СПОСОБ ОТДЕЛЕНИЯ КОРЫ ОТ ЩЕПЫ И ИХ СУШКИ
METHOD OF SEPARATING BARK FROM CHIPS AND THEIR DRYING

Область техники, к которой относится изобретение
Предлагаемое изобретение относится к деревообрабатывающей промышленности и может быть использовано при производстве композиционных материалов, древесной муки, биотоплива как в рассыпном, так и гранулированном виде (пеллеты, гранулы, брикеты древесины или коры).
Уровень техники
Авторам известны различные способы отделения коры от древесины (см. Пигальдин Н.Ф. Окорка лесоматериалов. М., Лесная промышленность, 1982, 192 с.).
Фрикционный способ окорки основан на различии механической прочности коры и древесины. Удаление коры происходит по наиболее слабой связи - камбиальному слою за счет сил трения сырья друг о друга и об элементы барабана. Эти силы возникают при движении беспорядочно или параллельно уложенной массы сырья (групповая окорка). При индивидуальной окорке удаление коры происходит за счет трения режущего инструмента по лесоматериалу. Для окорки фрикционным способом необходимо сырье с влажностью коры не менее 43%. Наилучшее окаривание обеспечивается при влажности 50% и выше.
Режущий способ окорки основан на резании коры любого физического состояния острым режущим инструментом. При этом неизбежны потери заболонной древесины, которые достигают 5-18%. Стоимость этого способа окорки высока, что ограничивает его применение.
Гидравлическая окорка основана на энергетических свойствах струи воды, которая при воздействии на кору разрушает ее и частично отделяет от древесины. Затем вода, устремляясь в образовавшуюся щель, производит дальнейший отрыв коры и смывает ее с поверхности сырья. На практике применяют большое число струйно-гидравлических установок.
Пневматическая окорка основана на отделении коры от лесоматериала за счет кинетической энергии струи сжатого воздуха, направленной на поверхность сырья. Сжатый воздух подается из ресивера в дозатор-смеситель, где в воздушную струю из бункера добавляют опилки и направляют через сопло к поверхности бревна под углом 0,35-0,78 рад.
Термокомпрессионный метод окорки основан на резком снижении давления пара с 0,6-0,7 МПа до атмосферного в специальной камере с сырьем. При этом создается резкий перепад между давлением внутри лесоматериала и в камере, в результате чего происходит отрыв корки и луба от камбиального слоя древесины.
СВЧ-метод основан на разрушении клеток камбиального слоя созданием внутри них избыточного давления. Камбиальный слой обладает высокой абсолютной влажностью (до 600-700%) по сравнению с прилегающими слоями луба и древесины.
Электрический способ окорки основан на том, что при прохождении электрического тока через древесину камбиальный слой нагревается и под действием быстро образующегося пара нарушается связь между лубом и древесиной.
Электрогидравлический метод окорки основан на использовании воздействия ударной волны потока жидкости и других факторов, возникающих при высоковольтном импульсном разряде в воде, на обрабатываемое сырье. Установка представляет собой ванну, заполненную водой, в которую погружаются окариваемые лесоматериалы.
Способ обжима основан на механическом разрушении связей коры с древесиной по камбиальному слою обжимом мерзлого лесоматериала перед окоркой. Создаваемая при обжиме нагрузка вызывает возникновение касательных и нормальных напряжений в коре и в древесине. Поскольку предел прочности коры при сдвиге по камбиальному слою меньше предела прочности древесины, под действием возникающих напряжений кристаллы льда камбиального слоя разрушаются и ослабляется связь коры с древесиной. Частичное разрушение этих связей происходит также в результате взаимодействия вальцов станка с поверхностью сырья.
Химический способ окорки деревьев на корню заключается в следующем. В вегетационный период у предкорневой части ствола растущего дерева снимают кольцо коры шириной 15-20 см, а на обнаженную поверхность древесины наносят раствор ядохимиката. При этом клетки камбия отмирают и разлагаются, нарушается связь коры со стволом. Дерево высыхает, а кора под действием ветра и насекомых отпадает.
Все вышеперечисленные способы окорки позволяют обработать сортименты или деревья, но не пригодны для окорки мелкой древесной фракции, например щепы, произведенной из неокоренной древесины. Кроме того, кора для дальнейшей ее переработки требует специальной сушки.
Авторам известен способ сушки древесины в петролатуме (см. Ефимов Г.В. Сушка и глубокая пропитка древесины в петролатуме. М., Гослесбумиздат, 1956 г., с.28), в котором петролатум применяется в качестве сушильного агента, а технологическое оборудование выполнено в виде ванн, куда заливается горячий петролатум 140-125°С.
Петролатум представляет собой смесь парафинов и церезинов с высоковязким очищенным маслом, получаемым при переработке нефти. Цвет его светло-коричневый, температура плавления 55°С, температура вспышки 250-275°С.
Способ сушки древесины в петролатуме заключается в том, что пиломатериалы укладываются в клеть, а затем клеть с помощью грузоподъемного механизма погружают в ванну с петролатумом, нагретым до температуры 120-140°С, и выдерживают в нем в зависимости от крупномерности древесины 1,5-6 часов. Сушка считается оконченной, как только прекращается выделение пены. В процессе сушки петролатум из древесины вытесняет воду, а затем, когда пиломатериалы вместе с клетью вынимают на воздух, в течение 5 минут держат клеть над ванной, и петролатум стекает с пиломатериалов, а при дальнейшем охлаждении пиломатериалов он испаряется из древесины, и древесина становится сухой, при этом качество древесины не ухудшается, она приобретает слегка желтоватый оттенок. Сушка древесины в петролатуме с применением ванн - весьма эффективный способ, но высушить быстро таким способом мелкие фракции древесины (опилки, стружки, щепу) невозможно, их просто потом не собрать в ванне, даже если применить способ фильтрации.
Авторам также известны способы сушки мелких фракций древесины в специальных сушильных агрегатах, где в качестве сушильного агента могут быть использованы горячий воздух, перегретый пар, топочные газы. Способы сушки мелких фракций в сушильных агрегатах основаны либо на встречном движении мелкой фракции (ленточные сушилки), либо на попутном (барабанные сушилки), но в любом случае все эти способы позволяют сушить только одну фракцию определенного размера: либо опилки, либо щепу, либо стружку. Кроме того, эти способы сушки мелкой фракции весьма энергоемки, требуют специального теплогенератора, а через мерный прогрев сырья в потоке сушильного агента приводит к его потемнению и частичному разрушению лигнина, что снижает качество сырья и увеличивает его потери.
Авторам известен способ сушки мелкой фракции в барабанной сушилке с использованием в качестве агента горячего воздуха (см. В.Еськов. Древесные топливные гранулы. Журнал "Дерево", №4, 2005 г., с.32-34). При таком способе сушки мелкой фракции температура сушильного агента может достигать 600°С, при этом движение сушильного агента и мелкой фракции осуществляется по параллельному курсу, но так как исходное сырье поступает разной влажности, а потоки сырья и агента не перемешиваются, то и сам процесс сушки не обеспечивает требуемую стабильность влажности исходного сырья, при этом при такой температуре сушильного агента мелкие фракции просто в процессе сушки сгорают, что ведет к потере сырья более 10% всей массы, а общая конечная влажность высушенной массы сырья колеблется в пределах 8-10%. Следует также отметить, что весь сушильный агент после прохождения через барабанную сушилку выбрасывается в атмосферу.
Таким образом, существующий способ сушки мелкой фракции древесины в барабанной сушилке не обеспечивает требуемое качество сушки фракции и энергоемок.
Авторам также известен прототип «Способ сушки мелкой древесной фракции в петролатуме» (Решение о выдаче патента по заявке №2007105411/06 (005870) от 1 февраля 2008 г.), когда в основной смесительный цилиндр петролатум подается снизу, а поверх его подается мелкая фракция древесины, которая смешивается в цилиндре с петролатумом вертикально вращающимся шнеком, а в верхней части смесительного цилиндра горизонтально вращающийся шнек подает готовую смесь в сепаратор, который при вращении дисков с учетом размеров разделяет древесную массу и петролатум, при этом части древесной фракции направляются раздельно на остывочный горизонтальный транспортер, а петролатум через флотатор, который отделяет от него воду, возвращается в исходную емкость для подогрева, а система дозаторов обеспечивает в смесительном цилиндре по объему 30% петролатума, 70% мелкой древесной фракции и скорость вращения смеси не менее 3,0 м/с при температуре петролатума 125-140°С.
Таким способом можно высушить мелкую фракцию древесины, но способ не предусматривает отделение коры от древесины с дальнейшей ее транспортировкой уже сухой на переработку.
Сущность изобретения
В предлагаемом способе отделения коры от щепы и их сушки, включающем склад щепы, манипуляторы с грейферами, емкости для петролатума и воды, сепаратор, насосы, вентиляторы, трубопроводы, электродвигатели, поворотные круги, цилиндры, гидромоторы, который может быть использован при производстве композиционных материалов, древесной муки, биотоплива как в рассыпном, так и гранулированном виде, предлагается, что загрузочный манипулятор с сетчатым грейфером набирает с кучи порцию неочищенной от коры щепы и, не раскрывая челюстей сетчатого грейфера, опускает щепу с корой в кипящий петролатум, где удерживает порцию щепы в сетчатом грейфере не более 2-х минут, а затем извлекает сетчатый грейфер со щепой на воздух и удерживает его над емкостью с петролатумом, происходит сушка коры и щепы, при этом усушка коры больше, чем древесины, происходит отделение ее от щепы; а щепа и кора, из которых испаряется петролатум, становятся сухими, а загрузочный манипулятор с сетчатым грейфером останавливают над емкостью с вращающейся водой, и грейфер раскрывает челюсти, щепа с корой высыпаются в емкость с водой, при этом кора, как наиболее легкая, собирается вверху емкости, а щепа оказывается в нижнем слое, затем перегрузочный манипулятор сетчатым грейфером из емкости с водой забирает верхнюю кору и перегружает ее в сепаратор, где она окончательно освобождается от примеси щепы и из вращающего круга сепаратора насосом убирается в трубопровод коры, а затем этот же перегрузочный манипулятор сетчатым грейфером собирает нижний слой в водяной емкости и щепу уже без коры перегружает в сепаратор, где щепа насосом убирается в свой трубопровод, в процессе отделения коры от щепы и их сушки обеспечивается выдержка щепы с корой в кипящем петролатуме не более 2-х минут и выдержка над емкостью с петролатумом не более 5 минут, при этом температура петролатума 125-140°С, скорость вращения воды не менее 3 м/с, конечная влажность щепы 8-12%, коры 4-6%.
Наличие таких отличительных признаков от прототипа позволяет сделать вывод, что предлагаемое техническое решение задачи обладает существенной новизной.
Для доказательства соответствия предлагаемого способа критерию существенного отличия было проведено сравнение основных признаков с наиболее близким прототипом «Способ сушки мелкой древесной фракции в петролатуме» (Решение о выдаче патента по заявке №2007105411/06 (005870) от 1 февраля 2008 г.).
Технический результат, дающий положительный эффект по сравнению с прототипом, определяется свойствами и показателями, приведенными в таблице.
ТаблицаСравнение основных показателей заявляемого способа с прототипом
Свойства и другие показатели
Заявляемый способ
Прототип Способ сушки мелкой древесной фракции в петролатуме
1
2
3
Древесная фракция
Щепа с корой
Щепа без коры
Рабочий агент
Петролатум, вода
Петролатум
Продолжительность сушки в петролатуме
Не более 2 мин
Не более 3 мин
Выдержка на воздухе
Не более 5 мин
Не более 5 мин
Конечная влажность
щепы
Не более 8%
Не более 10%
коры
Не более 6%
-
Скорость перемещения воды
Не менее 3 м/с
-
Потеря агента сушки
-
1%
Температура
петролатума
125-140°С
145-140°С
воды
18°С
-
В результате было установлено, что при новом способе возникает возможность за счет разницы усушки щепы и коры отделить последнюю от древесины, а затем механическим способом разделить кору и щепу, при этом и та и другая оказываются высушенными до рабочей влажности.
Наличие отличительных признаков предлагаемого способа от ближайшего прототипа позволяет сделать вывод, что он соответствует критерию «существенные отличия».
Анализ данных таблицы показывает, что заявляемый способ может быть технически реализован, так как имеет все исходные параметры.
Перечень чертежей
На фиг.1 изображена схема способа отделения коры от щепы и их сушки.
На фиг.2 изображен сетчатый грейфер в раскрытом положении.
На фиг.3 изображен сетчатый грейфер в закрытом положении.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления предлагаемого изобретения
Отделение коры от щепы начинается с набора из кучи 1 порции щепы с корой с помощью загрузочного манипулятора 2, имеющего сетчатый грейфер 3 с гидромотором 4 и цилиндром 5, а основание 6 манипулятора установлено на поворотном круге 7. При этом загрузочный манипулятор, поворачиваясь на поворотном круге, переносит сетчатый грейфер к емкости 8, в которую с помощью насоса 9 из исходного бака 10 перекачивается петролатум 11 по трубопроводу 12 и доводится до кипения 125-140°С нагревательным электрическим прибором 13, затем загрузочный манипулятор опускает сетчатый грейфер с щепой и корой в кипящий петролатум, где удерживает порцию щепы с корой в сетчатом грейфере не более 2-х минут, а затем извлекает сетчатый грейфер со щепой и корой на воздух и удерживает его над емкостью с петролатумом, при этом петролатум испаряется из щепы и коры, и за счет разницы усушки коры и щепы кора отделяется от древесины, после этого загрузочный манипулятор на поворотном круге перемещается к емкости 14 с водой 15, которая с помощью лопастей 16 приводится во вращение посредством вала 17 и электродвигателя 18, а первоначально вода в емкость закачивается насосом 19 через трубопровод 20 из бака 21, сетчатый манипулятор раскрывает челюсти 22, а щепа с корой высыпаются в емкость с водой, причем кора, как более легкая, оказывается в верхнем слое вращающейся воды, а щепа, как более тяжелая, - в нижнем слое воды, затем перегрузочный манипулятор 23 сетчатым грейфером 24 из емкости с водой забирает верхний слой коры и перегружает ее в сепаратор 25 с вращающимся кругом при помощи вала 27 и электродвигателя 28, где она окончательно освобождается от примеси щепы, а из вращательного круга щепа с помощью насоса 29 убирается в трубопровод 30 для дальнейшей ее переработки, затем перегрузочный манипулятор сетчатым грейфером собирает нижний слой щепы и уже без коры передает ее в сепаратор, где щепа насосом 31 убирается в трубопровод 32 и уже сухая передается для дальнейшей переработки.
Для очистки емкости от петролатума установлен откачивающий насос 33 с трубопроводом 34, направленным в исходный бак с петролатумом, а для очистки емкости с водой установлен насос 35 с трубопроводом 36, направленным на слив.
Реализация предлагаемого способа отделения коры от щепы позволит перерабатывать неокоренную древесину, балансы, дрова, сучья, рейки, горбыль, обапол на щепу, а затем отделить кору от древесины и высушить их, а из сухой щепы можно производить композиционные материалы, древесную муку, пеллеты, гранулы, брикеты, а сухую кору можно использовать на биотопливо в виде брикетов и для приготовления сельскохозяйственных компостов.