Таким образом, свойство образовывать водопрочные и истинные агрегаты является специфической особенностью низинного торфа, коллоидная фракция которого богата кальцием. Увеличение содержания Са в торфе приводит к уменьшению прочности и увеличению крошимости окускованного топлива. Известно, что лесные подтипы торфа, имеющие большую зольность и повышенное содержание Са, подвержены повышенной крошимости.

Г. И. Кужман [37] отмечает, что гуминовые вещества в торфе создают прочные микроагрегаты, и они тем прочнее, чем выше степень разложения. Однако с дальнейшим увеличением степени разложения связь между микроагрегатами уменьшается в силу повышенной и неравномерной усадки и прочность куска падает. При исследовании прочности окускованного торфяного топлива не следует преувеличивать или отрицать роль гуминовых веществ в создании его прочной структуры. Здесь определяющим фактором является соотношение разложившейся и неразложившейся части торфа, а также его химический состав. Поэтому, важное значение приобретает перемешивание торфяного сырья после экскавации, необходимое для равномерного распределения гумуса между неразложившимися частицами (арматурой).

Присутствие мелких коллоидных частиц способствует процессу уплотнения торфа, а малоразложившиеся элементы несколько ослабляют их влияние. С увеличением степени разложения залежи прочность кускового торфа повышается до определенного значения степени разложения, а потом резко падает, т. е. в этой зависимости имеется максимум. Поэтому окускованное топливо из верхового торфа средней степени разложения (R= 20--35%) обладает наибольшей прочностью [38].

В.Е. Раковский и Х.И. Ривкина [39] особое внимание обращают на клеющую способность гуминовых и гидролизуемых веществ в формировании прочного куска. Более высокая прочность верхового торфа в сравнении с низинным вызывается повышенным содержанием гидролизуемых в их составе, а также тем, что основная часть гуминовых кислот верхового торфа находится в несвязанном состоянии. Превращение высокомолекулярных кислот, входящих в состав торфа, в соли двух- и трехвалентных металлов приводит к понижению клеющей способности этих соединений.

В целом, анализируя зависимость физико-механических свойств окускованного торфа от состава торфяного сырья, можно отметить, что в верховом торфе большое влияние оказывает групповой состав, а в низинном - общетехнические свойства (степень разложения, зольность, pH), где наиболее существенным признаком является pH, а наименее - зольность.

Таким образом, знание особенностей структуры и свойств торфяного сырья позволяет не только научно-обоснованно подходить к области его практического использования в распределенной энергетике, но и определять перспективные направления инновационного уровня, проектировать различные виды окускованной продукции с заданными характеристиками.



2.3 Экспериментальные исследования окускованного топлива на основе торфа

Для исследования на временное сопротивление осевому сжатию были взяты образцы окускованного торфяного топлива, имеющие разный диаметр и плотность.

Так как образцы представляли собой цилиндры различной длины с непостоянным диаметром поперечного сечения, то была проведена их подготовка при помощи дрели-шуруповерта с отрезным кругом диаметром 23 мм и толщиной 0,5 мм. Из каждого образца были изготовлены цилиндры (рис. 2.4), длина которых равнялась двум его средним диаметрам. Средний диаметр цилиндра определялся по формуле:

d_ср = (d₁ + … + d₅)/5,

где d₁, …, d₅ - диаметры цилиндра в сечениях, находящихся на одинаковом расстоянии по длине образца, мм.

Основания цилиндров выполнены строго перпендикулярно его геометрической оси цилиндра и имеют ровную поверхность.

В результате подготовки были получены цилиндрические образцы окускованного топлива где d_ср - средний диаметр цилиндра, мм; l - длина цилиндра, мм; m - масса цилиндра, гр; г, - плотность цилиндра, кг/м³.

Влажность исследуемых образцов: 1 - 11, 76%; 2 - 11,40%; 3 - 12,30%.

Прочность исследуемых цилиндрических образцов определялась по временному сопротивлению на сжатие при нагрузке вдоль образующей цилиндра. Исследования проводятся на лабораторном прессе фирмы «Tinius Olsen» позволяющем осуществлять плавное изменение нагрузки с фиксацией ее текущих значений.

Нагружение цилиндрического образца окускованного торфяного топлива осуществлялось плавно и непрерывно до его разрушения.

Фиксирование нагрузки, действующей на образец и возникающую при этом деформацию, выполнялось в автоматическом режиме

В результате по каждому образцу были получены зависимости деформации от приложенной осевой нагрузки, по которым можно определит не только максимальное значение нагрузки, но и выявить наличие внутренних трещин в образцах (на зависимостях отражены характерным временным падением нагрузки).

Проведенные эксперименты позволили определить диапазон изменения и среднее значение сопротивления осевой нагрузки для каждого из рассматриваемых образцов где d_ср.об - средний диаметр образца, мм; l_ср.об - длина образца, мм; m_ср.об - масса образца, гр; г_ср.об, - плотность образца, кг/м³; у_сж - диапазон изменения сопротивления осевой нагрузки, МПа; у_ср.сж - среднее значение сопротивления осевой нагрузки, МПа.

На сопротивление образца окускованного торфяного топлива осевой нагрузке в значительной мере оказывает влияние его трещиноватость, возникающая при жестких режимах сушки. Это видно из широкого диапазона значений у_сж, кроме того, влияние трещиноватости уменьшается с уменьшением диаметра образца (?у_сж= 1,85 МПа для образца №1, ?у_сж= 2,48 МПа для образца №2 и ?у_сж= 2,25 МПа для образца №3).

Сопротивление осевой нагрузки при одинаковых размерах образцов зависит от их плотности, чем выше плотность, тем выше значение у_сж (у_ср.сж = 2,77 МПа для образца №2 и у_ср.сж = 2, 5 МПа для образца №3).

Также, были проведены исследования образцов одинаковой плотности, но разного соотношения длины и диаметра.

При уменьшении отношения диаметра к длине, наблюдается незначительное уменьшение величины значения сопротивления осевой нагрузке.

Было установлено, что наиболее прочными образцами являются образцы со следующими параметрами: d_ср.об =15,54 мм; l_ср.об = 31,94 мм; m_ср.об = 5,48 гр; г_ср.об, = 905 кг/м³; l_ср.об /d_ср.об = 2.

На основании результатов экспериментальных исследований можно сделать выводы по каждой из технологических операций, связанных с получением окускованного торфяного топлива из торфяного сырья в лабораторных условиях.

Сепарация и дробление позволяют освободить торфяное сырье от ненужных включений (кусков древесины и мерзлоты, очеса) и создать необходимую условную удельную поверхности раздела фаз (S₀=600-700 м² на килограмм сухого вещества), позволяющую получить наилучшее по своим физико-механическим свойствам торфяное окускованное топливо.

Установлено, что при «жесткой» экструзии (влажность 68,58%) возможно получение качественного окускованного торфяного топлива заданных физико-механических характеристик, которые позволяют в дальнейшем оптимизировать процесс сушки.

Кинетика сушки образцов окускованного торфяного топлива диаметром 20 мм исследовалась в режиме конвективной сушки в неподвижном слое. Эксперименты проведены при расходах воздуха 6; 18 и 30 м³/ч; температуре от 26 до 130 °С и позволили установить, что жесткий режим сушки характеризуется высокими значениями объемной усадки 40% и трещинообразованием на поверхности образцов, при мягком режиме сушки трещинообразование на поверхности образцов не наблюдается. С практической точки зрения представляет интерес режим сушки в промежутке между режимом 4 и режимом 5.

На прочностные свойства окускованного торфяного топлива существенное влияние оказывает трещеноватость и плотность, которые в свою очередь зависят от степени механической переработки получаемой при сепарации и дроблении, а также технологических показателей процессов формования и сушки.



2.4 Разработка топливных брикетов на основе древесных отходов и отходов мясопереработки

Подготовленную по влажности и фракционному составу смесь, на основе отходов древесины, должна быть тщательно перемешена и соответствовать следующим параметрам:

- зольность: 10-20%

- выход летучих: 40-50%

- cера общая: 0,2-0,3%

- cера в золе: 0,01-0,1%

- высшая теплота сгорания: 14-16 МДж/кг;

- низшая теплота сгорания: 12-14 МДж/кг.

С такими качественными показателями брикетное топливо может использоваться в малой энергетике и для сжигания в котлах с производительностью до 30 тонн пара в час или до 20 Гкал в час.

Разработка рациональных параметров технологического процесса брикетирования способом экструзионного векторного воздействия на формуемый материал, проводилась как в лабораторных условиях кафедры безопасности производств Горного университета, так и непосредственно с использованием полупромышленного оборудования. Для определения свойств брикетов в зависимости от их вещественного состава применялась лабораторная установка для брикетирования с использованием экструдера для формования брикетов.

Проведение испытаний на экструдерном прессе позволило перенести теоретические выкладки и результаты лабораторных исследований на практику. В качестве основного элемента технологии брикетирования твердых органических отходов использовался экструдерный пресс конструкции Б.Н. Лукьянца.

Технология брикетирования была следующей подготовленные по влажности и фракционному составу компоненты смеси перемешивались в барабанном смесители, куда в строго определенном количестве подается вода. Далее смесь дозатором попадает в экструдерный пресс, где дополнительно перемешивается и брикетируется. Готовые брикеты грузятся на поддоны и отправляются на склад для сушки при температуре окружающей среды не менее 25С. После набора окончательной массы, брикеты упаковываются и отправляются потребителю. Брикеты имеют форму перфорированного цилиндра (длина - 300 мм, диаметр - 70 мм).

На основе проведенных испытаний рекомендуется следующий состав брикетного топлива при процентном соотношение компонентов, масc. %:

- древесные отходы - 45-55;

- белкозин (пластификатор) - 10;

- модифицирующие добавки - 5-10%;

- нефтешламы - 5;

- остальное вода.

Древесные брикеты исследовались по качественным и количественным характеристикам в лаборатории Центра коллективного пользования и Научного образовательного центра Горного университета.

По теплотворным характеристикам брикеты находятся в промежуточном положении между дровами (2200 - 2700 ккал/кг) и каменным углём (4800 - 5500 ккал/кг), что позволяет их использовать их в котлах малой производительности и частных отопительных системах. Содержание серы (0,3 %) в брикетах в 2 - 3 раза меньше, чем в угольных, что приводит к сокращению выбросов оксидов серы и является необходимым условием при использовании в коттеджной застройке.

Сравнительный анализ показывает, что древесные брикеты по зольности (15%) сопоставимы с древесными гранулами (12%) и значительно превосходят брикеты на основе торфа (50%) и сланца (47%). Содержание общей серы у древесных брикетов составляет 0,5%, что в два раза меньше, чем у брикетов из торфа и древесных пеллет. С экономической точки зрения наиболее важным показателем является теплота сгорания топлива, которая у древесных брикетов составляет 16,2 МДж/кг и уступает остальным видам топлива, но не более чем на 10-15 %.



3. РАЗРАБОТКА ОПИСАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ В ТОПЛИВНЫЕ ГРАНУЛЫ

3.1 Обеспечение процесса структурообразования при производстве окускованного топлива

Брикетирование - это процесс, не требующий высокотехнологичного оборудования, что и обеспечивает его неоспоримое преимущество в конкуренции с другими способа окускования измельченных материалов. Существует брикетирование органических отходов с использованием связующих материалов и без них. Возможность в процессе формования задавать не только форму, размер, вес готового брикета, но состав компонентов брикетируемой смеси, определяет универсальность и перспективность процесса брикетирования.

Брикетирование используется для переработки древесных отходов на высококалорийное экологическое топливо (брикеты), для изготовления индивидуального топлива, используемого круглый год, для решения проблем хранения сгораемых отходов, а также решает проблемы с отходами, которые возникают в малых и средних столярных мастерских и лесопилках. Полученный в результате брикетирования топливный материал из-за своих высоких потребительских свойств находит широкое применение, как в домашнем хозяйстве, так и в промышленных отопительных системах.

Преимущества опилочных брикетов перед непрессованными опилками следующие:

- брикеты занимают объем в 4-5 раз меньший, чем непрессованные опилки, и это дает соответствующую экономию складских площадей;

- брикеты, обладая большим весом, чем опилки, становятся транспортабельным топливом (1м³ хвойных сухих опилок весит 150-200 кг, а брикетов- 800-1100 кг);

- брикетирование позволяет повысить в 4-8 раз эффективность использования транспортных емкостей при перевозке отходов.

Топливные брикеты могут использоваться для отопления пассажирских вагонов, в домашних печах и каминах, а также в городских котельных и ТЭЦ.

В развитых странах брикетированию постоянно уделяется самое пристальное внимание. Инвестируются значительные средства в научные и технологические разработки, в строительство новых и совершенствование существующих брикетных производств, особенно использующих отходы или низкосортное сырье. В Англии, Франции, Германии, Чехии, Польше, Турции, США.

В настоящее время перспективными методами переработки вторичных органических ресурсов (отходов) являются [19]:

- брикетирование твердых органических отходов нетрадиционными способами с применением активных тонкодисперсных связующих материалов или без них;

- брикетирование без применения связующих материалов термическим способом (термобрикетирование);

- окускование древесных отходов тонких классов (брикеты, гранулы, пеллеты) для последующего слоевого сжигания в коммунально-бытовых топочных устройствах.

Брикетирование практически всех видов твердых горючих материалов, в настоящее время может производиться в стандартных гидравлических, штемпельных, ротационных и экструзионных прессах с применением разнообразных связующих материалов и без них.

В состав традиционных прессов входят следующие рабочие инструменты:

- вальцовый пресс: станина, вальцы, распределительная чаша, привод, стальной бандаж, дозатор-подпрессовщик;

- штемпельный: загрузочное устройство, прессовая головка, прессующий механизм, станина, штемпели, привод;

- кольцевой: прессовое кольцо, диск, матричный канал;

- гидравлический: загрузочное устройство, станина, прессовая головка, прессующий механизм, матрица;

- гусеничный: гусеница с накладками, опорные катки, привод, дозатор;

- экструдерный: станина, загрузочный бункер, шнек, конус, формообразующая насадка, пустотообразователь, электродвигатель, редуктор.

Основными техническими характеристиками прессов являются: производительность, удельное давление, потребляемая мощность, вес и параметры готового продукта.

Рассмотри современные прессы для брикетирования опилок.

Брикетирование позволяет в 7-8 раз уменьшить объем перевозимых отходов, повышает эффективность транспортных перевозок, экономит энерго- и лесоресурсы. Состав оборудования может изменяться в зависимости от вида, влажности и степени подготовки отходов.

Рассмотрим автоматические линии брикетирования опилок BAS-200, 400, 600, 800 (Чехия). Технологическая линия для обработки опилок лесопиления посредством брикетирования с производительностью 200, 400, 600 или 800 кг брикетов в час.

Линия состоит из подгребающего шнека для забора сырья из свободно насыпанной массы, системы ленточных и шнековых конвейеров для транспортировки опилок, сортировочного устройства, барабанной сушилки, включая котел для ее отопления, и одного (400 кг/час) или двух брикетных прессов.

Особенности:

- возможность использования сырья различной влажности и фракции;

- полностью автоматизированный процесс производства.

- равномерная длина и качество брикетов, также при чередовании материалов.

Проанализированные примеры оборудования и технологических линий по брикетированию органических отходов позволяют сделать выводы об основных требованиях к организации технологического процесса. Брикетный пресс должен обладать низким уровнем энергопотребления и высокой производительностью по готовому продукту. Рабочие детали пресса должны быть технологичными в изготовлении, стойкими к износу и легкозаменяемыми. Производительность установки по готовой продукции (брикетам) 300-400 кг/ч, при теплопроводной способности 4000-4300 ккал/кг, способно обеспечивать топливом котельную малой мощности.

3.2 Изготовление топливных гранул на основе куриного помета

Анализ методов и средств формования различных видов топлива, таких как торф, сапропель, отходы деревообработки, показывает, что наиболее рациональным способом для формования птичьего помёта является переработка в шнековой машине, обеспечивающей непрерывность процесса, обеспечивающего требуемое качество топливных гранул и хорошую плотность материала. Однако высокая стоимость и энергоемкость применяемого способа сухого прессования и достаточно низкие физико-механические свойства получаемых гранул, а также существенные отличия физико-механических свойств сброженного птичьего помета от органических веществ (торф, сапропель, опилки), на которых ранее проводились исследования процесса гранулирования, не позволяет воспользоваться известными данными. В связи с этим в качестве объекта исследования выбран технологический процесс гранулирования сброженного птичьего помета способом влажного прессования на шнековом прессе с механизмом для нейтрализации вредных примесей. Нейтрализация вредных примесей сырья на основе птичьего помёта происходит прежде всего по причине применения инновационной конструкции шнекового исполнительного органа. Если все известные ранее шнековые машины формовали сырьё с нагревом внешнего корпуса машины с целью получения внешней «корочки», препятствующей проникновению влаги и поверхностно проводящей термическую обработку отходов, в нашем случае предлагается использовать нагревающиися шнек, «нагрев материала изнутри» с системой кондиционирования, для обработки материала пепосредственно перед стадией формования и нейтрализации в нём вредных примесей, а также удаления специфического запаха птичьего помёта.

Теоретический анализ явлений происходящих в канале фильеры матрицы позволил обосновать допущения и методы проведения исследований на различных этапах.

Применение избыточного количества птичьего помета может привести к вымыванию питательных веществ в почве и в местных грунтовых водах. Загрязнение воды отходами может происходить несколькими способами. Очевидными примерами загрязнения являются прямой сброс в поверхностные воды, предоставление животным прямого доступа к рекам и ручьям, сливание стоков из откормочных площадок и переполнение хранилища птичьего помета. Менее очевидными способами являются весеннее таяние снега содержащего птичий помет, таяние замороженного помета, просачивание в грунт чрезмерно высоких норм, используемых в качестве удобрения, утечки из лагун.

Содержащиеся в птичьем помете нитраты и фосфаты могут способствовать эвтрофикации, вследствие чего начинается быстрый рост водорослей. Избыточные питательные вещества содержащиеся на поверхности воды вызывают цветение водорослей, гибель рыбы и нарушение рыболовецкого промысла, возникновению запаха и уменьшение прозрачности воды. Бактерии, способствующие разложению помета, снижают уровень кислорода в воде. Если концентрация кислорода сильно снижена, больше не могут поддерживаться нормальная водная флора и фауна. В воде начинают активно размножаться болезнетворные бактерии, которые, вместе с выловленной рыбой, могут вызывать различные заболевания у животных и человека. Самым «безопасным» из них является диарея. Вследствие повышения концентрации азота в воде, она становится особенно опасной для здоровья детей, способна вызывать цианоз.

Свежий птичий помет сразу же начинает разлагаться. Принцип бактериального разложения состоит в том, что сложные молекулы птичьего помета разбиваются на более простые соединения. Зачатую этот процесс сопровождается выделением газов. Существует два способа разложения, если разложение проходит в присутствии кислорода, то разложение называется аэробным, если без кислорода -- анаэробным.

Аэробное разложение проходит без выделения неприятных запахов, выделяются углекислых газ и вода. Этот способ разложения возможен в специальных условиях.

Анаэробное разложение сопровождается выделением сильных неприятных запахов. Анаэробный распад типичен для жидкого помета в выгребных ямах и лагунах. Он сопровождается выделением метана, угарного газа, углекислого газа, сероводорода и аммиака. Эти газы, в больших концентрациях, могут быть очень опасны для человека и животных. Большинство несчастных случаев связаны со скоплением этих газов в закрытых помещениях. Лишь углекислый газ не представляет серьёзной опасности. Он растворим в воде. Смерть в результате удушья углекислым газом происходит очень редко. Аммиак также хорошо растворим в воде, а в высоких концентрациях ещё и взрывоопасен. Раствор аммиака в воде (гидрат аммиака) токсичен, он имеет острый, едкий запах и действует как раздражитель даже в относительно низких концентрациях. Сероводород, выделяемый при анаэробном разложении, наиболее опасный из выделяемых газов. Он высокотоксичен, взрывоопасен и очень легко воспламеняется. Весьма высока вероятность взрыва смеси сероводорода и кислорода в закрытом помещении. Его легко определить по запаху -- он напоминает запах протухших яиц.

Метан легче воздуха и не очень хорошо растворяется в воде, поэтому он не представляет серьёзной опасности для водоемов, но если метан скапливается в высоких концентрациях в закрытых помещениях вероятность взрыва высока, для предотвращения подобных ситуаций следует использовать взрывобезопасные электродвигатели и вентиляторы.

3.2 Моделирование экструдерного формования

На первом этапе, основываясь на физико-механических основах формирования гранулы, обоснована конструкция сборной матрицы состоящей из двух частей: прессующей, изготовленной из стали, и релаксационной, изготовленной из фторопласта, также проведены испытания по выявлению оптимального угла конуса формующей части с целью уменьшения расхода на формование в шнековой машине, на основании разработок института Теплофизики и процессов переработки натурального природного сырья Фрайбергской горной Академии. Все исследования курировались заслуженным преподавателем Берлинского университета доктором J-U. Repke.

В результате анаэробного разложения птичьего помета, непосредственно, не выделяется окиси углерода, но угарный газ может выделятся во время переработки помета.

Учитывая наличие в сборной матрице прессующей и релаксационной частей, на втором этапе исследования была проведена оптимизация параметров матрицы. Получены зависимости для определения основных физико-механических свойств получаемых гранул. Третий этап решал задачу исследования технологического процесса гранулирования сброженного птичьего помета на шнековом прессе. В результате установлены режимы работы шнекового гранулятора, обеспечивающие получение гранул с требуемыми физико-механическими свойствами. В перспективе исследования добавок и модификаторов к формуемому топливу из куриного помёта. Добавки торфа, сапропеля, спирто-аммиачной бурды, что позволит дополнительно нейтрализовать вредные свойства птичьего помёта.

Технический результат достигается тем, что устройство для формования топливных элементов, содержащее корпус со шнеком, загрузочный бункер для подачи твердого топлива, матрицу с формующими отверстиями и каналами, снабжено системой кондиционирования, установленной в корпусе, а шнек снабжен перерабатывающими ножами и нагревательным элементом, который размещен внутри полой трубы шнека и соединен с внешним источником электроэнергии с помощью цилиндрических контактов.

Система кондиционирования может быть выполнена в виде сеток, установленных в корпусе, и шлангов, размещённых над сетками.

Шнек может быть выполнен длиной не менее 200 см.

Система кондиционирования позволяет увеличить интенсивность структурообразования подаваемого материала за счёт увеличения пластичности и более интенсивного контактирования частиц смешиваемых материалов за счёт вентиляции.

Принудительный разогрев нагревательным элементом материала внутри корпуса обеспечивает развитие скорости, а повышение скорости обеспечивает лучшее уплотнение торфа.

Напряжение сдвига характеризует прочность структуры вязко-пластичного материала. Оно зависит от влагосодержания, давления на торф, числа частиц в единице объема и связей между ними. Существует равновесное содержание влаги W_Q, составляющее для низинного торфа около 4 кг/кг (W= 400%). При влагосодержании материала (W) более равновесного Wo диспергирование сопровождается переходом внутриклеточной воды в свободную, что вызывает ослабевание связей между элементами структуры. Силы взаимодействия в этом случае зависят в основном от свойств системы и наличия в ней воды. Диспергирование приводит к снижению структурно-реологических свойств. Основное влияние на сопротивление сдвигу оказывает первое пропускание материала (куриного помёта) через перерабатывающее устройство. При W<W₀ основное значение приобретает число взаимодействующих частиц, увеличение которого в процессе диспергирования приводит к росту напряжения сдвига. В этом случае напряжение сдвига при некоторой дисперсности имеет максимум. С увеличением длины мундштуков от l = 2d до l = 3d противодавление в среднем возрастает на 100 кПа. С повышением давления увеличивается скорость истечения материала. Причем зависимость противодавления мундштуков от скорости истечения в пределах а_т = 0,1 - 1,5 м/с прямолинейная.

Соединение нагревательного элемента к вращающемуся шнеку с помощью цилиндрических контактов обеспечивает передачу напряжения для нагрева поверхности шнека при его вращении. Кондиционирование материала обеспечивает поэтапно следующий процесс: прогрев > нейтрализация > сушка > формование. Данная последовательность обеспечивает исключение в технологическом процессе сушильной установки.

Наличие сеток, установленных на верхней части корпуса, в котором работает шнек и шлангов, размещенных над сетками обеспечивает удаление испаряющейся влаги, образующейся при нагревании перерабатываемого влажного материала нагретым шнеком. При прокручивании каждой лопасти через данные системы пароудаления возникающее давление будет выталкивать не только образующийся пар, но и некоторые запахи. Улавливающаяся жидкость (при переработке куриного помёта) может также далее использоваться для нужд химической промышленности.

Увеличение длины шнека до 1200 мм обеспечивает более длительное нахождение перерабатываемого сырья в зоне нагрева. т.е. происходит кондиционирование материала.

Устройство работает следующим образом. Материал (предварительно подготовленная шихта), поступает в загрузочный бункер 4, затем шнеками 2 перерабатывается и перемещается к формующим отверстиям матрицы 1. За период перемещения формуемого материала по длине корпуса шнеком 2 из него удаляется влага и газовая составляющая и запах путём работы системы кондиционирования, состоящей из сеток 9,10,11,12,14, установленных в корпусе 15 и заборных шлангов 3 и 13, которые соединены с системой вытяжки цеха. Также на перерабатываемый материал воздействует импульс тепловой энергии, возникающей при нагревании шнека нагревательным элементом 6. Перед началом работы двигателя машины включается нагревательный элемент 6 в шнеке 2, который перед запуском предварительно нагревают в течение 10-15 минут.

Устройство для формования твердого топлива отличается пониженной по сравнению с имеющимися прототипами влажностью сырья (65-70%) .

Пример. Материал (органические отходы - куриный помёт) подают в загрузочный бункер 4, затем шнеком 2 и перерабатывающими ножами 5 перерабатывают и подают к формующим отверстиям матрицы 1, с помощью которой шнек формует цилиндрические гранулы. Шнек производится из трубы стальной бесшовной горячедеформированной (ГОСТ 8732-78) Ш=40-70 мм, на которую навариваются лопасти. В полую трубу шнека помещается ещё одна труба соответственно Ш=20-50, на которую производится намтока электрического нагревательного элемента. Нагревание производят до температуры t=95-100°С. От трубы нагревание переходит на лопасти шнека.

Таким образом, устройство позволяет улучшить качество формуемых на выходе топливных гранул по прочности и влажности, достаточной для того, чтобы полученные гранулы без операции сушки доставлялись потребителю. Также на порядок улучшаются показатели теплотворности из-за увеличения плотности гранул.

Исследование теплотворной способности птичьего помёта проводились на базе лаборатории Всероссийского НИИ Торфяной промышленности (г. Санкт-Петербург) и показали достаточно высокую, аналогичную со среднесортным углём теплотворность при достаточно низкой стоимости сырья из птичьего помёта.

Данную разработку по утилизации куриного помёта и превращения его в топливо нашли применения в Скандинавских странах. В России имеются лишь некоторые «смелые» идеи, которые постепенно претворятются в жизнь. Примером может служить участок гранулирования органических удобрений в технологическую линию по безотходной переработке птичьего помета на птицефабрике "Шпаковская" Ставропольского края. Основная стоимость линии по гранулированию будет исходить из стоимости изготовления шнековой машины с нагревающимся шнеком, а также обустройства склада готовой продукции, необходимой для последующей сушки гранул из куриного помёта. На начальных этапах инвестиции в проект должны составить не более 350 тыс. руб. на одну птицефабрику, с учётом льготных тарифов на энергообеспечение установок как установок, работающих для создания дополнительного резерва на котельной при отоплении птицефакбрики и позволяющих проводить очистку площадей, занятых химически опасными отходами. Реализацию продукции планируется проводить в сельских территориях, со сниженной стоимостью данного вида биотоплива.

По предварительным подсчётам количество птицефабрик на территории и в пределе округа Санкт-Петербурга превышает 18. Суммарные выбросы отходов и складирования птичьего помёта занимают значительные площади и вызывают значительный спектр аллергических реакций и кожный заболеваний у населения проживающего в населённых пунктах вблизи складирования, а также ухудшают качество грунтовых вод, использующихся жителями небольших населённых пунктов при пробуривании неглубоких скважин. Постоянно увеличивающиеся цены на природный газ и привозной уголь становятся следствием ухудшения благосостояния населения.



4. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ ГРАНУЛ

Сегодня практически не оставляет сомнения тот факт, что развитие энергосбережения имеет преимущества перед наращиванием объёмов энергоресурсов с экономической, экологической и социальных точек зрения. В соответствии с этим, инвестиции в энергосбережение значительно более эффективны, чем в добычу энергоресурсов [36-37]. Подтверждением этому является существование целого ряда программных документов федерального уровня, в которых особое внимание уделяется значительному увеличению использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии и внедрению ресурсосберегающих технологий.

Переработка вторичных органических отходов в окускованное топливо (брикеты, гранулы, блоки) позволит очистить обширные территории от техногенных загрязнений с темпами производства работ по перерабатываемым отходам от 12 до 65 тыс. т в год на одну установку. При этом обеспечивается достаточно высокий уровень экономической эффективности работ, до 500-1000 руб./т, в зависимости от вида перерабатываемых отходов, за счет реализации полученной от переработки отходов топливной продукции.

Анализ состояния проблемы, результаты оценки уровня вредного воздействия на окружающую природную среду, оказываемого скоплениями углеродсодержащих отходов и уровень их вторичного использования, позволяют определить два основных направления развития энергетики: снижение уровня производства отходов за счет совершенствования технологий и рациональной переработки растительных ресурсов; поиск рациональных составов топлива и внедрение новых технологий переработки вторичного углеродсодержащего сырья (отходов), основным результатом которых является получение брикетов с заданными потребительскими свойствами.

Перспективность использования брикетного топлива в будущем будет зависеть от его цены в соотношении с ценами на традиционные энергоносители [38]. Примером для прогнозного расчета стоимости топливных энергоресурсов был выбран Северо-Запад России, удаленный от месторождений традиционных энергоресурсов на тысячи километров, что предопределило целесообразность вовлечения в топливный баланс местных видов топлива, которые здесь представлены горючими сланцами, торфом и отходами лесной промышленности. Непосредственно для Ленинградской области был выполнен прогноз цены на некоторые марки энергетических углей Печорского и Кузнецкого бассейнов, учитывающих два варианта развития угольной отрасли [39,41].

На этом фоне значительные перспективы в замещении традиционных видов топлива имеет коммунально-бытовое брикетное топливо на основе отходов углеобогащения и отходов переработки древесины. Стоимость брикетов из древесины с учетом доставки и подготовки к сжиганию по проектным расчетам составляет 450 руб./т. Прогнозная цена на биотопливо, рассчитанная с учетом дефлятора Минэкономразвития для торфяной промышленности (1,692) до 2015 г. и далее методом экстраполяции позволяет оценить её нижний уровень (пессимистический вариант развития).

Значительно расширяются рамки использования местных видов первичных энергоносителей и их отходов при облагораживании и переработке в брикетное топливо.

Оценивая различные первичные ресурсы топлива очевидна перспективность использования для получения энергии местных видов традиционного топлива.

Учитывая колоссальные запасы древесины в РФ (20% от мировых) эффективность использования этого ресурса на данный момент не соответствует возможностям государства.

Экономическая эффективность внедрения в топливный баланс регионов нового вида топлива на основе отходов твердых органических достигается за счет использования местных источников энергии, ликвидации свалок и полигонов складирования некондиционного сырья, снижения зависимости от привозного топлива, а также стабилизации цены на тепловую энергию.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поставленная цель научно-исследовательской работы - повышение энергетической безопасности малых производственных объектов и ресурсосбережение традиционных источников энергии за счет получения топливных гранул из низкокалорийных органических отходов, реализована проведение теоретических исследований технологий переработки твердых органических отходов, разработкой экспериментальных лабораторных образцов, проведение экспериментов по разработки рациональных технологических решений, оценкой нормативной документации и сопоставление полученных результатов, а также математической обработкой данных современными компьютерными программами.

В научно-исследовательской были решены следующие научные задачи:

- проведены анализы объёмов ежегодного накопления органических отходов Санкт-Петербурга и Ленинградской области;

- обоснованы рациональный состав и рецептуры приготовления топливных гранул на основе органических отходов;

- получены образцы готовой продукции - топливные гранулы;

- разработано описания технологического режима переработки органических отходов в топливные гранулы;

- подготовлено экономическое обоснование технологического режима получения топливных гранул.

При поддержке субсидии Правительства Санкт-Петербурга молодым ученым, молодым кандидатам наук вузов и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, результаты работы опубликованы в 4 статьях. Получен патент на изобретение РФ № 2540349 от 10.02.2015 на способ получения органического удобрения.

Результаты работы были доложены на заседании научно-технического совета Горного университета, где было отмечено, что они соответствуют техническому заданию и календарному плану, а также ГОСТ 7.32-2001.

Разработанный комплекс организационно-технологических решений, по созданию предприятия - объекта переработки твердых горючих органических отходов опережает применяемые в отечественной практике, и находиться на уровне результатов разработок передовых зарубежных исследовательских коллективов.

Практическая ценность результатов Проекта для Санкт-Петербурга заключается в новым подходе к решению проблемы переработки твердых органических отходов и их составляющей в бытовых отходах, что входит в круг важнейших задач решаемых Правительством Санкт-Петербурга по созданию мусороперерабатывающих заводов и получению готовой продукции, а также позволит обеспечить крупные промышленные предприятия города (судостроительные, машиностроительные, деревообрабатывающие комплексы, мебельные фабрики и столярные мастерские), в результате деятельности которых ежедневно образуется от 5 до 40 м³ отходов, дополнительными топливными ресурсами пригодными для применения в условиях городской среды.

Результаты работы над проектом доложены на 2-х международных и 1 российской конференции.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Пахненко, Е. П. Осадки сточных вод и другие нетрадиционные органические удобрения: учебное пособие. - М.: Бином, Лаборатория знаний, 2007. - 311 с.

2 Богатырев, С. М. Экологическая оценка эффективности использования осадка сточных вод в качестве удобрений в условиях Курской области: дис. ... канд. с-х. наук. - Курск, 1999 г.

3 Рынок энергетических углей России: информационно-аналитический обзор. - М.: ЗАО ”Росинформуголь” - 2005.

4 Дворкин, Л.И. Промышленные отходы как источник ресурсосбережения в производстве строительных материалов. Экотехнология и ресурсосбережение / Л.И. Дворкин, О.Л. Дворкин, Д.А. Корнейчук .- 1997 - № 6.

5 Воробьев, А.Е. Человек и биосфера. Основы взаимодействия, эволюция и самоорганизация / А.Е. Воробьев. - М.: Изд-во МГГУ - 1998.

6 Нифонтов, Ю.А. Рациональное использование отходов обогащения угля и снижение экологической напряженности при разработке месторождений Севера России - Ю.А. Нифонтов. - СПб., РИО СПГГИ (ТУ) - 2000.

7 The Largest Wood-Fired Electric Generating Station in the World // Burlington Electric Department. Vermont. - 1989.

8 Badu, S.P., Bain, R.L., Craig, K. Thermal gasification of Biomass technology development in U.S.A. // Seminar on Power Production from biomass II. Espoo, Finland, 27-28 march - 1995.

9 Wood chips for energy production. Technology Enxironment-Economy // The Centre of Biomass Technology (Denmark) - 1993.

10 Salo, K., Keranen, H. Biomass IGCC // Seminar on Power Production from biomass II. Espoo, Finland, 27-28 march. - 1995.

11 7-th European Conference on Biomass for Energy and Environmental, Agricultural and Industry Abstracts. Florence. - 1992.

12 Kjelstrom, B., Lindqvist and Lundberg S. Recent Swedish experiences with operation of vehicles on wood and charcoal gas // The Beijer Institute.

13 Базин, Е.Т. Технический анализ торфа / Е.Т. Базин, В.И. Косов и др. - - М.: Недра, 1992. - 431с.

14 Косов, В.И. Торф и сапропель - мощный энергетический и геоэкологический потенциал России. Разведка,добыча, переработка полезных ископаемых / В.И. Косов. - Вестник XXI, РАЕН, М.: Интермент Инжиниринг, 2005.- С.212-223.

15 Косов, В.И. Торфяно - болотные системы в экосфере (интеграция техносферы с биогеосферой ) / В.И. Косов, В.В. Панов. - Тверь. ТГТУ. - 2001. - 188с.

16 Энергетическая стратегия развития России на период до 2020 года. Постановление Правительства РФ № 1234 - р от 28.08.03. Российская Бизнес - газета. № 38 (428) сентябрь 2003г.

17 Климов, С.А. Комплексное использование горючих сланцев / С.А. Климов, Г.Б. Фрайман, Г.П. Грузинов, Ю.В. Шувалов. - Липецк, Липецкое изд-во - 2000.

18 Доктрина развития Северо-Запада России. / под руководством П. Щедровского. - СПб.: Издательский Дом «Corvus», 2001. - 36 с.

19 Статистика пространственного развития. Том I. Система расселения Северо-Запада России./ Под руководством Ю. Перелыгина. - СПб.: Издательский Дом «Corvus», 2002. - 96 с.

20 Бенин, А.А. Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов Северо-Западного региона / А.А. Бенин, Ю.В. Шувалов. - СПб.- 2002 - 238 с.

21 Брикетирование углей и углеродистых материалов. М., «Недра», 1973, с. 156.

22 Менковский, М.А. Связующие вещества в процессах окускования горных пород. М., «Недра», 1977. 183 с.

23 Патент № 2024594 РФ, Способ изготовления топливных элементов с продольной выемкой, заполненной зажигательным составом, и устройство для его осуществления / Ю.Д. Тарасов, В.Б. Кусков. 1994. Бюл. № 23

24 Патент № 2006116211 РФ, Устройство для изготовления топливных элементов трубчатого сечения / Ю.Д. Тарасов, В.Б. Кусков. 1996. Бюл. № 12.

25 Патент № 2057023 РФ, Роторный пресс для изготовления брикетов / Ю.Д. Тарасов, А.М. Пономарев. 1996. Бюл. № 9.

26 Амерханов, P.A. Оптимизация сельскохозяйственных энергетических установок с использованием возобновляемых видов энергии. М.: Колос. 2000. 159-238.

27 Баадер, В. Биогаз теория и практика /Доне Е., Бренндерфер М. Пер. с нем. и предисловие М.И. Серебряного. М.: Колос, 1982. 148 с.

28 Баутин, В.М. Энергетика для села /Лазовский В.В.М.: ФГНУ. Росинформаг- ротех. 2002. 183с.

29 Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде: Справочник. - Л.: Химия, 1985. - 528 с.

30 Бульбашев, А.П. Рациональная организация добычи полезных ископаемых в карьерах со сложными условиями труда горнорабочих/ Гаспарьян Н.А., Ковшов С.В., Никулин А.Н., Смирнов Ю.Д., Шувалов Ю.В.. - СПб: МАНЭБ, 2009. - 464 с.

31 Бульбашев А.П., Шувалов Ю.В. Рациональные технологии освоения месторождений строительных материалов. - СПб.: МАНЭБ, 2000. - 234 с.

32 Защита окружающей среды от техногенных воздействий. Учебное пособие / Под ред. Г.В. Невской. - М., 1993.

33 Игонин А.М. Дождевые черви: как повысить плодородие почв в десятки раз, используя дождевого червя-«старателя». Ковров: «Маштекс». 2002. 192 с.

34 Измалков А.В. Экологический риск и безопасность при техногенных преобразованиях недр в процессе производства. - М.: ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского, 2004. - 494 с.

35 Капелькина Л.П. Экологические аспекты оптимизации техногенных ландшафтов. - СПб.: Наука, ПРОПО, 1993.

36 Кирюшатов А.И. Использование нетрадиционных возобновляющихся источников энергии в сельскохозяйственном производстве. М.: Агропромиздат, 1991.96 с.

37 Контроль химических и биологических параметров окружающей среды. Под ред. Исаева Л.К. - СПБ.: Эколого-аналитический информационный центр «Союз», 1998. - 896 с.

38 Малышев Ю.Н., Айруни А.Т., Куликова Е.Ю. Физико-химические процессы при добыче полезных ископаемых и их влияние на состояние окружающей среды. - М.: Академия горных наук, 2002.

Размещено на Allbest.ru