Совершенствование технических средств переработки отходов лесосечных работ на топливную щепу в условиях вырубки


I НАУЧНАЯ МЫСЛЬ!
СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ

С.В. ФОКШ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ
СРЕДСТВ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ЛЕСОСЕЧНЫХ РАБОТ НА ТОПЛИВНУЮ
ЩЕПУ В УСЛОВИЯХ ВЫРУБКИ


МОНОГРАФИЯ



znanium.com

Москва ИНФРА-М 2020

   ФЗ    Издание не подлежит маркировке  
№ 436-ФЗ в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

УДК 630(075.4)
ББК 43.90
      Ф75
       Рецензенты:
          Бартенев Иван Михайлович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО «Воронежская государственная лесотехническая академия»;
          Григорьев Игорь Владиславович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова»;
          Черемных Николай Николаевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО «Уральский государственный лесотехнический университет»

       Фокин С.В.

Ф75 Совершенствование технических средств переработки отходов лесосечных работ на топливную щепу в условиях вырубки : монография / С.В. Фокин. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 187 с. — (Научная мысль). — DOI 10.12737/24135.

          ISBN 978-5-16-012582-4 (print)
          ISBN 978-5-16-106043-8 (online)
          В настоящее время отходы древесины в виде рассеченной кроны на земле и прикорневой доли биомассы дерева в земле остаются на вырубках, становясь потенциально опасными горючими материалами при возникновении лесных пожаров, а также препятствиями при проведении лесовосстановительных мероприятий, возможными очагами инфекций. Измельчение древесных отходов на щепу позволит решить проблему их утилизации путем использования в качестве топливной щепы как дополнительного источника тепловой энергии. В представленной работе установлено влияние конструктивных и эксплуатационных параметров ру-бительных машин фрезерного типа с модернизированной гидросистемой и оснащенных активными рабочими органами на процесс измельчения древесных отходов. Приводится годовой экономический эффект от внедрения разработанного комплекса машин измельчения древесных отходов и экономические показатели от применения топливной щепы.
          Данное издание предназначено для магистрантов и аспирантов, занимающихся научными исследованиями в области механизации лесного хозяйства.
УДК 630(075.4)
ББК 43.90
ISBN 978-5-16-012582-4 (print)
ISBN 978-5-16-106043-8 (online)                      © Фокин С.В., 2016

Подписано в печать 11.03.2020.
Формат 60x90/16. Печать цифровая. Бумага офсетная.
Гарнитура Newton. Усл. печ. л. 11,69. ППТ12. Заказ № 00000
ТК 648914-1090548-010817
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1.
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29.
            E-mail: books@infra-m.ru      http: //www.infra-m.ru
Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

        ВВЕДЕНИЕ


   Древесина по теплотворной способности уступает традиционным видам топлива, но при этом имеет ряд преимуществ перед ними, главными из которых являются: возобновляемость, меньший выброс диоксида углерода при сжигании, меньшее содержание вредных веществ в золе по сравнении с минеральными видами топлива, возможность выращивания и заготовки древесного сырья вблизи мест потребления, позволяющая сократить расходы на транспортировку готового продукта от места происхождения до места потребления.
   В процессе заготовки древесной биомассы, помимо деловой древесины, образуется 30-45% порубочных остатков в виде рассеченной кроны на земле и 20-25% прикорневой доли биомассы дерева в земле. Биомасса дерева, находящаяся в кроне, пне и корнях, является дополнительным сырьем для получения тепловой энергии.
   Лесостепная и степная климатические зоны Поволжья относятся к малолесным и среднелесным районам Европейской части России. В лесах лесостепной и степной климатических зон Поволжья наибольшее распространение получили рубки деревьев в погибших и поврежденных насаждениях: сплошные, выборочные и санитарные. Отходы древесины, получаемые при выполнении лесосечных работ в виде порубочных остатков и пней, не находят своего потребителя и остаются на вырубках, становясь потенциально опасными при возникновении лесных пожаров, препятствиями при проведении лесовосстановительных мероприятий, очагами инфекции.
   Измельчение отходов лесосечных работ на щепу позволит решить проблему утилизации путем использования их в качестве топливной щепы как дополнительного источника тепловой энергии. Для измельчения древесных отходов и пней на щепу используются устройства руби-тельного, измельчающего и фрезерного типа, которые нашли применение в производственных условиях.
   Наибольшее распространение получили машины фрезерного типа. Широкий спектр применения машин данного типа свидетельствует об универсальности используемых конструктивных схем, которым свойственны маневренность, высокая производительность и компактность.
   Однако машинам фрезерного типа присущи и недостатки, основным из которых является высокая энергоемкость производимых работ по переработке древесной биомассы на щепу. Поэтому внедрение новых машин фрезерного типа для измельчения отходов лесосечных работ окажет влияние не только на показатели работы лесного комплекса, но и решит важные социальные и экологические задачи.
   Существующие теоретические разработки по обоснованию параметров машин фрезерного типа не могут в полной мере использоваться из-

3

за специфики условий производства работ, что приводит к необходимости разработки методов расчета их проектных параметров.
   В связи с этим разработка научных основ рабочих процессов машин фрезерного типа и создание технологического комплекса машин с более высоким техническим уровнем для реализации технологии получения топливной щепы из отходов лесосечных работ в условиях лесов степной и лесостепной климатических зон Поволжья является крупной научной проблемой.

        1.  СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА МЕХАНИЗАЦИИ РАСЧИСТКИ ВЫРУБОК ЛЕСОСТЕПНОЙ И СТЕПНОЙ КЛИМАТИЧЕСКИХ
        ЗОН ПОВОЛЖЬЯ

        1.1. Особенности климата и структуры почвенного покрова лесостепной и степной климатических зон Поволжья

   Лесостепная климатическая зона занимает восточную часть Поволжья, а степная климатическая зона охватывает его юго-восток. По климатическим условиям сухие, засушливые и полузасушливые годы в лесостепной зоне составляют 40%, а в степной - 68%. Избыточновлажные: в лесостепной зоне - 8%, в степной - 1%. Среднегодовое количество атмосферных осадков в центральной части лесостепной зоны колеблется от 500 до 600 мм, а в восточной части понижается до 450460 мм. В степной зоне количество выпадающих осадков составляет 360-400 мм. Приведенные выше климатические показатели свидетельствуют о том, что при избытке тепла, характерном для данных климатических зон, проявляется значительный дефицит влаги [53, 214, 299, 332].
   Южнее территорий выровненных водоразделов и пологих склонов, занятых сложными вариациями - сочетаниями черноземов оподзолен-ных различной мощности, темно-серых лесных, лугово-черноземных, торфяно-глеевых почв и пятнитностей темно-серых глеевых и темно-серых глееватых почв. Контуры черноземных почв представлены пятнистостями и вариациями черноземов разной степени выщелоченности, оподзоленности и мощности.
   Центральная и восточная части лесостепной зоны сильно подвержены эрозионным процессам с очень густым расчленением территории долинно-балочной сетью, оврагами и малыми реками [85]. Почвенный покров степной зоны представлен широко развитой комплексностью. Участие солонцовых комплексов в структуре почвенного покрова зоны нарастает с севера на юг и юго-восток.
   Исключение составляют хорошо дренированные территории, характеризующиеся распространением сочетаний темно-каштановых почв разной мощности на выровненных или увалистых водоразделах с темно-каштановыми карбонатными солонцеватыми и эродированными почвами на склонах. Хорошая дренированность также представлена на легких породах, способствующая хорошей промытости профиля от лекго-суглинистых, супесчаных и песчаных темно-каштановых и каштановых почв.
   На участках с различной мощностью и щебнистостью элювия плотных пород структура почвенного покрова осложняется участием мозаик. На территориях степной зоны, где покров формируется с участием засоленных пород, свойственно развитие сложных контрастных сочетаний темно-каштановых солонцеватых, солонцевато-солончаковых почв 5

с солонцовыми комплексами [121]. На основании вышесказанного можно сделать вывод, что на территории, относящейся к лесостепной и степной климатическим зонам Поволжья, преобладают дренированные почвы. Поэтому необходимо разработать средства механизации в соответствии с требованиями, предъявляемыми к оборудованию для данного типа почв.

        1.2. Особенности состава естественных лесов лесостепной и степной климатических зон Поволжья

   В лесостепной зоне сосредоточена основная часть дубрав РФ с ценными твердолиственными спутниками. Долевое участие дуба в лесах лесостепной зоны, охватывающей территорию Поволжья, составляет 20%.
   Низкое количество дуба обуславливается плохими лесорастительными условиями вследствие низких температур зимой, низкой влажностью летом и наличием больших площадей щебенистых суглинков и маломощных смытых почв.
   Сосновые насаждения составляют 25-27% и представлены 1а - 1 классами бонитета. На долю березы приходится 14-15%. Широко представлены древостой осины - 21% и липы - 16%. Типологический состав дубрав в лесостепной зоне разнообразен [159]. Здесь встречаются: кле-ново-липовые-снытьевые, злаково-мелкотравные, ясенево-липово-снытъевые, мятликово-осоковые, вязово-крапивные, свежесуборевые, сосново-липовые, дубняки береслетовые, холмовые, боромятликовые низких бонитетов.
   Свыше 60% дубрав представлены порослевыми насаждениями многократных генераций, в которых семенное возобнавление проходит плохо, а порослевое утрачено. Поэтому в лесостепной зоне долевое участие искусственного лесовосстановления составляет 80%. Не покрытые лесом земли представлены вырубками - 60%, прогалинами и пустынями -34%. Естественные леса степной климатической зоны представлены твердолиственными породами средних и низших классов бонитета. Дуб занимает 52% площади лесов, ясень обыкновенный - 9%, липа - 9%, сосна - 21% [130, 140]. На равнинных участках формируются дубняки степные приводораздельные, особо сухие на темно-каштановых слабозасоленных почвах. К байрачным местоположениям приурочены степные береговые дубняки на обыкновенном черноземе. Не покрытые лесом земли составляют фонд лесовосстановления в виде прогалин и пустырей - 55%, погибших древостоев и вырубок, восстановление леса на которых предусматривается созданием лесных культур - 80%. Естественное заращивание успешно проходит в основном в пойменных лесах за счет тополя белого, осокоря, вяза [162].
   Все леса лесостепной и степной климатических зон Поволжья отнесены к защитным лесам и подлежат освоению в целях сохранения средообразую-6

щих, водоохранных, защитных, санитарно-оздоровительных и иных полезных функций лесов с одновременным использованием лесов при условии, если это использование совместимо с целевым назначением защитных лесов и выполняемых ими полезных функций [190].
   Анализ состава естественных лесов лесостепной и степной климатических зон Поволжья позволяет сделать вывод о том, что на данной территории эксплуатационные и резервные леса на данной территории отсутствуют и все леса относятся к защитным лесам, что накладывает особые условия на ведения лесоэкплуатационных работ.

        1.3. Виды вырубок в лесах лесостепной и степной климатических зон Поволжья

   Лесостепная и степная климатические зоны Поволжья относятся к малолесным и среднелесным районам Европейской части России. В лесах лесостепной и степной климатических зон Поволжья наибольшее распространение получили рубки в погибших и поврежденных насаждениях: в 2007 году были проведены на общей площади 7144 га, в том числе сплошные санитарные рубки на площади 1532 га, выборочные санитарные рубки - на площади 5612 га.
   Рубки ухода осуществляются путем периодической вырубки из насаждений нежелательных деревьев и создания благоприятных условий для роста лучших деревьев главных (целевых) пород. Их проводят с момента образования насаждений и заканчивают за один класс возраста до возраста рубки. В лесах, где не допускаются рубки спелых, перестойных насаждений, проведение рубок ухода не ограничивается возрастом насаждений и после завершения периода прохождения рубок ведутся рубки реконструкции насаждений [176, 236, 303].
   Заготовка древесины производится при проведении уходов за лесом, к которым относятся рубки ухода, выборочно-санитарные рубки и рубки, связанные с реконструкцией древостоев и некоторые виды прочих рубок. При проведении санитарно-оздоровительных мероприятий было заготовлено 368 тыс. м³ древесины (из них ликвидной 301,6 тыс. м³), в том числе от сплошных санитарных рубок - 278 тыс. м³, от выборочных санитарных рубок - 90 тыс. м³. Особенностью лесозаготовительных мероприятий на данной территории является низкая ликвидность древесины (82%) [161, 183, 191, 245, 327].
   Повышение доли сплошных санитарных рубок в общем объеме заготовки древесины происходит с начала 90-х годов, после запрета на проведение лесовосстановительных рубок. Это обусловлено снижением устойчивости насаждений, связанных старением насаждений.
   В мягколиственном хозяйстве произошло накопление спелых и перестойных насаждений, что указывает на необходимость активизации проведения рубок ухода. В настоящее время наметилась тенденция, заклю-


7

чающаяся в том, что расчетные лесосеки по уходу за лесом не осваиваются, а проведение числа санитарных рубок возрастает.
   С 2000 года произошло снижение площадей воспроизводства лесов на данной территории. Это связано с дефицитом пригодных для лесовосстановления земель из-за недостаточного объема рубок и недостаточного объема финансирования для сложных способов лесовосстановления. За период с 1994 по 2007 год списано 16% от площади созданных искусственных лесных насаждений [255].
   Анализ видов рубок в лесах лесостепной и степной климатических зон Поволжья показал, что в них отсутствует промышленная заготовка древесины, так как леса относятся к 1-й категории. Помимо этого, качество заготавливаемой древесины низкое. Отходы лесосечных работ в виде порубочных остатков и пней не находят своего потребителя и остаются на вырубках, становясь потенциально опасными при возникновении лесных пожаров, препятствиями при проведении лесовосстановительных мероприятий, очагами инфекции. Современные технологии, основанные на использовании отходов лесного производства в виде топлива, позволяют решить данную проблему.

        1.4. Современное состояние рынка биоэнергетических технологий

   Современное развитие биоэнергетика получила после подписания Киотского соглашения по противодействию мировому изменению климата и в связи со значительным ростом цен на углеводородное сырье, которое коснулось и России. В ряде стран, таких как Финляндия и Швеция, после разработки Плана действий по возобновляемым энергоресурсам стали вестись разработки технологий по использованию в качестве топлива возобновляемых ресурсов, в частности древесины. Развитие биоэнергетических технологий в данных странах способствует [168, 276, 304, 307, 325]:
   -     развитию технологий сбора и средств для переработки древесного сырья;
   -     созданию новых рабочих мест на предприятиях лесной и энергопроизводящих отраслей экономики;
   -     стабилизации цен на энергоносители в результате конкурентной борьбы на рынке с традиционными источниками энергии;
   -     развитию предприятий лесной отрасли экономики за счет производства древесного топлива;
   -     развитию интеграционных процессов в экономике страны (предприятий лесного комплекса с предприятиями энергетического комплекса).
   В Российской Федерации несмотря на значительные запасы древесного сырья данные технологии не получили значительного развития. На это влияют неравные конкурентные условия на рынке энергоносителей, хотя по многим показателям энергетическая продукция, основанная на 8

древесном сырье, не уступает традиционным источникам энергии. Но так как технология добычи, реализации углеводородного топлива создана со времен СССР и не требует значительных финансовых вливаний, то развитие биоэнергетических технологий создается практически с нуля. В настоящее время преобладающими являются местные предприятия по выпуску древесного топлива с незначительными объемами [115, 184, 200, 285, 313].
   Поэтому на начальном этапе необходима государственная поддержка данного сегмента рынка. Лесозаготовительная промышленность может получать сырье для производства топлива при проведении лесокультурных работ из древесных отходов (тонкомерная, низкокачественная древесина и пни) при переработке их на топливную щепу.
   Причем энергозатраты на производство щепы в зависимости от ее теплотворной способности в два раза меньше, чем угля. Поэтому производство щепы непосредственно на вырубках является основным резервом для увеличения объемов топливной древесины.
   Территорию лесостепной и степной климатических зон Поволжья нельзя отнести к лесодефицитным регионам, так как в течение 20 лет не осваивался возможный объем заготовки древесины, хотя только учтенный общий запас древесины в лесах данных климатических зон составляет 302,5 млн м³ [292, 312].
   На основании вышесказанного можно сделать вывод, что развитие топливной энергетики на основе древесного сырья на территории лесостепной и степной климатических зон Поволжья является приоритетной. Искусственно завышенные цены на углеводородные энергоносители заставляют потребителей нести значительные расходы на производство своей продукции.
   А сельское население, имеющее самые низкие доходы, сталкивается с проблемой энергообеспеченности жилья. Запасы древесного сырья в лесах данных климатических зон позволяют успешно развивать биоэнергетические технологии на основе топливной щепы, получаемой из отходов лесосечных работ, без нанесения ущерба экосистеме [314].

        1.5. Анализ использования различных видов топлива

   Вопрос о необходимости развития производства биотоплива из отходов деревообработки и лесозаготовок, а также из некондиционной древесины становится все более значимым и переходит в плоскость принятия конкретных инвестиционных и хозяйственных решений. Поэтому особенно актуальной становится тема эффективности использования древесных отходов и некондиционной древесины в энергетических целях [7].
   Из данных, приведенных в табл. 1.1, следует, что щепа, древесные гранулы, опилки по удельной теплоте сгорания близки к каменному углю.


9

   Отсюда следует, что древесное топливо можно отнести к возобновляемому, экологически чистому виду топлива.
   К ресурсам, которые могут быть использованы в лесном комплексе в энергетических целях, относятся:
   -  топливные дрова;
   -     топливная щепа и вторичные древесные отходы от лесозаготовок (сучья, ветки, вершинки, откомлевки, козырьки);
   -     отходы лесопиления и деревообработки (горбыли, обрезки пиломатериалов, карандаши, шпон-рванина, обрезки шпона, обрезки фанеры, опилки, стружка, шлифовальная пыль, кора);
   -     отходы целлюлозно-бумажного производства (кора, отсев щепы, опилки, обрезки бревен, скоп).
Таблица 1.1
Показатели теплотворной способности различных видов топлива

                   Теплота  Сера, Зола, Углекислый
   Вид топлива    сгорания,   %     %      газ,   
                   МДж/м3                 кг/ГДж  
Дизельное топливо   42,5     0,2    1       78    
      Мазут          42      1,2   1,5      78    
  Природный газ      35       0     0       57    
 Каменный уголь      19       2    25       60    
Гранулы древесные   17,5     0,1   0,5      0     
Гранулы торфяные    13,5      0    16       70    
 Щепа древесная      13       0     1       0     
Опилки древесные     12       0     1       0     

   В России доля деловой древесины (с учетом технологической щепы и технологических дров) составляет 82%, а 18% - топливные дрова. Это делает актуальными вопросы наиболее полного и рационального использования топливной древесины и древесных отходов с учетом экономических приоритетов в использовании заготавливаемой древесины [38, 64, 98, 113]. Такими приоритетами являются:
   -     механическая переработка пиловочного и фанерного сырья в конструкционные древесные материалы;
   -     химико-механическая переработка древесины и технологической щепы в плитные древесные материалы;
   -     химическая переработка древесины и технологической щепы в целлюлозно-бумажную и лесохимическую продукцию.
   Что касается биоэнергетики, то здесь должно предусматриваться только использование малоликвидной древесины и неиспользуемых в технологических процессах древесных отходов лесозаготовок и лесопереработки [25, 26].
   Основные направления в энергетическом использовании древесных отходов и неликвидной древесины представляются следующими:


10