Актуальность темы проекта. Сложившееся в настоящее время ситуация в стране привела к резкому повышению стоимости различных источников энергии и, в первую очередь, источников электроэнергии. Кроме того, развитие предпринимательства и малого бизнеса создает предпосылки для формирования больших объемов технологических отходов. Прежде всего, это относится к таким отраслям производства как лесная и деревообрабатывающая промышленности. В процессе лесозаготовки и деревообработки образуется большое количество древесных отходов в виде сучьев, веток, щепы и особенно древесного опила.

Таким образом, переход на альтернативные источники теплоснабжения технологических процессов, в условиях высокой стоимости электроэнергии, с помощью установок, использующих в качестве топлива древесину и ее отходы, является актуальной задачей современной энергетики. Особенно это касается тех технологических процессов, которые связаны с обработкой переработкой древесины, и в, первую очередь, с ее сушкой.

Анализ литературных источников показал, что современные направления развития лесосушильного оборудования указывают на переход от камер с электрическим нагревом к камерам, источником теплоснабжения которых является сжигание древесного топлива.

Поэтому в настоящем проекте разрабатывается лесосушильная камера с подогревом дымовыми газами, образующимися при сжигании отходов переработки древесины. Камера, которая при этом имеет достаточно хорошие экологические показатели.

Цель проекта. Целью проектирования является разработка лесосушильной камеры для тепловой обработки пиломатериалов, отличающейся использованием альтернативных источников энергетического сырья и способствующей повышению экологических характеристик деревообрабатывающих предприятий, за счет сжигания древесных отходов.

Новизна проекта. Она заключается в создании проекта лесосушильной камеры, адаптированной требованиям современного малого предпринимательства и бизнеса. Использование типовых универсальных методик расчета и правильного подхода к решению проектной задачи, позволяют гибко реагировать на изменение технических требований, со стороны предпринимателей, к характеристикам лесосушильных камер, что дает возможность, на основе предлагаемой методики, рассчитать камеру с произвольными тепловыми параметрами.

Объект проектирования. Объектом проектирования являются альтернативные источники теплоснабжения технологического оборудования для обработки древесины.

Предмет проектирования - лесосушильная камера, снабженная теплообменным аппаратом и с подогревом дымовыми газами.

Методы проектирования. Для проектирования использованы положения теории тепломассообмена и теплопередачи, методики расчета теплообменных аппаратов, методики аэродинамических расчетов, а также методики расчета теплоизоляционных конструкций и выбора технологического оборудования лесосушильных камер.

Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается использованием современных положений и методик расчета, используемых при решении задач тепломассообмена, а также принципов конструирования теплообменных аппаратов.

Практическая значимость. Практическая значимость заключается в разработке лесосушильной камеры, соответствующей современным требованиям предпринимательской деятельности. Составленная методика расчета лесосушильной камеры может быть использована для составления типового ряда малых сушильных установок.

1. Состояние вопроса

Последняя четверть прошлого столетия и начало нынешнего ознаменовались энергетическим кризисом. Вначале он коснулся преимущественно автомобильной промышленности, но не нужно обладать даром предвидения, чтобы предсказать, что в дальнейшем именно энергетическая проблема будет определять интенсивность развития всех сфер деятельности человека. Вследствие особенностей климата на большей части территории нашей страны человек проводит в закрытых помещениях до 80% времени. Для создания нормальных условий его жизнедеятельности необходимо поддерживать в этих помещениях строго определенный тепловой режим. Помимо создания комфортных условий жизнедеятельности человека тепло необходимо для обеспечения ряда технологических процессов в различных производствах.

Наряду с дефицитом топлива в лесной и деревообрабатывающей промышленности скапливается большое количество первичных и вторичных древесных отходов. Даже при высокой степени их использования всегда остается много некондиционных отходов, которые могут быть употреблены только в качестве топлива. Количество отходов, образующихся, например, на мебельных фабриках, составляет от 45 до 63%.

В настоящее время многие промышленные предприятия оснащаются термо-технологическим оборудованием. Правильно выбранная конструкция котла обеспечивает длительную и бесперебойную работу этого оборудования и, следовательно, всего производства в целом.

Помимо экономической эффективности использование древесных отходов в качестве источника тепловой энергии имеет следующие преимущества:

- высокая реакционная способность древесины позволяет сжигать ее при более низкой температуре, что уменьшает выбросы окислов азота;

- малое содержание серы и фосфора 0,1% позволяет снизить температуру отходящих газов до 110-120°С;

Современные проблемы теплоэнергетического хозяйства требуют оперативности и профессионализма при решении проблем, накопившихся за годы и вновь возникающих. Ни одно направление в теплоэнергетическом хозяйстве нельзя развивать, не учитывая проблемы энергосбережения, не применяя самое современное энергетическое оборудование и энергосберегающие технологии. Во всем мире постепенно отказываются от котельных, работающих на видах топлива, загрязняющих окружающую среду (угле и мазуте). Кроме экологического риска, причиной тому служат малая эффективность и высокая стоимость производства тепловой энергии.

В результате работы деревообрабатывающих предприятий в России ежегодно образуется порядка 70 млн. тонн древесных отходов, большая часть которых, как правило, остается невостребованной, ухудшая пожарную безопасность и экологическую обстановку в местах расположения предприятий. Между тем их можно и нужно рационально использовать.

В условиях, когда наблюдается тенденция роста тарифов на энергоносители, особенно актуальной становится проблема энергосбережения в производственно-хозяйственной деятельности предприятий. Доля энергетических затрат в структуре себестоимости продукции деревообрабатывающего предприятия, потребляющего покупную дорогостоящую тепловую энергию, достигает значительных величин (20-30%), что говорит о высокой энергоемкости производства. В этой связи энергетическое использование древесных отходов на предприятиях деревообрабатывающей промышленности является одним из важных направлений повышения эффективности производства и умелого ведения технологических процессов в рыночных условиях хозяйствования предприятий.

2. Основные исходные данные

В деревообрабатывающей промышленности основным потребителем тепла являются лесосушильные камеры. Однако, тепло необходимо не только для лесосушильной камеры, но и для теплоснабжения производственных площадей и зданий, получения горячей воды, воздуха, пара. При сушке пиломатериалов в лесосушильных камерах, применяются водогрейные, паровые котлы и теплогенераторы, использующие дорогостоящие: электроэнергию, каменный уголь, мазут, природный газ. Так как речь идет о деревообрабатывающих предприятиях, то гораздо дешевле работать на отходах собственного производства. Тем более, что вырабатываемый из отходов древесный газ, по своим качественным характеристикам, равноценен природному. Газогенераторные установки предназначены для превращения низкосортного, бросового топлива, состоящего из отходов деревообработки - древесной щепы, опилок, обрезков, стружки, горбыля, а также торфа, шелухи подсолнечника, проса, отходов ламината и упаковки пищевых продуктов в высококалорийное топливо. Из топлива можно получать и тепловую и электрическую энергию. При работе газогенератора в составе твердотопливного котла можно сжигать отходы практически любой длины. Одновременно решаются экологические проблемы и утилизации отходов, снижается себестоимость выпускаемой продукции.

В основу работы газогенератора заложен принцип преобразования твердого топлива в газообразное под воздействием высокой температуры без доступа кислорода. В результате процесса, называемого пиролизом, вырабатывается генераторный, древесный газ. Минимальная теплотворная способность газа составляет 1100 ккал/мі. Газогенераторная установка предельно проста по конструкции, не требует специально обученного обслуживающего персонала в эксплуатации. Газогенераторная установка состоит из трех основных частей: камеры газообразования, камеры возгорания и загрузочного бункера. Детали установки, работающие при повышенных температурах изготавливаются из жаропрочных материалов. Анализ затрат на отопление сушильных камер и промышленных зданий и сооружений, применяющих газогенераторные установки показывает, что затраты на топливо в 3 - 25 раз меньше, чем при традиционном его сжигании в котлах или отоплении электронагревательными установками.

При использовании в качестве топлива отходов деревообработки собственного производства экономический эффект возрастает. Опыт эксплуатации отопительного оборудования с использованием газогенераторов в составе сушильных камер показал, что срок их окупаемости находится в пределах от 2-х месяцев до 1 года. Наше предприятие производит газогенераторы, предназначенные для выработки генераторного древесного газа с целью сжигания данного газа и получения электрической и тепловой энергии в газодизельных электростанциях. Выпускаются также газогенераторные установки с сжиганием полученного газа непосредственно в топке котла. Любое исполнение имеет свои достоинства и недостатки.

Прямоточные газогенераторы

Прямоточные газогенераторы позволяют сжигать вышеназванные виды топлива и обрезки деревообработки от 0,5 до 1,5 метра длиной (в зависимости от мощности газогенератора) и любой влажности. Основным недостатком данных газогенераторов являются габаритные размеры и вес, затрудняющие транспортировку. Поэтому производственный выпуск прямоточных газогенераторов ограничивается мощностью до 350 КВт.

Вихревые газогенераторы

Применение вихревых газогенераторов существенно расширило область использования утилизаторов отходов. При увеличении мощности газогенератора его габаритные размеры и вес значительно снизились относительно прямоточных газогенов. Благодаря этому стало возможным изготовление и транспортировка газогенераторов мощностью от 0,125 до 5 МВт. За счет охлаждения стенок газогенератора вторичным воздухом и формирования высокотемпературного конуса горения в центральной части, увеличился срок службы газогенератора без ремонта. Топка позволяет сжигать следующие виды топлива: опилки, стружку, древесную щепу, кору, лузгу подсолнечника и тд. Загрузка топлива в вихревые газогенераторы шнековая, отсюда вытекают требования к топливу - размер фракции не более 50х40х10мм (при стандартном диаметре шнека). Фракция возможна и больших размеров, при заказе размер фракции специально оговаривается. Температура сгорания 1300°С достигаемая при влажности топлива 40% (влажность опилок при распиловке древесины в свежесрубленном состоянии). При КПД топки = 0,8 реальная температура газов будет около 1200°С. При этом достигается оптимальное содержание двуокиси углерода СО2. При уменьшении влажности топлива, мощность газогена увеличивается. При увеличении влажности топлива, мощность теплогенератора падает. Главное отличие вихревых газогенераторов от импортных автоматических систем сжигания отходов, заключается в большей приспособленности к отечественным условиям эксплуатации. Теплогенераторы нашего производства работают на отходах любой влажности вплоть до теоретически возможной. Объясняется это конструктивными особенностями топочных устройств. По своей классификации по методу сжигания топлива топочные устройства данных газогенераторов относятся к слоевым, вихревым. По конструктивному расположению по отношению к поверхности нагрева котла - к внешним топкам. При слоевом способе процесс горения стабилизируется при неоднородности топлива по влажности, сглаживаются провалы по температуре горения и, исключается вероятность прекращения процесса горения при попадании партии опилок повышенной влажности. За время своего перемещения топливо подсушивается, газифицируется и загорается. Для дожигания вынесенных из слоя турбулентным, первичным воздухом горящих частиц, предусмотрена подача вторичного воздуха по специальным каналам, расположенным тангенциально по отношению к камере сгорания. Под действием центробежных сил, возникающих при вращении воздуха, несгоревшие частицы топлива отбрасываются к цилиндрическим стенкам камеры и продолжают многократное вращение до своего полного выгорания. В слоевых топках более надежна и долговечна работа самого шнека, т.к. в зоне зеркала горения он находится только в период растопки газогенератора. В основное рабочее время он постоянно закрыт слоем опилок разной влажности толщиной от 300 до 450 мм. Слоевой метод сжигания топлива обеспечивает равномерное горение топлива любой влажности, т.к. подача топлива в топочное устройство производится снизу и, слой топлива постепенно перемещается в верхнюю часть, в зону активного горения. На подготовку топлива уходит больше времени, поэтому процесс горения не прекращается даже при влажности топлива 140% (практические данные, полученные на установках, отапливающих наши собственные производственные цеха), когда влаги больше количества сухой древесной части.

Принципиальная схема теплогенератора сушильной камеры с вихревым газогенератором.

Факельные газогенераторы

Газогенераторы или топки с факельным сгоранием отличает от вихревых и прямоточных меньшее время, отводимое на подготовку топлива. Поэтому у них более жесткие требования к влажности топлива до 40% и более мелкий размер фракции. Как прямоточные и вихревые, газогенераторы с факельным сгоранием - бесколосниковые. Хотя теплонапряженность топочного пространства у данных газогенов выше, ломаться в них практически нечему. Габаритные размеры у таких топок значительно меньше, чем у вышеперечисленных, а значит и стоимость гораздо ниже. При наличии на деревообрабатывающем предприятии в достаточном количестве сухих стружек и опилки, топки с факельным сгоранием предпочтительнее из-за меньших габаритов и большей рентабельности. КПД факельных газогенераторов - 70%. Часть шнека, находящаяся в непосредственной близости от открытого пламени, помимо охлаждения первичным воздухом для увеличения срока эксплуатации, изготавливается из жаропрочных сплавов.

Мощностной ряд от 30 КВт до 3 МВт. При изготовлении более мощных по теплопроизводительности газогенераторов, с целью более устойчивой работы установки при неоднородной влажности топлива, возможно изготовление теплогенераторов с совмещенным слоевым и факельным способом горения. Например, при изготовлении газогенератора для сушильного комплекса сушки опилок мощностью 3 МВт, работающего по 3х сменному графику, была увеличена слоевая составляющая. Габариты установки с учетом системы искрогашения несколько увеличились, зато увеличилась надежность системы в целом.

Твердотопливный котел с факельным газогенератором

3. Определение типа конструкции лесосушильной установки

В процессе технологического расчета лесосушильной установки была подобрана лесосушильная камера М-1.

К данной лесосушильной камере необходимо подобрать источник тепла. Воспользуемся модельным рядом энергетических установок Прометей для лесосушильных камер:

Сравнивая, характеристики лесосушильной камеры М-1 и характеристики модельного ряда энергетических установок Прометей для лесосушильных камер выбираем модель Прометей-60.

4.2 Характеристика и преимущества энергетической установки Прометей-60