Обоснование технологических решений для реализации потенциала ресурсосбережения при переработке круглых лесоматериалов на щепу

Девятникова, Людмила Анатольевна

автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование технологических решений для реализации потенциала ресурсосбережения при переработке круглых лесоматериалов на щепу

кандидата технических наук: Девятникова, Людмила Анатольевна
город: Петрозаводск
год: 2012
специальность ВАК РФ: 05.21.01

Диссертация по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева на тему «Обоснование технологических решений для реализации потенциала ресурсосбережения при переработке круглых лесоматериалов на щепу»

Автореферат диссертации по теме "Обоснование технологических решений для реализации потенциала ресурсосбережения при переработке круглых лесоматериалов на щепу"

На правах рукописи

Девятникова Людмила Анатольевна

ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПОТЕНЦИАЛА РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ КРУГЛЫХ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ НА ЩЕПУ

05.21.01 - Технологии и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 ДЕК 2012

Петрозаводск - 2012

005056534

Работа выполнена на кафедре целлюлозно-бумажных и деревообрабатывающих производств федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Петрозаводский государственный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Васильев Сергей Борисович

Официальные оппоненты: Григорьев Игорь Владиславович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технологии лесозаготовительных производств ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет имени С. М. Кирова»

Данилова Марина Владимировна,

кандидат технических наук, доцент, начальник учебно-методического управления ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский

государственный университет леса»

Защита состоится 21 декабря 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.03 на базе ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет» по адресу: 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Петрозаводского государственного университета.

Автореферат разослан « Ж ноября 2012 г.

Ученый секретарь / ^^^

диссертационного совета / ¿¡^ р в Воронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время одним из приоритетных направлений развития лесопромышленного комплекса России является совершенствование технологий глубокой переработки древесины. К данному направлению относятся задачи поиска и совершенствования технологических решений для реализации потенциала ресурсосбережения при переработке круглых лесоматериалов на щепу. Щепа является разновидностью измельченной древесины, характеристики которой определяются по ГОСТ 23246-78 «Древесина измельченная. Термины и определения». Из этих разновидностей щепа занимает доминирующее место по объемам производства и потребления.

Щепа используется в качестве основного сырья в целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП), в производстве древесностружечных плит, в качестве биотоплива, в гидролизном производстве и в других целях. Чтобы обеспечить выполнение возрастающих требований рационального природопользования и конкурентоспособности выпускаемой продукции, характеристики щепы должны соответствовать требованиям каждого из потребителей. Эти требования определены в ГОСТ 15815-83 «Щепа технологическая. Технические условия». Основными являются требования к форме и размерам частиц щепы, получаемой на рубительных машинах путём измельчения круглых лесоматериалов определённой породы, длины и диаметра. При этом для получения щепы высокого качества необходима очистка от коры. В этой связи появляются задачи совершенствования не только каждого из звеньев технологической цепи по переработке круглых лесоматериалов, но и подбора параметров машин и оборудования на этих звеньях в целях реализации потенциала ресурсосбережения. Актуальность этих задач объясняется тем, что рост выпуска продукции глубокой переработки древесины (целлюлоза, бумага, картон, стружечные плиты, биотопливо и т. д.) предполагает наращивание объемов выпуска щепы. В ЦБП на выпуск одной тонны целлюлозы требуется от 4 до

6 м3 подлежащей измельчению древесины, до 450 кВт-ч электроэнергии, до 180 м3 воды (470 м3 в 1954 г.). В республике Карелия за январь-май 2012 г. произведено 437 тыс. тонн целлюлозы, причем выпуск за май 2012 г. составил 103 % по отношению к маю 2011г. [http://krl.gks.ru/digital/region2/2007/prom3.htm]. Прогнозируется сохранение тенденции развития технологий глубокой переработки древесины на обозримую перспективу, как в России, так и в других странах, в экономике которых приоритетное место занимает лесопромышленный комплекс (ЛПК)

[http://www.unece.org/forests.html]. Актуальность рассматриваемых в диссертации задач следует также из необходимости совершенствования технологий лесопереработки с учетом конкурентоспособности, включая современные требования экологической безопасности, энергетической, технической и экономической эффективности. По причине своей актуальности, многоплановости и недостаточной изученности задачи ресурсосбережения при переработке круглых лесоматериалов на щепу требуют для своего решения продолжения исследований.

Степень разработанности темы исследования. К настоящему времени в ряде учреждений (МГУЛ, ЦНИИМЭ, СПбГЛТА, Северный (Арктический) федеральный университет, ПетрГУ, КарНИИЛП, Воронежская ГЛТА, Марийский технический университет, Братский государственный университет, Тихоокеанский государственный университет и др.) многими авторами достаточно подробно исследованы отдельные грани проблемы совершенствования технологий получения древесной щепы. Однако в существенно меньшей степени изучены возможности, связанные с анализом в рамках одного исследования и реализацией потенциала ресурсосбережения на всех звеньях технологической цепи по переработке круглых лесоматериалов на щепу. В данной работе внимание фокусируется на комплексе взаимосвязанных задач подготовки и переработки круглых лесоматериалов на технологическую щепу, используемую в качестве сырья в ЦБП. При этом основное внимание уделено недостаточно проработанной в известной литературе проблеме выявления и

реализации потенциала ресурсосбережения при переработке круглых лесоматериалов на стадии древесно-подготовительного цикла.

Цель работы: повышение качества технологической щепы путем рационального распределения ресурсов на всех технологических операциях древесно-подготовительного цикла при переработке круглых лесоматериалов.

Задачи, решение которых необходимо для достижения цели:

1) выполнить анализ потенциала ресурсосбережения при подготовке круглых лесоматериалов к их измельчению на щепу в рубительных машинах, исследовать причины получения частиц щепы некондиционных размеров и формы;

2) изучить зависимость качества щепы от технологии раскроя длинномерных сортиментов на балансы, обосновать рекомендации по ресурсосбережению на стадии раскроя;

3) исследовать возможности ресурсосбережения на стадии транспортировки балансов по рольгангам от слешерной установки до корообдирочного барабана и от барабана до рубительной машины. Разработать техническое решение для интенсификации сортировки по длине транспортируемых по рольгангу круглых лесоматериалов;

4) исследовать зависимость качества щепы от геометрических характеристик загрузочного устройства рубительной машины, а также от диаметра и длины измельчаемых балансов;

5) сформулировать рекомендации по реализации комплекса выявленных возможностей ресурсосбережения при переработке круглых лесоматериалов на щепу.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) определен комплекс возможностей по ресурсосбережению при подготовке круглых лесоматериалов к их переработке на щепу в рубительных машинах, уточнены причины получения частиц щепы некондиционных размеров и формы;

2) установлена зависимость качества щепы от технологии раскроя длинномерных сортиментов на балансы, обоснованы рекомендации по ресурсосбережению на стадии раскроя за счет уменьшения доли короткомеров в потоке балансов;

3) определены возможности ресурсосбережения при совмещении внутрицеховой транспортировки балансов по рольгангам и их сортировки по длине;

4) предложена новая методика моделирования зависимости качества щепы от геометрических характеристик загрузочного устройства рубительной машины, а также от диаметра и длины измельчаемых балансов;

5) обоснованы рекомендации по реализации комплекса предложенных новых технологических решений по ресурсосбережению при подготовке круглых лесоматериалов к переработке на щепу.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем.

1. Показано, что наличие короткомеров в потоке балансов, поступающих в рубительную машину, является причиной непроизводительных затрат ресурсов на транспортировку, очистку от коры и измельчение древесины (эта часть работы представляет практический интерес для использования в учебном процессе при подготовке и переподготовке специалистов для ЛПК).

2. Разработан новый вариант конструкции секции рольганга с дополнительным динамическим воздействием на транспортируемые лесоматериалы, который позволяет интенсифицировать процесс отбраковки короткомеров из потока балансов, транспортируемых по рольгангам, до их поступления в корообдирочный барабан, что уменьшает непроизводительные затраты энергии, времени, воды. Тем самым вносится вклад в реализацию потенциала ресурсосбережения на стадии древесно-подготовительного цикла при производстве технологической щепы.

3. Обоснована методика оценки влияния геометрических параметров внутреннего пространства загрузочного устройства рубительной машины, диаметра и длины балансов на качество щепы. Эта методика объясняет некоторые причины появления крупных некондиционных частиц щепы, а ее применение позволяет прогнозировать качество технологической щепы.

4. С использованием полученных в диссертации новых результатов разработаны рекомендации по уточнению конструктивных и технологических параметров оборудования межоперационной транспортировки обрабатываемых круглых лесоматериалов, их очистки от коры, измельчения в рубительной машине. Эти рекомендации направлены на уменьшение доли короткомеров в общем потоке балансов, перерабатываемых на стадии древесно-подготовительного цикла.

Методология и методы исследования. Методология исследования базируется на системном анализе взаимосвязи технологических операций с учетом достижений современной науки в данной области прикладных исследований, отраженных в работах российских и зарубежных ученых. Для достижения цели диссертационной работы и решения сформулированных задач использованы методы экспериментальных натурных и лабораторных исследований, включая методы технической фотографии; методы анализа экспериментальных данных; математическое моделирование; функционально-технологический анализ.

Положения, выносимые на защиту:

1) результаты и анализ производственного эксперимента по установлению влияния доли короткомеров в общем потоке балансов на качество технологической щепы;

2) конструктивное решение секции рольганга с дополнительным динамическим воздействием на транспортируемые лесоматериалы для интенсификации отбраковки короткомеров из потока балансов до их поступления в корообдирочный барабан;

3) результаты моделирования по установлению допустимого соотношения между высотой внутреннего пространства подающего патрона рубительной машины, диаметром и длиной балансов, при котором обеспечиваются приемлемые геометрические характеристики частиц технологической щепы;

4) рекомендации по уточнению технологических параметров оборудования, обеспечивающие реализацию комплекса предложенных технологических решений по ресурсосбережению при подготовке круглых лесоматериалов к переработке на щепу.

Степень достоверности, результатов исследования

подтверждена их непротиворечивостью и согласованностью с данными производственных экспериментов, натурных наблюдений, адекватностью результатов моделирования известным по литературе характеристикам, а также апробацией предлагаемых методик и рекомендаций.

Апробация работы осуществлена на следующих научных конференциях:

1) III, IV, V и VI Международные научно-практические Интернет-конференции «Леса России в XXI веке» (СПбГЛТА, 01.04.2010, 15.07.2010, 15.10.2010; 15.03.2011);

2) Международная научно-техническая конференция «Наука и образование - 2010», Мурманск, МГТУ, 2010 г.;

3) Девятая конференция «Новые информационные технологии в целлюлозно-бумажной промышленности и энергетике». Петрозаводск, ПетрГУ, 2010.

4) Всероссийская научная конференция с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи». Самара: СамГТУ, 2010.

5) Региональная научно-практическая конференция «Механика технологических процессов». Петрозаводск, ПетрГУ, 2011.

6) Региональная научно-практическая конференция «Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции». Петрозаводск, ПетрГУ, 2012.

Публикации. По результатам работы опубликовано 3 статьи в изданиях по списку ВАК РФ, а также тезисы 12 докладов на международных и российских конференциях. Получен патент РФ на полезную модель № 117411 «Секция рольганга для сортировки транспортируемых лесоматериалов по длине».

Объект исследования: комплекс машин и оборудования для переработки круглых лесоматериалов на технологическую щепу.

Предмет исследования: технология подготовки круглых лесоматериалов к переработке на технологическую щепу, закономерности появления частиц щепы некондиционных размеров.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, трех приложений. Общий объем диссертации 124 страницы, в том числе рисунков - 42, таблиц - 4.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении приведена общая характеристика диссертации, обоснована актуальность темы исследования, определены цель и задачи исследования, выносимые на защиту основные положения.

Первая глава содержит обзор литературы и Интернет-ресурсов [http://lesprominform.ru и др.] по теме диссертации, анализ технологий, машин и оборудования для подготовки и переработки круглых лесоматериалов на щепу. Авторами включенных в обзор работ являются: Бойков С.П. (теория очистки древесины от коры); Газизов A.M., Шапиро В .Я., Григорьев И.В. (технологии роторной очистки от коры); Лаутнер Э.М. (теория получения технологической щепы); Вальщиков Н.М., Лицман Э.П. (технологии измельчения древесины); Васильев С.Б., Симонова И.В. (технологии производства щепы, совершенствование рубительных машин); Гомонай М.В., Никишов В.Д. (ресурсосберегающие технологии измельчения древесины на щепу); Герасимов Ю.Ю., Сюнёв B.C., Соколов А.П. (технологии производства топливной щепы); Рубцов Ю.В., КонноваГ.В., Рудько C.B. (переработка низкокачественной древесины на щепу рубительными машинами); Шегельман И.Р. (перспективные технологические процессы подготовки биомассы дерева к переработке на щепу, функционально-технологический анализ); Булатов А. Ф. (ресурсосберегающие технологии заготовки и переработки биомассы дерева на технологическую щепу); Полянин И.А. (технологии производства щепы из пневой древесины); Рябухин П.В. (комплексное использование древесины на основе прогрессивных технологий); Иванов К.А. (влияние качества щепы на характеристики сульфатной целлюлозы); Суровцева Л.С., Иванов Д.В., Царева М.М. (анализ параметров технологической щепы), Hartmann Н. (методы фракционирования древесной щепы),

Hellstrom L.M. (экспериментальное исследование процесса измельчения древесины на щепу), Nati С. (влияние износа ножей рубительной машины на качество древесной щепы) и др.

Переработка круглых лесоматериалов на щепу может осуществляться с применением мобильного или стационарного оборудования на лесосеке, организованных участках переработки круглых лесоматериалов, в древесно-подготовительных цехах на ЦБК. В российских условиях, как правило, выполняются следующие технологические операции: раскрой длинномерных сортиментов на слешерных установках с целью получения балансов, т.е., отрезков бревен стандартной длины, равной 1,2 м; транспортировка балансов и их загрузка в корообдирочный барабан; транспортировка очищенных от коры балансов и их загрузка в рубительную машину для измельчения; транспортировка измельченной древесины и загрузка в установки для сортирования по критерию крупности частиц; доизмельчение избыточно крупных частиц щепы.

Исследования производства щепы показали, что на стадии раскроя появляются так называемые короткомеры, т. е. отрезки бревен длиной до 0,8 м. Причина появления короткомеров заключается в том, что длина раскраиваемых сортиментов не всегда кратна длине баланса. Конструктивные особенности рубительных машин таковы, что измельчение в них короткомеров приводит к появлению избыточно крупных частиц, доля которых в технологической щепе согласно ГОСТ 15815-83 не должна превышать 3 % по массе.

Функционально-технологический анализ рассматриваемой переработки круглых лесоматериалов позволил сформулировать исходное положение (гипотезу) исследования: для реализации потенциала ресурсосбережения и повышения качества щепы путем уменьшения массовой доли крупных некондиционных частиц в измельченной древесине необходимо в наибольшей технически возможной и экономически целесообразной мере исключить переработку короткомеров.

Первая глава включает описание технических решений, применение которых обеспечивает уменьшение доли короткомеров в

общем потоке балансов. Тем самым достигается более полная реализация потенциала ресурсосбережения и повышение качества щепы за счет уменьшения доли крупных некондиционных частиц в древесине, измельчённой в рубительной машине. Логика выполненного исследования показала, что, если технически невозможно исключить появление короткомеров в общем потоке балансов, то необходима технологическая операция сортирования по длине транспортируемых лесоматериалов. Причём, эту операцию целесообразно выполнить до загрузки балансов в корообдирочный барабан с тем, чтобы исключить непроизводительные затраты на очистку короткомеров от коры, их дальнейшую транспортировку и измельчение в рубительной машине. Такая операция автоматически осуществляется в процессе транспортирования лесоматериалов по рольгангу, который снабжён специальными секциями с провалочными окнами (см. рисунок 1).

Однако наши исследования промышленного производства щепы показали, что не все короткомеры под действием собственного веса отделяются от балансов стандартной длины. Значительная часть короткомеров преодолевает провалочные окна и поступает на дальнейшую переработку, что влечёт непроизводительные затраты ресурсов и снижает качество щепы. Причина этого явления в том, что наличие сучьев и естественная негладкость коры приводят к появлению достаточно больших сил сцепления боковых поверхностей транспортируемых неокорённых короткомеров и стандартных балансов.

Чтобы увеличить эффективность отделения короткомеров от балансов стандартной длины в процессе их транспортировки по рольгангу, в диссертации предложено интенсифицировать процесс разделения путём дополнительного динамического воздействия на транспортируемые элементы. Для технической реализации данного предложения разработано новое конструктивное решение секции рольганга, в котором часть роликов имеет овальную форму [15]. Тем самым при транспортировке круглые лесоматериалы получают динамическое воздействие за счет циклически изменяющихся вертикальных перемещений. Кроме того, применение предлагаемой

секции с дополнительным динамическим воздействием рекомендуется и на участке транспортировки окоренных балансов от корообдирочного барабана к рубительной машине, с тем, чтобы выполнить отбраковку короткомеров, случайно прошедших стадию очистки от коры.

Очевидно, наиболее полной реализации потенциала ресурсосбережения будет способствовать исключение любой возможности появления короткомеров в общем потоке балансов до их загрузки в рубительную машину. Реализовать такую ситуацию можно, если изменить технологию раскроя длинномерных сортиментов на балансы.

Рисунок 1 — Провалочные окна для отбраковки короткомеров на конвейере

Первая глава диссертации содержит также технологическое решение, целью которого является исключение возможности появления короткомеров в общем потоке балансов. Поскольку длина раскраиваемых на слешерной установке сортиментов не всегда кратна длине баланса, то, как отмечено выше, возможно появление

короткомеров (см. рисунок 2). Появление короткомеров можно исключить путём демонтажа крайних пил слешерной установки.

Однако при этом часть отрезков раскроенных сортиментов будет иметь длину, превышающую стандартный размер (1,2 м). Эта часть отрезков должна быть отделена от отрезков стандартной длины и проходить обработку отдельно, если предполагается измельчение древесины в дефибрерах. С учетом литературных данных, Интернет-ресурсов и собственных исследований промышленного производства щепы в первой главе определен комплекс возможностей по ресурсосбережению. Обоснованы перечисленные выше формулировки задач диссертационного исследования и выводы по главе.

Рисунок 2 — Короткомеры, образовавшиеся в результате раскроя балансов на слешерной установке

Вторая глава содержит описание производственного эксперимента по изучению влияния доли короткомеров в потоке балансов на качество щепы. Изменение содержания крупных и мелких некондиционных частиц с течением времени показано на графике (рисунок 3). На графике (рисунок 4) показано изменение содержания кондиционной фракции щепы в течение времени.

51

ШШШШ ЩНШШШШШ

#1

К

I У

время взятая пробы, час:мин

I—т^-крупная, % -о-сумма мелкой и отсева, % 1

Рисунок 3 - Массовые доли крупной и мелких фракций щепы в пробах, взятых в разное время суток

А

96,0 94,0

"Г т

»['о

«СП

84,0

!! 5 Я 5 5! 1 11:20 11:30 12:30 шш II ш I II 5 я

время взятия пробы, час:мин

Рисунок 4 — Массовая доля кондиционной фракции щепы в пробах, взятых в разное время суток

Такая оценка фракционного состава в зависимости от времени измельчения была проведена для того, чтобы оценить влияние на качество щепы технического состояния ножей рубительной машины, которые согласно регламенту предприятия подлежат замене дважды в сутки в одно и то же время. Анализ результатов показал отсутствие значимого влияния времени отбора проб на фракционный состав щепы. Это означает, что замена ножей рубительной машины осуществлялась своевременно.

Исследовано также изменение содержания крупных некондиционных частиц щепы в зависимости от доли короткомеров в общем массиве балансов (см. рисунок 5).

о

С! 2,20 2,00

35 40 45 50 55 60 65

Доля короткомеров в общем массиве балансов (группы), %

Рисунок 5 - Доля крупной фракции щепы (уг) в зависимости от доли короткомеров (х) в потоке балансов

Применительно к условиям конкретного производства установлено, что уменьшение доли короткомеров с 68% до 38% позволяет снизить содержание крупных некондиционных частиц щепы на 0,8%, повысить содержание кондиционных частиц на 2,5%. А получение щепы, по фракционному составу отвечающей требованиям, предъявляемым к щепе марке Ц1 по ГОСТ 15815-83, возможно, если в подаваемом на рубку сырье содержится не более 45% отрезков длиной менее 0,8 м.

В выводах по главе сформулировано получившее обоснование технологическое требование, заключающееся в необходимости сортировки по длине транспортируемых лесоматериалов.

В третьей главе более детально рассмотрены затронутые в главах 1 и 2 диссертации вопросы о причинах появления крупных частиц нестандартных размеров при измельчении короткомеров в рубительной машине. Предложена геометрическая схема взаимодействия загрузочного устройства рубительной машины и измельчаемого баланса (см. рисунок 6). Рассмотрена задача о влиянии изменения длины баланса, измельчаемого в дисковой рубительной машине, на размеры частиц древесной щепы.

Методика решения задачи. Геометрическая схема загрузочного устройства рубительной машины и измельчаемого баланса показана на рисунке 6. В качестве модели исходной формы баланса принят прямой круговой цилиндр (пунктир на рисунке 6).

Рисунок 6 - Геометрическая схема загрузочного устройства рубительной машины и измельчаемого короткомера, а0 = 37е

Принято во внимание, что стандартная форма частиц щепы определяется значением угла скоса а = а0 - />', которое в процессе уменьшения длины баланса также уменьшается от а0 до почти нуля.

С использованием схемы по рисунку 6 получена расчетная формула для определения допустимого соотношения между диаметром (высотой) D внутреннего пространства загрузочного устройства рубительной машины, диаметром d и длиной короткомера I:

п п D — d а =а0 -¡1 = а0 -arc tg/i = «0 -arc tg-.

Результаты решения модельной задачи представлены в графической форме на рисунке 7.

Расчеты выполнены с целью определения технологических параметров оборудования, обеспечивающих требуемые по ГОСТ 15815-83 геометрические характеристики частиц измельчённой древесины.

Длина измельчаемого баланса, см

D=40 см, d=30 см D=40 см, d=24 см D=40 см, d=1B см

D=60 см, d=30 см D=60 см, d=24 см D=60 см, d = 1B см

D-80 см, d=30 см D=80 см, d=24 см

80

Рисунок 7 - Зависимость угла скоса плоскости среза частицы щепы от диаметра D загрузочного устройства рубительной машины, длины I и диаметра d измельчаемого баланса

Анализ результатов расчетов показал, что соотношение w = (D — d)/£ может быть рекомендовано к использованию в качестве безразмерного вспомогательного технологического параметра для прогнозирования качества щепы. Этот параметр реально может изменяться в пределах от 0,05 до 2. Чем ближе значение данного параметра к нулю, тем ближе значение угла а к а0 и форма частиц щепы меньше отличается от стандартной. Существуют две возможности для уменьшения значения данного параметра: уменьшить разность (D-d) или увеличить длину измельчаемого баланса I. Однако обе эти возможности ограничены.

Если D~d= 0, то ликвидируется зазор между внешней боковой поверхностью измельчаемого баланса и внутренней поверхностью загрузочного устройства рубительной машины. По этой причине появятся силы трения, которые будут препятствовать процессу перемешения баланса в загрузочном устройстве. Поэтому необходим

определенный зазор, т.е. D-d> Л, где, например, J = d/20. Значение 1 определяется технологическими особенностями производства.

Ограничения на увеличение длины измельчаемого баланса £ предопределены конструкцией рубительной машины, а также ограничениями по условиям транспортировки круглых лесоматериалов и т.д.

Оценка адекватности результатов моделирования. Адекватность результатов расчетов (рисунок 7), прогнозирующих прогрессирующую тенденцию уменьшения угла скоса плоскости среза частиц щепы с уменьшением длины измельчаемого баланса, подтверждена экспериментально. Для измельчения в рубительной машине были использованы балансы, торцы которых имели контрастную окраску. По этой окраске были идентифицированы частицы щепы, полученные из торцовых частей короткомеров. Такая частица показана на рисунке 8 в центральной части.

Рисунок 8 — Частицы измельчённой древесины, полученные в рубительной машине из баланса с окрашенной до измельчения торцевой частью. В центре рисунка показана частица, полученная на финишной стадии измельчения данного баланса.

Измерения линейных и угловых размеров частиц щепы показали, что длина такой частицы равна примерно 7 см, что больше стандартной длины, равной 2 см. Угол скоса плоскости среза данной частицы составляет примерно 12°, что примерно в три раза меньше

требуемой величины, равной 30° — 60°. Измельчение короткомеров реализуется в рубительной машине не путём резания преимущественно поперёк волокон древесины, а за счёт преобладающего скалывания вдоль волокон. Поскольку любой баланс на финише своего измельчения превращается в короткомер, то это приводит к появлению древесных частиц нестандартных размеров и формы. По этой причине необходима сортировка частиц измельчённой древесины.

Анализ результатов выполненного исследования показал, что в целях повышения качества щепы необходимо уменьшать долю короткомеров в потоке измельчаемых балансов. Другая рекомендация, имеющая ту же цель, сводится к увеличению длины измельчаемых в рубительной машине лесоматериалов, что, в частности, согласуется с производством щепы по технологии заготовки деревьями.

Четвертая глава содержит краткий анализ технико-экономической эффективности предлагаемых технологических решений. Рассмотрена частная, но важная в практическом отношении проблема ресурсосбережения, связанная с возможностью снижения затрат на сырье за счет рационального соотношения доли короткомеров в общем объеме перерабатываемых балансов. Выполнен анализ данной частной проблемы, предложено ее решение и обоснованы рекомендации по реализации выявленных возможностей ресурсосбережения. Приведён пример расчёта. С использованием данных производственного эксперимента установлено, что уменьшение доли короткомеров в общем массиве балансов с 68 до 38% позволит уменьшить потери древесины в 1,2 раза. Кроме того, повышается качество щепы на выходе из рубительной машины за счет уменьшения доли некондиционных частиц измельченной древесины.

В заключительной части диссертации сформулированы выводы по работе и рекомендации по практическому применению полученных результатов.

Приложения к диссертации содержат таблицы с данными производственных и . лабораторных экспериментов, которые

использованы в качестве исходных данных в основной части выполненного исследования.

Заключение. В качестве заключения в диссертации сформулированы итоги выполненного исследования, рекомендации по использованию полученных результатов и перспективы дальнейшей разработки темы.

1. Результаты исследования фракционного состава щепы показали, что уменьшение доли короткомеров в общем потоке балансов от 68 до 38% ведёт к увеличению выхода кондиционной фракции в технологической щепе с 91,1 до 93,6%, а также к уменьшению долей крупной фракции с 3,5 до 2,7% (при допускаемом ГОСТ 15815-83 значении 3% для марки щепы Ц1) и мелких некондиционных частиц с 5,4 до 3,7 %.

2. По результатам производственных экспериментов получена зависимость вида у2 = 0,036х 4- 1,3749, позволившая установить предельно допустимые доли короткомеров х = 45% и крупной щепы у2 = 3 %. Таким образом, получение щепы, отвечающей по фракционному составу требованиям к щепе марке Ц1 по ГОСТ 15815-83 возможно в рубительной машине МР5-150 с ножевым диском диаметром 2500 мм, если в подаваемом на измельчение потоке балансов доля отрезков длиной не более 0,8 м не превышает 45 %.

3. Предложена новая методика моделирования зависимости качества щепы от геометрических характеристик загрузочного устройства рубительной машины, а также от диаметра и длины измельчаемых балансов. Анализ результатов расчетов подтвердил, что в целях повышения качества щепы необходимо уменьшать долю короткомеров в потоке измельчаемых балансов, а также увеличивать длину измельчаемых в рубительной машине балансов.

4. Поскольку экспериментальными данными подтверждено негативное влияние короткомеров на качество технологической щепы, то в связи с этим рекомендованы пути уменьшения или полного исключения короткомеров на каждой из рассмотренных операций древесно-подготовительного цикла ЦБК.

Рекомендации:

1. С учетом выполненного исследования в целях ресурсосбережения рекомендуется на стадии приемки древесины от лесозаготовителей выполнять сортировку по диаметру, длине, степени повреждений и порокам древесины, которые могут приводить к появлению некондиционных фракций в щепе.

2. Рекомендуется изменение расстояния между пилами для минимизации образования короткомеров (при модернизации оборудования).

3. Как альтернатива п.2 рекомендуется демонтаж крайней пилы на слешере для исключения образования короткомеров. В этом случае возможно появление балансов, длина которых превышает стандартную, что является допустимым, т.к. рубительная машина позволяет обрабатывать балансы длиной до 3 м. Тогда необходим отдельный конвейер для подачи балансов в рубительную машину, рассчитанный на транспортировку балансов такой длины.

4. При соответствующем технико-экономическом обосновании рекомендуется организация отдельной линии для удаления и утилизации короткомеров при сохраненной технологии распила.

5. Для более качественной отбраковки короткомеров из общего потока балансов на стадии их транспортировки по рольгангу рекомендуется применение роликов некруглого поперечного сечения по патенту РФ на полезную модель № 117411.

6. Обоснованное в главе 3 соотношение IV = (О — сГ)/1 может быть рекомендовано к использованию в качестве вспомогательного технологического параметра для прогнозирования качества щепы.

Перспективы дальнейшей разработки темы диссертации связаны с учетом влияния условий хранения круглых лесоматериалов до их переработки на щепу. Кроме того, необходимы исследования по совершенствованию технологий и направлений рационального использования древесных отходов, образующихся при переработке круглых лесоматериалов на щепу (короткомеры, некондиционная щепа).

Список работ автора по теме диссертации

Публикации в журналах, указанных в перечне ВАК РФ:

1. Девятникова JI. А., Васильев С. Б., Колесников Г. Н. Влияние технологии раскроя балансов на фракционный состав щепы // Вестник МГУЛ -Лесной вестник. М.: Изд-во МГУЛ. - 2012. № 3. - С. 120 - 124.

2. Васильев С. Б., Девятникова Л. А., Колесников Г. Н. Влияние технологии раскроя балансовой древесины на фракционный состав щепы // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Вып. 195. СПб.: Изд-во СПбГЛТА, 2011. С. 125 - 133.

3. Васильев С. Б., Девятникова Л. А., Колесников Г. Н. Влияние изменения длины баланса, измельчаемого в дисковой рубительной машине, на размеры частиц древесной щепы // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. - Краснодар: КубГАУ, 2012.

- № 07 (81). - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/07/pdf/58.pdf

Другие публикации:

4. Девятникова Л. А. Влияние технологии раскроя балансов на качество щепы // Материалы научн.-практ. конф. «Механика технологических процессов» (2 ноября 2011г.): материалы / ПетрГУ. - Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2011. — С. 9 — 11.

5. Девятникова Л. А. Информационно-пропагандистская работа по энергосбережению со студентами // Материалы науч.-практ. конф. «Энергоэффективные строительные материалы, конструкции, здания и сооружения» (14 апреля 2011г.) / ПетрГУ. - Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2011. -С.7-8.

6. Девятникова Л. А. Комплекс задач по совершенствованию технологии и оборудования древесно-подготовительного цикла для производства целлюлозы // Материалы пятой международной научно-практической Интернет-конференции «Леса России в XXI веке». - СПб.: ЛТА, 2010. - С. - 151 - 158. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ftacademy.ru/

7. Девятникова Л. А., Емельянова Е. Г. Совершенствование технологических процессов древесно-подготовительного цикла целлюлозно-бумажных комбинатов с учетом ресурсосбережения // Материалы науч.-практ. конф. «Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции» (4 апреля 2012 г.) / ПетрГУ. - Петрозаводск, 2012. - С. - 42 - 46.

8. Девятникова Л. А., Никонова Ю. В. О некоторых закономерностях технологического процесса очистки от коры круглых лесоматериалов в установках барабанного типа [Электронный ресурс] // Материалы межд. науч.-техн. конф. «Наука и образование - 2010», Мурманск, МГТУ, 5-9 апреля 2010 г.

- Мурманск: МГТУ, 2010, НТЦ «Информрегистр» № 0321000362. - С. - 764766.

9. Девятникова Л. А., Никонова Ю. В. О совершенствовании технологии очистки круглых лесоматериалов от коры и их переработки на щепу // Материалы четвертой международной научно-практической Интернет-конференции «Леса России в XXI веке». - СПб.: ЛТА, 2010. - С. 111 - 114. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ftacademy.ru/

10. Девятникова Л. А., Никонова Ю. В., Андреев А. А. Применение методов математического моделирования при обосновании рекомендаций по совершенствованию технологических процессов древесно-подготовительного цикла на целлюлозно-бумажных комбинатах // Материалы IX конференции «Новые информационные технологии в целлюлозно-бумажной промышленности и энергетике». - Петрозаводск: ПетрГУ, 2010. - С. 39-41.

11. Девятникова JI. А., Никонова Ю. В., Васильев С. Б. Технико-экономические аспекты очистки круглых лесоматериалов от коры в установках барабанного типа // Материалы третьей международной научно-практической Интернет-конференции «Леса России в XXI веке». - СПб.: ЛТА, 2010. - С. 8 -11. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ftacademy.ru/

12. Девятникова Л. А., Никонова Ю. В., Васильев С. Б. Численное моделирование механических систем с повторными соударениями применительно к обоснованию конструктивно-технологических параметров корообдирочных материалов // Математическое моделирование и краевые задачи: Труды седьмой Всероссийской научной конференции. Ч. 4: Информационные технологии в математическом моделировании. - Самара: СамГТУ, 3-6 июня 2010. - С. 49 - 51.

13. Девятникова Л. А., Никонова Ю. В., Городничина М. Ю. Влияние раскроя балансовой древесины на качество щепы // Материалы шестой международной научно-практической Интернет-конференции «Леса России в XXI веке». - СПб.: ЛТА, 2011. - С. 213 - 217. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ftacademy.ru/

14. Мурашкина Л. В., Девятникова Л. А. К вопросу об оценке экономической эффективности очистки круглых лесоматериалов от коры в установках барабанного типа // Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ. Вып. 8. - Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2010. - С. 91 - 96.

15. Колесников Г. Н., Васильев С. Б., Девятникова Л. А., Доспехова H.A. Секция рольганга для сортировки транспортируемых лесоматериалов по длине // Патент РФ № 117 411. Опубликовано: 27.06.2012. Бюл. № 18.

Подписано в печать 06.11.2012. Формат 60x84 7,6. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд.л. 1. Тираж 120 экз. Изд. № 296.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Отпечатано в типографии Издательства ПетрГУ 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Девятникова, Людмила Анатольевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЯ ДРЕВЕСНО-ПОДГОТОВИТЕЛЬНОГО ЦИКЛА И ВОЗМОЖНОСТИ РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ.

1.1. Вводные замечания.

1.1.1. Щепа как вид измельченной древесины и конечный продукт дрееесно-подготовительного цикла.

1.2. О взаимосвязи технологических операций древесно-подготовительного цикла.

1.3. Анализ возможностей ресурсосбережения в существующей технологии производства щепы.

1.3.1. Приемка и хранение круглых лесоматериалов.

1.3.1.1. Сортировка круглых лесоматериалов на стадии их приемки

1.3.2. Раскрой круглых лесоматериалов на слешерной установке.

1.3.3. Транспортировка балансов на окорку.

1.3.3.1 Техническое решение для сортировки по длине транспортируемых по рольгангу круглых лесоматериалов.

1.3.4. Очистка от коры в корообдирочном барабане.

1.3.5. Измельчение балансов на щепу.

1.3.6. Фракционирование щепы.,.

1.4. Заключительные замечания по главе.

1.5. ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ.

ГЛАВА 2. ПРОИЗВОДСТВЕННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ И ЕГО РЕЗУЛЬТАТЫ.

2.1. УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.2. Обработка экспериментальных данных.

2.3. Результаты экспериментального исследования.

2.4. Обобщение результатов эксперимента.

2.5. Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ДЛИНЫ БАЛАНСА, ИЗМЕЛЬЧАЕМОГО В РУБИТЕЛЬНОЙ МАШИНЕ, НА КАЧЕСТВО ЩЕПЫ.

3.1. Вводные замечания.

3.2. Методика решения задачи.

3.3. Анализ решения задачи.

3.4. Оценка адекватности результатов моделирования.

3.5. Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕДЛАГАЕМЫХ РЕКОМЕНДАЦИЙ.

4.1. Вводные замечания.

4.2. Опыт наиболее полного использования древесного сырья.

4.3. Пути ресурсосбережения на стадии древесно-подготовительного цикла ЦБК.

4.4. Технико-экономическая оценка эффекта от уменьшения доли короткомеров в потоке балансов.

4.5. Выводы по главе.

Введение 2012 год, диссертация по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, Девятникова, Людмила Анатольевна

Актуальность темы исследования. В настоящее время одним из приоритетных направлений развития лесопромышленного комплекса России является совершенствование технологий глубокой переработки древесины. К данному направлению относятся задачи поиска и совершенствования технологических решений для реализации потенциала ресурсосбережения при переработке круглых лесоматериалов на щепу. Щепа является разновидностью измельченной древесины, характеристики которой определяются по ГОСТ 23246-78 «Древесина измельченная. Термины и определения». Из этих разновидностей щепа занимает доминирующее место по объемам производства и потребления.

Щепа используется в качестве основного сырья в целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП), в производстве древесно-стружечных плит, в качестве биотоплива, в гидролизном производстве и в других целях. Чтобы обеспечить выполнение возрастающих требований рационального природопользования и конкурентоспособности выпускаемой продукции, характеристики щепы должны соответствовать требованиям каждого из потребителей. Эти требования определены в ГОСТ 15815-83 «Щепа технологическая. Технические условия». Основными являются требования к форме и размерам частиц щепы, получаемой на рубительных машинах путём измельчения круглых лесоматериалов определённой породы, длины и диаметра. При этом для получения щепы высокого качества необходима очистка от коры. В этой связи появляются задачи совершенствования не только каждого из звеньев технологической цепи по переработке круглых лесоматериалов, но и подбора параметров машин и оборудования на этих звеньях в целях реализации потенциала ресурсосбережения. Актуальность этих задач объясняется тем, что рост выпуска продукции глубокой переработки древесины (целлюлоза, бумага, картон, стружечные плиты, биотопливо и т. д.) предполагает наращивание объемов выпуска щепы. В

Л I V

ЦБП на выпуск одной тонны целлюлозы требуется от 4 до 6 м3 подлежащей измельчению древесины, до 450 кВт-ч электроэнергии, до 180 м3 воды (470 м3 в 1954 г.). Например, в республике Карелия за январь-май 2012 г. произведено 437 тыс. тонн целлюлозы, причем выпуск за май 2012 г. составил 103% по отношению к маю 2011 г. [http://krl.gks.ru/digital/region2/2007/prom3.htm]. Прогнозируется сохранение тенденции развития технологий глубокой переработки древесины на обозримую перспективу, как в России, так и в других странах, в экономике которых приоритетное место занимает лесопромышленный комплекс (ЛПК) [http://www.unece.org/forests.html]. Актуальность рассматриваемых в диссертации задач следует также из необходимости совершенствования технологий лесопереработки с учетом конкурентоспособности, включая современные требования экологической безопасности, энергетической, технической и экономической эффективности. По причине своей актуальности, многоплановости и недостаточной изученности задачи ресурсосбережения при переработке круглых лесоматериалов на щепу требуют для своего решения, продолжения исследований.

Степень разработанности темы исследования. К настоящему времени в ряде учреждений (МГУЛ, ЦНИИМЭ, СПбГЛТА, Северный (Арктический) федеральный университет, ПетрГУ, КарНИИЛП, Воронежская ГЛТА, Марийский технический университет, Братский государственный университет, Тихоокеанский государственный университет и др.) многими авторами достаточно подробно исследованы отдельные грани проблемы совершенствования технологий получения древесной щепы. Однако в существенно меньшей степени изучены возможности, связанные с анализом в рамках одного исследования и реализацией потенциала ресурсосбережения на всех звеньях технологической цепи по переработке круглых лесоматериалов на щепу. В данной работе внимание фокусируется на комплексе взаимосвязанных задач подготовки и переработке круглых лесоматериалов на технологическую щепу, используемую в качестве сырья в

ЦБП. При этом основное внимание уделено недостаточно проработанной в известной литературе проблеме выявления и реализации потенциала ресурсосбережения при переработке круглых лесоматериалов на стадии древесно-подготовительного цикла.