На правах рукописи
Зайцева Мария Игоревна
ОБОСНОВАНИЕ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ
ПЕРЕРАБОТКИ ПОРУБОЧНЫХ ОСТАТКОВ
В КОМПОНЕНТ СУБСТРАТА
ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ СЕЯНЦЕВ С ЗАКРЫТОЙ
КОРНЕВОЙ СИСТЕМОЙ
05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Петрозаводск - 2010
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Петрозаводский государственный университет
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Васильев Сергей Борисович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Цыпук Александр Максимович кандидат технических наук Ивашнев Михаил Валерьевич
Ведущая организация: Московский государственный университет леса
Защита диссертации состоится 24 декабря 2010 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.190.03 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета Автореферат разослан ноября 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Р. В. Воронов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Диссертация посвящена обоснованию технологии переработки порубочных остатков для выращивания сеянцев сосны обыкновенной с закрытой корневой системой. Обоснованы рекомендации по подбору оборудования, технологии его применения с учетом породного, фракционного и объемного состава порубочных остатков лиственных пород в целях наилучшего роста сеянцев сосны обыкновенной с закрытой корневой системой. Работа выполнена с учетом требований рационального природопользования при лесовосстановлении после вырубок, лесных пожаров и при рекультивации земель, карьеров и полигонов складирования отходов.
Актуальность темы. При заготовке круглых лесоматериалов, расчистке воздушных трасс электропередач, нефте- и газопроводов, обочин авто- и железных дрог неизбежно образуются порубочные остатки, в составе которых в большом количестве представлена древесная зелень лиственных пород – березы, ольхи, ивы, осины. При существующих способах переработки древесного сырья полезно используется около половины биомассы дерева.
Согласно Лесному плану Республики Карелия на 2009 – 2018 годы освоение технически доступной древесины будет производиться в объеме 9,9 млн. куб. м. Это приведет к образованию значительного количества порубочных остатков. В условиях Севера органическое вещество порубочных остатков медленно вовлекается в процесс биоконверсии.
Оставленные в лесу порубочные остатки являются источником возникновения лесных пожаров, способствуют размножению энтомовредителей, провоцируют грибные заболевания, что может приводить к ослаблению и гибели лесных массивов.
Проблема рационального лесопользования приобретает комплексный характер, если в дополнение к вышеизложенному учесть, что в современных условиях в Европе обостряется проблема получения лесных ресурсов. По прогнозам дефицит круглого леса в странах Евросоюза в 2015 году составит 77 млн. куб. м. По этой причине становятся все более актуальными вопросы лесовосстановления, в частности технологии получения качественных сеянцев с учетом современных требований рационального природопользования, экономии ресурсов и снижения затрат энергии.
Одним из путей решения проблемы является использование порубочных остатков в комплексе с торфом и другими компонентами для приготовления субстратов, которые необходимы при выращивании сеянцев древесных растений.
Согласно данным «Ведомственной целевой программы «Воспроизводство лесов на территории лесного фонда Республики Карелия» на 2008-2010 годы» для проведения работ по искусственному лесовосстановлению в Карелии ежегодно требуется около 30 млн. сеянцев хвойных пород. Из этого числа более 6 млн. выращивается с закрытой корневой системой в тепличных комплексах. Для выращивания этих сеянцев необходимо постоянное производство субстрата, для приготовления которого используется верховой торф, комплекс минеральных удобрений и доломитовая мука (или иные известковые материалы). При этом ежегодная потребность в субстрате торфа только в Карелии составляет около 200 тонн.
Необходимость снижения потребления торфа обусловлена тем, что, во-первых, его добыча – процесс, требующий больших затрат трудовых и энергетических ресурсов, во-вторых, торф является медленно возобновляемым ресурсом. Если процессы лесозаготовки и лесовосстановления рассматривать комплексно, то затраты, необходимые для добычи или покупки торфа, рационально использовать на переработку отходов лесозаготовки для нужд лесовосстановления. Однако для этого необходима разработка соответствующих технологий и обоснование выбора системы машин и оборудования.
Цель исследования: повышение эффективности утилизации порубочных остатков путем подбора и обоснования параметров измельчающего оборудования для переработки их в компонент субстрата.
Задачи исследования:
1. Подобрать оборудование для доизмельчения древесных частиц до крупности необходимой при изготовлении субстрата.
2. Провести теоретическое исследование закономерностей процесса измельчения древесных частиц, получаемых из порубочных остатков на дисковых мельницах.
3. Провести экспериментальное исследование влияния породы и объёмной доли древесного компонента субстрата на рост сеянцев.
4. Провести экспериментальное исследование на лабораторной установке для определения значения параметров, обеспечивающих наибольший выход древесного компонента субстрата 5. Обосновать рекомендации по технологии использования порубочных остатков лиственных пород при выращивании сеянцев сосны обыкновенной с закрытой корневой системой в условиях защищенного грунта.
Объектами исследования являются технологии переработки порубочных остатков, размола технологической щепы и выращивания сеянцев сосны, а также оборудование для измельчения древесных частиц.
Предметом исследования являются форма размалывающих поверхностей дисков и величина зазора между ними, а также породный состав исходного сырья для получения древесной части и её массовая доля в субстрате.
Методы исследования: экспериментальные исследования на лабораторной установке и в производственных условиях лесопитомника «Вилга» ГУП «Леса Карелии».
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
Определены конструктивно-технологические параметры гарнитурных дисковых мельниц при использовании их для измельчения порубочных остатков в древесный компонент субстрата для выращивания сеянцев сосны обыкновенной с закрытой корневой системой в условиях защищенного грунта.
Разработана и опробована в производственных условиях технология выращивания сеянцев сосны обыкновенной с использованием субстрата, содержащего древесный компонент из порубочных остатков.
Практическая ценность и внедрение результатов работы.
Практическая значимость выполненной работы определяется тем, что применение разработанной и апробированной в условиях Республики Карелия технологии использования порубочных остатков лиственных пород позволяет сократить: потребление торфа на 30%, минеральных удобрений основной заправки на 100% без увеличения расхода доломитовой муки. При этом улучшается качество посадочного материала и сокращается нагрузка на окружающую среду.
Достоверность результатов исследования. Достоверность результатов обеспечивается корректным выбором экспериментальных методов исследований технологических процессов лесопромышленного комплекса, подбором соответствующего лабораторного оборудования, применением лицензионного программного обеспечения, подтверждается статистической обработкой материалов при помощи программной среды Excel, согласованностью результатов теоретических расчетов с результатами экспериментальной проверки.
Основные результаты, выносимые на защиту:
1. Порода и объёмная доля частиц древесного компонента для приготовления субстрата.
2. Тип гарнитур дисковых мельниц, а также зазор между ними, обеспечивающие наибольший выход древесных частиц компонента субстрата.
3. Математические зависимости для определения полезной мощности резания массива древесных частиц, полезного удельного расхода энергии на резание и величину силы, необходимой для перерезывания древесной частицы.
4. Рекомендации по особенностям технологии использования порубочных остатков лиственных пород при выращивании сеянцев сосны обыкновенной с закрытой корневой системой в условиях защищенного грунта.
Апробация работы. Основное содержание и результаты работы были представлены на следующих научных конференциях: Вторая республиканская научно-практическая конференция «Повышение эффективности лесного комплекса республики Карелия» (22 апреля 2010, г. Петрозаводск);
Третья международная Интернет-конференция «Леса России в XXI веке»
(апрель 2010, г. С-Петербург) http://www.ftacademy.ru; Международный симпозиум «Экология 2004» (5 – 12 июня 2004, г. Бургас, Болгария);
Международный симпозиум «Экология 2006», (7 – 14 июня 2006, г. Бургас, Болгария); Международная научно-техническая конференция «Наука и образование 2010» (5 – 9 апреля 2010, г.Мурманск); Седьмая Всероссийская конференция «Математическое моделировании и краевые задачи»
(3 – 6 июня 2010, г. Самара); семинары кафедры целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих производств.
Публикации по теме диссертации. Основное содержание работы
представлено в 10 публикациях из них три в ведущих научных журналах и изданиях, в которых должны быть опубликованы основные результаты диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 137 страниц. Список использованных источников включает 195 наименование.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научные положения, выносимые на защиту, отмечены научная новизна и практическая значимость результатов.
В первой главе проведен аналитический обзор технологий по утилизации порубочных остатков, машин и механизмов используемых при расчистке обочин дорог и трасс воздушных линий электропередач.
Современное состояние исследований в области технологии использования порубочных остатков, проблемы и методы их решения рассмотрены в работах следующих авторов: И. Р. Шегельман, Н. П. Чернобровкина, А. А. Рожко, Е. В. Робонен, С. М. Репях, И. С. Иванов, О. Н. Галактионов, М. В. Ивашнев. В публикациях, в том числе представленных в виде Интернет-ресурсов, рассмотрены многие вопросы применения порубочных остатков в качестве биотоплива, сырья для приготовления компоста, для мульчирования почвы, для изготовления хворостяных подушек временных лесовозных дорог, а также для получения ксилита и других веществ. Проводится обзор технологий и оборудования для переработки порубочных остатков с целью их дальнейшего использования в качестве компонента субстрата при выращивании сеянцев с закрытой корневой системой в условиях защищенного грунта.
Рассмотрены ресурсосберегающие технологии изготовления субстрата с использованием различных видов удобрений, в том числе на основе минерального сырья Карелии, для выращивания сеянцев сосны обыкновенной с закрытой корневой системой.
Установлено, что влияние породного состава на рост сеянцев сосны обыкновенной до настоящего времени не исследовано. Не обоснованы технологии подготовки порубочных остатков и, соответственно, не произведен выбор оборудования для выработки древесной составляющей субстрата. По результатам анализа литературы были сформулированы цель и задачи исследования.
Проведенный во второй главе анализ литературы по вопросу применения дисковых мельниц в целлюлозно-бумажной промышленности показал, что в известных исследованиях акцентируется внимание на максимизации получения фибриллированных фракций в продуктах измельчения древесины. Однако если порубочные остатки используются в качестве компонента субстрата для выращивания сеянцев с закрытой корневой системой, то требуется преобладание во фракционном составе измельченных порубочных остатков именно рубленых частиц. Поскольку наличие длинных волокон в свежеприготовленном субстрате усложняет технологию заполнения ячеек, имеющих относительно малые поперечные размеры (около 20 мм). Кроме того, волокна могут оказывать механическое сопротивление прорастанию сеянца, вызывая искривление стволика, замедление роста сеянца и снижая тем самым качество посадочного материала.
Рассмотрим технологический процесс измельчения порубочных остатков на дисковой мельнице, осуществляемый с постоянной скоростью. Будем считать, что древесные частицы, принудительно подаваемые посредством шнека через отверстие в статорном диске мельницы, поступают в междисковое пространство и затем распределяются по площади статорного и роторного дисков мельницы. Обозначим через F площадь отверстия в указанном выше статорном диске.
Подаваемые через отверстие с площадью F в статорном диске частицы образуют неплотно упакованный массив частиц. Введем коэффициент заполнения, равный 0,85. Тогда суммарная расчетная площадь среза измельчаемого материала F* = 0,85F.
Удельное усилие резания, по определению, найдем как отношение величины силы P к тому размеру древесной частицы, который измеряется в направлении действия данной силы P. Принимая во внимание сложность объекта исследования и невозможность получения точных оценок сил и размеров при моделировании данной технологической ситуации, приближенно будем считать, что характерное значение указанного размера в направлении действия силы P пропорционально величине F *. Тогда получим:
Отмечается, что разработанная методика оценки удельной энергоемкости процесса измельчения на дисковой мельнице может быть рекомендована для технико-экономического обоснования выбора конкретного оборудования для измельчения порубочных остатков в целях их использования при выращивании сеянцев сосны обыкновенной с закрытой корневой системой.
Обосновывается предлагаемая технология переработки порубочных остатков в компонент субстрата для выращивания сеянцев. Рассмотрена система машин и оборудования для переработки порубочных остатков лиственных пород в целях их дальнейшего использования при выращивании сеянцев с закрытой корневой системой.
Ранее установлено, что в качестве компонента субстрата при выращивании сеянцев их необходимо доизмельчить таким образом, чтобы наиболее крупные частицы имели наибольший размер не более 3 мм.
Для этого можно применять различное оборудование, используемое на ЦБК для размола различных полуфабрикатов на волокна, измельчения волокон и сообщения им определенных свойств. Затем необходимо выполнить сортирование продукта измельчения с целью выделения требуемой фракции. При этом технология и набор оборудования зависят от степени измельчения и от фракционного состава продукта измельчения.
В предлагаемой технологии предполагается порубочные остатки измельчать в два этапа. На первом этапе выполняется предварительное измельчение порубочных остатков с помощью рубительных машин для получения древесных частиц, наибольший характерный размер которых (длина) равен примерно 20 мм. На второй стадии выполняется доизмельчение древесных частиц, с использованием дисковых мельниц.
Фракционный состав продукта измельчения может существенно меняться в зависимости от вида гарнитур дисков и зазора между ними.
Теоретические исследования вопроса позволили установить, что варьируя этими факторами можно получать продукты размола, в которых будут преобладать либо фибриллированные, либо рубленые частицы порубочных остатков.
Адекватность результатов вычислений по разработанной методике подтверждена их согласованностью с характеристиками оборудования, предназначенного для обработки древесины резанием.
Получены расчетные формулы для определения полезной мощности резания массива древесных частиц, полезного удельного расхода энергии на резание и величину силы, необходимой для перерезывания древесной частицы которые использованы для расчета экономических показателей процесса.
В целях повышения эффективности использования оборудования и совершенствования технологического процесса измельчения порубочных остатков, предназначенных для приготовления субстрата, используемого при выращивании сеянцев сосны обыкновенной с закрытой корневой системой, рекомендуется дооснащение существующих дисковых мельниц дозирующим устройством. В этом случае повышение эффективности обеспечивается тем, что становится возможным подбор параметров шнека не по наименьшей, а по наибольшей транспортоспособности дисковой гарнитуры.
Разработанная методика оценки удельной энергоемкости процесса измельчения на дисковой мельнице позволяет проводить технико-экономическое обоснование выбора оборудования для измельчения порубочных остатков в целях их использования при выращивании сеянцев сосны обыкновенной в условиях защищенного грунта.
Существующие технологии переработки порубочных остатков позволяют получать в качестве конечного продукта щепу различного назначения. Проведенное теоретическое исследование показало, что мельницы дискового типа можно использовать для её доизмельчения с целью получения компонента субстрата для выращивания сеянцев.
В третьей главе изучена зависимость эффективности применения порубочных остатков от объемного и породного состава. Определено при использовании дисков, с какими характеристиками происходит наиболее эффективное измельчение порубочных остатков. А также определен оптимальный зазор между дисками дисковой мельницы. Описаны проведенные эксперименты.
На основании анализа, проведённого в главе 2, в качестве установки для измельчения порубочных остатков с целью получения древесных частиц, пригодных при изготовлении субстрата, была выбрана установка, конструктивно подобная дисковой мельнице, оснащённая шнековым питателем и гарнитурами, используемыми в настоящее время.
Рисунок – 1 Зазор между статорным и роторным дисками Зазор между гарнитурами в ходе эксперимента изменялся в диапазоне от 0,1 до 4,0 мм.
Исследования проводили в два этапа: предварительные исследования и основной эксперимент.
В ходе предварительного исследования проводился двухфакторный эксперимент, задачами которого являлись определение породы древесины и доли порубочных остатков, обеспечивающих наибольший прирост сеянцев.
Порубочные остатки, полученные в ходе расчистки трассы воздушной лини электропередач, измельчались на отрезки длиной от 15 до 30 мм, высушивались, а затем размалывались на установке дискового типа. В ходе предварительного эксперимента использовались древесные частицы размером не более 3 мм, полученные из древесных пород: береза повислая, ива козья и ольха серая. При этом установка была оснащена дисками А1 и А2 (рисунок 2), зазор между дисками был установлен 1 мм.
Изготовление субстрата проводилось в соответствии с требованиями, изложенными во второй главе, по следующей схеме: вариант субстрата № 1 представлял собой чистый торф, заправленный доломитовой мукой.
Этот вариант был принят в качестве контроля. Отсутствие основной заправки удобрений в нем компенсировалось подкормками, которые начинали вносить сразу после высева семян. Вариант субстрата 2 представлял собой смесь торфа и порубочных остатков в соотношении 93 : и далее снижали содержание торфа в субстрате до соотношения 50 : 50, где половину объема занимал торф и половину порубочные остатки.
Далее полученными субстратами набивались кассеты Plantec 121 с размером каждой ячейки 2,52,5 см и общим количеством ячеек в кассете 121 шт. Затем производился посев семян сосны обыкновенной. Измерение биометрических показателей сеянцев производилось в первой декаде сентября.
На основании предварительных исследований выделили породу оказывающую наибольший стимулирующий эффект на сеянцы.
При проведении основного эксперимента материал готовили, так же как и при проведении предварительного, но в этом случае использовали только иву козью, как оказавшую наилучший эффект на рост сеянцев.
Для измельчения порубочных остатков применялась та же установка, при этом менялась комбинация гарнитур. Использовались два комплекта дисков с различной гарнитурой (рисунки 2 и 3). В ходе исследования зазор между дисками менялся и составлял 0,1; 1,0; 2,0; 4,0 мм.
Измельченные древесные частицы развешивались по 100 граммов и подавались в установку. Каждая порция полностью измельчалась, после чего установку открывали, прочищали и загружали новую порцию древесных частиц. Измельченный продукт просыпался из щели между дисками, проходил через выходное отверстие и собирался в приемный сосуд. Измельчение прекращали, когда из выходного отверстия переставал проходить измельченный материал. При размоле каждой навески порубочных остатков засекалось время размола. В случае остановки работы мельницы для прочистки засекалось время остановки и возобновления работы. Тем самым возможно определить производительность мельницы в каждом конкретном случае. Каждую навеску упаковывали и прикрепляли к ней бирку с номером. Всего было получено 12 образцов. Для определения пригодности образцов для использования в приготовлении субстратов, каждый образец просеивали сквозь сита, тем самым определяли фракционный состав образца. Пригодными для использования остатков в качестве компонента субстрата являются фракции не более 3 мм.
«