Торговая площадка   Каталог компаний   Новости законодательства   Аналитика   Технологии и оборудование  
Журнал "Деловой лес" Для руководителей | Размещение баннеров и статей

Вход в систему

Логин
Пароль

Напишите, для регистрации

Статистика

Компаний: 1590
Пользователей: 2863

Реклама на сайте

Информеры Информеры
Главная страница » Технологии и оборудование

Организация высокопроизводительных автономных мобильных деревоперерабатывающих комплексов для промышленного деревянного домостроения на отходах переработки древесины.

Организация  высокопроизводительных автономных мобильных   деревоперерабатывающих комплексов для промышленного деревянного домостроения на отходах переработки древесины.

Голицын В.П. – к.т.н.

    Россия располагает огромными биоресурсами. По состоянию на 1 января 2001 года в России насчитывалось 1097 млн. га лесистой местности и составляет 64,1% от общей земельной территории. Это соответствует четверти мировых запасов леса. При расчетной лесосеке в России порядка 540 млн. кубометров, заготовка никогда не превышала 300 – 350 млн. кубометров. В результате экономического спада 90-х годов объем заготовки древесины снизился в 1998 до 75 млн. кубометров, в 2000 году составил около 100 млн. кубометров, в 2002 году – порядка 150 млн. кубометров. Таким образом, использование расчетной лесосеки не превышает в настоящее время 15%. из них около 60 млн. кубометров - 40%, остается в виде отходов в лесосеке. При дальнейшей переработке на пилораме  в обрезную доску, из оставшихся 90 млн. кубометров, около 24 млн. кубометров - 40%, уходят в отходы, рис. 1.

 

0001

                     Рис.1.  Распределение отходов древесины  на различных стадиях ее переработки

Таким образом, из заготовленных 150 млн. кубометров древесины отходы составляют не менее 84 млн. кубометров и практически не используются, несмотря на то, что они являются биоэнергетическим топливом. Расчеты и практические результаты показывают, что они могут быть использованы для газогенераторных электростанций, расположенных в непосредственной близости к лесосекам, обеспечения электроэнергией пилорамы,  мобильных установок     сушки древесины,   упаковки    готового сухого пиломатериала.  Средняя расчетная лесосека составляет 10 000 кубометров и должна быть переработана в течение трех месяцев. В этом случае отгрузка готовой продукции составит 1000 - 1500 м3  в месяц и может быть полностью обеспечена энергоносителями полученными от переработки отходов древесины. Вторичное тепло от работы газогенераторного комплекса должно использоваться для нужд предприятия: упаковки продукции, обогрева жилых, производственных  и жилых помещений.

       Все оборудование  комплекса  должно быть модульного типа,  легко и быстро монтироваться, грузиться и транспортироваться автомобильным транспортом,  комплектоваться установками сушки древесины желательно отечественного производства. Вспомогательное оборудование: газогенераторы, газо-поршневые агрегаты, модульные котельные установки, пилорама, могут быть, как полностью отечественного, так и частично зарубежного производства.

     Отсутствие до 2000 года в России  компактных высокопроизводительных, энергосберегающих технологий и  установок сушки древесины,  газогенераторных установок, работающих на древесных отходах, газо-поршневых агрегатов, способных работать на  газогенераторном газе и вырабатывать электрическую энергию достаточную для работы пилорамы и установки сушки древесины, не стимулировало ее глубокую переработку, развитие промышленного деревянного домостроения и, в основном, было направлено на вывоз не обработанного круглого леса за рубеж. Одним из главных сдерживающих факторов развития данного направления  было отсутствие компактных, малоэнергоемких, высокопроизводительных установок сушки древесины.

        При разработке комплексной стратегии развития ЛПК СФО до 2015 года мы сделали анализ существующих технологий и оборудования сушки древесины и газогенераторных электростанций, работающих на отходах переработки древесины.

         В настоящее время используется множество методов и способов сушки древесины, которые реализуются на установках сушки различной конструкции. Приведем некоторые данные различных установок на примере сушки свежеспиленной древесины сосны.

Конвекционная сушка при атмосферном давлении, она наиболее широко представлена в России и за рубежом. В качестве теплоносителя используют поток нагретого воздуха определенной влажности. После достижения предельного значения влажности теплоносителя его выбрасывают в атмосферу и заменяют новой порцией атмосферного, менее влажного, воздуха. 

Недостатки  способа: зависимость сушки от погодных условий региона, высокая продолжительность цикла сушки, большие капитальные и эксплуатационные затраты, длительность монтажа и запуска в эксплуатацию, большой удельный расход энергии на сушку древесины, неравномерность высушивания древесины в штабеле и камере в направлении потока теплоносителя,  низкое качество конечного продукта из-за неравномерности влажности, наличия трещин, коробления, обусловленных  условиями сушки.

       Вакуумная сушка - более прогрессивный технологический процесс получает широкое распространение в странах с высокоразвитой деревообрабатывающей промышленностью. Обеспечивает мягкий режим сушки и относительно высокое качество конечного продукта, недостижимое в процессе сушки при атмосферном давлении.

В свою очередь вакуумную сушку нужно подразделять на камерную вакуумную  и вакуум - импульсную сушку.

       Камерная вакуумная сушка древесины происходит в герметических камерах при  давлении ниже атмосферного. Вся жидкость, имеющаяся в древесине, удаляется из неё с фазовым переходом жидкости в пар, также как при атмосферной сушке.  Механизм вакуумной сушки аналогичен конвективной, но она более производительна за счет увеличения скорости диффузии воды в древесине.

В настоящее время не менее семи фирм Западной Европы, Америки, России выпускают вакуумные камеры для сушки пиломатериалов. При этом используют различные способы подвода тепла к древесине: СВЧ нагрев, газообразный теплоноситель, контактные нагреватели. 

Очевидное достоинство таких установок, это малый срок монтажа и демонтажа, запуска в производство, высокое качество сухого пиломатериала по сравнению с атмосферными камерными сушилками.

 К  недостаткам следует отнести низкую производительность,  сложность конструкции, очень высокие удельные капитальные затраты  сушильных установок этого типа. Удельные энергозатраты на сушку пиломатериала в зависимости от начальной и конечной влажности по различным источникам составляют  от 200 до 500 кВтч/м3.  При использовании пресс-вакуумных сушилок к выше указанным недостаткам добавляется еще более высокая цена, возможность сушки пиломатериала  только от начальной влажности  не более 30%.

Перечисленные способы, методы сушки и установки их реализующие имеют недостатки не позволяющие организовать быстро возводимые, высокопроизводительные деревоперерабатывающие комплексы для деревянного домостроения на основе  энергосберегающих технологий, утилизации отходов переработки  древесины. На наш взгляд данная проблема может быть решена только с использованием принципиально нового способа вакуум - импульсной сушки древесины и установок его реализующих.  Конструкция этих установок и способ сушки запатентованы в России, фото.1, США, Канаде, Республике Корея, фото.2.  С 2000 года они прошли широкую промышленную апробацию, везде получены положительные результаты. В России с 2003 г. организовано серийное производство этого оборудования, фото.1. Поэтому более детально остановимся на механизме сушки древесины и ее практических результатах, сравнительной оценки удельных затрат энергии, производительности. Сделаем это на примере сушки наиболее распространенных хвойных пород - сосновых пиломатериалов и толстого бруса.

     В промышленности используют различные способы сушки древесины, отличающиеся применяемым оборудованием и особенностями передачи тепла высушиваемому материалу. Но, независимо от этого, во всех этих разных видах оборудования в основу процесса удаления влаги из древесины положен фазовый переход всей удаляемой воды в пар. Это  наиболее энергозатратный механизм сушки. Некоторые авторы, рассматривая практические энергозатраты на сушку 1м3 пиломатериала, не указывают его толщину или начальную влажность и приводят совершенно отвлеченные, ни о чем не говорящие цифры. Другая часто встречающаяся ошибка – расчет теоретических затрат  энергии на сушку древесины с использованием термодинамической величины удельной теплоты перехода жидкости в пар без учета  затрат энергии на ее диффузию в пористом материале и влияния различных поверхностных и капиллярных сил. С увеличением толщины пиломатериала и уменьшением диаметра капилляра, вышеуказанные факторы становятся доминирующими и превышают термодинамическую теплоту фазового перехода  свободной жидкости в пар.

В таблице 1 приведены удельные энергозатраты в различных отечественных и зарубежных камерных сушилках на удаление 1 кг жидкости из древесины от начальной влажности равной влажности свежеспиленной древесины до конечной транспортной влажности 19 %. На сегодня такие затраты - это единственный и самый объективный показатель эффективности работы сушильного оборудования. Из представленного ряда сушилок, по своим низким удельным тепловым затратам на сушку, резко выделяется оборудование реализующее способ вакуум - импульсной сушки пиломатериалов, фото.1 и фото. 2. Указанная величина 0,34 кВтч/кг (1224 кДж/кг) на первый взгляд сомнительно мала, так как почти в 2 раза меньше термодинамической теплоты испарения свободной воды. Учитывая неизбежные тепловые потери реального технологического процесса сушки в промышленном сушильном оборудовании, можно смело утверждать, что эта разница еще больше. Большой набор статистических данных показал полную достоверность полученных результатов. Объяснение данному факту может быть только одно: процесс сушки происходит со значительной долей удаления влаги в виде жидкой фазы (тумана) без ее испарения.

   Не вдаваясь глубоко в термодинамику, кинетику и механизм этого процесса, которые подробно изложены автором в [1,2],  рассмотрим одну из термограмм технологического процесса сушки штабеля соснового пиломатериала толщиной 50 мм от начальной влажности 110% до конечной 8 %.

Существенными отличительными признаками данного сушильного оборудования и способа сушки древесины от всех существующих является скоростное вакуумирование свободного объема сушильной камеры, которое осуществляется при помощи ресивера, быстродействующих клапанов и трубопроводов, диаметр которых рассчитывается по уравнению, полученному авторами на основании законов теоретической физики и экспериментальных результатов [3-15]. Процесс нагрева древесины происходит в герметичной изолированной камере, поэтому после второго вакуумного импульса и вакуумирования говорить о парциальном давлении паров воды в паровоздушном потоке не имеет смысла.

      При создании вакуумного импульса (сушка древесины), употреблять понятие относительной влажности также не имеет смысла т.к. насыщенный пар содержит большое количество воды в виде тумана.           

       Механизм воздействия вакуумного импульса на удаление свободной и связанной влаги  древесины объясним на следующем конкретном примере.

Показатели удельного энергопотребления лесосушильных камер периодического действия при сушке еловых пиломатериалов.

Тип и марка

сушильной камеры

Удельный расход энергии

Тепловая

Электро-механи-

ческая,

кВтч/кг

Общий расход,

кВтч/кг

кДж/кг

кВтч/кг

1

 

 

 

 

 

 

2

 

 

3

 

4

 

5

 

 

 

 

6

 

7

 

 

 

Паровоздушные:

-малой производительности, HD,  KWB, SR68, SHT, Zicnica

- средней производительности

- большой производительности HD78K, KWD фирм Sateko и Vanichek

Газовые и с газовоздушным теплообменником HD, HWC, KWL, W-147

Высокотемпературные KAA фирмы Sateko

Конденсационные HD фирмы

Vanicek

Вакуумные:

- с рекуперацией тепла фирмы WDE Maspell

- с сушкой в поле токов высокой частоты EDV2, GUB100

Вакуумная сушильная установка ООО «ПО Роспром»

Вакуум - импульсная сушка и пропитка пиломатериалов «ИСП-5,5/2», «ИСП-7,5/2», «ИСП-15/2».

 

5690

 

4480

5070

 

 

 

7500

 

4730

 

 

 

 

2600-6300

 

7200-10800

 

5070

 

1224

 

1,58

 

1,24

1,40

 

 

 

2,08

 

1,31

 

 

 

 

0,72-1,75

 

2,00-3,00

 

1,4

 

0,34

 

0,25

 

0,20

0,20

 

 

 

0,21

 

0,125

 

1,4-2,8

 

 

0,14

 

 

 

 

 

0,20

 

 

1,83

 

1,44

1,60

 

 

 

2,29

 

1,33

 

1,4-2,8

 

 

0,86-1,89

 

2,00-3,00

 

1,4

 

0,54

   Для свободной влаги, содержащейся в древесине хвойных пород, при температуре  90°С равновесное давление насыщенного водяного пара составляет 525 мм. рт. ст. При соединении с ресивером, имеющий объем равный свободному объему сушильной камеры, давление в ней составит (750 мм + 30 мм)/2=390 мм. рт. ст., т.е. меньше равновесного давления насыщенного водяного пара при заданной температуре.

  Свободной и связанной  влаги  древесины соответствует строго определенное и только ей присущее равновесное давление насыщенного пара. При этом для свободной влаги березы - лиственной породы древесины и сосны – хвойной породы, равновесное давление насыщенного пара при температуре 90 °С, будет одинаково - 550 мм рт. ст., так как здесь не играет  роль строение древесины. Величина капилляров древесины очень велика, поэтому структура и размер капилляров не влияет на  равновесное давление насыщенного пара свободной влаги и время диффузии жидкости к поверхности.  Выдержка древесины после импульса под вакуумом не зависит от породы древесины, а определяется её толщиной, так для пиломатериала сосны толщиной 50 мм она составляет 15 мин. Это время диффузии, которое необходимо для выравнивания влажности и  давления пара в объеме древесины и камеры при ее вакуумировании. Однако, при импульсном воздействии, т.е. соединении камеры с ресивером, в камере должно создаваться давление ниже равновесного, для того чтобы влага, находящаяся в древесине, за счет избыточного, образовавшегося в ней давления пара, выдавливалась в свободный объем камеры в виде высокодисперсной фазы - тумана и улавливалась в ресиверах. Именно это действие приводит к снижению энергозатрат на  удаление влаги из древесины до уровня ниже теоретических. В реальных условиях сушки сосны, суммарно, все  энергозатраты составляют 1476 кДж/кг Н2О, вместо теоретических  только на удаление влаги 2268 кДж/кг Н2О.

    Для наглядного понимания процесса сушки сосны представлено графическое изменение температуры древесины, теплоносителя, давления в камере сушки и ресивере  реального процесса сушки на установке «ИСП-7.5/2» рис.2(а, б, в), работающей в ОАО «Сухонский речной концерн» г. Вологда. Данный процесс сушки специально для наглядности   увеличили по времени  за счет увеличения объема загрузки в камеру сушки с 7.5 до 9.2 кубометров пиломатериала (22%), снижения мощности калориферов для нагрева теплоносителя в камере сушки со 100 до 50 кВт. (50%).  Все это увеличило время сушки, без учета времени на нагрев, с 20 до 35 часов.

      На данных графиках с монитора компьютера системы управления представлены:                                                                              

1. зависимости температуры теплоносителя и древесины от времени сушки;

1.1. изменение температуры теплоносителя в процессе нагрева древесины во всех периодах сушки: нагрев, удаление свободной влаги, пропарка, переходный период, удаление связанной влаги  до заданной влажности;                                                      

 1.1.1. изменение температуры «горячего» теплоносителя, поступающего с электрокалорифера до прохода его через штабель пиломатериала;                        

 1.1.2. изменение температуры охлаждённого теплоносителя после прохода его через штабель пиломатериала;                                                                                                                       1.2. изменение температуры древесины в процессе ее нагрева до заданной величины   во всех периодах сушки до заданной влажности.                                                                                                        Здесь надо учесть, что  сушка производилась зимой.  Древесину загружали в камеру сушки ледяной с температурой  (-)15-20 градусов. Это увеличило время нагрева древесины с 3 до 5 часов.

   2. изменение давления  с сушильной камере и ресивере (давление пара жидкости древесины)  в мм. рт. ст;                                                                          

 2.1. изменение давления  пара воды в изолированной от внешней среды сушильной камеры, т.е. давление паров воды в древесине в зависимости от её температуры (верхняя кривая);                                                                                           2.2. изменение  давления (вакуум) в ресивере.                                             

     На представленном рис. 3 (а, б, в) четко видны все периоды сушки, которые можно назвать классическими.

Первый период - предварительный прогрев материала до заданной температуры сушки с 18-30 до 22-20 часов.

Второй период - удаление свободной влаги древесины с 90% до 30%  происходит с 22-20 до 9-30 часов. В этом случае циклы нагрева и вакуумирования древесины в сушильной камере идентичны, в сумме составляют около 30 минут. В ресивере и сушильной камере циклы изменения давления также абсолютно идентичны  и тоже составляют около 30 минут.

Переходный период – снижение влажности древесины с 30% до 25-24%, завершение удаления свободной влаги, начало  удаления влаги капиллярной конденсации и влаги полимолекулярной адсорбции, начало процесса поверхностной усушки,  проведение процесса пропарки-пропитки с 9-30    до 19-00. Это один из наиболее ответственных этапов. В этом случае:                                                                                                                                    

а)возрастает время прогрева материала до заданной температуры;                                             б)возрастает градиент температуры во время вакуумного импульса;                                          в)резко уменьшается  давление пара воды древесины в камере;                                                                                                                             г) происходит усушка поверхностных слоев древесины, поэтому, чтобы не допустить усушку выше допустимых пределов ее деформации, проводится пропарка-пропитка поверхностных слоев древесины на глубину 2 - 4 мм, приводящая к раскрытию пор на поверхности древесины и резкому возрастанию давления пара связанной влаги до давления пара свободной влаги и ускорению процесса сушки.

0002

                       Рис.2 (а)                                                   Рис. 2 (б)

Рис. 2 (а) Технологические параметры сушки сосны.

      На мониторе компьютера диаграммы представлены в  системе координат: температура – время, давление - время и отражают изменение температуры древесины, теплоносителя, давление в ресивере и давление  пара воды в камере сушки.

а) первый период - предварительный прогрев древесины до 90 градусов,  второй период -  удаление свободной влаги с 90% до 30%.

  Рис. 2 (б) переходный период -  конец удаления свободной влаги древесины и начало удаления связанной, влияние увлажнения-пропарки на давление насыщенного пара древесин

 

Третий период- удаление связанной влаги с 24-25% до 8%, т.е. осмотической, полимолекулярной адсорбции. На это уходит 23 часа 30 минут  с 9-30 до 10-00. Этот период характерен в начальной стадии увеличением времени прогрева древесины, градиента температуры при вакуумировании и последующим уменьшением этих параметров к концу периода. Очень показательно и характерно уменьшение давления  пара, которое характеризует абсолютное влагосодержание древесины и является   критерием ее влажности.

Заключительный период – конденционирование с 10-00 до 11-30 часов.