Некоторые вопросы технологии освоения и водного транспорта биоресурсов из леса для биоэнергетики

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Экономические науки


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

С. П. Карпачев
Некоторые вопросы технологии освоения и водного транспорта биоресурсов из леса для биоэнергетики
Аннотация: Рассматриваются вопросы моделирования технологических процессов в биоэнергетике на основе древесной биомассы из леса, как путь устойчивого развития удаленных лесных регионов России, который обеспечивает экономическое развитие, социальное благополучие и экологическую безопасность регионов.
Ключевые слова: биоэнергетика, лесные регионы, экология, моделирование.
На рубеже XXI века человечество столкнулось с глобальными социальными и экологическими проблемами. Устойчивое развитие общества основывается на экономическом развитии, социальном благополучии и экологической безопасности. Применительно к лесному сектору это означает:
1. Максимальное извлечение дохода из заготовленных лесных ресурсов путем их глубокой переработки в высоколиквидные лесоматериалы с максимально возможной добавленной стоимостью.
2. Высокая занятость населения во всех подотраслях лесного сектора.
3. Сохранение лесных экосистем и улучшение показателей биологического разнообразия лесов.
Россия является лесной державой. Лес занимает более 22% территории страны. На долю России приходится более 25% мировых запасов леса. Потенциальный ежегодный объем заготовки древесины — 500−700 млн. куб. метров. Сегодня объем лесозаготовок не превышает 190 млн. куб. метров.
Лесной сектор играет важную роль в экономике страны и имеет существенное значение для социальноэкономического развития более чем 40 субъектов Российской Федерации, в которых продукция лесной промышленности составляет от 10% до 50% общего объема промышленной продукции соответствующих регионов. В целом по Российской Федерации этот показатель составляет около 4% [11].
Россия, имея самые большие в мире лесные ресурсы, значительно отстает в торговле продукцией глубокой переработки древесины от ведущих стран мира.
В структуре экспорта лесобумажной продукции России лесоматериалы круглые составляют более 32%, что свидетельствует, прежде всего, о несовершенной структуре производства и неразвитости химико-механической переработки древесины [11]. Транспортировка круглых лесоматериалов выгодна на расстоянии до 1000 км. При больших расстояниях торговля круглыми материалами становится не выгодной.
Выход для удаленных регионов — производство продукции глубокой переработки из древесины с высокой добавленной стоимостью.
Анализ структуры затрат на производство продукции глубокой переработки из древесины, показывает, что самыми крупными статьями расходов являются затраты на древесное сырье и затраты на топливо и энергию. Суммарная величина этих затрат достигает 40−45% [12].
Вывод — для развития углубленной переработки древесины необходима энергия.
Карпачев Сергей Петрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой защиты окружающей среды Российского государственного социального университета. e-mail: Karpachev@mgul. ac. ru
У удаленных лесных регионов не хватает собственной энергетики для развития углубленной переработки древесины. Энергетика удаленных лесных регионов зависит от закупок внешней энергии. Теплоэнергетика Вологодской области — на 70%. Теплоэнергетика Северо-Запада России — на 65% [13].
Перспективными энергоресурсами для лесных регионов являются энергоносители на основе древесного сырья — древесное биотопливо.
Биотопливо определяется как «топливо, для которого исходным материалом является биомасса или торф». Биоэнергия определяется как «энергия из биомассы или торфа». К биотопливу относят и древесное топливо — сырье из леса, не прошедшее химической обработки.
Древесное топливо — это возобновляемый источник топлива, не наносящий вред окружающей среде. При сжигании древесины 90% составляет безвредный газ. Углекислый газ, который образуется при сжигании древесного топлива и приводит к парниковому эффекту, является частью природного карбонатного цикла. Поэтому древесину относят к экологически чистому топливу.
Для удаленных лесных регионов источником древесного топлива служит древесная биомасса, которая остается после лесозаготовок — лесосечные отходы и отходы от лесопереработки — опилки, кусковые отходы и пр. (рис. 1) [6].
Как видно из таблицы 1, щепа, древесные гранулы, опилки по удельной теплоте сгорания близки к каменному углю.
Современная заготовка леса осуществляется машинами. Так называемая сортиментная заготовка леса, включает операции отделения ствола дерева от сучьев и вершинок. В дело идет только ствол без вершинки. Остальная биомасса остается в лесу и попросту сжигается.
Измельченная древесная биомасса — топливная щепа из леса в ближайшее время должна стать одним из главных источников прироста объемов древесного топлива. Это связано с тем, что остальные источники древесного топлива, такие как опилки, кора, технологическая щепа, стружка, которые образуются на лесопильных заводах, целлюлозно-бумажных комбинатах и деревообрабатывающих предприятиях экономи-
МЕТЇЇА
Рис. 1. Древесная биомасса, которая остается после лесозаготовок
Таблица 1
Вид топлива Теплота сгорания (МДж/кг) (МДж/м3) Сера, % Зола, % Углекислый газ (Кг/ГДж)
Дизельное топливо 42,5 0,2 1 78
Мазут 42 1,2 1,5 78
Природный газ 35−38 0 0 57
Каменный уголь 15−25 1−3 10−35 60
Гранулы древесные 17,5 0,1 0,5 0
Гранулы торфяные 10 0 4−20 70
Щепа древесная 10 0 1 0
Опилки древесные 10 0 1 0
чески наиболее доступны и в настоящее время используются почти полностью. Реальным резервом для роста объемов топливной древесины остается топливная щепа из леса.
Использование биотоплива в России может помочь в решении проблем энергоснабжения малых городов и поселков, предприятий лесопромышленного комплекса, целлюлозно-бумажных комбинатов. В удаленных лесных районах введение новых технологических цепочек производства лесного сырья для биоэнергетики окажет положительное влияние на устойчивое развитие регионов.
Ориентация на использование порубочных остатков и отходов переработки древесины для получения тепла и электрической энергии способствует развитию малой энергетики и децентрализации тепло- и энергоснабжения на их основе. Это — магистральное направление устойчивого развития теплоэнергетики во всем мире.
Древесное топливо традиционный источник энергии. И сейчас оно получает второе рождение благодаря ряду причин [14]:
1. Экономические причины. Уголь или мазут необходимо доставить до потребителя зачастую за тысячи километров. Древесина же произрастает вблизи. Биотопливо — быстровозобновляемый источник энергии. Цена на топливную щепу постоянно растет и в настоящее время составляет 400−600 руб. за плотный куб. м на складе производителя.
2. Экологические причины. Россия присоединилась к Киотскому соглашению по предотвращению изменения климата и увеличению парниковых газов. При использовании биотоплива, как возобновляемого источника энергии, выбросы парниковых газов считаются нулевыми.
3. Социальный фактор. Биоэнергетика создает новые рабочие места. Как показывает опыт Скандинавских стран, высокомеханизированное производство древесного топлива дает 120 рабочих мест на каждый ТВт-час биоэнергии. Не механизированное производство — 400 рабочих мест. Рост рабочих мест в биоэнергетике приводит к созданию новых рабочих мест в других отраслях.
Таким образом, развитие энергетики на основе древесного топлива из леса — путь устойчивого развития удаленных лесных регионов России, который обеспечивает экономическое развитие, социальное благополучие и экологическую безопасность этих регионов.
Несмотря на огромные запасы леса и все преимущества древесного топлива, его доля в энергетике России менее 1%. В развитых европейских странах эта цифра доходит до 30%. Одна из причин — неразвитая инфраструктура. Слаборазвитая сеть лесных дорог. Вследствие этого в РФ западные технологии не всегда эффективны.
Наличие эффективных технологий является главным условием для реализации биоэнергетических проектов в промышленности и быту. Наибольших успехов в разработке таких технологий достигли Скандинавские страны, такие как Швеция и Финляндия [1].
В зависимости от того, где производится щепа, все технологии можно классифицировать на три группы:
1. Технологии с производством щепы у пня (на лесосеке).
2. Технологии с производством щепы в месте примыкания к лесовозной дороги (на верхнем или нижнем складе).
3. Технологии с производством щепы у потребителя.
Все существующие технологии обязательно включают транспортную фазу. Транспортная фаза технологических процессов освоения биомассы из леса — важнейшая. Биомасса может транспортироваться в различной форме. Наиболее часто биомасса из леса перерабатывается в топливную щепу и в таком виде доставляется автотранспортом потребителям. Для этого используют большегрузные специальные автопоезда — щеповозы грузоподъемностью 40−60 тонн, для которых требуются дороги с твердым покрытием.
Пример технологии производства щепы на верхнем складе с дальнейшей транспортировкой ее авто-щеповозами потребителям представлен на рис. 2.
В РФ острая нехватка автомобильных дорог, особенно в лесной зоне. По протяженности лесовозных дорог РФ значительно отстает от зарубежных стран: на 1000 га леса в России приходится всего 1,2 км лесных дорог, хотя в Финляндии — 40 км, в Германии — 43, Швеции — 11. Из общего числа лесовозных дорог в РФ дорог с твердым покрытием, то есть гравийным, асфальтовым, железобетонным, всего 180 тыс. км —
0,16 км на 1000 га [3].
В условиях нехватки автодорог единственный путь доставки древесного топлива из леса — водный. В России к внутренним водным путям тяготеет около 14 млд. м лесосырьевых ресурсов.
Емкостью для водного транспорта древесного биотоплива в виде топливной щепы, пеллет и подобных сыпучих древесных материалов наиболее приемлемы мягкие плавучие контейнеры, например, конструкции МГУЛ (МЛТИ) [4]. На судоходных реках возможна организация судовых перевозок топливной щепы в контейнерах на баржах и плашкоутах. На несудоходных и временно-судоходных реках — сплавом за тягой буксирных судов и катеров.
Мягкие плавучие контейнеры обладают рядом ценных качеств:
— снижение затрат на погрузочно-разгрузочных операциях-
— возможность эксплуатации в условиях мелководья и несудоходных рек-
— возможность эксплуатации в условиях необорудованных причалов-
— дешевизна материала оболочки контейнера-
— высокая прочность материала оболочки контейнера и малый вес порожнего контейнера.
Одна из возможных схем транспорта топливной щепы в мягких контейнерах в смешанных сухопутноводных перевозках представлена на рис. 3.
Рис. 2. Технология производства щепы на верхнем складе
Особенность данной схемы:
— переработка древесной массы на топливную щепу рубительной машиной и погрузка щепы в контейнеры через промежуточный бенкер-
— смешанные сухопутно-водные перевозки контейнеров с топливной щепой-
— водный транспорт топливной щепы в контейнерах.
В предложенной технологии определяющей машиной в операциях в лесу является рубительная машина. Она не должна простаивать. Простои рубительной машины возможны из-за потери времени на установку контенеров под загрузку и их упаковку после загрузки. Для исключения простоев между рубительной машиной и контейнером установлен бункер щепы.
Рис. 3. Схема производства щепы на погрузочном пункте в лесу и транспорта топливной щепы в мягких контейнерах в смешанных сухопутно-водных перевозках
Рис. 4. Узел переработки древесной массы на топливную щепу и загрузки ее в контейнеры через промежуточный бункер
Детально узел работы рубительной машины с контейнерами и промежуточным бункером щепы представлен на рис. 4.
Представим математическую модель узла работы рубительной машины с контейнерами и промежуточным бункером щепы.
Пусть за смену рубительная машина перерабатывает п деревьев (лесосечных отходов, топляков). В результате получается некоторый объем щепы 0щ:
п п
V I % = Т-ч^ П = X Ядері, (!)
і = 1 і = 1 где п — число деревьев переработанных рубительной машины за смену,
Т — продолжительность смены, с
Ядер і - объем 7-ого дерева, захваченного манипулятором из штабеля, м, й — коэффициент использования машины,
*0 — продолжительность цикла работы рубительной машины на обработке 7-ого дерева, с:
т0і = т1і + т2і + т3і + т4 і + V (2)
tl7• - время цикла наведения манипулятора на 7-ое дерево, с,
Ч і
t37 І4і *5 і
— время захвата 7-ого дерева из штабеля, с,
— время подачи 7-ого дерева к рубительной машине, с,
— время измельчения 7-ого дерева рубительной машиной, с,
— время возврата манипулятора в исходное состояние, с.
Т4і =, (3)
Ят
где я — скорость рубки дерева на щепу, м3/с.
Пусть за смену загружают и упаковывают т контейнеров. В результате получается некоторый объем щепы загруженной в контейнер 0кон:
т т
У I Т". = Т'-П^ П = I Якон., (4)
І = 1 І = 1 где т — число загруженных щепой и упакованных за смену контейнеров, шт.
Т — продолжительность смены, с
Якон і - объем 7-ого контейнера, м ,
й — коэффициент использования времени смены,
ґ0/- - продолжительность цикла упаковки /-ого контейнера, с.
Т0/ = Т1/ + Т2/ +Т 3/ (5)
^ - время установка. /-ого контейнера под загрузку, с,
ґ2/- - время загрузки/-ого контейнера, с,
Ь3- - время упаковки/-ого контейнера, с.
Разрабатывая технологию загрузки контейнеров щепой от рубительной машины, необходимо стремиться к выполнению условия:
п т
I «дер. , — =1 «кон/ (б)
і = 1 і = 1
Условие (б) на практике может не выполняться. Объем переработанных на щепу деревьев может быть больше объема щепы загруженной в контейнер:
пт
I Чдер. і1 I «кон/ (7)
і = 1 / = 1
Из-за неравномерности загрузки некоторый объем щепы может накапливаться в бункере:
ппт
I Чдер.і = I Чбун.і - I Чкон. і• (8)
і = 1 і = 1 і = 1
где чкон, — объем бункера при измельчении /'--ого дерева и заполнении/-ого контейнера, м3,
Максимальный объем бункера Чбунк тах должен быть таким, что бы выполнялось условие:
п
I Чбун.і т «бунк. тах• (9)
і = 1
Если объем бункера будет недостаточным, то рубительную машину придется периодически останавливать.
Работу рубительной машины и заполнение контейнеров удобно представить в виде О-схемы.
Будем считать деревья (лесосечные отходы, топляки) заявками на обслуживание.
Эти заявки будем называть заявками первого уровня, которые поступают от источника И. Каждой заявки назначается атрибут, который идентифицируется с объемом дерева Чдер Объем дерева Чдер является случайным числом. Поступившая на обслуживающий прибор (в рубительную машину), заявка первого
уровня воздействует на клапан Кл1 и перекрывает вход в прибор другим заявкам, ставит их в очередь. Пос-
тупившая в прибор заявка обслуживается в канале К1. Длительность обслуживания заявки первого уровня определяется по формуле (1). После обслуживания, заявка первого уровня расщепляется на заявки второго уровня. Заявки второго уровня — это заявки, которым назначается атрибут А2 идентифицируемый с некоторым минимальными объемами щепы, полученными после измельчения дерева. Минимальные объемы щепы Чщепы тіп. назначаются из условия возможности манипуляции ими при загрузке контейнеров через дозатор бункера. Число заявок второго уровня п2 определяется в зависимости от значения атрибута заявки первого уровня (объема дерева) по формуле:
п2 = Чдер., (10)
«щепы.т іп
3
где Чдер — значение атрибута заявки 1-ого уровня (объем дерева), м ,
Чщепы тіп — значение атрибута заявки 2-ого уровня (минимальный объем щепы), м.
Заявки второго уровня попадают в накопительное устройство Н1 (бункер щепы) и становятся в очередь к обслуживающему прибору (щепа накапливается в бункере и ждет открытия дозатора). Очередь накопителя Н1 ограничена некоторым максимальным объемом Ябунктах- Поступающие в очередь заявки второго уровня имеют атрибуты А2, которые хранят значения их объемов Чщепы тп Эти значения суммируются при поступлении заявок в очередь. В накопитель Н1 поступает максимальное число заявок, но при этом не допускается его переполнения очереди по объему:
п2
I Чщепы. т1п. /'- т Чконт. тах (11)
і = 1
Последняя заявка воздействует на клапан Кл2 и перекрывает вход заявкам второго уровня в очередь накопителя Н1.
Если клапан Кл3 открыт, то заявки второго уровня попадают на обслуживающий прибор (дозатор), где обслуживаются в канале К2. Длительность обслуживания заявки второго уровня определяется по формуле (4).
После обслуживания, заявки второго уровня попадают в накопительное устройство Н2 (контейнер). Накопитель имеет ограничение на прием заявок второго уровня по максимальному объему Яконт тах. Поступающие в очередь заявки второго уровня имеют атрибуты А2, которые хранят значения их объемов дщепы тіп-Эти значения суммируются при поступлении заявок в накопитель Н2. В накопитель Н2 должно поступить максимальное число заявок, но при этом не допускается его переполнения его по объему:
п 2
Xщепы. ш1П.7 т Убунк. тах (12)
і = 1
Последняя заявка воздействует на клапан Кл3 и перекрывает вход заявкам второго уровня в очередь накопителя Н2.
Заявки второго уровня накопленные в накопителе Н2 образуют ансамбль, который формирует заявку третьего уровня (заполненный щепой контейнер). Заявка третьего уровня имеют атрибут А3, который идентифицируется с объемом контейнера и является случайным числом. После обслуживания в канале К2 заявка покидают систему.
Концептуальная модель узла работы рубительной машины с контейнерами и промежуточным бункером щепы представлена на рис. 5.
Рис. 5. Концептуальная модель узла работы рубительной машины с контейнерами и промежуточным бункером щепы
Особенности работы технологического узла как поток заявок на обслуживание:
— заявки первого уровня — деревья, лесосечные отходы и пр. -
— заявки второго уровня — минимальный объем щепы, доступный для манипуляции в технологическом процессе-
— заявки третьего уровня — объем контейнеров со щепой.
Концептуальная модель узла работы рубительной машины с контейнерами и промежуточным бункером щепы была реализована в виде компьютерной программы на языке GPSS/W. Компьютерная модель была использована в экспериментах.
Отсеивающий эксперимент (дисперсионный анализ) проводился с целью установления значимости различных факторов на производительность технологического узла производства щепы и упаковки контейнеров.
Анализируемые факторы и уровни их варьирования в экспериментах были приняты следующими:
1. Среднее время цикла переработки 0,01 м древесины на щепу — Т_шЬ = 0,5−5с-
Таблица 2. Результаты дисперсионного анализа
Alias Group Effect Sum of Squares Degrees of Freedom F — for Only Main Effects Critical Value of F (p = 0,05)
T-rub 148,951 88 745,7Q5 1 6Q, 5Q7 4,96
ak p u T-u 8Q, 5Q3 25 923,1QQ 1 17,675 4,96
V-bunker 41,362 6843,246 1 4,666 4,96
V-kont 19,84Q 1574,537 1 1, Q74 4,96
V-derevo -1,577 9,95Q 1 Q, QQ7 4,96
Error 14 666,932 1Q
Total 137 763,469 15
Grand Mean 23Q, 718
Рис. б. Зависимость производительности технологического узла от объема бункера
2. Среднее время цикла на установку контейнера под загрузку — Т_
3. Объем бункера — V_bunker
4. Объем контейнера — V_
5. Объем дерева — V
_derevo
kont 2
= 0−1 м = 20−1 м 0,5 м³
upak
= 0−60с-
3
Результаты отсеивающего эксперимента представлены в табл. 2.
Из табл. 2 следует, что объем дерева (фактор V_derevo) не влияет на производительность узла. Наиболее значимыми факторами являются среднее время цикла переработки древесины на щепу (фактор Т_шЬ) и среднее время цикла на установку контейнера под загрузку (фактор Т_ирак).
Учитывая результаты отсеивающего эксперимента, была составлена матрица эксперимента, цель которого получить уравнение регрессии, связывающее производительность узла с четырьмя факторами. В основу был положен В-план 2-ого порядка.
По результатам эксперимента было получено уравнение регрессии и построены кривые зависимости производительности технологического узла от объема бункера (рис. 6). Анализ полученной зависимости показывает, что объем бункера, среднее время цикла на установку контейнера под загрузку и среднее время цикла переработки древесины на щепу влияют на производительность узла. С увеличением объема бункера производительность узла стремиться к максимальной (теоретически возможной рубительной машины — пунктирная линия на графике).
Литература
1. Dr. Lauri Sikanen. Forest Energy in Finland. Finish Forest Research Institute «METLA». 2003 г.
2. http: //www. lesnoyexpert. ru/index. php? p=article&-id=view&-n=19&-a=1
3. Карпачев С. П. Транспорт технологической щепы по воде в мягких контейнерах. Дисс. на соискание ученой степени к.т.н., М, МЛТИ, 1985 г. — 249с.
4. Action plan for renewable energy sources. Publications 1/2000. Ministry of Trade and Industry. 2000.
5. Energy for the future: Renewable sources of energy. White paper for a community strategy and action plan.
Communication from the Commission. COM (97) 599. 1977.
6. Energy statistics 2002. Statistics Finland. 2003.
7. Finnish statistical yearbook of forestry 2002. Finnish Forest Research Institute. SVT agriculture, forestry and
fishery 2002, p. 45.
8. Hakkila P. Developing technology for large-scale production of forest chips. Wood Energy Technology Programme 1999−2003. Technology Programme Report 5/2003. Tekes.
9. Ylitalo E. Puupolttoaineen kaytto energiantuotannossa. SVT agriculture, forestry and fishery 2001, p. 52.
10. Hakkila P. Factors driving the development of forest energy in Finland. IEA/Task 31, 2003. Flagstaff.
11. Концепция развития лесного хозяйства Российской Федерации на 2003−2010 годы (внесенные изменения), http: //www. rosleshoz. gov. ru/agency/strategyZ0
12. Суханов В. С. Перспективы использования древесных отходов и дровяной древесины для выработки тепловой и электрической энергии. «ЛесПромИнновации» 3 (5), 2005
13. http: //www. topgran. ru/info/.
14. http: //www. lesnoyexpert. ru/index. php? p=article&-id=view&-n=19&-a=1
1BS

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой