ОСНОВА ОПТИМИЗАЦИИ КАЧЕСТВА ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ В МОБИЛЬНОЙ УГЛЕВЫЖИГАТЕЛЬНОЙ ПЕЧИ

 

Рубцов Ю.В., Коннова Г.В., Щетинин В.С., Рудько С.В.

(ГОУ ВПО «КнАГТУ», г. Комсомольск-на-Амуре, РФ)

 

The optimization basis of wood charcoals quality in the mobile charcoal kilns.

 

Использование методов оптимизации для пиролиза начинается с подготовки сырья из соразмерных чурочек и щепы [1].

Описание задачи. Изучаемая система состоит из конвейера и системы по переработки пиролизного сырья на чурочки, чистую щепу, химического аппарата емкости для охлаждения угля и склада для его хранения.

 

 

Рисунок 1 – Схема технологического процесса переработки пиролизного сырья в древесный уголь: 1 – склад хранения хвойной древесины; 2 – склад хранения твердолиственной древесины; 3 - конвейеры; 4 – автоматическая установка технологической расточки древесины; 5 – дисковая рубительная машина; 6 – топка; 7 – высокоэффективная угольная печь; 8 – транспортное средство, перемещающее тушильную; 9 – склад фасовки угля

 

Установка по переработки пиролиза щепы и склада фасовки угля предполагается заданной, так как определяется внешним отношением к высокоэффективной углевыжигательной печи [2]. Для угля печи известны значения показателя его эффективности и максимальный выход, продвижение цены, а также известны удельные затраты на механическую переработку сырья в тонкую щепу (чурочку). Минимальный уровень производства сырья и энергетического топлива определяемого договорными обязательствами. Сопутствующие полупродукты (газ, влага, смола, шлак и т.п.) сжигаются в сборнике утилизации щепы.

Требуется составить оптимизационный план производства древесного угля в течение заданного периода времени [3].

Постановка задачи. На рисунке 1 показано, что исследуемая система включает древесный уголь, как новый продукт для использования в твердого продукта предусмотренного стандартом [4].

Процессы переработки древесного сырья и производство древесного угля исключенных для рассмотрения наряду с системами управления запасами пиролизного сырья и продуктов конечной продукции. Поскольку оборудование необходимое для выполнения операций смешивания к началу планового периода установлено и функционирует. Рассмотрим только стоимостные характеристики производственного процесса древесного угля, как целевого продукта. Показателем качества функционирования системы является чистая прибыль, реализуемая в течение планового периода. Чистая прибыль состоит из дохода от продажи древесного угля в соответствии с его маркой и породой пиролизного сырья [5].

Независимые факторы выражают величины потоков по функциональным направлениям угля А и Б.

Рисунок 2 – Схема к задаче планирования марок древесного угля

 

На рисунке 2 с каждой из марок угля ассоциированы три переменные. Одна из переменных выделяет марку угля количественно и качественно выполненного из тонкой щепы, вторая – количественно и качественный уголь направленный из чурок на производство высшего качества угля и третья – количественно и качественный уголь поступающий в свободную продажу.

Для каждой марки угля с номером i имеем:

 - количество угля, используемого для производства первой категории качества;

 - количество угля, используемого для производства высшего качества;

 - количество угля направляемого в свободную продажу.

С каждой маркой производимого угля в свою очередь ассоциированы две переменные, одна из которых представляет количество угля, продаваемого по договорам, а другая – количество угля, поступаемого в свободную продажу.

Таким образом для каждой марки угля с номером j имеем:

 - количество угля, продаваемого по договорам;

 - количество угля, поступаемого в свободную продажу.

В модель следует включить балансовые соотношения для каждой марки угля, ограничения связанные с технологическими операциями смешивания количества угля из чурочек и толстой стружки щепы вырабатываемой на рубительной машине и прочие ограничения, вытекающие из наличия договорных обязательств по заказу.

1. Балансовое соответствие для угля с номером i записывается в виде неравенства

где  - выход угля i за плановый период выпуска.

2. Балансовые соотношения для качественного количества угля имеют следующий вид:

, .

3. Технологические ограничения, связанные с операцией смешивания щепы и чурок, записываются в виде:

, ,

где  - значение показателя эффективности древесного угля i;

       - минимальное значение показателя эффективности вида j.

4. Ограничение, обусловленное договорными обязательствами для топлива вида j задается неравенством

,

где  - минимальный объем производства топлива вида j, предусмотренный договором.

Показатель качества функционирования системы в виде чистой прибыли определяется выражением

,

где  - продажная цена готовой продукции вида j в соответствии с договором;

       - рыночная цена единицы конечной продукции угля веса j;

       - рыночная цена единицы полупродукта щепы j;

       - затраты на производство полупродукта чурочки i;

      - технологические затраты на смешивание в расчете в единицу полупродукта i.

С учетом решения данных на рисунке 3 приведены температурные зависимости:

 

Рисунок 3 – Динамические характеристики пиролизной установки

 

На рисунке 3 приведены графические зависимости, отражающие изменение температур во времени t в камере пиролиза (на ее входе Т₁ и у свода Т₂) в процессе углевыжигания. Анализ кривых показывает, что существует некоторый перепад температур по объему печи, который обусловлен суммарным действием внутренних теплоисточников и конвекцией тепла вверх камеры, но его действие незначительно из-за применения теплоизолирующих штор и не приводит к потере качества угля за счет его сгорания. Локальные максимумы на кривой нагрева Т₁ обусловлены подводом тепла от внутренних теплоисточников и дополнительной теплопередачи от уносимых газами тепловых потоков.

Наличие математического описания процесса пиролиза древесины в углевыжигательной установке полученное с помощью полинома Лагранжа имеет вид: ,  и позволяет сформулировать основные принципы построения систем управления. Известно, что для синтеза системы управления любым технологическим процессом необходимо не только его адекватное математическое описание, но и правильно выбранная методика построения системы.

В силу того, что основной задачей управления процессом пиролиза является максимизация выхода древесного угля [6], то протекание процесса пиролиза необходимо организовать таким образом, чтобы исключить интервалы «томления» древесины, стимулирующие выход жидких фракций, а также избежать резких перегревов, которые вызывают рост образования парогазовой смеси. Это требование трансформируется в необходимости формирования желаемой временной температурной зависимости, определяющей конкретные температурные режимы на различных этапах протекания процесса пиролиза. Однако, учитывая, что на температурный режим процесса пиролиза оказывает влияние ряд нестационарных параметров (влажность древесины, плотность укладки в контейнер, порода древесины и т.п.) и инерционность теплового процесса, целесообразно задаться двумя кривыми, определяющими максимальный и минимальный возможные уровни температур в ходе процесса.

Очевидно, что пространство, расположенное между двумя температурными кривыми, будет являться желаемой областью состояния системы, обеспечивающей достижение заданных показателей качества. Для поддержания теплового режима пиролизной установки, который обеспечит нахождение тепловой системы в желаемой температурной зоне, необходимо достаточно адекватно прогнозировать ее поведение с учетом множества возмущающих факторов внешней и внутренней среды.

Таким образом, для оптимизации необходимо учитывать не только свойства древесины, но и содержание органических соединений, влажности и температурного режима для достижения высококачественного угля, но наилучшей древесиной для получения активных углей является твердолиственная древесина (дуб), который защищен в РФ законом по вырубке.

 

Литература

1. Чудинов С.В., Трофимов А.Н., Узлв Г.А. и др. Справочник лесохимика. -М.: Лесн. промышленность. – 1987. -77 с.

2. Патент РФ №2228348 7С10В 53/02, 1/04. Углевыжигательная печь:/ С.П. Черный, Ю.В. Рубцов, в.А. Соловьев. Опубл. 10.05.2004. Бюл.№13.

3. Патент РФ №2193966 7И27А 11/02. Способ оптимизации процесса получения щепы на рубительных машинах:/ Б.Я. Мокрицкий, Ю.В. Рубцов, В.А. Соловьев, Н.С. Медведев. Опубл. 10.12.2002. Бюл.№34.

4. ГОСТ 7657 – 94. Уголь древесный. Технические условия. -М. – Госкомитет по стандартам.

5. Реклейтис, Г., Рейвиндран, А., Рэгсдел, К. Оптимизация в технике: В 2-х кн. Кн. 1. Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. – 41 с.

6. Патент РФ №2187534 7С10В 53/02. Способ получения древесного угля:/ Б.Я. Мокрицкий, Ю.В. Рубцов, В.А. Соловьев, В.В. Бакаев. Опубл. 20.08.2002. Бюл.№23.