О возможности частичного облагораживания щепы в условиях пневмотранспорта

ма, влияют геометрические параметры прессовальной камеры, плотность прессования и скорость движения агрегата.

Литература

1. Баштовой, А.Г. Результаты испытаний переоборудованного пресс-подборщика ПР-200 / А.Г. Баштовой,

В.Н. Ковалевский, А.И. Гончарук, А.В. Петров // Техника в с.х. - 2001. - № 5. - С. 37-38.

УДК 674.8 Л.П. Майорова, А.В. Мезенцев

О ВОЗМОЖНОСТИ ЧАСТИЧНОГО ОБЛАГОРАЖИВАНИЯ ЩЕПЫ В УСЛОВИЯХ ПНЕВМОТРАНСПОРТА

В статье приводятся результаты исследования влияния основных факторов пневмотранспортирования на процесс облагораживания щепы, частично поврежденной гнилью третьей стадии, и возможности использования ее в целлюлозно-бумажной промышленности.

Введение. При решении задачи комплексного использования древесных ресурсов большое значение имеет проблема использования фаутной древесины, количество которой в спелых и перестойных насаждениях весьма значительно. В Сибири и на Дальнем Востоке объем древесины с гнилью у хвойных пород составляет около 15%, у лиственных достигает 50-70%. Возможны два основных направления переработки древесины, частично пораженной гнилью, в целлюлозно-бумажной промышленности:

- предварительное облагораживание щепы, т.е. удаление гнили механическим способом перед варкой;

- использование для варки древесины, частично пораженной гнилью, допуская определенный процент гнили в щепе.

Согласно имеющимся данным, наличие в щепе коррозионной гнили I и II стадий и деструктивной гнили I стадии в количестве до 20% не оказывает существенного влияния на выход и показатели механической прочности сульфатной целлюлозы. В случае березы, однако, наличие бурой гнили даже I стадии приводит к значительному ухудшению степени провара. При наличии в технологической щепе гнили III стадии рядом исследователей отмечалось ухудшение выхода целлюлозы, замедление делигнификации и снижение показателей механической прочности [1-11]. Таким образом, технологическую щепу, содержащую примеси гнили III стадии, целесообразно перед варкой подвергать предварительному облагораживанию. В настоящее время для отделения гнили от щепы предложен ряд методов: механический способ разрушения гнилей, способ флотации, способ пневмосепарации, биологические методы и др. Более простым является способ механического разрушения гнилей, например, прессование сжимающим усилием валков, вращающихся во встречном направлении, или другими фрикционными поверхностями [12, 13]. Однако из-за значительного измельчения щепы, низкой степени очистки и малой производительности этот способ не нашел широкого распространения. Применение барабанных пневмосепараторов достаточно эффективно для очистки щепы из осинового, березового и елового кругляка диаметром более 10-12 см. Содержание коры в щепе снижается до

0,1-2,8%. При очистке осиновой древесины вместе с корой удаляется 30-65% гнили. Для щепы из древесины с большим содержанием гнили может быть применена двухступенчатая очистка [13]. Флотация связана со значительным переувлажнением щепы и сложностью реализации процесса облагораживания. Способ пневмотранспорта, основанный на разнице в скоростях витания частиц древесины и примесей, достаточно сложен и относительно малоэффективен. Не позволяет уменьшить содержание коры и гнили в щепе до требуемых 1-3% и сопряжен с потерями древесины [13]. Тем не менее, поисковые опыты ДальНИИЛП [14] показали, что, используя энергию воздушного потока в процессе пневмотранспортирования щепы при скорости 20-30 м/с и последующего удара ее о преграду, можно добиться значительного отделения гнили от щепы. Приведенные в литературе данные показывают принципиальную возможность отделения гнили III стадии при пневмотранспорте с одновременным частичным измельчением здоровой древесины. Однако систематические исследования возможности облагораживания щепы при пневмотранспортированиии отсутствуют.

При оценке повреждения технологической щепы определенный интерес представляет выявление основных факторов, вызывающих это повреждение. Ряд работ, посвященных пневмотранспорту и прочностным свойствам древесины [13, 15-18], показали, что:

1. Основными факторами, определяющими измельчение транспортируемого материала, являются:

скорость транспортирования;

наличие поворотных участков и отводов с углами с углами поворота, равными или близкими 90°;

количество ударов;

угол наклона преграды;

качество монтажа трубопроводов.

Оказывают значительное влияние и климатические условия.

2. Измельчение продукта в процессе пневмотранспортирования зависит от механической прочности транспортируемого материала и параметров динамического взаимодействия частиц с преградой.

3. Взаимодействие щепы с преградой (по результатам высокоскоростной киносъемки) характеризуется произвольным положением частиц в момент соударения. Преобладающей ориентацией щепы является положение, близкое к удару плашмя, с точками касания, расположенными на углах частицы.

4. Разрушение щепы при динамических нагрузках происходит по наиболее слабой плоскости вдоль волокон с образованием мелких фракций. Характер разрушения щепы зависит от ее напряженного и деформированного состояния при ударном сжатии.

5. Предел прочности древесины зависит от угла приложения усилий по отношению к направлению волокон к годовым слоям, температурно-влажностного состояния, а также режима нагрузки.

6. Степень измельчения щепы при разных условиях пневмотранспортирования в производственных условиях составляет от 0,5 до 13% [15].

Целью данного исследования явилось изучение влияния основных факторов пневмотранспортирования на процесс облагораживания щепы, частично поврежденной гнилью третьей стадии, и возможности использования ее в целлюлозно-бумажной промышленности.

Экспериментальная часть. Эксперимент проводился с древесиной березы желтой, использование которой в деревообрабатывающей промышленности затруднено из-за наличия ложного ядра и многовер-шинности.

Перед проведением эксперимента вся щепа была рассортирована на здоровую (заболонь и здоровое ложное ядро) и гнилую (гниль III стадии). При определении стадии гнили использовалась методика, разработанная ДальНИИЛП. Для определения степени разрушения здоровой древесины и ее гнилей при ударе о преграду навески щепы из здоровой древесины и гнилей пропускались через установку при заданных условиях опыта раздельно. Требуемое соотношение щепы из здоровой древесины и гнили обеспечивалось составлением заданной композиции. Расход и, соответственно, скорость воздуха, регулировались задвижкой на входном патрубке вентилятора. Заданное число ударов обеспечивалось повторным пропусканием щепы через установку. Степень измельчения здоровой древесины и гнилей устанавливалась путем определения фракционного состава (остаток на ситах с диаметром отверстий 30, 10, 5 мм, поддоне и отпад) до и после удара. Все опыты проводились на частицах, имеющих влажность выше предела гигроскопичности. Минимальная скорость воздуха (средняя по сечению трубопровода), при которой одиночная частица сдвигалась с места и начинала двигаться по дну, принималась за скорость трогания. Оптимальными скоростями движения частиц различных фракций при проведении эксперимента считались те, при которых отмечалось устойчивое транспортирование частиц во второй трети диаметра трубы. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 1. Скорость воздуха при проведении эксперимента регулировалась с помощью задвижки, установленной на входном патрубке, и определялась с помощью пневмометрических трубок и микроманометра ММН по динамическому напору.

На первом этапе исследований определялись оптимальные скорости воздуха, необходимые для устойчивого транспортирования единичных частиц, остающихся на ситах с диаметром отверстий 10 и 30 мм. Показано, что устойчивая скорость транспортирования частиц щепы из заболони и здорового ложного ядра равна в среднем 23 м/с, а для щепы из гнили III стадии - 20 м/с. Закономерное отставание оптимальных скоростей воздуха для транспортирования частиц гнили обусловлено меньшей влажностью, плотностью и, соответственно, весом этих частиц. Коэффициент отставания составляет 0,87-0,88.

1 - электродвигатель; 2 - вентилятор; 3 - трубопровод; 4 - эжекционная воронка;

5 - осадительная камера; 6 - решетка для выхода воздуха; 7 - щиток

Учитывая полученные данные по определению оптимальных скоростей единичных частиц, тенденцию увеличения их при повышении концентрации аэросмеси и ведущую роль скорости как фактора, определяющего измельчение частиц при пневмотранспортировании, все дальнейшие исследования проводились при скоростях 25, 30, 40 м/с классическим однофакторным методом. В качестве переменных факторов были выбраны количество ударов (3 и 5), скорость воздушного потока (30 и 40 м/с), угол наклона ударной поверхности относительно вертикальной оси трубопровода (15, 30 и 45°) и содержание гнили III стадии в щепе (10, 20 и 30%). Сетка эксперимента приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Сетка эксперимента

С целью исследование влияния условий пневмотранспортирования на показатели качества сульфатной целлюлозы из березы желтой проведена серия варок в автоклаве емкостью 5 л с электрообогревом. Расход активной щелочи на варку составлял 17% Na2O к а.с. древесине, гидромодуль - 4,5, продолжительность подъема температуры до конечной - 120 мин, стоянка на конечной температуре - 90 мин. В качестве сырья использовали щепу из древесины березы желтой и ее гнилей, прошедшую ударное воздействие по

минимальным и максимальным условиям эксперимента по отделению гнили при пневмотранспортировании. В полученных образцах целлюлозы определялись выход, содержание непровара, степень делигнификации, показатели механической прочности.

Обсуждение результатов. Результаты проведенных экспериментов показали, что процесс пневмотранспортирования с ударом о преграду щепы из здоровой древесины березы желтой, имеющей наибольшие прочностные характеристики, сопровождается некоторым ее измельчением. Во всех проведенных опытах отмечено уменьшение фракций 30 и 10 мм и, соответственно, увеличение фракций 5 мм, а также частиц, оставшихся на поддоне, и отпада. При минимальных условиях опытов (скорость воздушного потока 30 м/с, число ударов 3, угол наклона щитка 15°) здоровая щепа измельчается в меньшей степени (рис. 3). При жестких условиях пневмотранспортирования (скорость воздушного потока 40 м/с, число ударов 5, угол наклона щитка 45°) измельчение щепы из здоровой древесины резко увеличивается (рис. 3).

У=30 м/с,п=3, угол 15 град

У=30 м/с,п=5, угол 30 град

—± - Остаток на сите 30 мм —----Остаток на сите 10 мм — - -Остаток на сите 5 мм

—а—Поддон — — Отпад

Рис. 3. Диаграмма изменения фракционного состава здоровой древесины при различных условиях опытов

Данные по изменению фракционного состава щепы с добавками гнили 10, 20 и 30% при минимальных и максимальных условиях пневмотранспортирования представлены на рисунке 4. При увеличении скорости воздушного потока от 30 до 40 м /с и уменьшении угла наклона щитка от 45 до 150 измельчение щепы с гнилью в 2-3 раза больше, чем щепы из здоровой древесины. Увеличение числа ударов о преграду почти не влияет на измельчение щепы из здоровой древесины и резко изменяет фракционный состав гнили. Так, повышение числа ударов с трех до пяти увеличивают степень измельчения гнили в 1,5 раза. Подтверждением того, что пневмотранспортирование щепы с гнилью с последующим ударом ее о преграду может использоваться для отделения гнилей, т.е. ее облагораживания, может служить рисунк 5, на котором приведены общие данные по отпаду щепы из здоровой древесины и композиций из здоровой древесины и гнилей, полученные при одинаковых условиях проведения экспериментов. В среднем при различных условиях опытов удаляется 10-25% гнили из композиции. Использование перфорированной преграды неэффективно.

ГЗ

Ш

е

О

о

о

X

X

о

(и

&

&

ф

5

X

Ф

X

о

ц

н

О

о

X

X

о

(и

&

&

ф

5

X

ф

X

ф

5

м

5

Ф

О

X

.0

5

О

О

£

о

Фракции

а б

Рис. 4. Диаграммы изменения фракционного состава щепы с добавками гнили при максимальных (а) и минимальных (б) условиях опытов: 1 - здоровая древесина; 2 - композиция с добавкой гнили 10%; 3 - композиция с добавкой гнили 20%; 3 - композиция с добавкой гнили 30%

Ф

О

Ф О >§

О 3

5 £ Б

СО П О

5 & О

&

м/с,п=5, угол м/с,п=3, угол м/с,п=3, угол м/с,п=5, угол 15 град., 15 град., 15 град., 15 град,

10 % гнили 20 % гнили 30 % гнили 30% гнили

Рис. 5. Диаграмма суммарного изменения фракционного состава здоровой древесины и композиций с гнилью

Учитывая требования ЦБП - минимальное измельчение здоровой древесины при максимально возможном удалении гнили, - наиболее предпочтительными для отделения гнили от щепы в условиях пневмотранспортирования являются скорости воздушного потока не более 30 м/с и минимальное число ударов. Это соответствует выводам других исследователей [15-17], отмечающих, что для уменьшения измельчения щепы необходимо часть колен при переходе воздушного потока с горизонтального на вертикальное направление делать более пологими (угол более 90°).

Показатели качества сульфатной целлюлозы из щепы с содержанием гнили 10, 20 и 30% без пневмоудара и после обработки щепы по минимальным и максимальным условиям эксперимента приведены в таблице.

Показатели качества сульфатной целлюлозы из березы желтой с добавками гнили

№ опыта Степень Непро-вар, % к исх. древесине Показатели механической прочности

Условия опыта Выход, % делигнификации, ед. Каппа Разрывная длина, м Сопротивление

продавли- ванию, кПа раздиранию, н излому, ч. дв. п.

1 10% гнили, без удара 47,2 40,0 0,79 8450 295 0,52 290

2 10% гнили, обработка по минимальным условиям 48,63 39,0 0,59 7950 350 0,60 420

3 10% гнили, обработка по максимальным условиям 46,5 40,0 0,70 8650 295 0,60 430

4 20% гнили, без удара 47,6 39,5 0,20 8500 272 0,52 310

5 20% гнили, обработка по минимальным условиям 51,0 38,0 0,26 8500 316 0,52 400

6 10% гнили, обработка по максимальным условиям 49,9 38,0 3,89 8150 257 0,48 260

7 30% гнили, без удара 46,3 40,9 1,95 7450 275 0,52 290

8 30% гнили, обработка по минимальным условиям 48,5 39,1 1,87 8650 275 0,52 370

9 30% гнили, обработка по максимальным условиям 48,0 41,2 1,76 7450 320 0,52 330

В процессе пневмотранспортирования возможно смятие торцов и скалывание щепы, что обусловливает ухудшение пропитки варочными растворами и, как следствие, замедление делигнификации, ухудшение равномерности провара, некоторое ухудшение показателей механической прочности целлюлозы. В то же время измельчение щепы может интенсифицировать пропитку за счет уменьшения ее размеров и способствовать снижению выхода целлюлозы за счет перевара мелкой фракции. Сравнивая показатели качества целлюлозы, полученной из щепы с одинаковым количеством гнили, но подвергшейся или не подвергавшейся пневмоудару, можно отметить, что при обработке щепы по минимальным условиям эксперимента во всех случаях (опыты 2, 5, 8) наблюдается повышение выхода целлюлозы на 1,4-2,5%. Вероятно, это обусловлено частичным облагораживанием (удаление наиболее пораженной гнилью древесины, растворяющейся при варке) и некоторым измельчением щепы, что способствовало увеличению равномерности провара, улучшению условий делигнификации и сохранению углеводного комплекса. С увеличением скорости воздушного потока, числа ударов и угла наклона преграды выход целлюлозы несколько снижается, но в целом остается выше, чем при варке необработанной щепы. Содержание лигнина в целлюлозе практически одинаково во всех опытах.

Относительно небольшое влияние условий пневмоудара (при переходе от минимальных значений факторов к максимальным), по-видимому, обусловлено тем, что изменение скорости пневмотранспортирования и угла наклона преграды действуют на отделение гнили в противоположных направлениях, а увеличение числа ударов от 3 до 5 неэффективно.

Небольшие колебания показателей механической прочности целлюлозы, незначительно выходящие за пределы их воспроизводимости, показывают, что существенного повреждения щепы и смятия торцов в процессе пневмотранспортирования не происходит. Проведенные опыты показали, что воздушный поток после удара о плоский щит поворачивается и движется вдоль поверхности щита вниз. Эти данные хорошо согласуются с моделью удара, согласно которой соприкосновение щепы с преградой происходит преимущественно «плашмя» без существенного изменения структуры частиц.

Выводы

1. В процессе пневмотранспортирования происходит измельчение щепы из здоровой древесины и, в большей степени, содержащейся в щепе гнили, что обеспечивает частичное облагораживание щепы.

2. В среднем при различных условиях опытов удаляется 10-25% гнили из композиции.

3. Пневмооблагораживание щепы из древесины березы желтой обеспечивает повышение выхода

целлюлозы до 2,5% и сохранение показателей механической прочности.

4. При наличии гнили в щепе, используемой для производства целлюлозы, предпочтительнее использовать пневмотранспорт, обеспечивающий некоторое облагораживание щепы.

Литература

1. Константная, А.А. Гниль в производственной щепе и расчет ожидаемого снижения выхода и качества целлюлозы / А.А. Константная, Н.Г. Вольнова // Целлюлоза, бумага, картон: экспресс-информ / ВНИ-ПИЭИлеспром. - М., 1974. - 23 с.

2. Влияние коры, гнили и различных загрязнений на процесс варки и свойства волокнистых полуфабрикатов / Л.В. Свирин [и др.] // Обзорная информ. / ВНИПИЭИлеспром. - 1977. - 24 с.

3. Бобров, А.И. Использование лиственной древесины, частично пораженной гнилью, для производства целлюлозы по бисульфитному способу / А.И. Бобров, А.Д. Турбанова, Р. Т. Брежнева // Сб. науч. тр. ЦНИИБ. - 1967. - Вып. 2. - С. 154-175.

4. Влияние гнили на качество щепы и сульфатной целлюлозы из хвойных пород древесины // Бумажная пром-сть. - 1979. - Вып. 9. - С. 30.

5. Иванова, И.С. Сульфатная варка дровяной древесины, пораженной гнилью / И.С. Иванова, С.И. Соловьева // Химическая переработка древесины: реферат. информ. / ВНИПИЭИлеспром. - 1963. - Вып. 3. -

С. 8-10.

6. Ушаков, И.И. Влияние гнилей на выход и качество целлюлозы / И.И. Ушаков // Бумажная пром-сть. -1971. - Вып. 5. - С. 19.

7. Ушаков, И.И. Исследование пригодности пораженной гнилью древесины лиственницы для производства сульфатной целлюлозы / И.И.Ушаков, Т.Г. Голикова // Целлюлоза, бумага и картон: реферат. информ. / ВНИПИЭИлеспром. - 1974. - Вып. 27. - С. 11-12.

8. Ушаков, И.И. Использование пораженной гнилью сосновой древесины при выработке сульфатной целлюлозы / И.И. Ушаков // Целлюлоза, бумага и картон: реферат. информ. / ВНИПИЭИлеспром. - 1971. -Вып. 7. - С. 9-11.

9. Ушаков, И.И. Технология производства полуцеллюлозы из щепы, содержащей гниль / И.И.Ушаков, Т.Г. Голикова // Целлюлоза, бумага и картон: реферат. информ. / ВНИПИЭИлеспром. - 1975. - Вып. 29.

- С. 12-13.

10. Форбс, Д. Влияние качества технологической щепы на производство сульфатной целлюлозы / Д. Форбс // Pulp and Papper. - 1984. - № 7. - Р. 54-58.

11. Хант, Р. Рубка, сортирование щепы и сульфатная варка древесины хвойных пород, пораженных гнилью / Р. Хант // Pulp and Paper Magazine of Canada. -1978. - V. 72. - P. 30-35.

12. Свирин, Л.В. Очистка технологической щепы: обзорная информация / Л.В. Свирин, В.В. Кожин, В.М. Локштанов. - М.: Изд-во ВНИПИЭИлеспром, 1977. - 42 с.

13. Свирин, Л.В. Разработка процессов очистки технологической щепы от коры и гнили барабанными пневмосепараторами: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Л.В. Свирин. - Л., 1982. - 18 с.

14. Исследование способа удаления из технологической щепы частиц, пораженных гнилью: отчет о НИР / ДальНИИЛП. - Хабаровск, 1972. - 75 с.

15. Антоненко, И.И. Исследование взаимодействия технологической щепы со стенками отводов пневмопроводов применительно к условиям целлюлозно-бумажного производства: дис. . канд. техн. наук / И.И. Антоненко. - Л., 1981. - 134 с.

16. Воронин, Ю.Б. Пневмотранспорт измельченной древесины / Ю.Б. Воронин. - М.: Лесная пром-сть, 1977.

- 203 с.

17. Коробов, В.В. Пневматический транспорт и погрузка технологической щепы / В.В. Коробов. - М.: Лесная пром-сть, 1974. - 171 с.

18. Иевлев, Н.А. Эксплуатация систем пневмотранспорта на деревообрабатывающих предприятиях / Н.А. Иевлев. - М.: Лесная пром-сть, 1982. - 207 с.

---------♦-------------