Исследование термомодифицирования древесины в среде топочных газов

Термомодифицированная древесина является натуральным,  абсолютно экологически чистым материалом и превосходит традиционные материалы из древесины по ряду важнейших характеристик: устойчивость к гниению, стабильность геометрии изделий при эксплуатации, пониженная равновесная влажность на уровне 3-5 %, возможность получать любые оттенки от светло-желтого до почти черного на всю глубину изделия, низкая гигроскопичность, низкая теплопроводность. Изделия из термически обработанной древесины используются без ограничений в любых климатических условиях. Они не нуждаются в антисептировании,  пропитке, тонировании, крашении. Гидротермическая обработка подчеркивает и выявляет всю красоту натурального дерева, придает новые технологические и декоративные свойства ценным породам.  Все эти свойства делают термодревесину очень востребованным продуктом на рынке строительных материалов. Она нашла широкое применение в европейских странах и начала применяться в России. Между тем до сих пор выпуск подобных материалов ограничивается их высокой стоимостью, поскольку термомодифицирование в существующих аппаратах в основном протекает в среде перегретого водяного пара, требующего больших энергозатрат и приводящего к быстрому износу оборудования.

Поэтому разработка технологии и оборудования, позволяющих снизить энергетические затраты на процесс термомодифицирования является актуальной задачей [1]. В связи с этим была предложена и исследована возможность проведения процесса в среде топочных газах [2]. Схема разработанной технологии показана на рис. 1.

Термомодификация древесины осуществляется следующим образом. В камеру 1 через открытую крышку 2 загружаются отходы деревообработки, затем крышка 2 закрывается, а предварительно высушенный пиломатериал 3 загружается в камеру модифицирования 4 через открытые ворота  5, после чего они плотно закрываются. Пиломатериал для предварительной сушки 6 загружается в сушильную камеру 7 через открытые ворота 8, которые после загрузки также плотно закрываются. Далее осуществляется процесс газификации отходов деревообработки в камере 1, и образовавшийся в результате синтез-газ поступает в камеру дожига 9, где происходит дожигание синтез-газа с коэффициентом избытка воздуха 0,95 – 1 с образованием топочных газов. После этого топочные газы с температурой 600 – 700 °С при помощи вентилятора 10 поступают в кожухотрубчатый теплообменный аппарат 11. В нем происходит понижение температуры топочных газов до 200 – 240 °С, далее охлажденные топочные газы с заданной температурой поступают в камеру модифицирования 4. В этот момент шиберную заслонку 12 оставляют открытой, а шиберную заслонку 13 закрывают для того, чтобы топочные газы из теплообменного аппарата 11 не уходили в атмосферу.  Процесс модифицирования осуществляется постепенным нагревом древесины до температуры 200 – 240 °С в зависимости от необходимой степени модифицирования и последующей выдержкой при этой температуре в течении 5-7 часов до приобретения древесиной заданных свойств. Температуру в камере регулируют шиберными заслонками  12  и  13.  Отработанные  топочные газы из камеры 4 удаляются через патрубок 14.

Рис. 1. Схема процесса термомодифицирования древесины в среде топочных газов

После окончания процесса термомодифицирования, шиберную заслонку 12 полностью закрывают, а шиберную заслонку 13 полностью открывают и топочные газы по трубе 15 отводятся в атмосферу - начинается стадия охлаждения древесины. Для интенсификации охлаждения древесины в камеру модифицирования 4 через форсунки 16 диспергируется вода из центрального водопровода открытием крана 17.

Излишняя тепловая энергия, отводимая при охлаждении топочных газов в теплообменном аппарате 11, на протяжении всего процесса передается в сушильную камеру 7 с помощью водяного калорифера 18 и циркуляционного насоса 19 для предварительной сушки пиломатериалов перед термомодифицированием.

После охлаждения пиломатериала до 100 ^оС производится его выгрузка из камеры модифицирования 4.

Нижний предел коэффициента избытка воздуха, характеризующего количество подаваемого кислорода в процессе горения, принимается равным? 0,95, поскольку меньшее значение коэффициента приводит к нерациональному использованию системы дожига. Верхний предел коэффициента избытка воздуха принимается равным 1, поскольку большее количество кислорода, поданного в камеру, не полностью участвует в процессе горения и, как следствие, непрореагировавший кислород, попадая в камеру термомодифицирования, может вызвать тление или воспламенение обрабатываемой древесины.

Схема камеры термомодифицирования пиломатериалов в среде топочных газов представлена на рис. 2. После загрузки пиломатериалов в камеру 1 створки 2 плотно закрываются и начинается подача дымовых газов из топки 13 в камеру через первый газоход 3. Для этого шиберную заслонку 5 открывают, а шиберную заслонку 6 оставляют закрытой. В нижней части камеры 1 в зоне первого газохода 3, установлен эжектор 10, который предназначен для создания разрежения и подсоса дымовых газов из топки 13. Дымовые газы из топки 13 через первый газоход 3 подаются в область фальш-пола 7 и через его перфорацию поступают во внутреннюю часть камеры для проведения первоначального процесса высокотемпературной сушки, который осуществляется при температуре 105 – 130 °С. Далее дымовые газы, прошедшие через штабель пиломатериалов 12, поступают через перфорацию фальш-потолка 8 в газоход 14. Циркуляция дымовых газов в указанном внутреннем аэродинамическом контуре осуществляется при помощи центробежного вентилятора 9. Вентилятор 9 имеет специальный кожух-улитку 15, снабженную двумя выходами 16 и 17. Меньший газовый поток направляется на выход 16 для выброса в атмосферу  через эжектор 11, способствующий подсосу дымовых газов из топки 13. Больший газовый поток направляется на выход 17, а затем в газоход 14 для циркуляции во внутренней области камеры 1. На выходе газохода 14 установлен эжектор 10, создающий разрежение в этой области и способствующий подсосу дымовых газов из топки 13 по первому газоходу 3 во внутреннюю область камеры 1.

Рис. 2. Схема камеры для термомодифицирования древесины в среде топочных газов

После сушки материала до абсолютно сухого состояния температуру в камере 1 повышают до 160 – 170°С для начала процесса термомодифицирования. При этом концентрацию дымовых газов в камере 1 доводят до высокого уровня 95 – 100 объемных %. В топке 13 ведут постоянный контроль за подачей кислорода, с целью недопущения его попадания в рабочую область камеры 1 во избежание обугливания и возгорания древесного материала 12. По достижении температуры 160 – 170°С доступ дымовых газов в камеру 1 прекращается путем перекрытия шиберной заслонки 5. При этом шиберную заслонку 6 открывают. Дальнейший нагрев парогазовой смеси, циркулирующей в рабочей полости камеры 1,  осуществляется путем теплопередачи через стенку газохода 14 до достижения в камере 1 температуры 180 – 220°С.  После достижения необходимого температурного режима древесина выдерживается в течении 3 – 5 часов в зависимости от необходимой степени термической обработки. После окончания процесса термомодифицирования древесный материал  охлаждается до 100 °С путем диспергирования воды в камеру 1 через форсунки водопровода 18. Далее охлажденную древесину выгружают из камеры через открытые створки 2.

Значение переходной температуры равное 160 – 170 °С объясняется тем, что более высокая температура в камере при неконтролируемом содержании кислорода в топке может привести к окислению и обугливанию древесного материала, а при более низкой температуре увеличивается продолжительность стадии повышения температуры до требуемого значения вследствие снижения интенсивности теплоподвода за счет теплопередачи через стенки газохода по сравнению с прямым нагревом дымовыми газами.

Нижний предел температуры дымовых газов, принимается равным 180 °С, поскольку более низкие температуры не позволяют добиться необходимой степени модифицирования. Верхний предел температуры топочных газов в камере термомодифицирования, принимается равным 220 °С, поскольку более высокие температуры могут привести к неконтролируемому разложению древесины (пиролизу).

Список литературы

1. Серговский П.С. Гидротермическая обработка и консервирование древесины. – М.: Лесн. пром-ть, 1981. – 304 с.

2. Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Гильмиев Р.Р., Валиев Ф.Г. Снижение расхода энергии на проведение процессов сушки древесины посредством вакуумно-конвективной технологии // Деревообрабатывающая пром-ть. – 2008, №5, С.22-23.

УДК 674.04