Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы и задачи исследования 17
1.1. Принятые термины и определения 17
1.2. Низкотоварная древесина как проблема общероссийского масштаба 23
1.3. Известные виды продукции из низкотоварной древесины 34
1.4. Инновационные виды продукции из низкотоварной древесины 41
1.5. Новый подход к повышению биологической стойкости изделий из низкотоварной древесины 46
1.6. Эффективные технологии заготовки и обработки низкотоварной древесины 53
1.7. Обоснование методики экологической эффективности лесопользования 61
1.8. Производство технологической щепы из низкотоварной древесины 72
1.9. Особенности капиллярно-пористой структуры древесины 81
1.10. Особенности пропитки древесины 84
1.11. Обоснование исходных требований математической модели обезвоживания древесины в процессе прессования и сушки 92
1.12. Выводы по главе 1 107
1.13. Задачи исследования 110
Глава 2. Новые технические решения для повышения эффективности пропитки древесины 111
2.1. Устройство для пропитки древесины при помощи гидроудара 111
2.2. Новое устройство для пропитки древесины в пьезопериодическом поле 113
2.3. Модель пропитки древесины в пьезопериодическом поле 115
2.4. Устройства для ротационной пропитки 121
2.5. Выводы по главе 2 128
Глава 3. Теоретические исследования по уточнению моделей пропитки лесоматериалов в поле центробежных сил 130
3.1. Модели на основе линейного закона фильтрации Дарси 130
3.2. Модели на основе нелинейного закона фильтрации 137
3.3. Модели, учитывающие неоднородность строения древесины 142
3.4. Выводы по главе 144
Глава 4. Математическое моделирование процессов обработки низкотоварной древесины пропиткой и прессованием 146
4.1. Математическая модель процессов прессования и обезвоживания пропитанных древесных материалов 146
4.2. Определение оптимальных параметров процесса прессования и обезвоживания пропитанных древесных материалов 161
4.3. Выводы по главе 4 172
Глава 5. Методика, условия проведения и аппаратура экспериментальных исследований 174
5.1. Методика проведения исследований по пропитке древесины в поле центробежных сил 175
5.2. Методика проведения экспериментальных исследований по пропитке древесины в пьезопериодическом поле 178
5.3. Методика проведения экспериментальных исследований по модификации древесины прессованием и сушкой 183
5.4. Выводы по главе 183
Глава 6. Результаты экспериментальных исследований 185
6.1. Результаты экспериментальных исследований центробежной пропитки лесоматериалов 185
6.2. Результаты экспериментальных исследований обработки древесины пропиткой и прессованием 194
6.3. Результаты экспериментальных исследований пропитки древесины в пьезопериодическом поле 201
6.4. Результаты экспериментальных исследований по определению механических свойств модифицированной древесины 210
6.5. Выводы по главе 217
Глава 7. Новые технические решения для повышения эффективности производства технологической щепы из низкотоварной древесины 218
7.1. Общие замечания 218
7.2. Линии и устройства для повышения эффективности подготовки низкотоварной древесины к переработке на технологическую щепу 219
7.3. Повышение эффективности барабанной окорки лесоматериалов 230
7.4. Линия производства технологической щепы с системой учета ее качества и количества 242
7.5. Способ предотвращения потерь древесины (перекора) при обработке низкотоварной древесины в окорочных барабанах 252
7.6. Устройство для оперативного определения степени затупления ножей рубительных машин 258
7.7. Выводы по главе 7 263
Основные выводы и рекомендации 266
Литература 269
- Низкотоварная древесина как проблема общероссийского масштаба
- Обоснование исходных требований математической модели обезвоживания древесины в процессе прессования и сушки
- Методика проведения экспериментальных исследований по пропитке древесины в пьезопериодическом поле
- Устройство для оперативного определения степени затупления ножей рубительных машин
Низкотоварная древесина как проблема общероссийского масштаба
Согласно данным Росстата, для 45 субъектов Российской Федерации лесопромышленный комплекс является значимой составляющей экономического развития, поскольку вносит в ВВП субъекта более 10% [29]. Рассмотрим существующее положение с низкотоварной древесиной, согласно сформулированному в предыдущем подразделе определению, в ряде регионов России.
За последние 70 лет в лесах РФ наблюдаются существенные изменения, связанные, прежде всего, с изменением средней формулы породного состава в пользу мягколиственных пород, которые приходят на смену хвойных лесов естественной генерации. По данным Лесного плана Вологодской области (2007 г.), за период с 1961 г. по 2006 г. площадь насаждений с преобладанием хвойных пород в этом субъекте РФ уменьшилась на 9,3% за счет древостоев ели. Уменьшение площади еловых насаждений явилось результатом их интенсивной эксплуатации и последующего естественного облесения части вырубок березой и осиной.
Смене пород в значительной степени способствовали несоблюдение лесозаготовителями лесоводствепных требований при проведении заготовки древесины, а также лесные пожары и процессы биодеструкции.
Площадь мягколиственных насаждений увеличилась на 37,6%, за счет березы и осины, возникших на вырубках из-под ели. В результате интенсивной лесоэксплуатации площадь спелых и перестойных хвойных насаждений уменьшились на 16,1%, а их запас - на 24,1%. В мягколиственных же хозсекци-ях площадь спелых и перестойных древостоев увеличилась на 208,1%, а их запас - на 297,6%, что является следствием слабой эксплуатации березовых и осиновых насаждений. Анализ лесных планов других субъектов РФ позволяет утверждать, что эта тенденция свойственна всем освоенным лесным массивам.
В зависимости от типа вырубки, образующейся после проведения лесосечных работ, преобладает возобновление различных мягколиственных пород, например, на местах рубки сосняков и ельников брусничных начинает преобладать береза, а черничных- осина [30].
Накопление хвойных идет очень медленно, вырубки зарастают лиственными породами - березой и осиной, количество которых достигает 10,-15,0 тысяч штук на га, что часто составляет свыше 90% от общего количества древесных растений на вырубке [30].
Проблема смены естественных хвойных насаждений мягколиственными последующих генераций связана как с естественными, так и с экономическими факторами. К естественным факторам, относится, прежде всего, меньшая продолжительность класса возраста и, соответственно, большая скорость роста мягколиственных пород, по сравнению с хвойными. Экономические факторы связаны с тем, что мягколиственная древесина пользуются не значительным спросом на деревообрабатывающих предприятиях. Для изготовления конструкционных лесоматериалов мягколиственные породы практически не используются.
На мягколиственную древесину цены ниже, чем на хвойную. В хозяйственной практике основными показателями эффективности работы являются стоимость полученной товарной продукции и ее рентабельность. Предприятия часто несут убытки при заготовке мягколнственной древесины. Это связано, в первую очередь, с отсутствием технологий и оборудования, позволяющих эффективно обрабатывать древесину мягколиственных пород в условиях нижних складов лесозаготовительных предприятий с получением востребованной готовой продукции или полуфабрикатов.
Из-за трудностей реализации мягколнственной древесины потенциал промежуточного пользования лесом используется недостаточно, а лесозаготовительные предприятия, на которые по действующему законодательству возложена обязанность охраны и защиты арендованных лесных массивов и проведения лесохозяйственных мероприятий, включая рубки ухода за лесом, несут существенные материальные потери в виде недополучения прибыли от реализации такой древесины. Это же относится к тонкомерным лесоматериалам хвойных пород, получаемым при проведении рубок ухода за составом.
Отдельную проблему создают леса, выросшие на заброшенных в постперестроечные годы землях сельскохозяйственного назначения (непродукционных землях). Они представляют собой молодняки хвойных древесных пород и пород -пионеров, т.е. низкотоварной древесины (тонкомерной хвойной и мягколиствен-ной), занимающие около 50 миллионов гектар.
О том, что низкотоварная древесина представляет собой значительную проблему в масштабе Российской Федерации указывают руководители исполнительной власти многих регионов нашей страны.
Согласно данным периодических изданий за 2013-2014 года на высшем уровне власти субъектов и федеральных округов Российской Федерации рассматриваются различные варианты решения проблемы эффективной утилизации низкотоварной древесины.
На территории Саратовской области имеется большое количество низкотоварной древесины. Ежегодный допустимый объем изъятия древесины (расчетная лесосека) составляет 1391 тыс. м . Из этого количества 1120 тыс. м , т.е. около 80% является низкотоварной древесиной, не пользуется спросом и не находит сбыта.
Министерством природных ресурсов и экологии Саратовской области прорабатываются вопросы по привлечению инвесторов для создания на территории области совместных предприятий по переработке ннзкотоварной древесины.
В качестве основных направлений ее переработки выбрано производство строительных и древесно-топливных материалов, используемых на объектах промышленной и коммунальной энергетики. То есть, предполагается, что производство будет состоять из двух технологических линий: линия по производству пиломатериалов и линия по производству пеллет из отходов, полученных при производстве пиломатериалов. В Саратовской области, на площадке Мизино-Лапшиновского производственного участка ОГУ «Вязовский учебно-опытный лесхоз», создается предприятие по переработке низкосортной древесины для получения биотоплива. Согласно графику 1 очередь производства должна создать 35 рабочих мест. С вводом первой очереди производства должны быть рассмотрены возможности его расши-рения. Общий объем переработки низкотоварной древесины составит 60 тыс. м . Объем производства пиломатериалов - до 5 тыс. м в год, топливных пеллет - до 10 тыс. тонн в год.
Как отметил Губернатор Саратовской области Валерий Радаев, создание производства для переработки низкотоварной древесины не только позволит создать новые рабочие места, но также положительно отразится на санитарной очистке лесного фонда района.
Проект создания и модернизации лесной инфраструктуры в Еврейской автономной области реализуют в 2014 году. Он предусматривает безотходное производство из ликвидного леса и низкотоварной древесины, об этом сообщил департамент пресс-службы губернатора и правительства Еврейской автономной области.
Проект создания и модернизации объектов лесной и лесоперерабатывающей инфраструктуры компании «Эколес» является первым дальневосточным проектом, который реализует идею безотходного производства из ликвидного леса и низкотоварной древесины. Конечными продуктами производства должны стать пиломатериалы, древесный уголь, топливные древесные брикеты, клееный брус и мебельный щит.
По информации Управления промышленности и потребительского рынка правительства Еврейской автономной области, уполномоченного осуществлять контроль за ходом реализации инвестиционного проекта, создание и модернизация объектов лесной и лесоперерабатывающей инфраструктуры ООО «Компания «Эколес», он включен в перечень приоритетных проектов в области освоения лесов России и программу социально-экономического развития Облученского района области до 2015 года. В соответствии с Лесным планом Республики Алтай ежегодно необходимо проводить санитарно-оздоровительные мероприятия на площади 9326 га с объемом заготавливаемой древесины 261774 м3. В течении 9 месяцев 2013 года на территории лесного фонда Республики Алтай проведено санитарно-оздоровительных мероприятий на площади 2538, 7 га , в результате которых заготовлено- 116269 м3 древесины. В качестве одной из основных причин не реализации показателей лесного плана названа невостребованность низкотоварной древесины, получаемой проведении рубок.
Правительством Республики Алтай, в целях исполнения подпунктов пункта 2 перечня поручений Президента Российской Федерации от 7 мая 2013 г. № Пр-1037ГС по итогам заседания Президиума Государственного совета Российской Федерации 11 апреля 2013 г., в частности, для создания условий, стимулирующих увеличение объемов использования низкотоварной древесины и отходов древесного сырья (подпункт «а») профинансирована реконструкция котельных, с установкой шахтных котлов, работающих на опилках и кусковых древесных отходах, в шести районах Республики.
Обоснование исходных требований математической модели обезвоживания древесины в процессе прессования и сушки
Основными и традиционными технологическими приемами модифицирования древесины с целью улучшения ее свойств являются обезвоживание, пропитка, прессование и термическая обработка, в том числе и сушка, заготовленных образцов. Наряду с указанными приемами древесину подвергают также воздействию ультразвука, электромагнитных полей, радиации и других явлений физико-химической природы [212-214].
Материалы пропитки выбираются исходя из целей и поставленных задач: антисептики - для повышения биологической стойкости, антипирены - для обеспечения огнезащитных свойств, специальные вещества, а именно: парафин - для повышения электрических свойств, красители - для изменения цвета, карбамид -для повышения пластичности т.д.
С помощью обезвоживания (механического, термического или электрокинетического) удаляют лишнюю влагу из пор, влияющих на изменение свойств древесины, прессование обусловливает увеличение ее плотности и прочности, а термообработка закрепляет приобретенные свойства.
Таким образом, максимальный эффект в ходе модифицирования древесины достигается при оптимизации параметров всех указанных процессов и совместной реализации адекватных технологий.
Реализация необходимых при этом технологических процессов невозможна без детального изучения структурных особенностей древесины [215], поскольку именно структура влияет на плотность, пористость и проницаемость древесины.
Анализ значимости технологических факторов и показателей получения модифицированной древесины [175], а именно: исходной плотности древесины в абсолютно сухом состоянии р0 и конечной плотности р, необходимого предела прочности на сжатие асж, исходной влажности W0 и влажности W в процессе увлажнения, степени прессования Сп, температурных значений древесины Тд, термообработки и сушки Т и ряда других позволил сделать следующий вывод: основными показателями (суммарный удельный вес в общей оценке значимости результатов достигает 55%) эффективности процесса модифицирования древесины являются такие параметры, какр и тсж.
Принимая во внимание результаты исследований [216] при изучении свойств коры деревьев в диапазоне изменения р=300-700 кг/м3 установлено, что между показателями р и осж существует тесная корреляционная связь.
Если допустить, что аналогичная связь характерна и для древесины, то можно сделать вывод о том, что универсальным превалирующим показателем эффективности модифицирования древесины, как подчеркивается в [175], является ее конечная плотность р.
В качестве подтверждения данного тезиса обратимся к данным рисунок 1.7, где в результате обобщения [175] для различных пород сухой древесины влажностью не более W=5% в диапазоне изменения их плотности р=700-1400 кг/м3 получена зависимость асж отр, которая с высокой точностью выражается формулой:
Базируясь на соотношениях (1.6), на рисунке 1.8 представлен график зависимости относительной величины Kw = р/ от W и С„.
Как видно, совокупное влияние параметров W и Ср даже в относительно небольшом диапазоне изменения их значений приводит к достаточно существенному (до 30%) увеличению плотности древесины по сравнению с показателями в абсолютно сухом состоянии.
Влияние увлажнения на величину асж и жесткость древесины абсолютно иное.
Так, на процесс снижения прочности древесины с ростом влажности в диапазоне изменения W W? влияет только связанная влага, содержащаяся в клеточных оболочках, причем на 1% роста FT величина асж снижается на 2%.
На рисунке 1.9 в результате использования полученных соотношений (1.4)-(1.6) при фиксированном значении Ср=0,25 отражены результаты исследования влияния влажности W, % на величину предела прочности на сжатие осж древесины для трех значений величины объемной пористости Cv.
Как следует из анализа данных рисунка 1.9, угловой коэффициент в полученных линейных зависимостях, характеризующий интенсивность снижения асж величины с ростом W, снижается в 2 раза (с -1,577 до -0,7882) при росте величины объемной пористости Cv в 5 раз (с 10 до 50%).
Закономерности изменения анатомического строения натуральной и пропитанной раствором карбамида древесины в процессе ее прессования и сушки в различных направлениях подробно изучены в [175], где подчеркивается, во-первых, что деформационные свойства древесины значительно увеличиваются при прессовании поперек волокон. Во-вторых, сама по себе пропитка не приводит к улучшению свойств древесины, а нужный эффект достигается при дальнейшем обезвоживании образцов со снижением влажности с 50 до 2-3%, причем сушку под давлением осуществляют в циклическом режиме, повышая температуру Г до 120-140С, а давление до 0,7-1,5МПа. Достижение заданных показателей прессования в 30-50% происходит в течение 15-20 часов.
Аналогичная технология прессования предложена в [218], однако отмечается, что при Г=132С происходит плавление карбамида и разогрев образцов необходимо продолжить до температуры Г=170С. В этом случае карбамид превращается в биурет - вещество, характеристики которого соответствуют органическим полимерам. Выделяемый при этом горячий аммиак активно взаимодействует с целлюлозой и лигнином, а повышение пластических свойств древесины позволяет увеличить давление прессования до 2,5 МПа без критических деформаций и разрушения материала. Уместно отметить, что при достижении величины давления в 1,5-2,5 МПа температура кипения воды значительно возрастает, достигая значений 180 С, т.е. процесс сушки под давлением реализуется в режиме, когда жидкость в пар не переходит.
Данная технология прессования и сушки способствует уменьшению толщины образцов в 1,5-3,5 раза, а общее время обработки сокращается до 2-3 часов.
Циклический характер прессования обусловливает необходимость учета реологических свойств и модели среды - диаграмм «напряжение-деформация», кривых ползучести, времени релаксации и т.д.
Очевидно, что влажность W оказывает влияние на все указанные характеристики среды.
При этом необходимо подчеркнуть, что наличие карбамида ускоряет сорбцию влаги и показатели W обработанной древесины устойчивее и выше, чем аналогичные показатели влажности натуральной древесины, что особенно важно учитывать в моделях среды при изучении процесса сушки и термообработки.
Наряду с механическими деформациями древесины под давлением в поле высоких температур имеют место и температурные деформации, которые зависят от направления деформирования и коэффициента линейного расширения а древесины, характеризующего увеличение единицы длины материала при нагревании на 1С.
Методика проведения экспериментальных исследований по пропитке древесины в пьезопериодическом поле
Для проведения экспериментальных исследований пропитки древесины жидкостью за счет избыточного давления, возникающего при гидравлическом ударе, на кафедре Технологии лесозаготовительных производств совместно с кафедрой Водного транспорта леса и гидравлики СПбГЛТУ спроектирована и создана в металле специальная экспериментальная установка, схема которой представлена на рисунке 5.3.
Установка состоит из бака 1 с пропиточной жидкостью 2, соединенного при помощи трубы с трубопроводом 5 в котором размещен исследуемый образец 3 и амортизатор 4. Гидравлический удар осуществляется при закрытии ударного клапана 6.
Установка работает следующим образом. При закрытом затворном клапане 7 бак 1 наполняется пропиточной жидкостью 2 до определенного уровня Н. Напор пропиточной жидкости регулируется за счет изменения уровня пропиточной жидкости Н в баке, длина трубопровода / остается постоянной (2 м). До начала опытов экспериментальный образец 3 размещается в аппендиксе трубопровода 5. Далее открывается затворный клапан 7 и пропиточная жидкость начинает истекать в бассейн (на рисунке условно не показан). Когда поток жидкости приобретает постоянную скорость, происходит резкое закрытие ударного клапана 6, в результате чего и происходит резкое повышение давления пропиточной жидкости в трубопроводе, распространяющееся вдоль него от ударного клапана 6 к аппендиксу с образцом 3 и крышке-амортизатору 4.
После однократного повышения давления клапан закрывается, пропиточная жидкость доливается до нужного уровня и цикл пропитки повторяется образом, аналогичным описанному выше.
При этом для определения давления, возникающего в результате гидроудара, использованы следующие соображения.
Скорость распространения волны гидравлического удара [245] находится из формулы:
V 8 Е где обозначено:
-а- скорость распространения удара, [м/с];
- яо - скорость распространения звуковых волн в неограниченной жидкой среде, [м/с];
- d- внутренний диаметр трубопровода, [м];
- д - толщина стенок трубопровода, [м];
- К— модуль упругости жидкости, [Па];
- Е - модуль упругости материала стенок трубопровода, [Па]. Повышение давления в жидкости при гидроударе находится из формулы
AP = apAv, (5.2)
где обозначено:
- АР - повышение давления, [Па];
- р - плотность жидкости, [кг/м3];
- Av - уменьшение скорости жидкости в трубопроводе, вызывающее гидроудар, [м/с].
При открытии клапана жидкость начинает истекать из отверстия, при этом для достижения установившейся скорости истечения требуется определенное время. В этом случае, для определения скорости жидкости в трубопроводе в зависимости от времени используют следующую зависимость [245]:
где обозначено:
- t\ — время, прошедшее с начала открытия клапана, [с];
- т- время, за которое устанавливается скорость течения жидкости, [с];
- g - ускорение свободного падения, [м/с"];
- Н— напор жидкости, [м];
- Сс безразмерный коэффициент, учитывающий шероховатость трубы (коэффициент сопротивления).
После подстановки всех необходимых характеристик установки в формулу (3.6) (р = 1000 кг/м3, а0 = 1425 м/с, g = 9,81 м/с2, Сс = 0,01, / = 2 м, 8 = 0,005 м, d = 0,05 м, Е = 2-Ю8 Па, К = 2,1 107 Па, Т= 0,5 с, tx = 5,5 с и т.д.), получим выражение для определения максимального повышения давления в зависимости от Н: АР = х Н, (5.7)
Длину ударной волны примем приближенно равной длине трубопровода /.
Образцы для проведения опытов изготавливались из тонкомерных сортиментов березы, осины и ольхи, заготовленных в Охтинском учебно-опытном лесхозе летом 2013 года. Образцы выпиливались на круглопильном станке марки Fermer-4. Сечение образцов квадратное, 25x25 мм, длина образцов составляла 300 мм.
Для проведения опытов подбирались образцы без явных, видимых глазу дефектов в виде трещин, сучков и гнили. Влажность образцов варьировалась: использованы образцы естественной влажности (абсолютная влажность 70 - 75 %), подсушенные (абсолютная влажность 35 - 40 %) и сухие (абсолютная влажность 10-12%).
Пропитка образцов проводилась водным раствором пирокатехина фиолетового (краситель), температура раствора составляла 20 С.
Основные интервалы и уровни варьирования экспериментальных факторов представлены в таблице 5.1.
Эксперименты проведены на экспериментальной установке, конструкция и принцип действия которой описаны выше. Перед началом опытов.каждый образец взвешивался на лабораторных электронных весах с точностью до 0,01 г.
Затем производилась пропитка, после каждых пяти циклов повышения давления за счет гидроудара образец извлекался и снова взвешивался. После 25 циклов повышения давления каждый образец раскалывали и измеряли глубину пропитки (расстояние от ближнего к ударному клапану торца до границы пропитанной области, которую отчерчивали по приложенному перпендикулярно к боковой поверхности образца угольнику по визуально интенсивно окрашенной поверхности) при помощи линейки с точностью до 1 мм.
Устройство для оперативного определения степени затупления ножей рубительных машин
Как было отмечено выше, процесс производства технологической щепы [278] включает в себя следующие операции:
Раскряжевка долготья на отрезки 1,0-2,0 м;
Окорка;
Рубка в щепу;
Сортировка щепы на размерные фракции.
После сортировки крупная фракция щепы может подаваться назад в руби-тельную машину для доизмельчения, кондиционная (требуемая) фракция направляется в дальнейшее производство, мелкая - является отходом, и направляется на сжигание.
В процессе работы рубительной машины происходит затупление ножей, что приводит к уменьшению выхода кондиционной фракции щепы, и увеличению процента выхода мелкой фракции.
В настоящее время степень затупления ножей рубительных машин при производстве технологической щепы определяют путем измерения радиуса затупления режущей кромки ножей во время периодической остановки рубительных машин. Частота остановки назначается директивно, например, зимой - два раза в смену, летом - один раз в смену.
Такой подход к определению продолжительности упряга рубительной машины и замене ножей, не учитывает многие часто меняющиеся показатели предмета труда - породу древесины, ее качество и количество.
При остановке рубительной машины используют следующие методы определения степени затупления ножей - визуальный осмотр; проверка остроты ощупью; создание слепков лезвий на свинцовых пластинах.
Вместе с тем, каждая остановка машины приводит к большим потерям времени, часто к остановке всей поточной линии, затратам труда на осмотр ножей, особенно при их количестве 10-16 штук на одной рубительной машине.
Наиболее чувствительным показателем работы рубительной машины является величина фракции щепы (рисунки 7.19-7.21). Следовательно, по количеству этой фракции можно судить о степени затупления ножей рубительной машины, и принимать решение о необходимости ее остановки и замене ножей на острые.
Для этого предлагается оснастить линии производства щепы весоизмерительными устройствами и вычислительным модулем, при помощи которых будет определяться степень затупления ножей рубительной машины.
В расчетах не учитывается крупная фракция щепы, так как она направляется на повторное измельчение.
Поскольку с увеличением степени затупления ножей рубительной машины увеличивается и процент выхода мелкой фракции щепы, то достигнув предельно допустимых значений выхода мелкой фракции (см. таблицу 7.4), по данным весоизмерительных устройств 2, 8, 11, вычислительный модуль может или дать сигнал оператору, или сразу подать сигнал выключения на двигатель привода рубительной машины.
