CC BY
60
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
11000 10000 9000 - 8000 | 7000
О
^ 6000 й
3 5000 4000 3000 2000 1000 0
Рис. 2. Дифрактограммы соснового образца, обработанного ВЧ-разрядом
Таким образом, одним из направлений изменения наноструктуры древесных частиц является воздействие плазмы. Путем проведения объемной обработки частиц древесины высокочастотной плазмой пониженного давления можно значительно улучшить смачиваемость их поверхности, повысить эффект адгезионного взаимодействия между частицами древесины и минеральными вяжущими или повысить гидрофобность поверхности частиц с целью защиты древесины.
Библиографический список
1. Бугаков, В .М. Стратегия развития нанотехнологий в лесной отрасли РФ / В.М. Бугаков, М.Н. Левин, М.В. Драпалюк; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО «ВГЛТА». - Воронеж, 2008. - 18 с.
2. Сафин, Р.Р. Модифицирование древесных материалов путем обработки ВЧ-плазмой / Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Л.И. Аминов // Материалы международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса».
- ВоГТУ, Вологда, 2009. - С. 121-123.
3. Сафин, Р. Р. Экспериментальное исследование физического эффекта обработки древесных отходов ВЧ-плазмой / Р.Р. Сафин и др. // Деревообрабатывающая промышленность. - М., 2009. - №1. -С. 24-25.
4. Сафин, Р.Р. Закономерности структурных изменений древесных материалов при обработке высокочастотной плазмой пониженного давления / Р.Р. Сафин и др. // Доклады Международной научнопрактической конференции «Биоэнергетика и биотехнологии - эффективное использование отходов лесозаготовок и деревообработки». - М., 2009.
- С. 56-57.
ТЕРМОМОДИФИЦИРОБАННЕ ДРЕВЕСИНЫ В СРЕДЕ ТОПОЧНЫХ ГАЗОВ
Р.Р. САФИН, проф. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины Казанского ГТУ, д-р техн. наук,
Р.Р. ХАСАНШИН, доц. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины Казанского ГТУ, канд. техн. наук,
Е.Ю. РАЗУМОВ, доц. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины Казанского ГТУ, канд. техн. наук,
Н. А. ОЛАДЫШКИНА, асс. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины Казанского ГТУ
Вследствие постепенного сужения возможных областей использования химически обработанной древесины и все более ужесточающихся требований к самим хи-
[email protected] [email protected]
мическим составам, что, в частности, видно из запрета Еврокомиссии применять древесину, обработанную антисептиками, содержащими соли тяжелых металлов, рынок
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
95
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
потребления термообработанной древесины в последние годы постоянно расширяется. Это также объясняется значительным улучшением эксплуатационных свойств древесины: повышается биологическая стойкость, снижается равновесная влажность, сокращается коэффициент разбухания древесины при увлажнении, существенно уменьшается возможность проникновения воды в материал, улучшаются декоративные свойства и т. д. Несмотря на ряд преимуществ, данная технология модифицирования древесины в нашей стране не нашла широкого применения вследствие высокой энергоемкости процесса, существенно увеличивающей себестоимость переработки древесины. Известные в настоящее время зарубежные технологии в процессе термообработки для защиты материала от кислорода, а также подвода тепловой энергии используют перегретый водяной пар или жидкую среду. Это зачастую
приводит к большим энергозатратам и быстрому износу дорогостоящего оборудования вследствие воздействия высокотемпературной агрессивной среды.
Таким образом, исследование процессов термомодифицирования древесины и разработку конкурентоспособных отечественных технологий и оборудования следует считать актуальной задачей, имеющей важное народнохозяйственное значение.
В связи с изложенным выше нами предложена технология термомодифицирования древесины в топочных газах, для реализации которой разработана установка, представленная на рис. 1.
Установка состоит из основных элементов: газификатора 1, устройства дожига
2, устройства механической очистки газов
3, вентилятора 4, теплообменника 5, камеры термомодифицирования 6, сушильной камеры 7.
Рис. 1. Схема экспериментального стенда термомодифицирования древесины в топочных газах
96
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
Установка работает следующим образом. В камеру 1 загружаются отходы деревообработки (щепа, стружка), а предварительно высушенный пиломатериал 18 загружается в камеру термомодифицирования 6 через загрузочные ворота 19, после чего камеры герметизируют. Древесина для предварительной сушки 8 помещается в сушильную камеру 7 через ворота 9. Далее осуществляется процесс газификации отходов деревообработки в камере 1, образовавшийся в результате синтез-газ поступает в камеру дожига 2, где происходит дожигание синтез-газа с образованием топочных газов. После этого топочные газы с температурой 600^700°С через устройства механической очистки газов 3 при помощи вентилятора 4 поступают в кожухотрубчатый теплообменный аппарат 5. В нем происходит понижение температуры топочных газов до 200^240°С, после чего охлажденные топочные газы с заданной температурой поступают в камеру термомодифицирования 6. В этот момент заслонка 17 остается открытой, а шиберную заслонку 12 закрывают для того, чтобы топочные газы из теплообменного аппарата 5 не уходили в атмосферу. Процесс модифицирования осуществляется постепенным нагревом древесины до температуры 200^40 °С в зависимости от необходимой степени термомодифицирования и последующей выдержкой при этой температуре в течении 5-7 часов до приобретения древесиной заданных свойств. Отработанные топочные газы из камеры 6 удаляются через патрубок 14.
После окончания процесса термомодифицирования заслонку 17 полностью закрывают, а шиберную заслонку 12 полностью открывают, и топочные газы по трубе 15 отводятся в атмосферу - начинается стадия охлаждения древесины. Для интенсификации охлаждения древесины в камеру термомодифицирования 6 через форсунки 16 диспергируется вода из центрального водопровода открытием крана 13. После охлаждения пиломатериала 18 до 100 еС производится его выгрузка из камеры термомодифицирования 6.
Излишняя тепловая энергия, отводимая при охлаждении топочных газов в теплообменном аппарате 5, на протяжении всего процесса передается в сушильную камеру 7
с помощью водяного калорифера 11 и циркуляционного насоса 10 для предварительной сушки пиломатериалов перед термомодифицированием.
Газификатор представляет собой технологию высокотемпературного окисления древесины с ограниченным доступом воздуха и получения синтез-газа. Газовые выбросы при сжигании отходов по данной схеме по количественному и качественному составу близки к выбросам при работе котлов на природном газе. Использование подобного технического решения позволяет не только получать дешевую тепловую энергию, но и решать экологическую проблему, а также быть энергонезависимыми от источников питания в процессе термомодифицирования за счет использования отходов деревообработки.
Для обеспечения возможности определения рациональных режимов ведения процесса и подбора оборудования была разработана математическая модель [1,2]. Для решения стадии прогрева пиломатериала может быть использовано дифференциальное уравнение тепломассопереноса для одномерной симметричной пластины дТ„
дт
=а.
^дХл
V &2 У
(1)
Для решения этого уравнения были использованы следующие краевые условия
дТ
-X-1
дх
а(Тм.пов ),
(2)
х=0
Г(0;х) = 373К. (3)
Результаты проведенного математического и физического моделирования показали, что одномоментный подъем температуры нагрева среды до заданного режима вызывает существенное запаздывание изменения температуры центральных слоев пиломатериала по сравнению с его поверхностными слоями, обуславливающее большее модифицирование последних по сравнению с центральными слоями и, как следствие, неравномерную цветовую гамму по сечению древесины. Многоступенчатое повышение температуры среды значительно сокращает неравномерность термической обработки по сечению материала, однако не полностью решает данную проблему (рис. 2).
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
97
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
Рис. 2. Изменение температурного поля внутри образца в процессе многоступенчатого подъема температуры среды
Рис. 3. График зависимости темпа повышения температуры агента обработки от толщины образца и его плотности
Наиболее равномерной окраски по сечению пиломатериала позволяет добиться постепенное изменение температуры среды по определенному закону. Для удобства инженерного использования по результатам математического моделирования и экспериментальных исследований процесса термомодифицирования древесины топочными газами получено аналитическое выражение темпа повышения температуры среды в зависимости от толщины и плотности образца
ln
AT
Ат
1,58-2,004ln- + 35096,5 , (4) 2 Р
где S - толщина образца, мм; р - базисная плотность древесины, кг/м3.
Данная зависимость получена аппроксимацией результатов исследований термомодифицирования пиломатериалов толщиной 8-60 мм и плотностью 300-600 кг/м3. В качестве начального условия принималась температура начала термомодифицирования древесины после стадии сушки, равная 100 °С.
С помощью полученной формулы можно рассчитать изменение температуры нагрева агента обработки с целью получения наиболее равномерной степени термического
98
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
