Обоснование конструктивных и технологических параметров фракционирования древесной щепы на оборудовании с поэтажной компоновкой сит

Данная работа: посвящена, обоснованию рекомендаций по совершенствованию технологии и модернизации, оборудования" для фракционирования древесной щепы методом рассева. В качестве: оборудования рассмотрены наиболее распространенные в иасюящес время установки, на которых для рассева? используются? плоскиенаклонные: сита при поэтажной их: компоновке: Для5обоснования предлагаемых, расчётных соотношений1 и методик расчета используются результаты экспериментальных исследованийи методы математического моделированиянаправленные на уточнение конструктивных и технологических параметровобеспечивающих более высокую производительность оборудования и требуемое качество фракционирования: (сортировки) древеснойщепы по крупности/частиц. Результаты работы после их адаптациимогут быть использованы в исследованиях по.< совершенствованию технологии фракционирования не только древесной щепы, но и других сыпучих и гранулированных материалов, частицы которых различаются крупностью.

Характеристика проблемы, цель и методы? исследования. Актуальность работы: Древесная щепа как результат переработки: круглых лесоматериалов производится в больших количествах и потребляется на целлюлозно-бумажных комбинатах (ЦБК). Так, только три. ЦБК в республике Карелия в городах Кондопога, Питкяранта и Сегсжа рассчитаны на ежегодную переработку примерно трёх миллионов куб. м круглых лесоматериалов, после очистки: от коры поступающих в виде балансов, на рубительные машины для, получения щепы, определенная фракция которой после сортировки по крупности частиц используется для варки целлюлозы. Щепа используется также в качестве биотоплива и в-других целях. Имеет место тенденция к росту объемов производства и потреблениящепы в России и в других странах [http://timber.unece.org].

Необходимым? звеном в технологии, подготовки щепык — дальней— шему использованию является фракционирование (сортировкасортирование) по крупности" частиц, что осуществляется1' на ЦБК методом рассева? на оборудовании" поэтажной комiюiювкой сит и производительностью, например, от 150 до 950 насыпных куб. м в час при извлечении до 90% некондиционных фракций [www.pbm.onego.ru]. Технико-экономические характеристики данного оборудования? зависят от свойств щепы, как сыпучего материала, от характеристик движения ситового короба и других параметров. Большие объемы производства щепы, новые требованияк качеству продукции, энергосбережению и рациональному природопользованию предопределяют актуальность исследований многоплановойпроблемысовершенствования указанной технологии-и модернизации оборудования;

Данная проблема, включает в себя ряд задачу предполагающих для своего решениягприменение экспериментальных методов и: методов" математического моделирования1 изменений характеристик, щепы: в: процессе рассева. Однакоосновное внимание в публикацияхвключая представленные в Интернет-ресурсах, фокусируется на исследованиифракционирования (сепарирования, сортировки) других сыпучих материалов (зерно ш продукты его переработки, рудные и: нерудные материалы, семена). В значительно меньшей степени изучены закономерности фракционирования древесной щепы. Существенные различиятехнологий" переработкии свойств сыпучих материалов неизбежно отражаются в особенностях методик, расчета. Применительно к проблеме фракционирования щепы актуальны задачи обоснования расчетных формул, которые обеспечили бы достаточную адекватность результатов расчетов при совершенствования технологии сортировки щепы и модернизации оборудования с поэтажной компоновкой сит.

Цель работы: повышение эффективности фракционирования древесной щепы на оборудовании с поэтажной компоновкой сит путём экспериментального исследования и математического моделирования при решении задач по обоснованию конструктивных и технологических параметров.

Задачи, решение которых необходимо для достижения данной цели:

Выполнить анализ литературы по развитию технологии и методов расчета, известных в данной области прикладных исследований.

2. Разработать методику расчета изменений концентрации частиц кондиционной (некондиционной) фракции и эффективности фракционирования.

3. С применением разработанной методики исследовать закономерности фракционирования щепы на системе сит. Оценить влияние соотношения длины сит верхнего и нижеследующего ярусов на эффективность фракционирования проходных частиц в надрешётном продукте.

4. Экспериментально исследовать влияние конструктивных и технологических параметров на производительность оборудования и качество технологической щепы (на примере установки СЩ-120).

5. На основе полученных результатов обосновать выводы и рекомендации по изменению рабочей длины сит верхнего и нижнего ярусов с целью повышения качества технологической щепы и по определению толщины слоя щепы на верхнем сите для обеспечения заданной производительности.

Объект исследования: технологический процесс и модель фракционирования щепы методом рассева на системе сит.

Предмет исследования: закономерности влияния технологических и конструктивных параметров на изменение фракционного состава щепы в процессе рассева и возможности повышения эффективности фракционирования с обеспечением заданной производительности оборудования.

Теоретической и методологической работы" являются) труды отечественных и, зарубежных авторов, в которых обосновываются методы расчета, методики экспериментальных исследований и направления совершенствования технологии* фракционирования (сортировки) щепы и других близких по свойствам сыпучих материалов.

Методы исследования. При решении комплекса поставленных задач использовались: экспериментальные испытанияv установок для фракционирования щепы, лабораторные методы определения гранулометрического состава древесной’щепы, методы математического-моделирования процесса рассева сыпучих материалов. Численные результаты моделирования, решения модельных технологических задач и обработка экспериментальных данных получены с применением Microsoft Excel.

Научная новизна в данной прикладной области характеризуется тем, что:

1. По итогам изучения современных технологий фракционирования щепы предложен вариант физической модели рассева щепы как сыпучего материала, частицы которого различаются крупностью.

2. С использованием предложенной физической модели разработана новая^ методика расчета изменений концентрации частиц кондиционной фракции и эффективности фракционирования, отличающаяся тем, что, с целью уменьшения объема исходных данных и упрощения расчета конструктивных и технологических параметров, вычисления сведены к решению логистического уравнения, а для оценки эффективности рассева использована относительная концентрации проходных частиц в надрешётном продукте.

3. С применением разработанной методики расчета обосновано техническое решение по модернизации оборудования с поэтажной компоновкой сит, в котором путем изменения соотношения рабочей длины сит верхнего и нижеследующего ярусов достигается повышение эффективности-рассева и качества технологической щепы без уменьшения производительности оборудования.

4. Экспериментально исследовано влияние толщины слоя фракционируемой щепы и угла наклона прямоугольных сит на производительность оборудования, что позволяет прогнозировать продолжительность и качество технологической щепы на ЦБК.

5. Полученные результаты могут быть адаптированы к дальнейшим исследованиям по модернизации оборудования для рассева достаточно широкого класса сыпучих материалов, частицы которых имеют одинаковую плотность, но различаются крупностью (песок, щебень и т. д.).

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки задачи с использованием для решения закона сохранения массы и других общепринятых положений. Достоверность результатов работы подтверждена известными по литературе данными расчетов и испытаний, в том числе выполненными в реальных условиях на ЦБК.

Практическая значимость работы определяется созданием методики решения достаточно широкого класса технологических задач о фракционировании сыпучих материалов по крупности частиц, которая может быть использована в организациях, занимающихся модернизацией существующего и проектированием нового оборудования.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Обоснование физической модели рассева древесной щепы как сыпучего материала, частицы которого различаются только крупностью.

2. Методика расчета изменений концентрации частиц кондиционной (некондиционной) фракции и эффективности рассева.

3. Обоснование технического решения по модернизации оборудования с поэтажной компоновкой сит, в котором путем изменения соотношения рабочей длины сит верхнего и нижеследующего ярусов обеспечивается повышение эффективности рассева и качества технологической щепы без уменьшения производительности оборудования.

4. Результаты экспериментов по исследованию влияния толщины слоя фракционируемой щепы и угла наклона сит на производительность оборудования.

5. Рекомендации, обеспечивающие повышение эффективности рассева и улучшение качества технологической щепы на ЦБК.

Апробация работы осуществлена на следующих конференциях:

Ежегодная научная конференции Санкт-Петербургской лесотехнической академии (2007 г.);

Третья международная научно-практическая Интернет-конференция «Леса России в XXI веке», (http://ftacademy.ru, СПбГЛТА, 2010 г.);

VII Всероссийская научная конференция «Математическое моделирование и краевые задачи», (Самарский гос. техн. университет, 2010);

Международная научно-техническая конференция «Наука и обра-зование-2010». (Мурманск, МГТУ, 5−9 апреля 2010 г.).

62-я научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных ПетрГУ (2010 г.);

Семинары кафедры целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих производств ПетрГУ (2009;2010 г.).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в шести работах, их них две статьи в издании, указанном в перечне ВАК РФ.

Часть работы, связанная с обоснованием расчетных соотношений, выполнена при поддержке РФФИ (проект 08−08−979, руководители В. Н. Бакулин, Г. Н. Колесников).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Анализ публикаций и Интернет-ресурсов по теме выполненного исследования показал, что объемы выпуска и потребления древесной щепы в России и в других промышленно развитых странах имеют тенденцию к росту [http://timber.unece.org]. В’этой связи актуальной является проблема совершенствования технологии и модернизации оборудования для переработки щепы с учетом современных требований к рациональному природопользованию, экономии энергии, других материальных ресурсов и затрат труда. Данная проблема включает в себя ряд задач, предполагающих для своего решения применение экспериментальных методов и методов математического моделирования. Анализ литературы показал, что основное внимание авторов фокусируется на исследовании фракционирования (сепарирования, сортировки) таких сыпучих материалов, как зерно и продукты его переработки, рудные и нерудные (строительные) материалы. В существенно меньшей степени исследованы закономерности фракционирования1 древесной щепы. Таким образом, устойчивая тенденция увеличения производства и потребления древесной щепы, новые требования к экономии ресурсов и" к качеству продукции, а также недостаточная изученность закономерностей фракционирования данного материала предопределяют актуальность темы выполненного исследования.

2. Цель работы определена с учетом достигнутого к настоящему времени уровня в данной области прикладных исследований, отраженных в работах отечественных и зарубежных авторов. Целью является повышение технико-экономической эффективности оборудованияс плоскими решетами для фракционирования древесной щепы методом рассева путём экспериментальных исследований и применения методов математического моделирования, направленных на уточнение конструктивных и технологических: параметров, обеспечивающих повышение производительности оборудования: и качества фракционирования^ щепы по крупности частиц. Обзор работ по совершенствованию технологии и модернизации оборудования* для* фракционирования древеснойщепы методом рассеваприведен в первой главе диссертацииПринятые во внимание, публикацию приведены в списке литературы, который включает в себяв общей' сложности 107 наименований статей, книг и Интернет-ресурсов.

3. Во введении и в первой главе диссертации выполненанализ тенденций совершенствования технологии и модернизации оборудования для получения и фракционирования древесной щепы, определены проблема и цель исследования. Сформулированы, задачи, решение которых необходимодлядостиженияцели работы. Необходимость решения данных задач вызвана, наряду с указанными выше причинами, громоздкостью формул и, как, следствие, сложностью известных методик* расчета технологических параметров! рассева, ориентированныхна применениедостаточно узкого класса задач: При этом задачи ' фракционирования древесной — щепы > исследованы в существенно меньшей степенипо сравнению с задачами, фракционирования (сепарирования, сортировки, классификации) зерна, и продуктов его переработки, рудных и нерудных-материалов, угляи других сыпучих материалов. По этой причине становится невозможнымприменение для анализа технологии! рассева древеснойщепы методик, разработанных для других сыпучих материалов.

4. В целях преодоления появляющихся в этой связи затруднений во второй главе диссертации предложен и обоснован новый в данной области прикладных исследований подход к построению расчетных формул, отличающийся тем, что, с целью уменьшения объема исходных данных, обеспечения достаточной точности и упрощения расчета при прогнозировании изменений гранулометрического состава фракционируемой щепы, вычисления сведены к решению уравнения Ферхюльста. С использованием разработанной методики уточнены данные о закономерностях технологического процесса фракционирования щепы методом рассева. Получены соотношения для-оценки влияние длины сита на процесс фракционирования, предложены характеристики эффективности’технологии и качества рассева, рассмотрен вопрос об изменении толщины" слоя частиц надрешётного продукта в процессе фракционирования, приведены характеристики скорости технологического процесса. Адекватность результатов вычислений по предлагаемой* методике подтверждена их согласованностью с известными по литературе данными, полученными другими авторами в данной области прикладных исследований.

5. К наиболее важным результатам второй главы следует, как показала апробация и консультации со специалистами, отнести результаты моделирования рассева древесной щепы на системе двух сит и вывод о возможности" повышения качества рассева путём изменения соотношения’длины сит (отношение длины верхнего сита к длине нижеследующего сита предлагается установить в пределах от 0,8:1,0 до 0,7:1,0). Например, при длине ситового короба, равной 2 м, наиболее простой путь решения’данной задачи заключается-в изменении конструкции верхнего сита путем' замены его финишного участка длиной 0,5 м стальным листом такой же толщины, но без отверстий. В этом случае, как показывает решение модельных технологических задач и анализ производственного опыта, удается по сравнению с существующей технологией, уменьшить, содержание мелких некондиционных частиц в технологической щепе, что имеет существенное значение для повышения уменьшения затрат ресурсов при варке целлюлозы и для повышения её качества.

6. Принимая во внимание сложность объекта исследования и приближенный характер известных и предлагаемых методик расчета, были выполнены эксперименты с целью уточнения взаимосвязи между конструктивными и технологическими параметрами оборудования для фракционирования щепы на примере установки СЩ-120. Характеристика оборудования, использованного при испытаниях в условиях реального производства на целлюлозно-бумажном комбинатеметодика испытаний, условия проведениям испытаний, полученные результаты, выводы, и рекомендации’по результатам^ данной1 части диссертации представлены в третьей главе диссертации. При" этом к числу наиболее важных для практического применения-в" соответствии с целью диссертационного исследования следует отнести рекомендации по ограничению амплитуды колебаний ситового короба в пределах от 40 до 60 мм, по частоте колебаний в пределах от 120 до 260' 1/мин, по углу наклона сит в пределах от 5 до 11 градусов, по минимальной толщине слоя" щепы на верхнем сите (80 мм). Модернизация исследованного оборудования в соответствии с этими рекомендациями позволит получить эффект за счет улучшения качества продукта и уменьшения' отходов.

7'. Достоверность результатов, полученных с использованием, предложенных методик, проверена путем решения модельных технологических задач и сравнением с экспериментальными и расчетными данными, полученными как диссертантом (при методологической поддержке-профессора, д.т.н. С.Б. Васильева), так и другими авторами, публикации4 которых известны по литературе.

8. Практическая значимость работы определяется созданием достаточно эффективной методики решения задачи о фракционировании сыпучих материалов по крупности частиц, которая может быть использована в организациях, занимающихся модернизацией существующего и проектированием нового оборудования для фракционирования щепы и (после адаптации методики) других сыпучих материалов (песок, щебень, руда, уголь и т. д.). Применение результатов работы позволяет обосновать рекомендации по улучшению качества фракционирования сыпучих материалов и повышению производительности оборудования.

9. Основное содержание диссертационной работы представлено в пяти публикациях [18], [20], [21], [47], [48], в том числе в двух статьях в журнале, указанном в перечне ВАК РФ [21], [47]. Публикации [18], [20], [21] представлены также в виде Интернет-ресуросов по адресам: www.ftacademy.ru/UserFiles/izvl 89. pdfhttp://www.ftacademy.ru/- http://matmod.ucoz.ru/load/0−0-0−764−20.

10. Анализ и обсуждения результатов работы показали, что целесообразно их использование в учебном процессе на лесоинженерном факультете Петрозаводского государственного университета при подготовке специалистов с высшим техническим образованием, аспирантов, а также при переподготовке и повышении квалификации специалистов проектных организаций и производственных предприятий, область деятельности которых связана с совершенствованием технологии фракционирования древесной щепы и модернизацией соответствующего оборудования с учетом современных требований рационального природопользования.