Одним из важнейших условий для успешного выполнения задач в области лесной промышленности является повышение механизации технологических процессов и внедрения передовой ресурсосберегающей технологии на основе полного использования биомассы всех видов сырья лесозаготовительного производства. Одним из направлений полного использования биомассы дерева является широкое использование побочного вида сырья – пневой древесины, горбыля, сучьев, вершинок дерева и т.д., которое при современных условиях лесозаготовок составляет 15–25 % от общего объема заготавливаемой древесины. Кроме того, полное использование отходов деревообрабатывающих предприятий является одним из факторов безотходной технологии производства [3–5].
Производство технологической щепы как исходного материала для целлюлозно-бумажного, гидролизного производства имеет большое народнохозяйственное значение. Максимальная переработка на технологическую щепу отходов древесины в лесопилении, деревообработке, а также пневой древесины приобретает огромное значение.
Основным сырьем канифольно-экстракционных и смоло-скипидарных предприятий является просмолившаяся хвойная древесина, а также пневой осмол, накапливающийся на вырубках в течение последующих 10–15 лет. За этот период заболонная часть пня сгнивает и остается ядровая древесина с высоким содержанием смолистых веществ. Рациональнее использовать в качестве сырья канифольно-экстракционного производства древесину и пни свежей порубки путем отделения смолистой части дерева от несмолистой. Так, например, свежие пни и отходы перерабатывающих предприятий следует превращать в технологическую щепу и сортировать её на щепу малой смолистости (менее 13 %) и щепу высокой смолистости (выше 13 %). Первая может быть успешно использована на целлюлозно-бумажных комбинатах, а вторая – на канифольно-экстракционных и смоло-скипидарных предприятиях.
Цель исследования. Совершенствование эффективности электростатической сортировки технологической щепы из пневой древесины для канифольно-экстракционных и целлюлозно-бумажных предприятий лесного комплекса.
Решаемые задачи, направленные на достижение цели
В отечественной и зарубежной практике промышленного производства существуют различные способы сортировки твёрдых и сыпучих материалов. Однако специфические особенности сортировки технологической щепы по смолистости исключают использование существующих способов для её разделения на высоко- и низкосмолистую. Единственным способом, позволяющим достичь положительного результата, на наш взгляд, является разделение технологической щепы с помощью электростатического сепаратора [1].
В Сибирском технологическом институте разработан способ отделения частиц коры от стружечной массы в электрическом поле [2] в специальном сепараторе с биполярной короной. Основные узлы сепаратора – проволочные и пластинчатые электроды. Принцип работы сепаратора заключается в создании поля коронного разряда путём подачи на электроды высокого полярного напряжения. Стружечная смесь равномерно сбрасывается с транспортёра по направляющей в поле с биполярной короной.
При этом частицы коры приобретают избыточный отрицательный заряд и перемещаются в сторону положительных электродов, собираясь в секции приёмного бункера. Древесные частицы приобретают положительный заряд и перемещаются к отрицательным электродам.
В КирНИИЛПе разработан способ сортировки технологической щепы по смолистости, в основу которого положен способ электростатического разделения материалов, включающий доведение исходного материала до одинаковой степени влажности и обработку его в электрическом поле [7].
Предлагаемый способ [7] осуществляют в сепараторе свободного падения, который включает электроды размером 1000×1000 мм, размещённые под углом к вертикали, причем расстояние между электродами вверху и внизу составляет соответственно 100 и 200 мм. На электроды подают напряжение 100 кВ, при этом в межэлектродном пространстве образуется электростатическое поле, напряжённость которого находится в пределах от 5 до 10 кВ/см. Пневой осмол, содержащий древесину двух видов, например заболонную и ядровую, измельчают, доводят до одинаковой степени влажности 4,3 %, сортируют по крупности и направляют в электростатическое пространство. Поскольку содержание канифоли в указанных видах древесины различно, диэлектрические свойства их при влажности 4,3 % значительно отличаются, что приводит к тому, что частицы с разным количеством канифоли получают заряды разной величины и притягиваются к разным электродам, при этом происходит отделение заболонной древесины от ядровой. Основным недостатком данного способа является его высокая энергоёмкость.
Математическое моделирование
Нами установлено, что в однородном электрическом поле за появление пондеромоторных сил ответственны только свободные электрические заряды, поэтому со стороны электрического поля напряженностью 
на диэлектрический заряженный шар действует сила
(1)
где е – заряд электрона; N – число свободных электрических зарядов.
Как известно [6], напряженность поля плоского конденсатора имеет величину
(2)
где U0 – разность потенциалов между пластинами; d – расстояние между ними.
Рис. 1. Смещение щепы в электрическом поле
Полагая щепу подвешенной на невесомой, электрически нейтральной нити, которые в проекции на ось х (рис. 1) будут иметь вид
В проекции на ось ординат y имеет
Откуда непосредственно находим
(3)
где ρ = eN – объемный заряд щепки; d = l1 + l2 – расстояние между электродами.
Если задана длина нити l0, то смещение щепы в электрическом поле будет
(4)
или, заменяя объемный заряд, получим
(5)
где F – сила притяжения щепы к пластине.
Результаты исследования и их обсуждение
Для изучения разделения технологической щепы по смолистости на отдельные фракции были выбраны образцы щепы одинаковой крупности и веса (350 мг), но разной смолистости: 8, 10, 13, 17 и 22 %. Каждый образец был помечен своей меткой. В экспериментах изменялась влажность щепы от 7 до 26 %. Исследования проводились на экспериментальной установке (рис. 2), дающей электрическое поле выпрямленного синусоидального напряжения [8].
Рис. 2. Сортировка технологической щепы по смолистости
Для усиления эффекта сортировки щепы по смолистости щепа предварительно заряжалась отрицательными зарядами. Зарядка щепы осуществлялась на подающем транспортере при подаче её в электрическое поле сепаратора. Для этой цели транспортер был выполнен из медной эластичной сетки и соединен шиной с отрицательным электродом, а над транспортером была помещена металлическая пластина, соединенная с положительным электродом. При заданной скорости движения сетки транспортера время зарядки технологической щепы составляло 3 минуты. На электроды сепаратора подавалось напряжение от 44 до 91 кВ. В экспериментах образцы технологической щепы загружались на подзаряжающий транспортер, где происходила зарядка щепы, затем, при дальнейшем её движении в электрическом поле, происходило разделение щепы по смолистости и экспериментальные образцы попадали в карманы сепаратора, расположенные в его нижней части (1, 2, 3, 4) [8].
На движение и сортировку технологической щепы существенное влияние оказывает положение электродов (пластин). В ходе экспериментов плоские электроды (имея подвижность за счет разработанного их крепления) устанавливались на различных расстояниях от вертикальной оси сепаратора, а также и под различными углами к оси. Наиболее эффективное разделение щепы по смолистости (при всех прочих начальных условиях) происходило при следующем положении пластин в пространстве: a = 5 см, b = 20 см, с = 15 см, d = 40 см [8].
Экспериментальные исследования по разделению технологической щепы в электрическом поле по степени смолистости проводились со щепой с известными заранее процентами смолистости и влажности. Результаты исследований для смолистости 22, 17 и 13 % при напряжении между электродами 75 кВ приведены в таблице. Графическая зависимость влияния величины смолистости технологической щепы на величину её отклонения показана на рис. 3.
Интерпретация результатов и их анализ
При эксперименте менялось положение электродов относительно осевой линии и величина подаваемого на электроды высокого напряжения. В ходе экспериментов было установлено, что при влажности щепы от 13 до 28 % наилучшее разделение щепы происходит при напряжении 75 кВ и положении электродов, характеризующееся следующими величинами параметров: a = 5 см, b = 20 см, с = 15 см, d = 40 см, е = 17 см. При данных начальных параметрах технологическая щепа повышенной смолистости в основном отклонялась к отрицательному электроду, а щепа малой смолистости – к положительному электроду.
Влияние смолистости щепы на величину её отклонения от вертикальной оси сепаратора
|
Смолистость, К, % |
13 |
15 |
17 |
20 |
22 |
|
Отклонение, L, м |
0,025 |
0,04 |
0,05 |
0,075 |
0,1 |
Рис. 3. Зависимость отклонения щепы от величины её смолистости
Как показывают экспериментальные исследования, щепа с повышенной смолистостью (более 13 %) отклоняется в сторону 3 и 4 кармана, а технологическая щепа меньшей смолистости (менее 13 %) – в карманы 1 и 2. Таким образом, в процессе сортировки щепы необходимо в конструкции установки предусмотреть шторку для разделения технологической щепы на высоко- и низкосмолистую. Разделительную шторку необходимо установить между карманами 2 и 3, а в нижней части установки два бункера для сбора технологической щепы.
С учетом проведённых экспериментальных исследований разработана технологическая схема переработки пневой древесины с использованием установки сортировки технологической щепы.
Очистка пневой древесины производится следующим образом (рис. 4).
Рис. 4. Технологическая схема переработки спелого пневого осмола
Целые пни (спелый осмол), заготовленные путем корчевания, подвозятся погрузочно-транспортной машиной на площадку к загрузочному конвейеру. С помощью манипулятора I пни подаются на загрузочный конвейер 2 и конвейером в установку гидроимпульсной очистки 3. Целые пни при прохождении вдоль установки ЛО-107 подвергаются воздействию гидравлических импульсных струй, создаваемых гидроимпульсаторами. За счет этого происходит их очистка от грунта и гнили. Отходы попадают на вибросито, где происходит отделение воды, и затем удаляются ленточным конвейером 4. Очищенные пни выгружаются из установки гидроимпульсной очистки, попадают на выгрузочный конвейер 5 и подаются в приемный бункер 6 установки ЛО-109. Измельченные куски выгрузочным конвейером 7 и ленточным конвейером 8 подаются в рубильную машину 9 МРНП-30 для переработки в технологическую щепу. Полученная щепа скребковым конвейером 10 подается на подзаряжающий транспортёр 11, а затем в установку 12 для сортировки технологической щепы на высоко- и низкосмолистую ЛО-115. Пневмотрубопроводами 13 и 14 разделённая щепа поступает для дальнейшей переработки.
Выводы
- Разработан новый способ сортировки технологической щепы на мало- и высокосмолистую в постоянном электростатическом поле высокого напряжения с предварительной подзарядкой отрицательным зарядом и может быть рекомендован для промышленного внедрения.
- Основываясь на законах физики и механики, получены математические зависимости отклонения технологической щепы при свободном падении в электростатическом поле.
- Оптимальная величина выпрямленного высокого синусоидального напряжения для разделения щепы на высоко- и малосмолистую (критерий 13 %) равна 75 кВ. Постоянное напряжение может меняться в пределах от 65 до 85 кВ. Напряжения, лежащие за этими пределами, неэффективны.
- При установке в сепараторе свободного падения на уровне нижних кромок плоских электродов вертикальной твердой шторки разделяет технологическую щепу на две фракции соответственно ниже и выше 13 % смолистости.
- Разработаны схемы для технологического процесса лесозаготовительных предприятий с использованием предлагаемой установки для переработки пневой древесины на технологическую щепу.
Рецензенты:
Алибеков С.Я., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой машиностроения и материаловедения Поволжского государственного технологического университета, г. Йошкар-Ола;
Смирнов М.Ю., д.т.н., профессор, начальник центра профориентационной работы и довузовской подготовки Поволжского государственного технологического университета, г. Йошкар-Ола.
Работа поступила в редакцию 18.04.2014.
Библиографическая ссылка
Полянин И.А., Поздеев А.Г., Пугачёва Е.Л., Юкина Н.А. ТЕХНОЛОГИЯ СОРТИРОВКИ ЩЕПЫ ПО СМОЛИСТОСТИ, ПОЛУЧЕННОЙ ИЗ ПНЕВОЙ И НЕКОНДИЦИОННОЙ ДРЕВЕСИНЫ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 6-5. – С. 937-941;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34266 (дата обращения: 01.12.2023).