CC BY
20
Повышение эффективности использования отходов деревоперерабатывающей промышленности в производстве плитной
продукции
1 2 М.А. Зырянов , Н.В. Аксёнов
1 Лесосибирский филиал "Сибирский государственный аэрокосмический университет
имени академикаМ.Ф. Решетнева" 2Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика
М. Ф. Решетнева
Аннотация: в работе представлен анализ объемов образования отходов деревоперерабатывающих производств в виде опилок и рассмотрены современные направления их использования. Обоснована рациональность производства древесноволокнистых плит с использованием полуфабриката полученного из опилок. Выполнено математическое описание процесса производства древесноволокнистой плиты с добавлением полуфабриката полученного из опилок в общую массу, что позволило установить количественную взаимосвязь исследуемых технологических параметров с физико-механическими показателями готовой плиты.
Ключевые слова: опилки, древесные частицы, древесноволокнистая плита, прочность, плотность, водопоглощение, функциональная зависимость, регрессия, деревопереработка, промышленные отходы.
При современном дефиците древесного сырья и постоянного повышения его стоимости большую значимость в экономике лесоперерабатывающих предприятий приобретает вопрос комплексного использования биомассы дерева. Несмотря на это, часть потенциального сырья в виде опилок, неизбежно образующихся при распиловки лесоматериала и составляющего до 16% от объема распиливаемого сырья не находит своего применения в полном объеме. На сегодняшний день лишь малая часть образующихся отходов в виде опилок нашли свое применение при производстве топливных гранул и брикетов, но большая часть по-прежнему утилизируется путями сжигания или захоронения на полигонах отходов. Это обусловлено преобладанием древесных частиц размером менее 3 мм, которые не могут быть использованы в целлюлозно-бумажной промышленности. Использованию опилок в производстве плитных
материалов препятствует форма древесных частиц близкая к кубической и соответственно минимальное значение коэффициента гибкости.
По мнению современных исследователей, производство древесноволокнистых плит является одним из возможных направлений по повышению комплексного использования древесного сырья на деревоперерабатывающих предприятиях [1-7]. Так, при мокром способе производства ДВП преимущественно из сырья хвойных пород, добавление связующего вещества исключается, что значительно снижает экологическую нагрузку на окружающую среду, расширяет границы использования и стабильный спрос на такой строительный и отделочный материал.
В результате, целью настоящих исследований является обоснование возможности использования древесноволокнистого полуфабриката полученного из опилок в качестве дополнительного сырья в производстве ДВП.
Для проведения исследований была создана лабораторная мельница позволяющая получать древесноволокнистый полуфабрикат пригодного для использования в производстве древесноволокнистых плит из опилок. Роль ротора и статора в данной мельнице выполняет зубчатая пара, закрепленная на валах. После запуска электродвигателя придающего вращение ротору, опилки, поданные через загрузочную горловину, попадают в зазор между зубьями зубчатой пары. При этом раздавливание, мятие и расщепление опилок осуществляется между зубьями роторного и статорного зубчатого колеса. По достижении требуемых геометрических размеров древесные частицы проходят через сепаратор, расположенный в нижней части мельницы.
В ходе исследований были выявлены наиболее значимые факторы процесса получения древесноволокнистой плиты с использованием полуфабриката из опилок.
Входные факторы:
- значение величины рабочего зазора, 2;
- концентрация древесных частиц из опилок в общем объеме массы, С.
Выходные факторы:
- предел прочности плиты при статическом изгибе, Рг;
- плотность плиты, Р1;
- водопоглощение плиты за 24 часа, &
С целью изучения влияния величины рабочего зазора и концентрации древесных частиц из опилок в общем объеме массы на физико-механические показатели плиты и получения математического описания исследуемого процесса был выбран активный двухфакторный эксперимент [10].
Для проведения эксперимента была разработана программа исследований. Составлены функциональные зависимости показателей прочности при статическом изгибе, плотности и водопоглощения за 24 часа готовой плиты от величины рабочего зазора мельницы и концентрации древесных частиц из опилок в общем объеме массы представленные ниже:
На основании литературного обзора и результатах предварительных экспериментов были выбраны уровни и интервалы варьирования значений рабочего зазора и концентрации полуфабриката из опилок в общем объеме массы, представленные в таблице 1.
Эксперимент был реализован при всех прочих равных условиях. Неконтролируемые факторы устанавливались на следующих значениях [8-9]:
1. отлив и формование древесноволокнистого ковра:
- концентрация волокна в общем объеме массы с = 1,5 %;
- влажность древесноволокнистого ковра W = 76 %;
Рг = 1(2; С) Р1 = /(2; С), & = 1(2; С),
(1) (2) (3)
- температура древесноволокнистого ковра 1 = 480С;
- кислотность рН = 4,2.
2. режимы прессования плиты:
- фаза отжима - Т = 190°С, 1 = 90 сек, Р = 29 МПа;
- фаза сушки - 1 = 5 мин, Р = 70 МПа, Т = 190°С;
- фаза закалки - 1 = 40 сек, Р = 24 МПа, Т = 190°С.
Таблица № 1
Уровни и интервалы варьирования факторов исследований
Наименование фактора Обозначения Интервал варьирования фактора Уровень варьирования фактора
натуральные нормализованные нижний (-1) основной (0) верхний (+1)
Значение величины рабочего зазора, мм ъ Х1 2 1 3 5
Концентрация древесных частиц из опилок в общем объеме массы, % С Х2 4 4 4 12
После обработки числового массива, полученного в ходе реализации экспериментальных исследований, в пакете программы 8ТЛТ18Т1КЛ-6, получено математическо-статистическое описание процесса производства ДВП с добавлением полуфабриката из опилок в виде математических моделей представленных ниже:
:
Рг = 20,04 + 3,84^ + 2,74-С - 0,29^2 - 0,15С2 - 0,09^С,
(4)
Р1 = 602, 83 + 114, 16^ + 3, 06С - 9, 92^2 - 0, 45С2 + 0, 74^0, (5)
Б = 46, 5 - 3, 35^ - 3, 02С + 0, 3^2 + 0, 16С2 + 0, 04^С,
(6)
Значимость исследуемых факторов, их взаимодействие и влияние на исследуемый процесс показывают коэффициенты регрессии [10]. Для наглядности и проведения анализа влияния исследуемых факторов, построены графические зависимости, приведенные на рисунках 1-3.
Рис. 1. - Зависимость прочности при статическом изгибе древесноволокнистой плиты от исследуемых технологических параметров
Из графической зависимости, построенного по модели (4) и представленной на рисунке 1, видно, как зависит значение показателя прочности плиты при статическом изгибе от технологических параметров исследуемого процесса. Видно, что показатель прочности плиты достигает своего максимального значения 41,1-41,5 МПа при значении величины рабочего зазора 1-1,5 мм. С дальнейшим увеличением значения зазора между зубьями ротора и статора прочность плиты снижается.
:
При увеличении процентного содержания полуфабриката из опилок в общем объеме массы до 9-10% значение показателя прочности плиты увеличивается и достигается 39,9-40,2 МПа. С дальнейшим увеличением содержания полуфабриката из опилок в общем объеме массы значение показателя прочности плиты при статическом изгибе имеет тенденцию к уменьшению.
Рис. 2. - Зависимость плотности древесноволокнистой плиты от исследуемых
технологических параметров
Графическая зависимость, представленная на рисунке 2 наглядно демонстрирует, как изменяется плотность ДВП с изменением значений исследуемых технологических параметров. Анализ показывает, что большее влияние на плотность плиты оказывает изменение величины зазора, чем концентрация полуфабриката из опилок, поскольку при изменении зазора плотность плиты варьируется в более широком диапазоне, что подтверждают коэффициенты, стоящие перед соответствующим фактором в математической модели (5).
С увеличением концентрации полуфабриката из опилок до 10-11% показатель плотности повышается, достигая 870-890 кг/м . При величине рабочего зазора 1-1,25 мм показатель плотности плиты увеличивается до своего максимального значения равного 928-941 кг/м . При дальнейшем увеличении значения величины зазора и концентрации полуфабриката из опилок, плотность плиты уменьшается.
На рисунке 3 представлена графическая зависимость, построенная по модели (6).
27 26 25 с* 24 сл23 22 21
204-----------ь С %
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 '
-1-г-5-$-I----1-?---1---1----:---/. ММ
0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5
содержание волокна из опилок в общем обвеме массы. %
-ф- величина рабочего зазора, мм.
Рис. 3. - Зависимость водопоглощения древесноволокнистой плиты за 24 часа от исследуемых технологических параметров
Из графика видно, что ухудшение водопоглощения плиты за 24 часа происходит при увеличении значения концентрации полуфабриката из опилок и значения величины рабочего зазора. Значение показателя водопоглощения плиты достигает 20,1-21,4 % при содержании полуфабриката из опилок 9-10%, и величине рабочего зазора 2-2,5 мм. При дальнейшем увеличении значений исследуемых технологических параметров наблюдается ухудшение водостойкости плиты.
В ходе исследований было выполнено математическое описание процесса получения древесноволокнистых плит с использованием полуфабриката из опилок. Это позволило установить количественную взаимосвязь исследуемых технологических параметров на процесс изготовления плиты. Установлено, что отходы деревоперерабатывающих производств в виде опилок можно использовать в производстве древесноволокнистых плит мокрым способом. Древесноволокнистый полуфабрикат, полученный из опилок можно использовать до 10% от общего объема массы, при условии, что он будет обработан в ножевой мельнице при величине рабочего зазора от 1 до 2 мм.
Литература
1. Зырянов М. А. Получение древесноволокнистых полуфабрикатов при производстве ДВП мокрым способом: междунар. науч.-практ. конф.// Древесные плиты: теория и практика, 2011. С. 57-61.
2. Зырянов М.А., Дресвянкин И.А., Рубинская А.В. Экспериментально-теоретическое обоснование физико-химических превращений древесной биомассы в технологии производства древесноволокнистых плит // Инженерный вестник Дона. 2016, № 4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3841
3. Мохирев А.П., Аксенов Н.В., Шеверев О.В. О рациональном природопользовании и эксплуатации ресурсов в Красноярском крае // Инженерный вестник Дона, 2014. № 4-1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2014/2569
4. Безруких Ю.А. Медведев С.О., Алашкевич Ю.Д., Мохирев А.П. Рациональное природопользование в условиях устойчивого развития экономики промышленных предприятий лесного комплекса // Экономика и предпринимательство, 2014. -№ 12-2. - С. 994-996.
5. Зырянов М.А., Швецов В.А., Чистова Н.Г. Переработка древесных отходов в производстве древесноволокнистых плит // Вестник Крас ГАУ.
2010. № вып. 4. С. 288 - 291.
6. Зырянов М. А., Чистова Н.Г., Лазарева Л.И. Совершенствование работы размольного участка производства древесноволокнистых плит мокрым способом // Химия растительного сырья. 2011. - №3. - С. 193-196.
7. Чистова Н. Г. Оптимизация процесса размола в производстве древесноволокнистых плит // Лесной журнал, 2011. вып. 4. С. 123-128.
8. A. Pizzi Advanced Wood Adhesives Technology. / Pizzi A. - Basel : Marcel Dekker Inc., 1994. - 289 p.
9. Der Einfluss des Feinstoffs auf die Faserstoff- und Papiereigenschaften / Alber W., Erhard K., Reinhardt B. // Wochenbl. Papierfabr. : Fachzeitschrift fur die Papier-, Pappen- und Zellstoff-Industrie. 2000. № 19. ss. 1308-1312.
10 Пижурин А. А. Моделирование и оптимизация процессов деревообработки. Москва: МГУЛ, 2004. - 375 с.
References
1. Zyrjanov M.A. mezhdunarodnaja nauchno-prakticheskaja konferencija. Drevesnye plity: teorija i praktika. Sankt-Peterburg, 2011, pp. 57-61.
2. Zyryanov, M. A., Dresvyankin I. A., Rubinsky A. V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, № 4. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3841
3. Mokhirev A.P., Aksenov N.V., Sheverev O.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2014, № 4-1. URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2014/2569
4. Bezrukikh Yu.A. Medvedev S.O., Alashkevich Yu.D., Mokhirev A.P. Ekonomika i predprinimatel'stvo. 2014. no. 12-2. pp. 994-996.
5. Zyrjanov M.A., Shvetsov V. A., Chistova N. G. Journal of KrasGAU.
2011. no. 4. pp. 288-291.
6. Zyryanov M. A., Chistova N. G., Lazareva L. I. Himija rastitel'nogo syr'ja. 2011. no 3. pp. 193-196.
7. Chistova N. G. Lesnoj zhurnal. 2011. no. 4. pp. 123-128.
8. A. Pizzi Advanced Wood Adhesives Technology. Basel: Marcel Dekker Inc., 1994. 289 p.
9. Alber W., Erhard K., Reinhardt B. Wochenbl. Papierfabr: Fachzeitschrift fur die Papier-, Pappen- und Zellstoff-Industrie. 2000. no. 19. pp. 1308-1312.
10 Pizhurin A. A. Modelirovanie i optimizacija processov derevoobrabotki [Modeling and optimization of the processes of woodworking]. Moskva: MGUL, 2004. 375 p.
