Математическая модель процесса прессования тер-момодифицированной древесной корыв пресс-грануляторах барабанного типа

УДК

674.08

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2017.2.130

Аннотация

Наметившаяся в мировой и отечественной практике тенденция вовлечения древесных отходов как экологичного топлива в теплоэнергетический баланс становится все более актуальной. На предприятиях лесоперерабатывающей промышленности образуются большие объемы древесных отходов, 10…15 % которых приходится на древесную кору. Наиболее перспективным способом использования этого возобновляемого энергетического ресурса является изготовление древесных топливных гранул. Процесс получения древесных гранул из стволовой древесины достаточно хорошо разработан, однако их производство из древесной коры связано с некоторыми техническими трудностями (обезвоживание и измельчение коры, прессование измельченной коры через фильеры цилиндрической матрицы пресс-грануляторов валкового типа). Проведенные исследования показали, что предварительная термическая обработка древесной коры (термодификация) позволяет решить проблемы ее обезвоживания и механического измельчения до гомогенного состояния для последующего гранулирования. В мировой и отечественной литературе отсутствует теоретически обоснованная математическая модель, описывающая процесс прессования измельченной древесины в пресс-грануляторах валкового типа с цилиндрической матрицей, которая могла бы оптимизировать конструктивные и технико-энергетические параметры прессования. Цель исследования – разработка математической модели процесса прессования термомодифицированной древесной коры, позволяющей определить связь конструктивных параметров прессовочного узла и требуемых качеств древесных гранул с энергетическими затратами в пресс-грануляторах валкового типа с цилиндрической матрицей. Рассмотрен технологический процесс прессования шихты из древесной коры в клиновом зазоре между внутренней перфорированной цилиндрической поверхностью матрицы и наружной цилиндрической поверхностью прессовочного ролика, а также проанализированы физические процессы на участках формирования и выталкивания гранулы из фильеры. Получены обоснованная математическая модель процесса прессования шихты из древесной коры через цилиндрическую матрицу и зависимости, связывающие мощность, затрачиваемую на привод пресс-гранулятора, с конструктивными параметрами прессовочного узла и физико-технологическими параметрами шихты из древесной коры. 

Сведения об авторах

О.Д. Мюллер, д-р техн. наук, доц.

В.И. Мелехов, д-р техн. наук, проф.

Н.Г. Пономарева, асп.

Т.В. Тюрикова, магистр

М.О. Хрусталева, инж.

Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; е-mail: ockar@mail.ru,  n.ponomareva@narfu.ru

Ключевые слова

термомодифицированная древесная кора, пресс-гранулятор, матрица, фильера, гранулы, давление прессования, математическая модель прессования

Для цитирования

Мюллер О.Д., Мелехов В.И., Пономарева Н.Г., Тюрикова Т.В., Хрусталева М.О. Математическая модель процесса прессования термомодифицированной древесной коры в пресс-грануляторах барабанного типа // Лесн. журн. 2017. № 2. С.130–148. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.2.130

Литература

1. Булатов А.С. Разработка процесса прессового гранулирования мелкодисперсных сред на примере минеральных порошков и древесных отходов: автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 2012.15 с.

2. Ильюшенко Д.А. Разработка технологии производства брикетов из отходов окорки: автореф. дис. … канд. техн. наук. СПб., 2012. 19 с.

3. Коршак А.В. Обоснование технологии производства древесных брикетов на прессовом оборудовании ударного типа: автореф. дис. … канд. техн. наук. СПб., 2011. 20 с.

4. Левин А.Б. Биоэнергетика – важнейшее средство повышения энергоэффективности лесного комплекса России // Вестн. МГУЛ – Лесн. вестн. 2012. № 8(91).
С. 160–165.

5. Модин Н.А., Ерошкин А.Н. Брикетирование измельченной древесины и древесной коры. М.: Лесн. пром-сть, 1971. 112 с.

6. Мюллер О.Д., Мелехов В.И., Любов В.К., Герасимчук Д.Л., Попов А.Н. Влияние технологических параметров прессования на относительную плотность топливных древесных гранул // Лесн. журн. 2013. № 1. С. 116–121. (Изв. высш. учеб. заведений).

7. Мюллер О.Д., Мелехов В.И., Любов В.К., Тюрикова Т.В. Математическая модель процесса формирования древесных гранул // Лесн. журн. 2015. № 2(344). С. 104–122. (Изв. высш. учеб. заведений).

8. Самуль В.И. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высш. шк., 1982. 264 с.

9. Чуваева А.И., Божко И.В. Использование биотоплива с точки зрения утилизации отходов лесопильного производства // Акт. пробл. лесн. комплекса. 2007. № 18. С. 156–159.

10. Ciolkosz D., Wallace R. A Review of Torrefaction for Bioenergy Feedstock Production // Biofuels, Bioproducts, and Biorefining. 2011. No. 5(3). Pp. 317–329. doi:10.1002/bbb.275.

11. Holm J.K., Henriksen U.B., Hustad J.E., and Sorensen L.H. Toward an Understanding of Controlling Parameters in Softwood and Hardwood Pellets Production // Energy and Fuels. 2006. No. 20(6). Pp. 2686–2694.

12. Kaliyan N., Vance Morey R. Factors Affecting Strength and Durability of Densified Biomass Products // Biomass and Bioenergy. 2009. No. 33(3). Pp. 337–359.

13. Krizan P., Matus M., Beniak J., Kovacova M. Stabilization Time as an Important Parameter after Densification of Solid Biofuels // Acta Polytechnica. 2014. No. 54(1).
Pp. 35–41. doi: 10.14311/AP.2014.54.0035.

14. Krizan P., Matus M., Soos L., Kers J., Peetsalu P., Kask Ü., Menind A. Briquetting of Municipal Solid Waste by Different Technologies in Order to Evaluate Its Quality and Properties // Agronomy Research. 2011. No. 9(1). Pp. 115–123.

15. Krizan P., Soos L., Vukelic Dj. Counter Pressure Effecting on Compacted Briquette in Pressing Chamber // Journal of Production Engineering. 2009. Vol. 12. No. 1.
Pp. 63–66.

16. Rhen C., Ohman M., Gref R., Wasterlund I. Effect of Raw Material Composition in Woody Biomass Pellets on Combustion Characteristics // Biomass and Bioenergy. 2007. No. 31. Pp. 66–72. 

Поступила 23.12.16

Ссылка на английскую версию:

Mathematical Model of the Pressing Process of Thermally-Modified Tree Bark in the Drum-Type Press-Granulators

UDС 674.08

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.2.130

Mathematical Model of the Pressing Process of Thermally-Modified Tree Bark in the Drum-Type Press-Granulators

O.D. Myuller, Doctor of Engineering Sciences, Associate Professor

V.I. Melekhov, Doctor of Engineering Sciences, Professor

N.G. Ponomareva, Postgraduate Student

T.V. Tyurikova, Master

M.O. Khrustaleva, Engineer

Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: ockar@mail.ru, n.ponomareva@narfu.ru

The involving tendency of wood waste as an environmentally friendly fuel in heat and power balance, emerging in the world and domestic practices, is becoming increasingly important. The timber industry enterprises produce large amounts of waste wood, 10...15 % of which is the tree bark. The most promising method of the use of this renewable energy resource is the wood pellets production. The process of pellets obtaining from stem wood is well developed, but their production from bark involves some technical difficulties (dehydration and bark disintegration, ground bark pressing through the cylindrical matrix nozzles of the roll-type press-granulators). The initial heat treatment of bark (thermal modification) solves the problems of its dehydration and mechanical disintegration to the constant consistency for further granulation. The theoretically grounded mathematical model describing the pressing process of disintegrating wood in the roll-type press-granulators with a cylindrical matrix, which could optimize the design and technical and energy pressing parameters, is not developed in the world and national literature. The goal of research is to develop a mathematical model of the pressing process of thermally-modified tree bark, which would allow determining the connection of design parameters of a pressing component and the required qualities of wood pellets with the energy consumption in the roll-type press-granulators with a cylindrical matrix. The technological pressing process from bark in the convergent film between the inner perforated cylindrical surface of a matrix and the outer cylindrical surface of a pressing roller is considered; the physical processes in the areas of pellet forming and ejecting from a nozzle are analyzed. We obtained a reasonable mathematical model of the charge pressing process from bark through a cylindrical matrix as well as the dependencies connecting the energy expended to drive the press-granulator with the design parameters of a pressing component and the charge physical and technological parameters from bark.

Keywords: thermally-modified tree bark, press-granulator, matrix, nozzle, granule, compacting pressure, mathematical pressing model. 

REFERENCES 

1. Bulatov A.S. Razrabotka protsessa pressovogo granulirovaniya melkodispersnykh sred na primere mineral'nykh poroshkov i drevesnykh otkhodov: avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk [The Process Development of Press Granulation of Fine Media by the Example of Mineral Powders and Wood Waste: Cand. Eng. Sci. Diss. Abs.]. Moscow, 2012. 15 p.

2. Il’yushenko D.A. Razrabotka tekhnologii proizvodstva briketov iz otkhodov okorki: aftoref. dis. … kand. tekhn. nauk [The Development of Briquettes Production Technology from Bark Residue: Cand. Eng. Sci. Diss. Abs.]. Saint Petersburg, 2012. 19 p.

3. Korshak A.V. Obosnovanie tekhnologii proizvodstva drevesnykh briketov na pressovom oborudovanii udarnogo tipa: avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk [Substantiation of Wood Briquettes Production Technology at the Impact Pressure Equipment: Cand. Eng. Sci. Diss. Abs.]. Saint Petersburg, 2011. 20 p.

4. Levin A.B. Bioenergetika – vazhneyshee sredstvo povysheniya energoeffektivnosti lesnogo kompleksa Rossii [Bioenergy - Important Means of Increasing Energy Efficiency of Forest Complex of Russia]. Lesnoy vestnik [Forestry Bulletin], 2012, no. 8(91), pp. 160–165.

5. Modin N.A., Eroshkin A.N. Briketirovanie izmel'chennoy drevesiny i drevesnoy kory [Briquetting of Chopped Wood and Bark]. Moscow, 1971. 112 p.

6. Myuller O.D., Melekhov V.I., Lyubov V.K., Gerasimchuk D.L., Popov A.N. Vliyanie tekhnologicheskikh parametrov pressovaniya na otnositel'nuyu plotnost' toplivnykh drevesnykh granul [Dependence of Compacting Technological Parameters on Relative Density of Wood Fuel Pellets]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2013, no. 1, pp. 116–121.

7. Myuller O.D., Melekhov V.I., Lyubov V.K., Tyurikova T.V. Matematicheskaya model' protsessa formirovaniya drevesnykh granul [Mathematical Model of Wood Granules Formation]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2015, no. 2, pp. 104–122.

8. Samul' V.I. Osnovy teorii uprugosti i plastichnosti [Fundamentals of the Theory of Elasticity and Plasticity]. Moscow, 1982. 264 p.

9. Chuvaeva A.I., Bozhko I.V. Ispol'zovanie biotopliva s tochki zreniya utilizatsii otkhodov lesopil'nogo proizvodstva [The Use of Biofuels in Terms of Sawmill Residues Utilization]. Aktual'nye problemy lesnogo kompleksa, 2007, no. 18, pp. 156–159.

10. Ciolkosz D., Wallace R. A Review of Torrefaction for Bioenergy Feedstock Production. Biofuels, Bioproducts, and Biorefining, 2011, no. 5(3), pp. 317–329. doi:10.1002/bbb.275.

11. Holm J.K., Henriksen U.B., Hustad J.E., and Sorensen L.H. Toward an Understanding of Controlling Parameters in Softwood and Hardwood Pellets Production. Energy and Fuels, 2006, 20(6), pp. 2686–2694.

12. Kaliyan N., Vance Morey R. Factors Affecting Strength and Durability of Densified Biomass Products. Biomass and Bioenergy, 2009, no. 33(3), pp. 337–359.

13. Krizan P., Matus M., Beniak J., Kovacova M. Stabilization Time as an Important Parameter after Densification of Solid Biofuels. Acta Polytechnica, 2014, no. 54(1),
pp. 35–41. doi: 10.14311/AP.2014.54.0035.

14. Krizan P., Matus M., Soos L., Kers J., Peetsalu P., Kask Ü., Menind A. Briquetting of Municipal Solid Waste by Different Technologies in Order to Evaluate Its Quality and Properties. Agronomy Research, 2011, no. 9(1), pp. 115–123.

15. Krizan P., Soos L., Vukelic Dj. Counter Pressure Effecting on Compacted Briquette in Pressing Chamber. Journal of Production Engineering, 2009, vol. 12, no. 1,
pp. 63–66.

16. Rhen C., Ohman M., Gref R., Wasterlund I. Effect of Raw Material Composition in Woody Biomass Pellets on Combustion Characteristics. Biomass and Bioenergy, 2007, no. 31, pp. 66–72. 

Received on December 23, 2016

---

For citation: Myuller O.D., Melekhov V.I., Ponomareva N.G., Tyurikova T.V., Khrustale-va M.O. Mathematical Model of the Pressing Process of Thermally-Modified Tree Bark in the Drum-Type Press-Granulators. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2017, no. 2, pp.130–148. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.2.130