CC BY
48
УДК 676.1.054.1
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВТОРИЧНОГО ВОЛОКНА В ПРОИЗВОДСТВЕ ДРЕВЕСНО-ВОЛОКНИСТЫХ ПЛИТ
© Н.А. Петрушева1*, Н.Г. Чистова1, З.З. Зарипов2, А.П. Чижов1, Ю.Д. Алашкевич3
1Лесосибирский филиал Сибирского государственного технологического университета, ул. Победы, 29, Лесосибирск, 662543 (Россия)
E-mail: info@lfsibgtu.ru
2ОАО «Лесосибирский ЛДК №1» ул. Белинского, 16е, Лесосибирск, 662543 (Россия) E-mail: lldk1@lldk1.ru
3Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия) E-mail: sibstu@sibstu.kts.ru
В работе представлены результаты исследований по оптимизации процесса обработки вторичного волокна в производстве древесно-волокнистых плит мокрым способом. Обосновано применение для обработки вторичного волокна безножевого оборудования (гидроразбивателя) взамен традиционного ножевого (конической мельницы).
Ключевые слова: древесно-волокнистое сырье, электроэнергия, вторичная масса, гидроразбиватель, математическая модель, технологический процесс, вторичное волокно.
Введение
Проблемы использования отходов и разработки безотходных технологий являются наиболее актуальными в настоящее время. В своей технологической и технической сущности утилизация производственных отходов тесно связана с мероприятиями по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов, так как позволяет не только повысить эффективность производства древесноволокнистых плит, но и значительно снизить загрязнение биосферы.
Производство древесно-волокнистых плит - одна из наиболее динамично развивающихся подотраслей лесохимической промышленности, в связи с чем потребность в древесном сырье возрастает. Но часто затраты на доставку сырья превышают стоимость самого сырья, и предприятия выбирают варианты сиюминутно более выгодные для них экономически. В результате вместо расширения использования малоценной дровяной древесины, тонкомерного сырья, лесосечных и лесопильных отходов в плитном производстве увеличивается применение балансов, круглых лесоматериалов и других видов сырья, предназначенных не для этого производства. Одним из путей сокращения расхода основного древесного сырья в производстве древесно-волокнистых плит является максимально возможное использование отходов производства. До настоящего времени это не нашло широкого применения в производстве древесноволокнистых плит из-за отсутствия четко разработанных технологических схем переработки вторичного волокна для их получения с необходимыми физико-механическими и геометрическими характеристиками. использование вторичного волокна в композиции готовой продукции допускается только при условии сохранения качества продукции на уровне требований соответствующих стандартов.
В производстве древесно-волокнистых плит доля материальных затрат на приобретение сырья в общей себестоимости продукции составляет 50-70%. Причем удельный расход сырья, материалов, энергии и топлива неуклонно растет, а себестоимость плит соответственно увеличивается. Повышение эффективности использования сырья и материалов при одновременном улучшении качества древесно-волокнистых плит становится одним из важных факторов выживаемости предприятий.
В своей технологической и технической сущности утилизация производственных отходов тесно связана с мероприятиями по охране окружающей среды и рациональному использованию природных ресурсов, так
* Автор, с которым следует вести переписку
как позволяет не только повысить эффективность производства древесно-волокнистых плит, но и значительно снизить загрязнение биосферы.
Применение вторичного волокна в основном производстве значительно сокращает удельный расход электроэнергии, химикатов, воды, затрат живого и овеществленного труда. Максимальное использование вторичного волокна имеет большое экологическое значение в связи с сохранением лесных массивов, санитарной очисткой полигонов хранения отходов производства ДВП, подвергающихся гниению и засоряющих подземные воды, почву и атмосферу.
В современном производстве для получения волокнистых материалов (в том числе и в производстве древесно-волокнистых плит) применяются в основном ножевые размалывающие машины. Основное размалывающее действие в ножевых машинах происходит в зазоре между подвижными ножами ротора и неподвижными ножами статора, вследствие больших окружных скоростей размалывающих органов этих машин и избыточного давления волокна древесины подвергаются сильным рубящим воздействиям и раздавливанию. Волокна вторичной массы, ранее уже подвергавшиеся ножевому размолу, попадая для обработки в ножевую машину еще раз, сильно укорачиваются, отличаются жесткостью, а это влечет за собой ухудшение физикомеханических свойств готовых древесно-волокнистых плит. Поэтому возникает необходимость поиска более щадящих способов обработки вторичного волокна.
Таким образом, если для подготовки исходного волокнистого сырья использование ножевых размалывающих машин оправдано, то при подготовке вторичного волокна использование этих машин, на наш взгляд, неприемлемо по следующим причинам: ранее обработанное волокно подвергается дополнительной рубке в рабочих органах ножевых машин; исключается возможность использования вторичного сырья в полном объеме.
Роспуск же в гидроразбивателе обеспечивает более мягкий, щадящий режим обработки, что особенно важно для волокон, которые уже однажды претерпели стадию ножевого размола, и также позволяет обрабатывать весь объем вторичной древесноволокнистой массы [1-3].
Экспериментальная часть
В Лесосибирском промышленном узле проблема утилизации отходов решается в производстве древесноволокнистых плит (ДВП), которое позволяет перерабатывать отходы лесопиления и низкокачественную древесину, а также вторичное сырье производства ДВП - волокно, улавливаемое после размольной и отливной групп, обрезки плиты и пыль с форматно-обрезного станка. Еще несколько лет назад отходы производства ДВП вывозились в отвалы. На транспортировку их с территории предприятий бесполезно расходовались денежные средства (до 90 руб. на 1 м3), при этом захламлялись большие по территории земельные участки, что оказывало вредное воздействие на окружающую среду. В настоящее время вторичное сырье производства ДВП эффективно используется в основном производстве, что дает улучшение экономики деревоперерабатывающих предприятий за счет удешевления сырья путем перенесения стоимости отходов на получаемую из них продукцию, а также ликвидации непроизводственных затрат, связанных с удалением производственных отходов [4].
В производстве древесно--волокнистых плит предварительная подготовка полуфабриката потребляет до 65% всех затрат электроэнергии производства. На исследуемом предприятии в настоящее время для обработки вторичного волокна используется коническая мельница. Задача нашего исследования - определение влияния технологических параметров процесса обработки вторичного волокна в гидроразбивателе на удельный расход электроэнергии.
Эксперимент был спланирован и проведен по известной методике [5] - В-плану второго порядка. Уровни и интервалы варьирования управляемых факторов эксперимента приведены в таблице 1.
В результате статистической обработки экспериментальных данных было получено следующее уравнение
Е = 18,84 + 0,0007т + 0,197 + 0,3с + 0,0000009т2 + 0,0004т2 + 0,22с2 - 0,000087т + 0,0001тс +0,00457с.
Таблица 1. Основные факторы и уровни их варьирования
Наименование фактора Обозначения Интервал варьирования фактора Уровень варьирования фактора
натураль- ные нормали- зованные нижний (-1) основной (0) верхний (+1)
Продолжительность разработки т Хі 900 600 1500 2400
вторичного волокна, с
Температура вторичной массы, °С Т Х2 20 10 30 50
Концентрация вторичной массы, % с Хз 1 1 2 3
Графические зависимости (рис. 1-3) представляют собой поверхности отклика, построенные в трехмерной системе координат для натуральных обозначений факторов. Для построения таких графиков один из факторов фиксируют и изменяют значения двух других факторов, поэтому представленные поверхности отклика позволяют увидеть не только влияние отдельного фактора на отклик, но и взаимодействие двух факторов. На рисунках приведены графики при фиксировании одного из факторов на среднем уровне, так как поверхности при фиксировании факторов на максимальном и минимальном уровнях будут повторять свой вид.
Анализ парного взаимодействия факторов продолжительности разработки вторичного волокна (т) и концентрации (с) показывает следующее. С увеличением значений фактора концентрации вторичной массы уровень расположения параболы, описывающей зависимость удельного расхода электроэнергии от продолжительности обработки, становится выше, т.е. значения удельного расхода электроэнергии увеличиваются, также парабола становится более крутой, что говорит об усилении влияния фактора продолжительности обработки вторичного волокна на отклик с ростом значений фактора концентрации.
Влияние фактора концентрации наглядно можно увидеть также на рисунке 2. Очевидно, что с ростом значений концентрации увеличивается удельный расход электроэнергии. При этом на начальной стадии обработки вторичного волокна (при продолжительности обработки от 600 до 1200 с) влияние фактора концентрации на отклик незначительно, затем его влияние усиливается по мере возрастания фактора продолжительности обработки.
Поверхность отклика Е = / (Т, с), характеризующая парное взаимодействие факторов температуры и концентрации, представлена на рисунке 3. Как можно увидеть, под влиянием фактора концентрации изменилась зависимость удельного расхода электроэнергии от температуры обработки по сравнению с зависимостью, представленной на рисунке 1. Экстремум параболы сместился и стал более выраженным. С другой стороны, влияние фактора концентрации на отклик усилилось с увеличением значений фактора температуры.
Таким образом, при помощи полученных математических моделей и построенных по ним графических зависимостей, варьируя технологическими параметрами процесса обработки вторичного волокна, можно снизить затраты удельного расхода электроэнергии.
Рис. 1. Поверхность отклика Е = /(т, Т)
Рис. 2. Поверхность отклика Е = /(т, с)
Рис. 3. Поверхность отклика Е = /(Т, с)
Обсуждение результатов
Полученные в данной работе и ранее [6, 7] математические модели могут быть использованы не только с целью исследования интересующего нас процесса обработки вторичного волокна для применения его в основном производстве древесно-волокнистых плит. Эти модели являются также основой для отыскания оптимальных условий функционирования объекта.
Задачей оптимизации процесса обработки вторичного волокна в производстве древесно-волокнистых плит является отыскание таких значений основных технологических параметров данного процесса, при которых значение удельного расхода электроэнергии будет минимальным, а качественные характеристики полученной массы и физико-механические параметры отливок из нее будут находиться на необходимом уровне. Оптимизация осуществлялась последовательным симплекс-методом.
Таким образом, в качестве целевой функции нами был выбран удельный расход электроэнергии Е — тіп при соблюдении следующих ограничений: степень помола волокнистой массы > 18 ДС; средняя длина волокна > 8 мм; прочность отливок > 33 МПа; плотность отливок > 800 кг/м3; разбухание отливок < 33%; 600 с < время обработки вторичного волокна < 2400 с; 10 °С < температура волокнистой массы в процессе обработки < 50 °С; 1% < концентрация < 3%.
В результате решения поставленной задачи были получены следующие значения технологических параметров, обеспечивающих оптимальные условия проведения обработки вторичного волокна в гидроразбива-теле при производстве древесно-волокнистых плит: время обработки вторичного волокна - 2400 с; температура волокнистой массы - 30 °С; концентрация - 2%.
При этом выходные параметры принимают следующие теоретические значения: степень помола -23,4 ДС; средняя длина волокна - 10,1 мм; прочность отливок - 44 МПа; плотность отливок - 892,2 кг/см3; разбухание отливок - 31,1%; удельный расход электроэнергии - 31,5 кВт ч/кг.
Роспуск вторичного волокна в гидроразбивателе при оптимальных условиях показал следующие результаты: степень помола - 21,4 ДС; средняя длина волокна - 11 мм; прочность отливок - 40,8 МПа; плотность отливок - 912 кг/см3; разбухание отливок - 30,8%; удельный расход электроэнергии - 30 кВт ч/кг.
Таким образом, теоретические значения данных показателей, рассчитанные по уравнениям регрессии, хорошо согласуются с экспериментальными, что еще раз подтверждает адекватность полученной математической модели процесса роспуска вторичного волокна в гидроразбивателе при производстве древесно-волокнистых плит.
Выводы
Проведение обработки вторничного волокна в гидроразбивателе при оптимальных условиях позволило снизить величину удельной энергоемкости процесса на 27%, в сравнении с существующим процессом ножевой обработки вторичного волокна в конической мельнице.
На основании полученных результатов в технологическую схему современного производства древесноволокнистых плит мокрым способом, действующей на базовом предприятии, на наш взгляд, необходимо включить гидроразбиватель как узел переработки вторичного волокна, заменив существующую коническую мельницу.
Экономический эффект от замены ножевого оборудования для обработки вторичной массы на гидрораз-биватель равен экономии условно-постоянной части расходов в себестоимости за счет снижения удельного расхода электроэнергии и затрат на сырье, увеличения прибыли предприятия за счет улучшения качества готовых древесно-волокнистых плит.
Список литературы
1. Петрушева Н.А., Алашкевич Ю.Д., Чистова Н.Г., Зарипов З.З. Расширение сырьевой базы при использовании вторичной массы при производстве древесно-волокнистых плит // Проблемы экологии и развития городов. Красноярск, 2001. С. 227-323.
2. Петрушева Н.А., Алашкевич Ю.Д. Вторичное волокно в производстве древесно-волокнистых плит // Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы Красноярского края. Красноярск, 2002. С. 108.
3. Петрушева Н.А., Алашкевич Ю. Д., Барановский В.П., Чистова Н.Г. Влияние способа подготовки вторичного волокна на прочностные характеристики древесно-волокнистых плит // Машины и аппараты ЦБП. СПб, 2002. С. 7-11.
4. Петрушева Н.А., Чистова Н.Г., Трофимук В.Н. Безотходные технологии в производстве древесно-волокнистых плит // Фундаментальные исследования. М., 2004. №3. С. 112-113.
5. Пижурин А.А., Розенблит М.С. Исследование процессов деревообработки. М.,1973. 119 с.
6. Петрушева Н.А., Чистова Н.Г., Алашкевич Ю.Д. Моделирование процесса обработки вторичного волокна в гидроразбивателе // Современные наукоемкие технологии. М., 2005. №5. С. 58-59
7. Петрушева Н.А., Чистова Н.Г., Алашкевич Ю.Д. Использование вторичного волокна в производстве древесноволокнистых плит мокрым способом: (Монография). Красноярск, 2005. 153 с.
Поступило в редакцию 14 июля 2008 г.
После переработки 2 марта 2009 г.
