close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Подготовка и использование древесных отходов в производстве древесноволокнистых плит

код для вставкиСкачать
Морозов Иван Михайлович
ПОДГОТОВКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ В
ПРОИЗВОДСТВЕ ДРЕВЕСНОВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ
05.21.03 - Технология и оборудование химической переработки
биомассы дерева; химия древесины
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Красноярск - 2016
Работа
выполнена
в ФГБОУ
ВО
«Сибирский
государственный
технологический университет» на кафедре «Технологии лесопромышленных и
деревоперерабатывающих предприятий», г. Лесосибирск.
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Чистова Наталья Геральдовна
Официальные оппоненты:
Бурындин Виктор Гаврилович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВО
«Уральский государственный лесотехнический университет», кафедра «Технологии
переработки пластических масс», заведующий кафедрой
Плотникова Галина Павловна, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО
«Братский государственный университет», кафедры «Воспроизводства и переработки
лесных ресурсов», доцент
Ведущая организация: АО Управляющая компания «Химический парк Тагил»,
Свердловская обл., г.Нижний Тагил
Защита диссертации состоится «5» сентября 2016 в г. в 13.00 ч. на заседании
диссертационного совета Д 212.253.05 ФГБОУ ВО «Сибирский государственный
технологический университет», ауд. Ц 1-10.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью,
просим направлять по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира,82, Сибирский
государственный технологический университет, ученому секретарю. Е.таП:
сПззоуеЫЬ^уО 1@таП.ги
В отзыве указывается фамилия, имя отчество, почтовый адрес, телефон и адрес
электронной почты (при наличии), наименование организации и должность лица,
представившего отзыв (п. 28 Положение о присуждении ученых степеней)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Сибирский
государственный технологический университет», сайт: \у\у\у.81Ъ§Ш.ги
Автореферат разослан «____ » _________ 2016 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Исаева Елена Владимировна
Общая характеристика работы
Актуальность работы
Производства древесноволокнистых плит созданы для переработки различных
видов древесных отходов лесозаготовок, лесопиления, деревообработки, мебельного и
столярного производства.
В процессе получения древесноволокнистых плит (ДВП) на различных этапах
технологического процесса неизбежно образуется большое количество древесных
отходов: отжимки импресфайнера - пробковой воды, содержащей в себе древесные
частицы (до 11 %); продольно-поперечные отходы ДВП от форматно-обрезных
станков (3-5 %); волокно, попадающее в сточные воды из отливной машины (2-4 %);
биобрак (10-12 %).
Вышеперечисленные отходы ДВП составляют от 16 до 32 % в общей массе
объема получения древесноволокнистых полуфабрикатов в данном производстве
и представляют собой серьезную проблему, так как в настоящее время на
действующих предприятиях по производству ДВП они не используются или
используются частично.
В производстве ДВП, согласно технологическим процессам, использование
древесноволокнистых отходов не предусмотрено. Иногда часть отходов находит свое
применение в основном производстве. Однако из-за отсутствия технологий
переработки вторичного волокна его повторное использование в производственном
процессе в большинстве случаев оказывает негативное влияние на качество плиты.
В работе рассмотрены и предложены результаты исследования по
использованию принципиально нового оборудования для подготовки вторичных
древесноволокнистых полуфабрикатов и возможности их использования в полном
объеме в производстве ДВП.
Цель работы. Научно обосновать и экспериментально подтвердить
эффективность подготовки и целесообразность использования вторичных
древесноволокнистых полуфабрикатов сухим способом размола при производстве
ДВП.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- обосновать эффективность процесса подготовки древесноволокнистых отходов
от форматно-обрезных станков (ФОС) с использованием размольной установки,
работающей по сухому способу размола;
- выявить закономерности механизма процесса подготовки вторичных
древесноволокнистых полуфабрикатов сухим способом размола и обосновать их
теоретически;
обосновать структурообразование плиты с учетом использования
древесноволокнистых отходов ФОС и оценить морфологические характеристики
вторичных древесных волокон;
- установить влияние основных технологических, конструктивных и
энергосиловых параметров размалывающей установки на процесс подготовки
вторичных древесных волокон и получение готовых плит на их основе;
- разработать способ и систему подготовки вторичных древесных волокон сухим
способом размола в производствах ДВП мокрым и сухим способом с целью их
использования в промышленных условиях;
- оценить экономически производство древесноволокнистых плит мокрым
способом с учетом использования в полном объеме древесноволокнистых отходов
форматно-обрезных
станков.
Выполнить
оценку
эколого-экономической
эффективности предлагаемого способа и системы подготовки древесноволокнистых
отходов в производстве ДВП мокрым способом.
Объект исследований - древесноволокнистые отходы форматно-обрезных
станков в производстве ДВП.
Предмет исследований - физические явления и закономерности, характеризующие
технологический процесс подготовки и использования вторичных древесноволокнистых
полуфабрикатов в производстве ДВП.
Научная новизна:
- впервые теоретически обоснована теория сухого способа подготовки
древесноволокнистых отходов производства ДВП в воздушной среде.
- впервые установлены и математически описаны основные закономерности,
обуславливающие процесс подготовки древесноволокнистых отходов в
воздушной среде;
- получены статистическо-математические уравнения, позволившие определить
оптимальные значения основных технологических, конструктивных и энергосиловых
параметров процесса размола в воздушной среде, и их влияние на качественный состав
вторичных древесных волокон и готовой плиты
- дана оценка эколого-экономической эффективности использования вторичного
древесного волокна в готовой плитной продукции.
Практическая значимость работы.
Теоретические исследования, подтвержденные экспериментально, позволяют
обосновать использование предлагаемого способа и системы подготовки
древесноволокнистых отходов ФОС в производствах ДВП мокрым и сухим способом и
в полном объеме использовать их при получении плитной продукции на любом
типовом предприятии данной отрасли. Установлена количественная взаимосвязь
качественных показателей, морфологических характеристик вторичных древесных
волокон, физико-механических свойств готовых плит с учетом изменения
технологических и конструктивных параметров размольной установки, работающей по
сухому способу размола.
Предложено различное геометрическое исполнение размольных элементов,
позволяющих получать необходимые размерно-качественные и морфологические
характеристики вторичного древесного волокна. Рекомендовано использовать в
производственных условиях предлагаемые способ и систему подготовки вторичных
древесноволокнистых полуфабрикатов сухим способом размола. Предложенный
способ и система получения вторичных древесноволокнистых полуфабрикатов сухим
способом
размола позволят подготавливать
продольные
и
поперечные
древесноволокнистые отходы ФОС, а также биобрак и использовать их в полном
объеме в производствах ДВП мокрым и сухим способом, при этом сократить
трудозатраты на их подготовку, уменьшить удельный расход электроэнергии, в
среднем, 4-6 % и себестоимость готовой плиты в целом.
Автор защищает
- теоретические положения и результаты исследований о явлениях и
закономерностях в области процесса подготовки и использования в полном объеме
древесноволокнистых отходов в воздушной среде в производствах ДВП мокрым и
сухим способами;
- механизм структурообразования плиты, на основе которого научно
обоснованы закономерности распределения различных фракций вторичного
древесного волокна в плите, обеспечивающих необходимое связеобразование в
готовой продукции;
теоретические
исследования
и
экспериментальные
разработки,
позволяющие предложить новое размольное оборудование для подготовки
древесноволокнистых отходов от ФОС в производствах ДВП мокрым и сухим
способами;
- способ и система подготовки древесноволокнистых отходов сухим способом
размола, их экономическая и экологическая целесообразность.
Соответствует паспорту специальности.
Представленная работа соответствует паспорту специальности 05.21.03 технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия
древесины (п. 14 - химия и технология переработка древесноволокнистых,
древесностружечных плит и пластиков, модификация древесины).
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международных
научно-практических конференциях: «Научному прогрессу - творчество молодых»
(Йошкар-Ола, 2015); «Наука и современность» (Новосибирск, 2011); «Научные
исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития»
(Одесса, 2013); и всероссийских научных и научно-практических конференциях:
«Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Красноярск, 2010, 2015);
«Лесной и химический комплексы - проблемы и решения» (Красноярск, 2011, 2015);
«Экология, рациональное природопользование и охрана окружающей среды»
(Лесосибирск, 2011, 2013, 2014).
Публикации. По результатам исследований опубликованы 14 печатных работ
(из них автора 1,42 п. л.), из них 4 - в изданиях, входящих в Перечень ВАК, получен
1 патент Российской Федерации на полезную модель.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 104
наименований. Объем работы - 162 страницы машинописного текста, включая 36
иллюстраций, 11 таблиц и 5 приложения.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы.
В первой главе диссертационной работы рассмотрены вопросы современного
состояния производства древесноволокнистых плит, выполнен системный анализ
оборудования для подготовки древесноволокнистых полуфабрикатов, в том числе
вторичных древесноволокнистых материалов, рассмотрены свойства вторичных
древесных волокон, обеспечивающих связеобразование в плитных материалах, а также
произведен анализ процессов и явлений, имеющих место при подготовке вторичного
древесного сырья. Анализ литературных источников позволил сформулировать цель и
задачи исследований.
Во
второй главе выполнена оценка эффективности переработки
древесноволокнистых отходов производства ДВП. Исследовалась возможность
использования размольного оборудования для его обработки: дисковая, коническая
мельницы, гидроразбиватель (с использованием воды и пара) и установка, работающая
по сухому способу размола. На рисунке 1 представлена схема размольной камеры
установки.
В качестве преимущества предлагаемой установки по сравнению с ножевыми
можно отметить возможность подготовки вторичного древесноволокнистого
полуфабриката в отсутствии высоких температур, избыточного давления, без
добавления химических добавок, без использования пара и воды. В процессе
разработки вторичной массы в роторно-ножевой мельнице происходит разделение
полуфабрикатов на отдельные волокна без
значительного их повреждения. При обработке
вторичного волокна в конической и дисковой
мельницах показатель средней длины волокна
снижается,
морфологические
характеристики
ухудшаются (из-за повторного воздействия на
волокно ножевой гарнитуры).
Как видно из результатов исследований,
приведенных в таблице 1, древесноволокнистый
полуфабрикат, полученный при использовании
роторно-ножевой мельницы, в сравнении с
1 - нож статора; 2 - нож ротора; 3 вал; 4 - корпус; 5 - загрузочное вторичной древесной массой, полученной с
использованием ножевых размольных машин и
устройство, 6 - сепаратор
имеет
более
высокие
Рисунок 1 - Схема размольной гидроразбивателя,
качественные характеристики, а полученная из
камеры роторно-ножевой мельницы
такой древесноволокнистой массы плита обладает
наилучшими физико-механическими свойствами.
Таблица 1 - Оценка эффективности процесса подготовки вторичных
древесноволокнистых полуфабрикатов с использованием различного размольного
оборудования
Размольные установки
Роторно­
Показатель
дисковая
коническая гидроразби
ножевая
мельница
мельница
-ватель
мельница
Фракционный показатель
8-10
15-25
38-41
качества помола, г
2-4
6-8
13-15
14-17
Длина волокна, ^а, мкм
Удельная поверхность волокон,
120000­
130000­
250000­
310000-345800
Уд, см2/г
140000
180000
270000
без
без
без
с
Внешний вид волокна
фибриллир фибриллир фибриллир фибриллироване
(ороговение).
ования
ования
ования
м
Прочность плиты при
29-32
30-33
32-34
35-40
статическом изгибе, а, МПа
5
1 2
На наш взгляд, сохранение физико-механических свойств плиты объясняется
тем, что на эффективность структурообразования древесноволокнистого ковра
оказывает влияние не только степень помола массы, но и фракционный показатель
качества размола, обуславливающий морфологические характеристики древесного
волокна и обеспечивающийся конструктивными особенностями роторно-ножевой
мельницы.
Преобладание мелочи в виде фибриллплазмы группы А и мельштоффа группы Б
в общей массе мелочи, подготовленной сухим способом размола, характеризующихся
большими значениями отношения длины к диаметру, в несколько раз превышающими
данный показатель остальных фракций мелочи, имеет большую удельную поверхность.
Таким образом, данные фракции обеспечивают связеобразование в плите и улучшение
структурообразования плиты.
В
результате
выполненной
оценки
установлено,
что
получать
древесноволокнистые плиты, соответствующие ГОСТ 4598-86, с сохранением физико­
механических свойств возможно при добавлении вторичного древесного волокна,
подготовленного на дисковой мельнице, не более 5 %; в конической мельнице - не
более 10 %; в гидроразбивателе - не более 15 %; при подготовке вторичного древесного
волокна в роторно-ножевой мельнице - до 30 %.
С целью объяснения явлений и процессов, имеющих место в размольной
мельнице, работающей по сухому способу размола, выполнен расчет основных
параметров
размольной
гарнитуры,
характеризующих
эффективность
ее
использования: количество одновременно движущихся точек пересечения гарнитуры
({), секундной режущей длины (Ь$) ножевой гарнитуры, циклической элементарной
длины (Ь ш .эл.), величины касательного напряжения размола (^), удельной нагрузки на
кромку ножа (В).
В результате исследований установлено, что древесноволокнистые отходы в
процессе подготовки сухим способом размола проходят две зоны размола, в которых
явления и процессы способствуют получению качественных вторичных
древесноволокнистых
полуфабрикатов,
кардинально отличающихся друг от друга.
Зона размола I - механическое воздействие
на древесноволокнистые отходы ФОС и их
разделение за счет резания, смятия,
сплющивания между ножами ротора и
статора; зона размола II - роспуск, мятие,
разбивание и фибриллирование вторичных
древесных волокон в пространстве между
ножами ротора и поверхностью сепаратора,
Уп - скорость подачи, м/с; ах - угол подачи
аэродинамическими
древесноволокнистых отходов, град; 1в - сопровождающиеся
длина отделяемого по направлению пучка процессами.
С целью описания явлений, имеющих
вторичных древесных волокон, мм; ф - угол
поворота ножа, град; е-ф - угол среза волокна, место в зоне размола I, выполнены схема
град;
3
нож статора;
4
- роспуска вторичного древесноволокнистого
древесноволокнистые отходы ФОС.
полуфабриката в пределах единичного
Рисунок 2 Схема механизма
сектора размольной камеры и распределения
разделения пятачка на древесные волокна в
сил, возникающих при размоле. Построены:
зазоре меж ду ножами ротора и статора.
эпюра напряжений, возникающих при
взаимодействии ножа ротора и ножа статора, и схема углов скрещивания на установке.
На рисунке 2 представлен процесс подготовки древесноволокнистых отходов в
зоне I , осуществляющийся по принципу торцово-поперечного резания. Ножи машины
1 , выступающие над поверхностью очерковой линии цилиндра 2 на высоту выступа
ножа над цапфой к , мм по радиусу вращения К мм, вращаются с постоянной угловой
скоростью ш , об/мин.
На наш взгляд, именно особенностью перемещения ножа по торцу пятачка и
разницей длины отделяемого по направлению волокон в начале и конце врезания ножа
обусловлены размерные параметры различных фракций вторичных древесных волокон
по длине. Таким образом, регулируя (изменяя, устанавливая) зазор между ножом
ротора и ножом статора, можно обеспечивать преобладание той или иной фракции и
влиять на удельную поверхность вторичных древесных волокон, обеспечивающую
связеобразование в плите.
С целью объяснения и оценки процесса подготовки вторичных древесных волокон
в зоне размола II размольной камеры машины рассмотрены теоретические аспекты
движения одномерного потока воздуха и обтекания тела вторичного древесного
волокна набегающим потоком.
Из зазора между ножами ротора и статора вылетают древесноволокнистые
частицы различного гранулометрического состава, имеющие разный вес, обьем,
траекторию и скорость движения. Поэтому подготавливаемый в размольной камере
машины древесноволокнистый материал, условно разделим на две основные группы по
их размерам: пучки и крупные древесные волокна более 1 мм и мелкие древесные
волокна менее 1 мм.
С
целью
объяснения
и
оценки
процесса
движения
вторичных
древесноволокнистых волокон более крупных фракций в зоне размола II размольной
камеры машины условно принимаем движение древесного волокна как жесткого
кристаллического полимера (рисунок 3а).
ш - направление вращения ротора; К - точка контакта древесного волокна; В 1, В 2 .. В п - точки
соударения древесного волокна с поверхностью сепаратора; КУк - вектор среднего наивероятнейшего
направления полета древесного волокна; оу - среднее квадратическое отклонение К ; У^, - касательная
скорость движения вторичного древесного волокна; 1- кривая, обозначающая границы вероятностей
полета вторичного древесного волокна в заданном направлении; 2 - древесноволокнистые отходы ФОС.
Рисунок 3 - Схема векторов движения в воздушной среде вторичного древесного волокна как
элемента жесткого полимера и график распределения потока крупных древесных волокон в зоне
размола II
В процессе обработки кристаллического полимера в воздушной среде возможно
формирование разнообразных надмолекулярных структур фибрилл, сферолитов,
монокристаллов и т.д. Образование таких структур в значительной степени влияет на
свойства жестких полимерных материалов, в том числе древесного волокна,
переходящего из стеклообразного в высокоэластическое состояние при низкой
температуре, что обеспечивает в дальнейшем образование фибрилл при наличии
ороговения. Древесное волокно с наличием ороговения состоит из более жестких
цепей, которые соединяются между собой водородными связями. Разрушение
водородных связей в процессе аэродинамических явлений способствует образованию
фибриллирования.
Как было сказано выше, в зоне размола II размол осуществляется в воздушной
среде рабочей камеры размольной машины в зазоре между ножами ротора и
поверхностью сепаратора и сопровождается аэродинамическими процессами. График
распределения потока крупных древесных волокон в зоне размола II представлен на
рисунке 3б.
Вторичное древесное волокно, попав в рабочую зону размола II, движется по
касательной окружности ротора и ударяется о внутреннюю поверхность сепаратора,
меняя направление движения вектора. Дальнейшее направление вектора движения
вторичного древесного волокна будет определяться точками столкновения с ножом
ротора, друг с другом, поверхностью тела ротора и сепаратора.
Линия К У к есть среднее и наивероятнейшее направление полета единичного
древесного волокна или пучка волокон, определяемое геометрической суммой
скоростей Ук и Укр. Средняя скорость вторичного древесного волокна Ук по среднему
и наивероятнейшему направлению К У к определяется по формуле
(1)
где д - ускорение свободного падения, м/с;
Н - высота падения вторичного древесного волокна по вертикали, м;
Л - коэффициент трения древесноволокнистых отходов по стенке загрузочного устройства;
фл - угол подачи древесноволокнистых отходов в размольную камеру, град.
Размеры фракций древесного волокна в значительной степени будут определять
направление и скорость их движения.
Кинетическая энергия ударяющегося вторичного древесного волокна о
поверхность сепаратора и нож ротора частично расходуется на его фибриллирование,
чем значительнее эта потеря, тем больше расходуется энергия на разработку волокна.
Уравнение (2) позволяет вычислить потерю энергии вторичного древесного волокна
при ударе о внутреннюю поверхность сепаратора, т.е. энергию, расходуемую на
фибриллирование.
2
2
т ку 2
Шку 12
2
2
т ку 2
~ ^2 ~
где т к - масса вторичного древесного волокна, г;
к - условный коэффициент восстановления;
- угол падения вторичного древесного волокна °.
Таким образом, можно отметить, что влияние процесса роспуска
древесноволокнистых отходов ФОС сухим способом размола на размерно­
качественные характеристики вторичных древесных волокон, по нашему мнению,
осуществляется за счет соударения вторичного древесного волокна в размольной
камере установки. Именно соударения, эффект накопления комплекса напряжений и
энергии единичных вторичных древесных волокон позволяют получать магистральные
трещины и способствовать образованию внешнего и внутреннего фибриллирования в
отсутствии температуры и высоких давлений.
С целью описания траекторий движения потоков с мелкими древесными
волокнами внутри размольной камеры были проведены наблюдения визуального
характера, на основании которых можно отметить, что потоки воздуха с древесными
волокнами движутся хаотично, изменяя свое направление и плотность в зависимости от
геометрии размольной гарнитуры.
Таким образом, в камере размольной машины траектория движения потока
приближена к турбулентному. На рисунке 4 представлена схема движения мелких
древесных волокон в турбулентном потоке размольной камеры МР-4.
Рисунок 4— Схема движения мелких древесных волокон в турбулентном потоке размольной
камеры МР-4.
По нашему мнению, именно сложный характер движения потоков с древесными
волокнами обеспечивает во второй зоне размольной камеры установки образование
вихревых потоков и зон циркуляции, обеспечивается за счет геометрического
исполнения размольной гарнитуры. В ходе вышеуказанных процессов возникают и
накапливаются напряжения различного характера внутри древесных волокон, в
результате чего образуется магистральная трещина на волокнах. В результате имеет
место внутреннее и внешнее фибриллирование, способствующее увеличению удельной
поверхности волокон, имеющих признаки ороговения.
Сам факт движения вторичного древесного волокна в размольной камере
роторно-ножевой мельницы можно понять, рассмотрев и приняв теоретические
аспекты движения одномерного потока воздуха и обтекания тел древесных волокон
набегающим потоком.
Траекторией движения древесного волокна будем называть геометрическое
место точек, в которых единичное древесное волокно (ЕДВ) находилось в процессе
своего движения. При этом вектор скорости ЕДВ во всех точках траектории направлен
по касательной к ней. На рисунках 5 и 6 представлено обтекание единичного
древесного волокна мелкой и крупной фракций набегающим потоком.
Рисунок 5 Обтекание единичного
древесного волокна мелкой фракции набегающим
потоком
Рисунок 6 древесного
волокна
набегающим потоком
Обтекание единичного
крупной
фракции
При набегании потока воздуха на вторичное древесное волокно в процессе его
движения в размольной камере вдоль линии тока, которая на поверхности твердого
тела в точке В разветвляется, элементарные объемы воздуха уменьшают свою скорость
(тормозятся) от значений V в точке А до нуля в точке В, следовательно, и для линии
тока АВ уравнение Бернулли можно представить в виде (3):
V2
2
_ к р _ _ к р о ш
к - 1 р к - 1 р0 ’
2
Ср
Ср 0;
у2 , а2
2 к- 1
ар
к - 1
'
(3)
где Т, Т0 - абсолютная температура воздуха в точке, С°;
а, а0 - скорость звука в точке, м/с;
Ср - удельная теплоемкость воздуха.
На основании изложенного подтверждаются наши предположения о том, что
изменение скоростей и направления движения потока будет влиять на выделяющуюся
энергию при соударениях единичных древесных волокон.
Таким образом, можно отметить, что влияние процесса роспуска
древесноволокнистых отходов ФОС сухим способом размола на размерно­
качественные характеристики вторичных древесных волокон, по нашему мнению,
осуществляется за счет соударения вторичного древесного волокна в размольной
камере установки. Именно соударения единичных вторичных древесных волокон
позволяют получать магистральные трещины и способствовать образованию внешнего
и внутреннего фибриллирования в отсутствии высоких температур и давления, без
добавления химических добавок, без использования воды и пара.
В настоящей работе для решения поставленных задач были использованы методы
планирования, позволяющие получить статистическо-математические уравнения,
описывающие процесс роспуска древесноволокнистых отходов ФОС в производстве
древесноволокнистых плит мокрым и сухим способами. Был спланирован и реализован
двухфакторный эксперимент по В-плану второго порядка, который, по нашему
мнению, наиболее подходит. В ходе многочисленных исследований были выбраны
технологические и конструктивные параметры экспериментальной размольной
Все уравнения настоящей работы проверены на адекватность с помощью
Р-критерия Фишера, оценка значимости коэффициентов проводилась в
соответствии с методикой, с помощью 1-критерия Стьюдента.
Полученные в работе уравнения, позволяют установить и оценить количественные
и качественные взаимосвязи между исследуемыми факторами их влияние на
контролируемые параметры.
Графические интерпретации полученных зависимостей размерно-качественных
характеристик вторичных древесных волокон в производстве ДВП мокрым способом
от технологических и конструктивных параметров размольной установки
представлены на рисунке 7.
Рг,г
65
№ п2м
\/Л
5-104,
см2/г
Ч_ - Л
55
к"
45
Гг
Г [ п1м
35
25
-
1п2м
1 •
".
1_
* -ч Ц. %
,
Рг,г
65
1/0
5 ■ 104
55
Ч\
см2/г
45
)
1/<^п2м
ГГШМ
О
а
т
3
6
ч
ч
V
’
ггп2м
с:
1
•
№тм
У
/
1
г Н
25
-'п1м
Р
35
^ п2м
15
■
е,град
15
9
12
90
135
180
зависимость $п1ль / ^п!ль ^'^п1ль $п2ль / ^п2ль / ^ 22а/ ОТ ^ ЗаВИСИМОСТЬ $п1ль / ^п!ль /
от е
225
270
$п2ль ^ ^п2ль / ^^ПЛ’
Рисунок 7 - Зависимость размерно-качественных характеристик вторичных древесных волокон
от технологических и конструктивных параметров размалывающей машины
Анализируя статистическо-математические уравнения (7)—(12) и графические
зависимости качественных характеристик древесноволокнистого полуфабриката
(рисунок 7 а ), можно отметить, что наилучшие значения для фракционного показателя
качества помола - 40-42 г - зафиксированы при т=4-6 мм, отношения длины волокна к
диаметру 55-56 - при т=3-4 мм и для удельной поверхности волокон 300000-320000
см2/г - при т=3-5 мм. Наилучшие значения для фракционного показателя качества
помола - 38-40 г - зафиксированы при значениях е=180-200°, отношения длины
волокна к диаметру 53-54 - при 8=170-190°, удельной поверхности волокон 320000­
340000 см2/г - при е=170-200° (рисунке 76).
Результаты исследований морфологических характеристик вторичных древесных
волокон в виде статистическо-математических уравнений (13)-(18) и графических
зависимостей от технологических и конструктивных параметров размольной
установки представлены на рисунке 8.
Из графических зависимостей, представленных на рисунке 8, видно, что при
величиных 2=3-6 и 8=170-200° массовой доли фибриллплазмы группы А 12,5-12,7 % к
а.с.в. и мельштоффа группы Б 11,9-12,2 % к а.с.в. в общей массе древесноволокнистого
полуфабриката достигает своих максимальных показателей. При варьировании
значений 2=3-5 мм и 8=160-200° массовая доля мелкого волокна в общей массе
подготавливаемого древесноволокнистого полуфабриката достигает минимальных
значений 64-65%.
74 Вм,
Ф (А),' ’ 24
М(Б),'
Вм п2м
В м п1м
19
14
/
-
70
•
-
66
|У| |°/п2пл
\ •
(А ) п2м
62
_
58
Ф(А
ч
-
.
•
16
12
.
60
^^п2лл
14
_
М (Б )„ Г
70 Вм,%
Ф(А) , % 2 0
М(Б),% 18
М ( Б ) п2„
- ф ( а )п1„
^
10
-
50
[^)п1лл
54
■
40
50
90
12
135
180
225
270
Е'гРад
а заВисимость ВМп1м-, Ф(А)п1м-, ■
М (Б)п1м1ВМп2м-, Ф(А)п2м-, б
заВисимость ВМп1м■ Ф (А)п1м-, ■М (Б)п1м1 ВМп2м-,
М-(Б)п2мот 2
Ф(А)п2м-, М-(Б)п2м от е
Рисунок 8 - Зависимости морфологических характеристик вторичных древесных волокон от
технологических и конструктивных параметров размалывающей машины.
Как показали исследования оценки размерно-качественных и морфологических
характеристик вторичного древесного волокна при производстве ДВП мокрым
способом, наилучшие значения получались при использовании размольной гарнитуры
второго исполнения в зависимости от технологических и конструктивных параметров
размольной установки. Все дальнейшие исследования будут осуществляться только для
размольной гарнитуры второго исполнения.
Наглядное представление о влиянии технологических и конструктивных факторов
и их взаимодействий на показатели размерно-качественных характеристик в
производстве ДВП сухим способом дают графические зависимости, представленные на
рисунке 9, построенные по полученным моделям (19)-(21) с натуральными значениями
факторов.
90
а-
зависимость 8 п2с, Ргп2с, Шп2с от 2
б-
135
180
225
270
зависимость 8 п2с, Ргп2с, Шп2с от е
Рисунок 9 - Зависимости размерно-качественных характеристик вторичной древесной массы
от технологических параметров размалывающей машины МР-4.
Как видно из графических зависимостей (рисунок 9) и статистическоматематического уравнения (19), наилучшие значения фракционного показателя
качества помола достигаются при величине 2=2-3 мм и е=200-225°. Показатели
удельной поверхности волокон и отношения длины волокна к диаметру достигают
своих максимальных значений, соответственно, 240000-250000 см /г и 33-34 при
значениях 2=2-3 мм и е=200-225°
Для более полной оценки влияния исследуемых факторов на морфологические
характеристикивторичных древесных
математических уравнений (22)-(24)
представленные на рисунке 10.
а-
волокон и анализа статистическопостроены графические зависимости,
зависимость Вмп 2с, Ф(А)п2с, М(Б)п2с от г
б - зависимость Вмп 2с, Ф(А)п2с, М(Б)п2с от 8
Рисунок 10 - Зависимости морфологических характеристик вторичных древесных волокон от
технологических параметров размалывающей машины МР-4.
Из полученного статистическо-математического уравнения (22) и графических
зависимостей, представленных на рисунке 10, видно, что массовая доля мелкого
волокна в общей массе увеличивается при уменьшении значений зазора между ножом
и контрножом и при увеличении величины угла встречи контрножа с сырьем достигает
своих минимальных значений - 65-69 % - при 2~2-4мм и 6^190-225°. Массовая доля
фибриллплазмы А и мельштоффа Б возрастает и достигает своих максимальных
значений 7-8 %, при 2^2-5 мм и 8^200-225°.
Экспериментальные результаты исследований подтвердили наличие процессов и
явлений, имеющих место при подготовке древесноволокнистых отходов ФОС в
производстве ДВП сухим способом размола, теоретически описанных во второй главе
диссертационной работы.
В качестве доказательства теоретических представлений процесса роспуска
древесноволокнистых отходов от ФОС в производстве ДВП, на рисунке 11
представлены фотографии вторичных древесных волокон, полученных сухим
размолом на машине МР-4.
а
б
Рисунок 11 - Фотографии вторичных древесных волокон, подготовленных сухим способом
размола при мокром способе производства Д В П
1200
50
®п2м
МПа
А,%
кг/м3
■
40
1100
а п1м
/
30 _
ч
А
• ■\ /
# /
1000
Ап1у^
1\
1
20 - пА п2м
/•
•у N
У Рп2м
Рп1м
10
90
135
900
800
180
225
270 е,град
б заВИсИмость рп1м-, @п1м-, А п1м-, рп2м-, @п2м-, А п2м °Т 8
Рисунок 1 2 - Зависимость физико-механических свойств готовых плит мокрого способа
производства с учетом использования вторичного древесного волокна от технологических и
конструктивных параметров размалывающей машины
а
зависимосГь рп1м-, @п1м А п1м-, рп2м-, @п2м-, А п2м °Т 2
Наилучшие значения показателя водопоглощения плиты (23-26 %) достигаются
при 2=4-7 мм; 8=180-210°. Значительное влияние на показатели водостойкости плиты
оказывают капиллярно-пористая структура и качественные характеристики вторичного
древесного волокна, из которого изготовлена ДВП. Чем большую удельную
поверхность имеют древесные волокна, тем более равномерно распределяются по ним
связующее и гидрофобные вещества, что приводит к снижению водопоглощения и
набухания плит.
На рисунке 14 представлены графические зависимости, описывающие физико­
механические свойства готовых плит сухого способа производства с учетом
использования вторичных древесных волокон, построенные по полученным моделям.
б - зависимость рп2с, оп2с, А п2с от е
Рисунок 14 - Зависимость значений плотности, прочности и водопоглощения готовых плит
сухого способа производства от технологических параметров размалывающей машины М Р-4
а-
зависимость рп2с, оп2с, А п2с от 2
При 2=7-8 мм и е=190-200° показатель
плотности плиты достигает своих
-5
максимальных значений - 840-850 кг/м . Высокая плотность плит означает наличие
прочных межволоконных связей, ограничивающих проникновение влаги.
Показатели прочности плиты при статическом изгибе достигает своих
максимальных значение - 45-46 МПа - при значениях 2=2-4 мм и е=180-200° Таким
образом, вторичные древесные волокна, полученные нами при изменении параметров
процесса размола, имеют различные размерно-качественные характеристики. Чем
больше удельная площадь частиц и чем равномернее распределено по их поверхности
связующее, тем выше вероятность образования более жесткой пространственной
структуры плиты. С ростом длины частиц до определенной величины увеличивается
прочность плит при статическом изгибе.
Показатели водопоглощения плиты наилучшие - 27-29 % при 2-2-5мм и
6-200-225°. Большое значение для процесса водопоглощения древесноволокнистых
плит имеет их капиллярно-пористая структура, то есть гигроскопичность. Под
действием влаги ослабляются межволоконные связи и внутренние напряжения в точках
контакта.
В четвертой главе выполнена оценка удельного расхода электроэнергии в
процессе подготовки древесноволокнистых отходов ФОС в роторно-ножевой машине.
В процессе реализации эксперимента, исследования удельного расхода электроэнергии
при сухом способе размола проводились в условиях варьирования технологических
параметров размольной установки при всех прочих равных условиях с использованием
размольной гарнитуры второго исполнения. Статистическо-математическое описание
данной зависимости представлено уравнением
Е П2м = 225,6 + 18,7•гм-
2,2•бм-
- 0,01 -еМ + 0,03гм-ем
(34)
На рисунке 15 представлены графические зависимости удельного расхода
электроэнергии, затрачиваемой на сухой размол отходов ФОС, от технологических
параметров размольной установки.
а Угол встречи ножа статора с сырьем, град
и Роторно ножевая мельница
Рисунок 15 - Зависимость удельного
Рисунок 16 - Зависимость удельного
расхода электроэнергии от технологических расхода электроэнергии на размол при изменении
параметров процесса размола размольной качественных показателей вторичных древесных
установки
волокон
Анализируя графические зависимости на рисунке 15, видим, что
минимальные показатели удельного расхода электроэнергии - 124-130кВтч/т достигаются при величине 6=135-145° и 2=5-7мм.
По результатам исследований удельного расхода электроэнергии на подготовку
древесноволокнистых отходов в производстве ДВП мокрым способом выполнен расчет
и соотношение энергозатрат на сухой способ размола и традиционный способ
(рафинатор) в промышленных условиях.
Как видно из графика на рисунке 16, удельный расход электроэнергии при
классической подготовке древесноволокнистых отходов в рафинаторе при
оптимальных значениях режимных параметров значительно больше, чем по
предлагаемой технологии с использованием одной размольной установки, несмотря на
увеличение производительности одной единицы оборудования.
М оделирование пром ы ш ленной м ельницы .
В результате теоретических исследований
преемственности
и
обоснования теории
размерности пи-теоремы при моделировании
промышленной
установки
использовались
дифференциальное
уравнение
движения
частицы в воздухе, уравнение скорости
движения частицы после удара ножа ротора,
уравнение энергии передаваемой вторичному
1 - ножи ротора, 2 - цапфа, 3 - ножа древесному волокну и уравнение ударного
статора, 4 - вал, 5 - корпус установки, 6 - импульса.
На
основании
полученных
сепаратор
критериальных
уравнений,
описывающие
Рисунок 1 7 - Общий вид промы ш ­
исследуемый процесс, рассчитали масштабный
ленной уст ановки
коэффициент
моделирования
для
промышленной установки, работающей сухим способом размола, по отношению к
лабораторной установке он составил 11,8. Таким образом, была смоделирована
промышленная установка, работающая по сухому способу размола.
Экономическая оценка процесса подготовки древесноволокнистых отходов ФОС
и эколого-экономическая оценка на основании применения способа и системы сухого
роспуска древесноволокнистых отходов форматно-обрезных станков осуществлялась
на примере производства ДВП мокрым способом.
Э коном ическая оценка п роцесса п одгот овки д р евесноволокнист ы х от хо д о в Ф О С.
В результате получения древесноволокнистого полуфабриката сухим
способом размола при производстве ДВП мокрым способом, годовая экономия
предприятия в течение года составит 5,321 млн. руб.
Э к о л о г о -э к о н о м и ч е с к а я о ц е н к а н а о с н о в а н и и п р и м е н е н и я с п о с о б а и си с т е м ы . В
результате эколого-экономической оценки на основании применения способа и
системы сухого роспуска древесноволокнистых отходов форматно-обрезных станков
на примере производства ДВП мокрым способом, экономия предприятия на
экологических платежах составит 1,911 млн. руб. в год.
Выводы по диссертации
1. Анализ научно-технических источников показал, что в производствах
древесноволокнистых плит мокрым и сухим способами не уделяется должного
внимания вопросам подготовки и использования древесноволокнистых отходов.
2. Выполнены сравнительный анализ эффективности процесса подготовки
древесноволокнистых отходов с использованием быстроходной дисковой мельницы,
конической мельницы, гидроразбивателя и мельницы, работающей по сухому способу
размола. Наибольшая эффективность процесса подготовки древесноволокнистых
отходов была достигнута с использованием мельницы, работающей по сухому способу
размола. Выполнена оценка морфологических характеристик вторичных древесных
волокон и структурообразования плиты с учетом их использования в готовой плитной
продукции.
3. Установлены закономерности механизма и описана сущность явлений процесса
подготовки древесноволокнистых отходов в воздушной среде. Выполнена оценка
технологических и конструктивных параметров роторно-ножевой мельницы. Описано
механическое воздействие на древесноволокнистые отходы ФОС за счет торцово­
поперечного резания (резание, мятие, сплющивание, разбивание) и аэродинамических
явлений (роспуск, фибриллирование), способствующие образованию внешнего и
внутреннего фибриллирования вторичного древесного волокна, увеличивающая
удельную поверхность в отсутствии высоких температур и давления, без добавления
химических добавок, без использования воды и пара.
4. Установлено влияние, получены закономерности и найдены оптимальные
значения, основных технологических, конструктивных и энергосиловых параметров
размалывающей установки, найдены их оптимальные значения, достоверно
описывающие размерно-качественные и морфологические характеристики вторичного
древесного
волокна,
подготовленного
сухим
способом
размола
из
древесноволокнистых отходов форматно-обрезных станков, и физико-механические
свойства готовых плит в производстве ДВП мокрым и сухим способом.
5. Обоснована эффективность способа и системы подготовки сухим способом
размола древесноволокнистых отходов форматно-обрезных станков в производствах
ДВП мокрым и сухим способами.
6. В результате теоретических расчетов с использованием теории размерности питеоремы, масштабный коэффициент моделирования для промышленной установки,
работающей сухим способом размола, по отношению к лабораторной установке, он
составил 11,8.
7. Экономическая оценка показала, что за счет сокращения энергетических,
трудовых и материальных затрат в процессе подготовки древесноволокнистых отходов
сухим способом по сравнению с существующими способами подготовки, а также с
учетом экономии древесного волокна годовая экономия предприятия по производству
ДВП мокрым способом составит 5,321 млн. руб., со сроком окупаемости в течении
года.
8. Выполнена эколого-экономическая оценка способа и системы роспуска
древесноволокнистых отходов форматно-обрезных станков сухим способом на
примере производства ДВП мокрым способом, экономия предприятия по
экологическим платежам составит 1,911 млн. руб. в год.
Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:
Статьи в журналах, рекомендованных ВАК:
1 Морозов, И. М. Влияние технологических параметров на свойства древесной
массы и готовой древесноволокнистой плиты / И. М. Морозов, Н. Г. Чистова //
Химия растительного сырья.- 2015. - № 3. - С. 185-191, автора - 0,218 п.л.
2 Морозов, И. М. Совершенствование технологического процесса получения
специальных древесноволокнистых плит с пониженной пожарной опасностью / И. М.
Морозов, В. А. Якимов, Ю. Д. Алашкевич // Вестник Санкт-Петербурского
университета государственной противопожарной службы МЧС России. - 2015.- № 4. С. 25-29, автора - 0,1 п.л.
3 Получение древесноволокнистых плит сухим способом производства,
изготовленных с использованием древесноволокнистых отходов от форматно-обрезных
станков / И. М. Морозов, [ и др.] // Химия растительного сырья. - 2015. - № 4. - С.
119-124, автора - 0,07 п.л.
4 Совершенствование оборудования для создания новой, более чистой технологии
подготовки древесноволокнистой массы / И. М. Морозов, [ и др.] // В мире научных
открытий. - 2015. - N° 12.3 - С. 855-865, автора - 0,125 п.л.
5 Пат. N 156722. Российская Федерация, МПК51 Б 2 Ш 1/02. Размольная гарнитура
/ Чистова Н. Г., Морозов И. М., Рубинская А. В., Асёнов Н. В., Казаков Е. А.; заявитель
и патентообладатель: Сибир. госуд. технолог. ун-т N 2015117330/12.; заявл. 06.05.2015;
опубл. 10.11.2015, Бюл. N 31. - 8 с.
Материалы конференций:
6 Морозов, И. М. Закономерности, определяющие возможность переработки
древесноволокнистых отходов в производстве ДВП / И. М. Морозов, Н. Г. Чистова //
Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути
развития: научн. журн.: сб. науч. тр. по итогам междунар. науч.-практ. конф. - Одесса,
2013. - Вып. 3, т. N 12: Технические науки. - С. 37-45, автора - 0,281 п.л.
7 Морозов, И. М. Экологический фактор рециклинга древесноволокнистых
отходов плитного производства / И. М. Морозов, Н. Г. Чистова // Экология,
рациональное природопользование и охрана окружающей среды: сб. ст. по материалам
III Всерос. науч.-практ. конф. - Т. I. - Лесосибирск, 2013. - С. 351-355, автора - 0,156
п.л.
8 Морозов, И. М. Экологический фактор рециклинга древесноволокнистых
отходов плитного производства / И. М. Морозов, Н. Г. Чистова // Экология,
рациональное природопользование и охрана окружающей среды: сб. ст. по материалам
IV Всерос. науч.-практ. конф. - Т. I. - Лесосибирск, 2014. - С. 261-265, автора - 0,156
п.л.
9 Морозов, И. М. Рециклинг древесных отходов лесоперерабатывающих
предприятий / И. М. Морозов, Н. Г. Чистова // Научному прогрессу - творчество
молодых: сб. ст. по материалам X междунар. молодежн. науч. конф. по естест. и тех.
дисциплинам. - Ч. 2. - Йошкар-Ола, 2015. - С. 187-188, автора - 0,06 п.л.
10 Морозов, И. М. Влияние морфологического состава древесноволокнистого
полуфабриката на физико-механические свойства готовой плиты / И. М. Морозов,
Н. Г. Чистова // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: сб. тр.
Всерос. науч.-практ. конф. - Т. 1. Красноярск: СибГТУ, 2015. - С. 206-208, автора 0,093 п.л.
11 Морозов, И. М. Подготовка и использование древесноволокнистых отходов в
производстве ДВП / И. М. Морозов, Н. Г. Чистова // Лесной и химический
комплексы - проблемы и решения: сб. ст. Всерос. науч.-практ. конф. - Красноярск,
2015. - С. 275-279, автора - 0,156 п.л.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
24
Размер файла
1 026 Кб
Теги
древесноволокнистых, отходов, использование, плита, древесных, производства, подготовки
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа