Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Ресурсосберегающие технологические процессы обработки древесины

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора технических наук, Мелехов, Владимир Иванович, Архангельск

I I

Архангельский государственный технический университет

На правах рукописи

МЕр^ХО

$$ Ч

димир Иванович

РЕСУРС0СБ№Е1^да^ИЁ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Специальность '11.00.11

Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук (в форме научного доклада)

Архангельск, 1998

Официальные оппоненты: - академик РАЕН, доктор технических наук,

профессор В.Г.Турушев;

- академик МАХ, доктор технических наук, профессор И.К.Савин;

- доктор технических наук, профессор А.С.Торопов.

Ведущая организация — ОАО «Научдревпром - ЦНИИМОД».

^ 54 35-99

Защита диссертации в форме научного доклада состоится 28 огта/вя /язв г в на заседании диссертационого Совета Д064.60.01 в

Архангельском государственном техническом университете (наб.Северной Двины, 17, главный корпус, ауд.228)

Отзывы на диссертацию в форме научного доклада в двух экземплярах с подписями, заверенными гербовой печатью, направлять по адресу: 163007, Архангельск, наб.Северной Двины, 17, АГТУ, Ученый Совет.

С диссертацией в форме научного доклада можно ознакомиться в библиотеке университета.

Диссертация в форме научного398 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д064.60.01 д-р с.-х.наук, профессор ■""'-

' '''^^И.Барабин

Актуальность проблемы

Научно-технический прогресс вызвал появление проблем, связанных с истощением природных ресурсов, ухудшением экологических условий обитания, угрозой самому существованию человечества. Из природных недр извлекается около 300 млрд, т ископаемого сырья, лишь небольшая часть которого идет на создание продукции, остальное - в отвалы и отходы, неблагоприятно воздействующие на окружающую среду. Лесной покров планеты во многом смягчает экологическую ситуацию, но интенсивное сведение лесов, связанное с удовлетворением жизненных потребностей человека в древесине, обостряет проблему. Древесина является главным продуктом леса, широко распространенным природным материалом, используемым в различных отраслях промышленности и жизнедеятельности человека. В отличие от ископаемого сырья она имеет уникальную возможность непрерывного возобновления своей сырьевой базы. Древесина как материал обладает высокими удельными показателями прочности и жесткости, отличными акустическими и теплофизическими характеристиками, экологичностью, обладает неповторимыми эстетическими свойствами, является основой для создания новых материалов, позволяет использовать традиционные способы механической и гидротермической обработки,.

Все возрастающая потребность в продукции лесопереработки увеличивает дефицит древесины и вызывает необходимость привлечения новых лесных ресурсов, доступ к которым усложняется. При этом отмечается изменение ресурсов крупномерной высококачественной древесины. По качественному показателю полезного использования древесины Россия существенно отстает от ведущих стран мира. Только 55% заготовленной древесины переходит непосредственно в конечный продукт.

Известно, что существующие технологии обработки древесины чрезмерно энерго- и материалоёмкие, отличаются большим количеством неиспользуемых отходов древесины (до 42...45%) и другими потерями (Ю...12%). Так, в лесопилении для производства 22,9 млн.м3 пиломатериалов было использовано 58% всего объема заготовленного в стране сырья (1995 г.). Аналогичная ситуация сложилась и в других технологиях обработки древесины.

Создание ресурсосберегающих технологий позволяет повысить эффективность комплексного использования древесины, уменьшить энергоемкость технологических процессов, вовлечь в сферу производства высококачественной продукции малоценную древесину мягких лиственных пород, увеличить эксплуатационный срок службы древесины.

Необходимой предпосылкой для разработки ресурсосберегающих технологий обработки древесины является научное обоснование новых направлений, технических зешений я квалитетная трансформация традиционных технологий.

Наиболее энергоемкими и экологически опасными в технологии обработки древесины являются процессы гидротермической обработки древесины, особенно сушка. Потери древесины при сушке из-за несовершенства технологии и оборудования достигают 24...26% и более. Повышение эксплуатационной надежности древесины, связанной с защитой от биологического разрушения, возгорания, сохранением длительной механической прочности, сдерживается во многом несовершенством ^существующих технологических процессов глубокой пропитки древесины.

Прочностные и деформационные характеристики древесных материалов являются одними из основных показателей, регламентирующих технологические процессы и определяющих потребительские свойства продукции. Однако

недостаточная изученность свойств древесины в настоящее время не позволяет в ряде случаев эффективно использовать ее как конструкционный материал и ограничивает возможность поиска нетрадиционных ресурсосберегающих технологий обработки и создания принципиально новых материалов и изделий.

Практически остаются. неисследованными процессы деструкции древесины за пределом потери ею механической прочности.

Большие возможности повышения эффективности использования древесины заключены в безотходных технологиях обработки, технологически оптимизированном энергопотреблении, а также соответствующей эффективности, работоспособности и . надежности оборудования и инструмента. Выполненная нами работа направлена на решение актуальной проблемы ресурсосбережения, позволяющей рационально использовать древесные ресурсы в деревообработке при снижении энергопотребления в основных технологических процессах.

Работа выполнялась в соответствии с Государственной НТП "Комплексное использование и воспроизводство древесного сырья" Министерства науки и технологий РФ (1991—1995 гг.), координационными планами НИР. по целевым комплексным программам ГКНТ СМ СССР, Минлеспрома СССР, ВНПО "Союзнаучдревпром", ЦНИИМОД.

Целью работы являлось создание на основе теоретических и экспериментальных исследований научно-обоснованных комплексных ресурсосберегающих технологий обработки древесины, повышающих качество продукции, обеспечивающих вовлечение в оборот низкокачественной древесины и кусковых отходов деревообработки, повышение экологической безопасности гидротермических процессов, разработку принципиально новых научно обоснованных технических решений для ее осуществления.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

• Теоретическое и экспериментальное исследование процесса деструкции древесины до волокнисто-фракционного состояния при поперечном деформировании, изучение свойств полученных волокнистых элементов, режимов деструкции.

в Исследование сорбционно-десорбционных свойств деструктированной древесины, закономерностей их проявления, влияния размеров и формы элементов на динамику процесса при механическом воздействии.

• Исследование перспективных направлений применения деструктированной древесины как исходного технологического сырья в процессах переработки древесины, разработка безотходных технологий превращения древесных сортиментов в товарную продукцию и сырьевые компоненты для дальнейшей переработки.

• Исследование возможностей повышения качества и интенсификации процессов сушки древесины и тонколистовых древесных материалов в процессах гидротермической обработки, повышения эксплуатационной надежности изделий из древесины, снижения экологической нагрузки в этих технологиях.:

• Исследование процессов интенсификации теплообмена в лесосушильных установках и повышение их эксплуатационной надежности и эффективности применения.

• Разработка технических решений, обеспечивающих вовлечение ' вторичных сырьевых ресурсов в процессы переработки древесины, энерго- и ресурсосбережение, повышающих качество и эффективность гидротермической и

механической обработки древесины, надежность, точность и работоспособность оборудования и инструмента.

Научная новизна

Предложена новая концепция вовлечения в производство высокоэффективной товарной продукции малоценной древесины, отходов деревообработки и других неиспользуемых древесных ресурсов путем проведения глубокой механической деструкции цельной древесины до волокнисто-фракционного состояния. Впервые исследованы динамика и механизм процесса глубокой деструкции древесины и установлены комплексные характеристики получаемых волокнистых элементов. Определены и экспериментально обоснованы направления практического использования нового продукта в качестве технологического сырья для ЦБП, производства ДСП, гидролиза. Созданы теоретические основы для дальнейшего развития технологий переработки древесины путем деструкции (а.с. №1302754, а.с. №1355220).

Впервые разработаны безотходные технологии одновременного производства пиломатериалов и вояокнистообразного побочного продукта (а.с. № 1777995).

Разработаны технологические основы получения фиброкомпозиционных материалов из деструктированной древесины (а.с. № 1404351).

Исследованы направления ресурсосбережения при гидротермической обработке древесины. Впервые разработаны процессы интенсификации влагообработки пиломатериалов с применением поверхностно активных веществ (ПАВ), технические решения, обеспечивающие повышение качества процесса влагообработки. Изучено влияние нормируемого напряжения растяжения на качество сушки пиломатериалов.

Предложены решения, позволяющие повысить эксплуатационную надежность сушильных установок (а.с. № 1590894, а.с. № 12507999 ).

Исследованы процессы интенсификации и оптимизации теплообмена в сушильных установках, теплоаэродинамические характеристики оребренных биметаллических алюминиевых поверхностей, разработана методика расчета калориферов ЛСК различного назначения. Определены основные конструктивные параметры теплообменных установок ЛСК. Впервые предложена и научно обоснована энергетическая эффективность интенсификации теплоотдачи калорифера сушильной камеры пугем управления компоновкой труб в пучке и конструктивного исполнения оребренных элементов (а.с. № 1394026, полож. реш. ВНИИГПЭ по заявке 4776279, по заявке 4648132/06). Разработаны надежные и эффективные способы контроля за качеством механического соединения ребристой оболочки с несущей трубой (а.с. № 1236298, а.с, № 1601492). На основе выполненных исследований отработаны новые технические решения конструкций лееосушильных камер, позволяющие повысить термический КПД, обеспечить рекуперацию низкопотенциальной отходящей теплоты.

Впервые предложены экологичные и экономичные системы сушки тонколистовых древесных материалов (а.с. № 1352163, а.с.№ 1317256).

Впервые исследованы возможности повышения эксплуатационной надежности изделий из древесины путем глубокой пропитки, осуществляемой воздействием высокоэнергетических импульсных давлений жидкости, а также диффузионной локальной пропитки консервантом (а.с. № 638465, а.с. № 409859).

Впервые предложены новые технические решения, направленные на повышение эффективности работы деревообрабатывающего оборудования и инструмента. Решена задача агрегатирования производства пиломатериалов и технологической щепы по безотходной технологии на лесопильных рамах (а.с. № 1380941, а.с.№ 1359117).

Разработаны конструкции облегченных преднапряженных пильных рамок, устройств для стабилизации натяжения рамных пил в поставе, увеличивающих надежность работы и повышающих качество обработки пиломатериалов. Предложена конструкция пилы повышенной эксплуатационной надежности (а.с.№ 1395484, а.с.№ 337260).

Результаты проведенных исследований вошли в книги "Расчет, проектирование и реконструкция лесосупшльных камер", "Справочник по сушке древесины".

Практическая ценность работы

Разработаны технологические основы переработки низкокачественной древесины и отходов деревообработки путем глубокой механической деструкции в исходное древесное. сырье для последующего преобразования в новые высокоэффективные продукты. Перспективным является использование волокнисто-фракционной древесной субстанции в химических процессах переработки древесины (ах-Яа 1302754).

Разработаны способы безотходного производства пиломатериалов по технологии локального деформирования и последующего отделения древесины, агрегатирования технологических операций на лесопильных рамах.

В области гидротермической обработки древесины разработаны новые подходы и решения, дозволяющие повысить качество сушки пиломатериалов, снизить на 90...92% потери древесины при сушке и интенсифицировать данный процесс (а.с. № 1201072, а.с. № 1458192).

Разработаны новые конструкции коррозионностойких высокоэффективных калориферов ЛСК, а также технология изготовления их элементов; промышленные стенды для контроля качества механического соединения ребристой оболочки с несущей трубой и соответствующие методики; новая конструкция опорных дистанционных прокладок для калорифера уменьшенной материалоёмкости и дополнительного функционального назначения — интенсификации теплоотдачи (ах. № 1657939, а.с.№ 1601492). ; .

Разработаны новые способы регулирования напряженного состояния древесины при сушке воздействием ПАВ, методом влагообработки и приложением компенсирующей нагрузки.

Разработаны мероприятия и технические решения для обеспечения высокого качества сохраняемого древесного сырья — измельченной древесины.

Для повышения эксплуатационной надежности древесины и продления срока ее службы в неблагоприятных условиях разработаны способы глубокой эффективной пропитки антисептиком под воздействием высокоэнергетического импульсного давления и локальной защиты древесины в процессе эксплуатации (а.с. № 638465 ).

Для повышения экологической безопасности и эффективности сушки тонколистовых материалов предложены технические решения, позволяющие равномерно и дозировано подавать агент сушки на поверхность материала, уменьшая расход в 4..,6 раз (а.с. № 1352163).

Повышение точности обработки материала на деревообрабатывающих станках позволяет уменьшить потери древесины на 2...4% за счет применения технических решений по улучшению условий подвижного базирования материала (а.с. № 245325, а.с.№ 236745).

Для повышения надежности, производительности и энергетической эффективности основного оборудования и инструмента предложено практически снизить материалоемкость конструкции пильных рамок на 35%, повысить

устойчивость пил в поставе в процессе работы гидронатяжением, обеспечить гарантированную работоспособность пил преднапряжением зоны впадины зубьев (а.с. №1201072).

Реализация результатов работы осуществлялась на лесопильно-деревообрабатывающих предприятиях ПО "Северолесоэкспорт", машиностроительном заводе "Петрозаводскбуммаш"и Таллинском машиностроительном заводе, ВНПО "Союзнаучдревпром", АО СЛДК ( г.Архангельск). .

Оптимальные параметры разрезных через одно ребер трубчатых элементов калориферов внесены в ТУ-26-0310-97-86 и внедрены в технологический процесс производства оребренных поверхностей. Предложенный способ контроля качества оребренных труб (а.с. № 1236298) введен в ОСТ26-02-1309-87. Результаты исследования биметаллических труб с накатными алюминиевыми ребрами разных типоразмеров применены ЦНИИМОД при проектировании биметаллических калориферов для сушильных камер СП-5КМ-3, модернизации камер "Валмет", УЛ-2 и ДР-

По результатам теплоаэродинамических и оптимизационных исследований разработана конструкторско-технологическая документация, изготовлены и внедрены на ПО "Северолесоэкспорт" Минлесбумпрома СССР коррозионно устойчивые калориферы для сушильных камер "Валмет" из труб с накатными алюминиевыми ребрами.

На предприятии АО СЛДК для повышения эксплуатационной надежности сушильных камер "Валмет" внедрена разработанная система отвода тепла от силовых электродвигателей воздушной циркуляционной системы.

Разработанная по выполненным исследованиям модель коррозионностойкого калорифера из биметаллических ребристых труб для лесосушильных камер демонстрировалась на ВДНХ в 1990 г, отмечена серебряной медалью.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на XII Международном ботаническом конгрессе, 24 всесоюзных, республиканских, региональных конференциях, совещаниях и семинарах, координационных советах в Москве (1970, 1974, 1989, 1990 ), Санкт-Петербурге (1991), Архангельске (1968, 1979, 1980, 1983, 1984, 1985, 1987, 1988, 1989, 1990), Киеве (1986, 1991), Сумах (1989), Риге (1983, 1989), Вильнюсе (1989), Грозном (1989), Красноярске (1984,1989), на научно-технических конференциях АГТУ.

Личное участие автора в работе

Постановка задач исследования, р