CC BY
21Комплексные исследования процесса производства щепы
С. Б. Васильев1 Петрозаводский государственный университет
АННОТАЦИЯ
В статье приводится краткое описание методики и результаты исследований процессов измельчения древесины, сортирования и доизмельчения полученных древесных частиц.
Ключевые слова: щепа, машина рубительная, сортировка щепы, фракционный состав, дезинтегратор.
SUMMARY
Chipping, chips screening and rechipping processes complex investigation methods and results are under discussion.
Keywords: chips, chipper, chips screen, rechipper, chips classification.
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
Решением проблемы комплексного использования биомассы дерева, включая вопросы переработки вторичных ресурсов лесозаготовок и лесопиления на технологическую щепу, с давних пор занимался ряд исследователей России [1-4]. Однако полученных ими данных не достаточно для повышения эффективности комплексных процессов переработки различных видов биомассы дерева и вторичных ресурсов различных производств на технологическую щепу. Процесс производства щепы не рассматривается как комплекс, состоящий из операций и оборудования для измельчения, сортирования и доизмельчения полученного продукта.
На основании анализа работ предшественников, посвященных рассматриваемой проблеме, автором были сформулированы основные направления научного поиска и задачи исследования:
• провести исследование процесса переработки различных видов древесного сырья в рубительной машине;
провести исследование процесса сортирования различных видов щепы на гирационных сортировках;
• провести исследование процесса доизмельчения крупной фракции щепы;
• разработать рекомендации по формированию технологических потоков, обеспечивающих переработку всех видов биомассы дерева на щепу с минимальными потерями.
1 Автор - профессор кафедры технологии и оборудо-
вания лесного комплекса
© С. Б. Васильев, 2003
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Изучение процесса переработки различных видов древесного сырья в рубительной машине включало в себя исследование влияния формы рабочей поверхности диска и заточки ножей, коэффициента непрерывности и скорости резания при верхнем и горизонтальном способах выброса на фракционный состав щепы, а также исследование горизонтального выброса щепы при наклонной подаче древесины к диску. Эти исследования были проведены на экспериментальной установке, созданной на базе дисковой руби-тельной машины МРНП-30. Диск в зависимости от условий эксперимента оснащался комплектом из 4, 8 или 16 ножей и накладок, как с геликоидальной, так и с плоской рабочей поверхностью. Частота вращения диска при исследованиях менялась от 100 до 1000 мин."1. Непрерывность резания моделировалась путем изменения сочетания количества ножей на диске и диаметра перерабатываемой древесины.
В качестве критерия для оценки влияния параметров и направлений оптимизации их значений в работе принята доля потерь. Она определялась как сумма мелкой фракции, отсева и доли крупной фракции, которая превращается в мелкую и отсев при доиз-мельчении. Фракционирование щепы осуществлялось на анализаторе АЛГ-М.
Исследования процесса сортирования щепы осуществлялись с использованием экспериментальной установки, состоящей из гирационной сортировки с переменными характеристиками режимов сортирования щепы; дозатора, предназначенного для изменения количества подаваемой щепы; бункера несортированной щепы объемом 3 м3. В сортировке могут устанавливаться одновременно два яруса сит, угол наклона которых регулируется в диапазоне 2-11°.
Диапазоны варьируемых в ходе экспериментальных исследований факторов: амплитуда колебаний сит -20-80 мм; частота колебаний сит - 1,7...5,9 Гц, толщина сортируемого слоя - 20-80 мм, длина сит -0,55-1,5 м. Исследовались сита: с квадратными отверстиями размером 60x60, 39x39, 8x8, 6x6 мм; с круглыми отверстиями диаметром 60, 50, 22, 18, 14, 10, 8 мм; с ромбическими отверстиями с размером большей диагонали 8 мм. В каждом опыте фиксировались: время сортирования с точностью до 1 с; объемы надрешетного и подрешетного продуктов с точностью 0,001 нас. м3; фракционный состав надрешетно-го и подрешетного продуктов с точностью 5 %.
Отбор проб и определение фракционного состава осуществлялись в соответствии с ГОСТ 15815-83. Толщина слоя щепы поддерживалась дозирующим устройством.
Экспериментальные исследования процесса доизмельчения крупной фракции щепы проводились на рубительной машине МРБ-5, барабанном дезинтеграторе щепы ДЗН-1 и дисковом дезинтеграторе «An-dritz» CHR10-13A шведской фирмы «KONE WOOD».
14
Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ
В рубительной машине МРБ-5 измельчались крупные отходы сортирования щепы, полученной из круглой древесины на дисковой рубительной машине МРНП-30; из переработанной на щепу деревянной тары. Испытания дезинтеграторов ДЗН-1 и «Andritz» CHR10-13A проводились на отходах сортирования щепы, полученной из круглой древесины на рубительной машине МРН-100-1.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Исследованиями процесса измельчения биомассы дерева на щепу установлено, что замена плоской рабочей поверхности диска и прямой заточки ножей на геликоидальные уменьшает долю потерь на 10-20 %. Увеличение коэффициента непрерывности резания приводит к снижению доли потерь в щепе за счет уменьшения в ней долей крупной и мелкой фракций и отсева. При изменении значений этого коэффициента от 0,15 до 0,60 интенсивность процесса резко возрастает, а дальнейшее увеличение коэффициента на содержании потерь сказывается незначительно.
В результате установлено, что доля мелкой фракции и отсева в щепе с увеличением скорости резания возрастает, доля крупной - снижается. В целом доля потерь при производстве щепы с ростом скорости резания возрастает (рис.)
Рис. Зависимости доли потерь от скорости резания при: 1 - геликоидальной форме поверхности и верхнем выбросе; 2 - плоской форме поверхности и верхнем выбросе; 3 - геликоидальной форме поверхности и горизонтальном выбросе; 4 - плоской форме поверхности и горизонтальном выбросе
Экспериментальные исследования показали, что при горизонтальном способе выброса щепы и коэффициенте непрерывности резания больше единицы оптимальной является скорость резания 24 м/с. При верхнем способе выброса наименьшие значения доли потерь получены при скорости резания 17 м/с. Дальнейшее уменьшение скорости резания невозможно, так как прекращается выброс щепы из кожуха руби-тельной машины.
В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, позволяющие определять долю потерь в щепе в зависимости от скорости резания и коэффициента непрерывности:
Пв = 6,532 - 2,417 к + 0,005v2 + +0,777к2 -0,019vk,
(1)
0,029v+0,961
(2) (3)
П2=е
П2 = 16,741-0,114v-52,382A; + +0,006v2 + 53,98 lk2 + 0,013vk,
где Пв , П7, П2 - доли потерь соответственно при
верхнем способе выброса щепы, при горизонтальном выбросе и коэффициенте непрерывности больше единицы, при горизонтальном выбросе и коэффициенте непрерывности меньше единицы, %; v - скорость резания, м/с; к - коэффициент непрерывности резания.
Конструктивные параметры по степени их влияния на долю потерь в щепе расположены в следующем порядке: скорость резания (сила влияния - 0,84...0,95); коэффициент непрерывности резания (сила влияния до 0,62); форма рабочей поверхности диска и заточки ножей (сила влияния до 0,36).
Исследования в промышленных условиях подтвердили выводы, сделанные по результатам исследования на стенде, и показали хорошую сходимость результатов расчета потерь по формулам (1)-(3) с полученными на практике (разница находилась в пределах 0,8...1,4 %, что обеспечивает уровень достоверности по t-критерию не ниже 0,95).
В ходе исследований процесса сортирования щепы
установлены зависимости скорости схода щепы и точности отсева от частоты и амплитуды колебаний сита:
v = 7,5 • 10~3 n2r sin а , (4)
где v - скорость схода щепы, м/с; n - частота колебаний ситового короба, Гц; г - амплитуда колебаний, м; а - угол наклона сит,
' <-10+5^
54,5 -2,9 di
62-1,5а
_ 14,04,7d-12 ~ 28-2,8а
- 4,35d -48 \ %;
где
30
%; (5)
%; (6) (7)
- точности отсева фракций
щепы, соответственно остающейся на поддоне анализатора, на сите анализатора с отверстиями диаметром 5 мм, на сите анализатора с отверстиями диаметром 30 мм; ё - диаметр отверстий сит сортировки, мм. Обработка результатов исследований позволила получить уравнения, связывающие показатели точности отсева различных фракций щепы с диаметром отверстий сита, длиной сита и производительностью сортировки, отнесенной к единице ее ширины, которые представлены в табл.
Исследования, проведенные в промышленных условиях, показали хорошую сходимость результатов расчета по формулам (4)-(7) и приведенных в табл. с полученными на практике (разница находилась в пределах 1,7...2,8 %, что обеспечивает уровень достоверности по ^критерию не ниже 0,95).
При доизмельчении крупной щепы в дезинтеграторе получена щепа со следующим фракционным составом: фракция (+30) - 12,4 %; фракция (-30 +10) - 60,5 %; фракция (-10 +5) - 19,5 %, фракция (-5 +0) - 7,6 %. При переработке крупной щепы в дезинтеграторе происходит уменьшение размера частиц по длине, толщине и ширине соответственно в 2,2; 3,2 и 2,2 раза. Содержание в измельченной щепе частиц толще 7 мм составило 4,4 %, а длиннее 30 мм - 35 %. Содержание мелочи и опилок в полученной щепе превышает 27 %.
ВЫВОДЫ
1. По мере убывания степени влияния на долю потерь в щепе конструкционные параметры дисковых руби-тельных машин располагаются следующим образом: скорость резания, способ выброса щепы, коэффициент непрерывности резания, форма рабочей поверхности диска и заточки ножей.
2. Только при оптимальной скорости резания и коэффициенте непрерывности резания больше единицы использование геликоидальной наладки ротора по сравнению с плоской позволяет на 10-20 % снизить долю потерь.
3. Доизмельчение и сортирование крупной фракции позволяет вовлечь в технологический процесс 60 % крупной щепы, снизив общий объем потерь на 2,3 %.
Зависимости для ра
4. Рекомендуются следующие параметры гирацион-ных сортировкок: амплитуда колебаний сит - 40 мм, угол наклона сит - 5...8°, частота колебаний -2,5.3,7 Гц. Сита сортировок должны иметь круглые отверстия и максимально возможный коэффициент перфорации.
5. Сортировки щепы производительностью 150 и более м3/ч рекомендуется оснащать не менее чем тремя ярусами сит. В этом случае рекомендуются следующие сита с перфорацией в виде круглых отверстий: для верхнего яруса - с диаметром 45 или 55 мм, для среднего яруса - с диаметром 22 мм, для нижнего яруса - с диаметром 6 или 10 мм в зависимости от фракционного состава щепы, поступающей на сортирование.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вальщиков Н. М. Рубительные машины. Л.: Машиностроение, 1970. 328 с.
2. Лаутнер Э. М. Основы теории получения технологической щепы и разработка нового поколения дисковых рубительных машин: Науч. доклад на соискание уч. степени докт. техн. наук. СПб.: Изд-во СПбГЛТА, 1996. 52 с.
3. Лицман Э. П. Исследование динамики измельчения древесины // Новое в области автоматизации и интенсификации процессов целлюлозно-бумажного производства: Сб. научн. тр. ВНИИБа, ВНПОбум-прома. Л., 1984. С. 55-62.
4. Коробов В. В., Рушнов Н. П. Переработка низкокачественного древесного сырья: Проблемы безотходной технологии. М.: Экология, 1991. 288 с.
Таблица
показателей точности*
Фракция Уравнения для расчета точности
(+30) 953 ^ 90 Б =-+ 36 , £ =- д , 1 +
(-30 +20) £ = 7,87+0,063д-1,503й + 0,001д2 - 0,008дй + 0,073а2, 25 £ =- у у 01,92-0,841
(-20 +10) е = 8,249 - 0,035д+0,867й+0,002д2 - 0 ,018дй + 0,089а2, е = 99,86- 78,56Ь-10,709а- 0,395Ь2 + 5,809Ьа + 0 , 28 а2
(-10 +5) £ = 0,433 - 0,235д + 2,643а + 0,002д2 - 0,003дй+0,026а2, £ = 8,584-13,937Ь + 2,849а - 6,141Ь2 + 4,267Ьа~ 0,12а2
(-5 +0) £ = 43,316 - 0,541д + 3 ,38а + 0 ,001д2 + 0,026да~ 0,087а2, ^ = 48,193 + 54,323Ь + 6,856а-10,014Ь2 +1 , 52Ьа~ 0,217а2
* £ - точность отсева фракции, %; д - производительность сортировки, отнесенная к единице ее ширины, м3/чхм; Ь - длина сита, м
