатной температуры.

    Выводы

    В тексте реферата были рассмотрены основные материалы, полученные из растительного сырья и бытовых отходов, а также рассмотрена технология их изготовления. Рассмотрена схема лабораторной установки и детально описаны этапы изготовления материала.

    Данная тема актуальна, так как огромному количеству сельскохозяйственных и бытовых отходов, требуется переработка и подбор оптимальной технологии для их переработки.

    При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

    Список источников

    1. Справочник. – М.: Федеральное агентство лесного хозяйства, 2013. – 36 с.
    2. Википедия – свободная энциклопедия. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: Википедия.
    3. Труды БГТУ. 2012. №4. Химия, технология органических веществ и биотехнология. ISSN 1683-0377.
    4. Механізація. – ЖНАЕУ.: Перспективна альтернативна Енергетика. – 13 с.
    5. Технология и стандарты производства древесно-полимерных композитов Электронный ресурс]. – Режим доступа: Технология производства ДПК .
    6. Производство древесно-полимерных композитов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: Сырье для производства ДПК .
    7. Использование древесной биомассы в энергетических целях: научный обзор / С. П. Кундас [и др.]. – Минск: МГЭУ им А.Д. Сахарова, 2008. – 85 с.