Модуль 1. Биоэнергетика в лесном комплексе Практическая работа № 1. Производство, транспорт и хранение древесной биомассы

Цель: Определение объемов древесных отходов

Содержание работы: определить объемы заготовок древесины по сезонам года, по породам и годовые объемы потенциальных ресурсов древесных отходов на лесосеках и на погрузочных пунктах;

1. определить годовые объемы реальных ресурсов древесных отходов, перерабатываемых на щепу;

2. определить годовые и сменные объемы заготовки и переработки древесного сырья на щепу по операциям на лесосеках или на пог­рузочных пунктах;

3. обосновать выбор машин и механизмов для производства щепы на лесосеке или на погрузочном пункте и рассчитать их сменные про­изводительности;

4. определить потребное количество машин, механизмов и рабочих;

5. составить технологическую карту производства щепы на лесосеке или на погрузочном пункте и описать технологический процесс.

1.1 Определение объемов заготовок древесины по сезонам года, по породам и годовых объемов потенциальных ресурсов древесных отходов на лесосеках и на погрузочных пунктах

Объемы заготовки древесины по сезонам года и по породам определяют по формулам:

; (1.1)

; (1.2)

; (1.3)

, (1.4)

где Q_г – годовой объем заготовки древесины, тыс. м³;

Q_з и Q_л – соответственно объемы заготовки древесины в осенне-зимний и весенне-летний периоды года, тыс. м³;

  доля заготовки в осенне-зимний период;

k_i – доля i-й породы в составе лесонасаждения.

К потенциальным ресурсам древесных отходов относятся:

на лесосеках: сучья и ветви, вершинки и обломки стволов, тонкомерные деревья, пни и корни;

на погрузочных пунктах: сучья и ветви, вершинки при острижке воза по габаритам подвижного состава, обломки стволов при погрузке челюстными лесопогрузчиками.

Количество потенциальных ресурсов древесных отходов от объема заготовленной древесины составляет:

• на лесосеках: сучья и ветви при трелевке хлыстов: для ели и пихты – 18 %; сосны – 14 %; березы – 6 %; осины – 8 %; вершинки – 1,5 %; обломки стволов – 3-6,6 %; тонкомерные деревья – 4-5 %; пни – 2-3 %; корни: ели и пихты – 16,5 %; сосны – 11,5 %; березы – 14 % ; осины – 13 %;

• на погрузочных пунктах: сучья и ветви при трелевке деревьев и вывозке хлыстов: для ели и пихты – 12 %; сосны – 7 %; березы – 5 %; осины – 4 %; вершинки при острижке воза – 1,5-2 %; обломки стволов при погрузке челюстными лесопогрузчиками – 2,5 %.

Расчеты объемов заготовок древесины по сезонам года и потенциальных ресурсов древесных отходов сводятся в таблицу 1.1.

1.2 Определение годовых объемов реальных ресурсов древесных отходов, перерабатываемых на щепу

Технологические потери неизбежно снижают объемы реальных древесных отходов. Наиболее доступными для переработки на щепу являются: обломки стволовой древесины, нестрелеванные хлысты, вершинки, сучья и ветви. Объем реальных древесных отходов зависит от ряда факторов: природно-производственных условий, применяемых на лесозаготовках систем машин, времени года проведения лесозаготовительных работ и др.

Объемы реальных древесных отходов, пригодных для производства щепы, от объема заготовок хвойных и лиственных пород составляют:

1. При трелевке хлыстами:

• на лесосеках: сучья и ветви – для ели и пихты – 14 %; для сосны – 10 %; для березы – 4 %; для осины – 5 %; обломки стволов и нестрелеванные хлысты – 6 %; вершинки – 1,5 %;

• на погрузочных пунктах: обломки стволов при погрузке челюстными погрузчиками – 2,5 %; вершинки при острижке воза – 1,5-2,0 %.

2. При трелевке деревьями:

• на лесосеках: обломки стволов и нестрелеванные деревья – 6 %; вершинки – 1,5 %;

• на погрузочных пунктах: сучья и ветви – для ели и пихты – 10 %; для сосны – 6 %; для березы – 3 %; для осины – 4 %; обломки стволов при погрузке челюстными погрузчиками – 2,5 %; вершинки при острижке воза – 1,5-2 %.

Объемы реальных древесных отходов, пригодных для производства щепы Q_щ, определяют отдельно для хвойных и лиственных пород.

Расчеты годовых объемов реальных ресурсов древесных отходов сводятся в таблицу 1.2.

Таблица 1.1 – Годовые объемы заготовок древесины и потенциальных ресурсов древесных отходов

Порода древесины

Объем заготовки, тыс.м3

Потенциальные ресурсы древесных отходов

в осенне-зимний период

в весенне-летний период

итого за год

на лесосеках

на погрузочных пунктах

сучья и ветви

вершинки

обломки стволов

тонкомерные деревья

пни

корни

итого, тыс. м3

сучья и ветви

вершинки

обломки стволов

итого, тыс.м3

всего, тыс.м3

%

тыс.м3

%

тыс.м3

%

тыс.м3

%

тыс.м3

%

тыс.м3

%

тыс.м3

%

тыс.м3

%

тыс.м3

%

тыс.м3

Ель

Сосна

Итого хвойных пород

Осина Береза

Итого лиственных пород

Всего

Таблица 1.2 – Годовые объемы реальных ресурсов древесных отходов

Порода древесины	Годовой объем заготовки, тыс.м3	Потенциальные ресурсы древесных отходов								всего, тыс.м3
		на лесосеках			итого, тыс.м3	на погрузочных пунктах			итого, тыс.м3
		сучья и ветви	вершинки	обломки стволов и нестрелеванные хлысты		сучья и ветви	обломки стволов	вершинки
		% / тыс.м3	% / тыс.м3	% / тыс.м3		% / тыс.м3	% / тыс.м3	% / тыс.м3
Ель
Пихта Сосна
Итого хвойных пород
Береза Осина
Итого лиственных пород
Всего

Таблица 1.3 – Исходные данные

Исходные данные	Номер варианта
	1	2	3	4	5
Годовой объем заготовки, тыс. м3	80	150	125	100	90
Доля зимней заготовки	0,52	0,62	0,53	0,50	0,55
Способ трелевки	деревьями
Породный состав лесонасаждений	7Е2С1Б	8Е1С1Б	7Е1С1Б1Ос	6Е3С1Б	8Е2Б
Класс товарности лесонасаждений	II	I	III	I	II
Запас леса на 1 га, м3	200	180	210	240	260
Размеры лесосек, м	300х900	350х500	400х750	400х800	450х600
Место производства щепы: из лесосечных отходов из низкокачественной древесины и отходов раскряжевки	на погрузочном пункте на нижнем складе
Средние размеры низкокачественной древесины: вершинный диаметр бревна, см длина бревна, м	14 6,5	28 5,0	30 4,5	26 5,0		32 3,5

Продолжение таблицы 1.3

Проектируемый цех (участок)	производство коры для дубильных экстрактов	Производство кормовых добавок	Производство щепы на лесосеке		Производство щепы на погрузочном пункте	Производство хвойно- витаминной муки
Исходные данные	Номер варианта
	6	7	8		9	10
Годовой объем заготовки, тыс. м3	65	135	100		75	110
Доля зимней заготовки	0,60	0,54	0,56		0,58	0,65
Способ трелевки	деревьями				хлыстами
Породный состав лесонасаждений	4Е3С3Б	4Е4П2Б	5Е4П1Б		4С4П2Ос	6С2П2Б
Класс товарности лесонасаждений	II	III	II		I	II
Запас леса на 1 га, м3	250	230	280		190	220
Размеры лесосек, м	350х850	300х600	350х850		450х650	300х600
Среднее расстояние вывозки, км	65	125		85	110	75
Место производства щепы: из лесосечных отходов из низкокачественной древесины и отходов раскряжевки	на погрузочном пункте на нижнем складе				на лесосеке на нижнем складе
Средние размеры низкокачественной древесины: вершинный диаметр бревна, см длина бревна, м	36 4,0	26 5,5	22 6,5		16 6,0	28 4,0

Контрольные вопросы

1. Каких отходов образуется больше всего при обработке древесины?

2. Какие древесные отходы не входят в объем заготовленной древесины и относятся к сверхбалансовым?

3. Какой вид обработки древесины дает максимальное количество отходов?

4. Чем различаются кора и древесина по химическому составу?

5. Какие органические вещества входят в структуру опилок?

Практическая работа № 2. Газогенераторные установки

Цель работы: Изучение конструкции и принципов работы газогенераторных установок

Содержание работы:

1. Газогенераторы с прямым процессом газификации

2. Газогенераторы с обращенным процессом газификации

2.1 Газогенераторы с прямым процессом газификации

Газогенератор с прямым процессом газификации представляет собой шахту, в ниж­ней активной зоне которой в ре­зультате взаимодействия раскален­ного угля и кислорода вдуваемого воздуха происходит газификация угля.

На рисунке 2.1 представлено его схематическое устройство. Важной особенностью газогене­раторов является способность ра­ботать практически на любом виде древесных отходов. В качестве топ­лива для них могут применяться вет­ви, сучья, кора, древесная щепа, дрова, обрезки, опилка, стружка, а также кусковой торф и сланцы.

Рисунок 2.1 – Газогенератор с прямым процессом газификации: 1 -топливо; 2-швельшахта; 3-камера газообразования; 4- зольник; 5-пер-вичный воздух; 6-реактор, 7-колосниковая решетка; 8-труба горения; 9-котел, 10-камера возгорания; 11-вторичный воздух.

Обычно считают, что по усло­виям теплового баланса нормаль­ный процесс газификации обеспе­чивает древесиной с влажностью не выше 40%. При этих условиях теп­ла, выделившегося в активной зоне газогенератора, хватает для под­сушки и разложения древесины. При увеличении влажности древесины сверх этого предела тепла уже не хватает. Увеличить количество теп­ла, поступающего в верхние зоны газогенератора, можно за счет сжи­гания (до СО₂) части углерода, по­ступающего в активную зону, что повышает содержание углекислоты в газе. Естественно, что теплотвор­ная способность такого генератор­ного газа будет ниже.

При понижении влажности пе­рерабатываемой древесины умень­шается количество тепла, которое необходимо вводить в швельшахту, и потому часть газов активной зоны можно вывести из газогенератора, минуя швельшахту, что и произво­дится в газогенераторах с двойным отбором газа.

В нормальных условиях терми­ческое разложение древесины в газогенераторе происходит при высокой температуре. Выделивши­еся продукты разложения потоком генераторного газа быстро выно­сятся в более холодные верхние зоны и потому разлагаются незна­чительно. Но если в активную зону попадает недостаточно просушен­ная и подготовленная древесина, ее термическое разложение будет про­исходить в этой зоне при очень вы­соких температурах, выделившиеся продукты под влиянием высокой тем­пературы и от соприкосновения с раскаленным углем в значительной степени разложатся и выход их рез­ко уменьшится.

Помимо смеси газов, образую­щихся в активной зоне при терми­ческом разложении древесины, из газогенератора выводятся также пары различных продуктов, получен­ных при карбонизации топлива. При газификации древесины смешанных пород в швельшахте газогенерато­ра выделяются продукты, количество которых на 1 кг абсолютно сухого вещества охарактеризовано в сле­дующей таблице.

Таблица 2.1. - Выход продуктов из швельшахты газогенератора при газификации древесины

Наименование	Теплотворная способ­ность, ккал*ч/кг	Количество, кг
Уголь древесный	7605	0.3065
Смола	7260	0.1300
Швельгаз	3613	0.2805
Кислоты	1500	0.0280
Спирты	5310	0.0050
Альдегиды, эфиры. кетоны	3640	0.0010
Вода разложения	-	0.2400

Таблица 2.2 - Тепловой баланс разложения древесины в швельшахте газогенератора

Наименование продукта	Приход, ккал	Расход, ккал
Древесина абсолютно сухая	4670	-
Смола	-	945
Уголь древесный	-	2330
Неконденсирующиеся газы	-	1013
Кислоты	-	98
Спирты	-	27
Альдегиды, эфиры, кетоны	-	36
Тепло разложения (по разности)	-	221
Всего	4670	4670

Из приведенных данных видно, что процесс газификации древеси­ны протекает в определенной последовательности, которую можно выразить следующей схе­мой.

1. Загруженная в газогенератор древесина подсыхает в швельшахте за счет тепла, вносимого из зоны термического разложения древесины и активной зоны. Если относительная влажность древеси­ны была 40% на 1 кг абсолютно сухого вещества, в зоне сушки выделится 0,667 кг водяных паров.

2. Несколько ниже выделяются про­дукты термического разложения древесины, которые все (за ис­ключением древесного угля) будут выносится газом, поступающим из актив ной зоны.

3. В активной зоне древесный уголь превратится в газ, которого получится около:

0,9 * 5,38 * 0,306 = 1,74 м³

где 0,9 - доля углерода в дре­весном угле;

5,38 - выход газа из 1 кг угле­рода,

0,306 - выход угля из 1 кг дре­весины.

4. К этому газу прибавится газ от разложения топлива в количестве 0,187 м³ и, следовательно, всего газа будет получено 1,927 м³.

Тепловая сторона процесса может быть охарактеризована следующим образом. При про­изводстве воздушного газа, то есть газа, полученного в газоге­нераторе на одном воздушном дутье без присадки водяного пара, КПД процесса гази­фикации можно принять равным 0,7, то есть около 70% потенци­ального тепла древесного угля можно получить в виде потенци­ального тепла газа, образующе­гося в нижней активной зоне. В нашем случае это будет 2330x0,7=1631 ккал.

Теплотворная способность сы­рого генераторного газа, ккал, получен­ного из 1 кг абсолютно сухой дре­весины, составится из следующих величин : газа разложения древесины - 1031; смолы - 945; кислот - 98; спиртов - 27; альдегидов, кетонов, эфиров - 36; всего - 3750 ккал.

Это количество составляет око­ло 80% теплотворной способности абсолютно сухой древесины, поте­ри в окружающую среду и т.д.

При охлаждении и сушке сыро­го генераторного газа из него прак­тически удаляются вода, смолы, кислоты, спирты, альдегиды, кетоны, эфирных масел. Холодный очищен­ный генераторный газ содержит по­тенциального тепла: 1631 + 1013 = 2644 ккал; при сжигании древеси­ны с относительной влажностью 40% в расчете на 1 кг абсолютно сухого вещества получается 3960 ккал. Отсюда видно, что потери тепло­творной способности топлива при извлечении химических продуктов составляют 33%.

Сырой генераторный газ, по­лученный из влажной древесины (w = 40% отн.), при сжигании мо­жет дать около 95% тепла, разви­ваемого исходным топливом при его прямом сжигании. Это объяс­няется тем, что тепло, выделенное в активной зоне газогенератора, расходуется в швельшахте на под­сушку древесины и, следователь­но, не теряется.

При прямом сжигании древеси­ны той же влажности равное коли­чество тепла будет израсходовано на испарение воды.

Надо отметить, что при сжига­нии сырого генераторного газа вследствие большого содержания в нем водяных паров нельзя достичь высоких температур. Если же газ охладить и очистить, удалив из него основную массу водяных паров, то можно сжигать около 67% тепла, полу чаемого при прямом сжигании исходного твердого топлива, так как вместе с водяными парами из газа удаляются и горючие химические продукты (смола, кислоты и т.д.).

Газогенератор с прямым процес­сом газификации, изображенный на рисунке 2.1 пред­назначен в основном, для газифи­кации щепы. Современные газоге­нератора такого типа состоят из трёх основных узлов: камеры газо­образования, камеры возгорания и швельшахты Камера газообразова­ния представляет собой металличес­кий корпус, внутри которого раз­мещается собственно камера. Внут­ри неё установлены реактор и колосниковая решётка. В нижней час­ти корпуса расположен зольный ящик. Для розжига газогенератора имеется канал, закрываемый двер­цей с заслонкой для регулирования подачи «первичного» воздуха. На корпусе имеется также фланец для установки топливного бункера.

Камера возгорания представля­ет собой металлический корпус, в котором размещается труба горе­ния. В камере имеется канал с зас­лонкой для регулирования подачи «вторичного» воздуха в трубу горе­ния. Швельшахта представляет со­бой ёмкость, в верхней части кото­рой имеется загрузочное окно, зак­рываемое уплотняемой крышкой, а в нижней - окно для подачи топлива в камеру газообразования. Детали газогенератора, работающие при повышенных температурах, изготав­ливаются из жаростойких материа­лов. Наружные поверхности корпу­сов камер теплоизолируются.

Для повышения эффективности работы газогенератора в одном блоке объединены камера газооб­разования и труба горения. Это значительно снижает потери тепла и упрощает конструкцию по срав­нению с той, в которой подаче газа в горелку котла предшествует его отбор, охлаждение и очистка. Вы­бор такой конструкции позволяет создавать газогенераторы малой мощности.

Присутствие в генераторном газе продуктов, получаемых при тер­мическом разложении древесины, иногда бывает нежелательно.

Если генераторный газ предназ­начается для использования в дви­гателях внутреннего сгорания, в нем не должно быть смол и смолообразующих веществ, так как они обра­зуют нагар на клапанах и в цилин­дре, что нарушает нормальную ра­боту двигателя.

Генератор с обращенным про­цессом показан на рисунке 4.2, где цифрой I показана реакционная зона, а цифрой II - зона су­хой перегонки. Воздух подво­дится в среднюю часть шахты - золь­ники, а газ выводится из нижней части. Зона горения находится в середине шахты; выше нее распо­ложены зоны разложения и сушки топлива. Вверху шахта закрыта крышкой, поэтому по мере продвижения слоя топлива вниз продукты сушки и термического разложения проходят через слой топлива вниз, в зону горения, богатую кислоро­дом. В этой зоне основное количе­ство продуктов термического раз­ложения крекируется и сгорает. Поэтому получаемый генераторный газ содержит незначительное коли­чество смолы и других продуктов, что облегчает его дальнейшую его очистку. Так как пары воды, выде­лившиеся в зоне сушки, полностью попадают в активную зону и в зна­чительной своей части реагируют с углеродом топлива, то во избежа­ние значительного понижения тем­пературы нельзя допускать приме­нения очень влажного топлива. Влажность обычно идущей на топ­ливо чурки не должна превышать 20-25%.

Рисунок 2.2 - Газогенераторная установка с обращенным процессом газификации

Один из анализов генераторно­го газа при газификации древесной чурки в газогенераторе обращен­ного процесса дал следующие ре­зультаты (в объемных процентах): СО2 - 11,0%; 02 - 0,2%; СО -20,5%; Н2 - 16,5%; СН4 -1,0%; М2 - 50,8%. Теплотворная способность этого газа 1130 ккал/м³, а выход из 1 кг рабочего топлива (W=16,7% отн.) - 2,28 м³. Содержание в та­ком газе колеблется от 0,3 до 1,5 г/м в зависимости от режима ра­боты и конструкции газогенерато­ра.