Русский   Deutsch
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Біоенергетика – це інноваційна галузь економіки, заснована на виробництві з біомаси палива і енергії.

В даний час біомаса переважно використовується у вигляді твердого палива (дров, тирси, тріски, паливних гранул і пеллет), заміщує вуглеводневу сировину в котлах, котелень, тепло- і електростанціях. При використанні деревного палива не потрібно серйозних модифікацій технологічного устаткування для спалювання палива, при цьому викиди шкідливих речовин в навколишнє середовище значно знижуються. Максимальна тепловіддача досягається при спалюванні гранульованої і спресованої деревини [1].

Біоенергетика є основним, але не єдиним способом переробки рослинної сировини і побутових відходів. На сьогоднішній день з цих компонентів виробляють новий високоміцний екологічно чистий, не схильний до гниття матеріал – термопластический деревно-полімерний композит (ДПК).

Деревно-полімерні композити (ДПК) – це матеріали, де деревина змішується з мономерами, які потім полімеризуються і змішуються з деревиною в процесі екструзії для придбання необхідних властивостей [2].

Матеріали з деревинно-полімерного композиту сьогодні широко застосовуються в Америці, європейських країнах, Японії. За зовнішнім виглядом вони схожі з деревиною і разом з тим не схильні до гниття і цвілі, не вбирають вологу, не мають дефектів поверхні, високотехнологічні в отриманні, і, нарешті, перевага такої продукції – її екологічність [3].

1. Актуальність теми

Переробка рослинної сировини і побутових відходів в наш час є важливим етапом поліпшення життя людини, як з екологічної, так і з технічної сторони. Актуальність даної теми обумовлена малою інтенсивністю переробки даної сировини і великими передумовами отримання якісного матеріалу. Побутові відходи і вторинна сільськогосподарська сировина, буквально є пашею для розвитку економіки країни. Ціновий сплеск на ринку нафти і нафтопродуктів, зростання цін на не відновлювальне тверде і газоподібне паливо, заохочують споживачів активніше переходити на альтернативні види енергоносіїв. Крім економічних сприяють цьому й екологічні передумови. Наш світ слугував величезним резервуаром для накопичення великої кількості побутових і сільськогосподарських відходів, які згубно впливають на стан навколишнього середовища. Однак вони є цінною сировиною для переробки з отриманням біопалива та інших цінних матеріалів.

Детально про кожну сторону переробки даної сировини:

  1. Матеріальна сторона питання. На сьогоднішній день матеріали, які застосовуються для виробництва біопалива або ДПК більше ніде не застосовуються або ж застосовуються в малих кількостях. Переробка сільськогосподарських відходів (солома, лушпиння насіння або гречки, залишки після косовиці насіння або кукурудзи), опалого листя може підвищити економіку. Крім цього паливні брикети і пелети є більш дешевим видом палива, що не поступається за ККД вугіллю;

  2. Екологічна сторона питання. Муніципальні і промислові звалища, які ростуть з кожним роком, і займають все більші території родючого ґрунту, можуть бути перероблені. Пластик, який міститься у відходах (пластикові пляшки, пакувальні матеріали, промислові відходи) переробляються в паливо або в матеріали домашнього побуту;

  3. Технічна сторона питання. Деревина досить часто застосовується для будівництва, тільки ось термін служби її обмежений, тому що вона схильна до гниття і легко займиста. Дерево-полімерний композит – це матеріал нового покоління, в його основі полімер, який є матрицею і рослинні відходи. ДПК не схильний до гниття, поріг до займання великий, широта до застосування не обмежена. Розробка технології виробництва ДПК дозволяє не тільки отримати інноваційну конкурентоспроможну продукцію, а й вирішити питання переробки полімерних відходів.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Метою даної роботи є розробка технології і обладнання для переробки рослинної сировини і побутових відходів.

Основні завдання дослідження:

  1. Вивчити існуючі технології виробництва даного матеріалу;
  2. Зробити вибір вихідної сировини для виробництва;
  3. Розробити експериментальне обладнання для проведення випробування;
  4. Підібрати оптимальний склад вихідних компонентів.

Об'єкт дослідження: рослинна сировина (сільськогосподарські відходи і відходи деревопереробних підприємств) і побутові відходи.

Предмет дослідження: паливо і деревно-полімерний композит (ДПК) і обладнання для їх виробництва.

В рамках магістерської роботи планується отримання якісного матеріалу при мінімальних витратах.

3. Матеріал і технологія виробництва

Для розробки конструкції установки і технології виробництва, потрібно проаналізувати існуючі конструкційні схеми і технології виготовлення.

3.1 Паливні брикети

В основі технології виробництва паливних брикетів лежить процес пресування шнеком агро-відходів (лушпиння соняшнику, гречки та ін.) та дрібно подрібнених відходів деревини (тирси) під високим тиском, а в ряді випадків і при нагріванні від 250 до 350 С°. Отримувані паливні брикети (рис.3) не включають в себе ніяких зв'язуючих речовин, крім одного натурального – лігніну, що міститься в клітинах рослинних відходів. При використанні агросировини можливе додавання сполучних елементів. Температура, присутня при пресуванні, сприяє оплавлення поверхні брикетів, яка завдяки цьому стає міцнішою, що важливо для транспортування брикетів [4].

Паливний екструзійний брикет

Рисунок 3.1 – Паливний екструзійний брикет

Сировиною для виробництва брикетів є той самий матеріал, що і для виготовлення гранул – тирса різних порід деревини, тріска, лузга соняшника, гречки, солома і багато інших рослинниї відходи. Технологія виробництва брикетів схожа з технологією гранулювання, але більш проста. Брикети бувають різних форм – у вигляді цегли, циліндра або шестикутника з отвором всередині. Стандартних розмірів у даній продукції немає.

Основним фактором, що визначає механічну міцність, водостійкість і калорійність брикету, є його щільність. Чим щільніше брикет, тим вище показники його якості. Чим нижче щільність брикетів, тим менше їх калорійність. Наприклад, при щільності брикету 650-750 кг/м3 калорійність брикетів дорівнює 12-14 МДж/кг; при щільності 1200-1300 кг/м3 – 25-31 МДж/кг.

При виробництві даної продукції слід звернути особливу увагу на вологу – дуже важливий параметр, що впливає на щільність брикету. У разі перевищення 14 % вологості сировини брикет розвалюється на довільні шматки через надлишок вологи.

Обсяг брикету складає 1/10 від обсягу витраченого на його виробництво сировини, що дає значну економію при транспортуванні і зберіганні біопалива [1].

3.2 Паливні гранули – пелети

В основі технології виробництва паливних гранул, як і паливних брикетів, лежить процес пресування подрібнених відходів деревини, соломи, лушпиння та ін.

Сировина (тирса, солома тощо) надходить в дробарку, де подрібнюються до стану муки. Отримана маса надходить в сушарку, з неї – в прес-гранулятор, де деревну муку пресують в гранули. Стиснення під час пресування підвищує температуру матеріалу, лігнін, що міститься в деревині розм'якшується і склеює частки в щільні циліндрики.

Деревні паливні гранули (пелети, ДТГ) – це невеликі циліндричні пресовані дерев'яні вироби діаметром 4-12 мм, довжиною 20-50 мм, перероблені з висушених залишків деревообробного та лісопильного виробництва: тирса, стружка, деревна мука, тріска, деревний пил і т. д. Гранули використовуються в котлах для отримання теплової і електричної енергії шляхом спалювання [1].

Сам по собі процес гранулювання – пеллетізаціі відбувається в спеціальних кільцевих штампах (прес-формах), що обертаються роторними вальцями, які упресовують в численні отвори – фільєри прес-форми, активовану паром подрібнену деревину, після чого, зрізані з зовнішньої сторони штампа спеціальним ножем гранули, повинні бути охолоджені і відокремлені від дрібних частинок [1].

3.3 Деревно-полімерний композит

ДПК (деревно-полімерний композит) – інноваційний матеріал, технологія виробництва якого заснована на змішуванні борошна, PE, PP, ПВХ та інших компонентів за допомогою спеціального обладнання у відповідності до встановлених стандартів [5]. ДПК представлений на рисунку 3.2

Деревно-полімерний композит

Рисунок 3.2 – Деревно-полімерний композит

Матеріали з деревним наповнювачем в останні роки зайняли значну частину ринку США. В Європі цей продукт також отримує все більш широке поширення. Рідке дерево являє собою деревно-полімерний композит на термопластичному зв'язуючому, придатний для промислової переробки. Це дає можливість створювати методом видавлювання з суміші подрібненої деревини і пластика будь-які профілі. При цьому новий матеріал поєднує кращі властивості дерева і пластмаси [6].

Виробництво деревно-полімерних композитів можливо із застосуванням технологій екструзії, коекструзії, лиття під тиском, пресування; найбільшого поширення набув спосіб екструзії.

Змінними параметрами процесу екструзії обробки вважаються склад, матеріал застосовуваної сировини і його вологість. Процес екструзії допускає зміну тиску, температури, тривалості та інтенсивності впливу на випускний профіль з ДПК. У НДЦ "ДПК" виділяють три основних способи екструзії. Пряма одноступенева схема екструзії передбачає одночасну подачу в екструдер всіх компонентів, попередньо змішаних в змішувачі. Виробництво ДПК за двоступеневою схемою з попередньою грануляцією всіх компонентів забезпечує більш стабільний процес екструзії, ніж при одноступінчастій схемі. Екструзія з введенням деревного наповнювача в зону пластифікації екструдера дозволяє уникнути обвуглювання і потемнінню наповнювача, скоротити виділення деревиною смолистих речовин, забезпечити краще змочування наповнювача полімером і знизити знос устаткування [6].

В процесі прямої екструзії подача деревного наповнювача, полімеру і добавок ведеться через систему об'ємного дозування в екструдер. Системи об'ємного дозування припускають фракційний контроль деревного наповнювача. Якщо використовується деревне борошно, її дисперсність повинна бути 0,01-1 мм, тирси – від 1 до 8 мм, а розмір деревних частинок повинен бути 10-20 мм. Сировина дрібних фракцій використовується для виробництва профілів з ДПК, що не вимагають додаткової обробки поверхні. Під обробку плівками або фарбування можливе використання деревного наповнювача із середнім розміром деревних частинок. Розмір деревної сировини не грає ролі при виготовленні профілів для технічних потреб.

Крім фракційного складу деревного наповнювача враховується його вологість. Крім контролю вологості сировини слід звертати увагу на застосовувані добавки і їх частку в суміші. Наприклад, відсутність антиоксидантів в компаунді позначається на характеристиках експлуатованого виробу. Може початися процес окислення при використанні виробу поза приміщеннями, що в підсумку призведе до його руйнування [6].

До деревно-композиційних матеріалів відносять не тільки дерев'яно-полімерні композити (ДПК). Це і фибролит із застосуванням деревної вовни, і різні види деревно-стружкових плит, у виготовленні яких використовуються деревні частки (цементно-стружкові плити, екструзійні деревно-стружкові плити, плити OSB), і маси деревні пресувальні, арболіт, деревно-шаруватий пластик (з використанням шпону), бакеліт (на основі деревної муки), арбоформ (з використанням суміші лігніну і деревних волокон) [6].

4. Сировина для отримання ДПК, паливних гранул і брикетів

4.1 Сировина для отримання брикетів і пелет

Сільськогосподарські залишки.

Термін сільськогосподарські залишки включає деревні залишки від культурних рослин, залишки зернових і трав'яних культур і продукти переробки сільськогосподарських культур [7].

Найбільш значний потенціал для природно-кліматичних і господарських умов нашої країни мають кукурудза, рапс, багаторічні трави, зернові та зернобобові культури. Енергетична цінність солом'яних решток становить приблизно 10-17 МДж/кг, в залежності від вологості, виду культури і т.д.

Біомаса супутньої лісової продукції

Сумарна площа лісових земель державного лісового фонду і земель, покритих деревами та кущами становить приблизно 10,4 млн. га, запаси деревини – 35 млн.м3.

Обсяг деревних залишків, які можуть бути визначені як супутня лісова продукція, залежить від стану лісу, його віку, видів дерев і т.д. Відповідно за досвідом виробництва такого роду продукції її обсяг може скласти від 2 до 3 т з гектара лісу або від 17 до 25 млн. т з усієї площі. Енергетична цінність 1 т умовного палива еквівалентна приблизно 2,33 т деревини при вологості 10 % [7].

Швидкорослі деревні насадження.

Одним з найбільш перспективних напрямків як з економічної, так і з екологічної точки зору є сільськогосподарське лісівництво, яке засноване на використанні спеціальних швидкозростаючих деревних насаджень. Вивчення потенціалу швидкозростаючих підвидів і гібридів верби, тополі, осики і інших рослин сьогодні активно проводиться в ряді зарубіжних країн (Швеція, Фінляндія, США, Канада, Польща та ін.)[7].

У зв'язку з цим особливий інтерес представляє верба як рослина, здатна проростати в умовах підвищеної зволоженості і на різних типах грунтів, що характеризуються різним рівнем родючості.

Обробіток швидкозростаючих деревних насаджень дозволяє отримувати деревину, яка може бути використана як джерело енергії на 4-й рік після посадки плантації. Середньорічний урожай за 4-річної ротації верби відповідно до результатів, досягнутих в ряді зарубіжних країн, може досягати до 10-15 т деревини вологістю 10 % з гектара (Швеція, США, Канада). Лише один раз закладена плантація може бути використана для отримання 3-4 урожаїв продукції без значного зниження продуктивності.

Вербові плантації можуть успішно вирощуватися на малопродуктивних ґрунтах різного механічного складу, в тому числі і на вироблених торфовищах, а також використовуватися для відновлення порушених земель. З інших джерел біомаси найбільш значний потенціал мають тверді відходи і відходи тваринництва.

Тверді виробничі та побутові відходи.

Відходи такого роду досить різноманітні, тому їх сумарний енергетичний потенціал оцінити досить складно.

4.2 Сировина для отримання ДПК

Якість продукції, що випускається залежить від якості використовуваної сировини (наповнювача, полімеру і добавок) і рецептури суміші. Основна сировина для виготовлення деревно-полімерних композитів – деревне борошно і пластик. При виробництві ДПК слід враховувати вологість деревної муки, вона не повинна перевищувати 15 % [6].

Для отримання деревно-полімерних композитів можна використовувати борошно різних порід деревини: у деревини хвойних порід яскравий колір, що позначається на кольорі готового виробу. Крім того, вплинути на колір продукту можна за допомогою барвників.

Вибір полімерної матриці, використовуваної при виробництві ДПК, залежить від сфери застосування продукту. В Європі при виробництві декинга перевага віддається полівінілхлориду (ПВХ) і поліетилену (ПЕ), для випуску профілів використовується переважно поліпропілен (ПП), для садових парканів – ПЕ, а при виробництві сайдінга в рівних частках застосовуються ПВХ і ПП. У Росії основним полімером, який використовується при виготовленні ДПК, є поліетилен низького тиску (ПЕНД). Таким чином виготовляється, наприклад, профіль з порожнистою структурою [6].

Крім вихідної сировини, при виробництві виробів з деревинно-полімерних композитів можна використовувати повторно перероблену сировину. З однорідної вторсировини, при виробництві якої не допускається змішування поліетилену з ПВХ, можна отримати готові вироби з ДПК більш високої якості, ніж при використанні первинної полімерної сировини. У вторсировині вже містяться добавки, в тому числі модифікатори, концентрація яких ще зростає в процесі приготування суміші для екструзії деревно-полімерних композитів (при збереженні базової формули), – зазначає фахівець компанії Інтервесп Леонід Ляпін.

Склад суміші для виробництва ДПК вибирають виходячи з можливих сфер застосування композитного матеріалу, тому для додання необхідних експлуатаційних характеристик в суміш додають модифікатори, аддитиви, лубриканти. Акрилові модифікатори і хлорований поліетилен застосовуються для підвищення ударної в'язкості продукції, що випускається. Акрилові модифікатори покращують характеристики деревно-полімерних композитів, з якого виготовляють вироби, що експлуатуються поза приміщеннями, наприклад, подібні вироби схильні до мінімального викривлення при нагріванні на сонці. Хлорований поліетилен використовують для виробництва продукції з ДПК, експлуатованих в приміщенні. Використання піноутворювача на основі азодікарбонаміду (АДК) підвищує вихід газу з деревинно-полімерних композитів. Лубриканти дозволяють знизити забивання отворів в калібраторі і скоротити число вимушених зупинок лінії для чищення калібраторів [6].

Принципова схема установки для отримання біопалива і ДПК

Рисунок 5 – Принципова схема установки для отримання біопалива і ДПК
(анімація: 10 кадрів, 5 циклів повторення, 169 кб)

Перевагою даної установки є автоматизація процесу нагріву, і контролю за процесом. За допомогою електронного терморегулятора можна задавати найкращу температуру процесу з високою точністю. Новий нагрівальний елемент дозволяє зробити інтенсивний нагрів за короткий час. Особливу роль в процесі автоматизації відіграє спеціальний мікроконтроллерний регулятор, який автоматично при зміні температури управляє кількістю оборотів двигуна. Дана автоматика дозволяє переробляти сировину з різною вологістю. Це дозволяє виключити з циклу попередню сушку вихідних компонентів.

Зміною екструзійної головки в даній установці можна гнучко змінювати технологічний процес виробництва різних композиційних матеріалів.

5.2 Проведення випробування

Першим етапом роботи є розробка обладнання для переробки рослинної сировини і побутових відходів (пластика). Другим важливим етапом роботи є розробка нової технології отримання продукту.

Процес отримання продукту можна представити у вигляді наступних стадій:

  1. підготовка сировини перед процесом брикетування (обов'язково потрібно ретельно подрібнити всі компоненти і рівномірно перемішати);
  2. завантаження бункера шихтою;
  3. просування суміші шнеком по гільзі в зону нагріву, де відбувається процес нагріву і ущільнення;
  4. видача готового продукту, через змінну екструзійну головку і охолодження до кімнатної температури.

Висновки

У тексті реферату були розглянуті основні матеріали, отримані з рослинної сировини і побутових відходів, а також розглянута технологія їх виготовлення. Розглянуто схему лабораторної установки і детально описані етапи виготовлення матеріалу.

Дана тема актуальна, тому що величезній кількості сільськогосподарських і побутових відходів, потрібна переробка і підбір оптимальної технології для їх переробки.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2019 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Список джерел

  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.