Сушка и термовлажностная обработка древесных материалов

В статье дана общая характеристика состояния технологии и оборудования для сушки и термообработки древесины и древесных материалов в деревообрабатывающих производствах. Сушка и термообработка наиболее энергоемкие участки деревообрабатывающего производства, определяющие в значительной степени качество продукции и общий объем энергопотребления.

Последние годы произошли определенные изменения в отрасли, оказавшие значительное влияние на состояние сушильного дела. Технология, набор оборудования и энергозатраты различаются в зависимости от вида выпускаемой продукции.

ЛПК делится на следующие отрасли:

1. Лесозаготовки;
2. Лесопильное производство;
3. Производство строительных деталей, деревянное домостроение;
4. Производство клееной фанеры;
5. Производство плитных материалов: ДСП, ДВП, МДФ, ОСБ;
6. Мебельное производство;
7. Производство твердого биотоплива;
8. Целлюлозно-бумажное производство;
9. Лесохимическое производство.

Последние годы активно развивалось деревянное домостроение, производство фанеры и плит. В связи с международным развитием биоэнергетики расширяется производство специальных видов твердого древесного топлива: древесных гранул и брикетов.

Основой деревообрабатывающих производств служит сырьевая база – объем лесозаготовок. На рисунке 1 показано изменения объема лесозаготовок начиная с 1990 г. После значительного падения к 1998 г., следует небольшое возрастание и некоторая стабилизация. По данным Министерства экономики и торговли в 2012 году объем лесозаготовок снизился на 4,5%, хотя общий объем производств в ЛПК вырос на 3,3%.

Рис.1. Объем лесозаготовок в России

Лесозаготовки уменьшились на 50%, объем лесопиления на 60%, но возросло производство фанеры и ДСП. В других отраслях сохраняется уровень 1990 г.

В стоимостном выражении преобладает продукция ЦБП (около 40%).

Годовое потребление энергии по отраслям показано на рис. 2. Максимально потребление на производство целлюлозы, бумаги и картона (~131 ПДж, 56%). В других отраслях – лесопилении, производстве фанеры и плит, теплота (~94 ПДж, 40%) расходуется в основном, на сушку. Общий расход теплоты » 236 ПДж.

Рассмотрим вопрос сушки по отраслям, исключив ЦБП.

Рис. 2. Потребность в тепловой и электрической энергии в ЛПК России в 2011 г.

В лесопильном производстве в основном используются камерные сушилки для обработки пиломатериалов. Основные теплоносители – вода и пар. Сушилки с аэродинамическим нагревом воздуха практически не используется из-за высокой стоимости электроэнергии.

Пример камеры с поперечной циркуляцией воздух показан на рис. 3. В промышленности используются импортные камеры и камеры отечественного производства. К сожалению, начинка отечественных камер: вентиляторы, теплообменники, электроника, импортные. Отечественные камеры в основном используются на малых предприятиях, производимых до 50% продукции. По оценкам специалистов до 80% сушильных камер в отрасли импортных.

Рис.3. Схема лесосушильной камеры с поперечной циркуляцией теплоносителя: 1 – наклонные экраны; 2 – увлажнительные трубы; 3 – приточно-вытяжные каналы; 4, 9 – калориферы; 5 – привод вентилятора; 6 – вентилятор; 7 – фальш-потолок; 8 штабель.

 

На следующем рисунке (рис. 4) показаны примеры реализации проектов сушильных камер в разных регионах России.

Рис. 4. Реализованные проекты сушильных камер объемом 30 ÷ 200 м³ в разных регионах России а) Устьянский ЛПК (6x200 м³, 8x200 м³) (Архангельская обл.); б) Сыктывкарский промкомбинат (7x120 м³) (Сыктывкар); в) Дом твоей мечты (2x100 м³) (Калужская обл.); г) Суда (2x60 м³) (Вологодская обл.)

Нововведения в камерной сушке направлены на повышение качества и сокращение расхода энергии. В своем докладе на прошлом заседании президиума комитета А.Б. Гаряев (доклад представлен на сайте Комитета) обозначил основные направления совершенствования сушильных агрегатов.

Некоторые направления современных исследований экономии энергии при сушке:

• Ликвидация неравномерности влажности материала изменением конструкции камер
• Использование возобновляемых источников энергии (биотоплива)
• Использование вторичных ресурсов
• Использование тепловых насосов при сушке материалов
• Термо-вакуумная и импульсная технологии

В этих направлениях совершенствуются в настоящее время камерные сушилки пиломатериалов. Равномерность сушки обеспечивается равномерной циркуляцией воздуха – средства: оптимизация количества вентиляторов и установки направляющих в воздушных каналах, т.е. воздействием на конструкцию. Эти вопросы рассматривались, например, в работах Федяева А.А. Кроме того есть предложение и реализация его по организации комбинированной поперечной и продольной циркуляции (работы КНИТУ).

Для сокращения расхода теплоты предлагается замкнутая циркуляция воздуха с осушкой в конденсационных аппаратах, а также с использованием тепловых насосов. Имеются опытные и полупромышленные образцы таких камер (рис. 5).

Ведутся работы по вакуумно-пульсационной сушке с различными способами подводе теплоты: СВЧ - нагрев, контактный нагрев, конвективный.

На рис. 6 показан режим изменение параметров в такой сушилке. Работа проводится в МГУЛ и Казанском национальном исследовательском технологическом университете. Созданы промышленные образцы. Применяются в основном для сушки твердолиственных пород дерева.

Важное условие сокращения себестоимости сушки лесоматериалов – использование собственных топливных ресурсов, в частности отходов лесопиления. Наряду с отходами лесозаготовок и низкосортной древесиной это один из основных источников древесного топлива.

Энергопотенциал низкосортной и дровяной древесины, отходов переработки достаточен для энергообеспечения всей отрасли.

Располагаемый энергопотенциал лесной биомассы вместе с энергопотенциалом агробиомассы представляют основу биоэнергетики в России. Развитие биоэнергетики в нашей стране сдерживается экономическими причинами. Древесное топливо (щепа) конкурентоспособна по сравнению с углем и мазутом. Газ вне конкуренции при существующих ценах.

Надо сказать, что для обеспечения сушки пиломатериалов собственная энергетическая база традиционно используется в большом объеме. В последнее время организовано производство теплогенераторов для сушилок на ряде предприятий: в Коврове, Твери, Кирове и других районах.

В производстве фанеры основные потребители теплоты: пропарочные камеры для подготовки заготовок к лущению шпона, прессы для прессования фанеры и сушилки для сушки шпона.

Возрастания производства фанеры произошло в основном за счет строительства новых заводов на импортном оборудовании, выпускающих большеформатную фанеру, поступающую, как правило, на экспорт.

Методы сушки шпона - используемое оборудование:

• Контактный - Дыхательный пресс;
• Контактно-конвективный - Роликовые сушилки;
• Конвективный - Ленточные сушилки.

На отечественных предприятиях используются в основном роликовые сушилки, обеспечивающие высокую производительность и лучшее качество шпона.

Типы роликовых сушилок:

• паровые с продольным противоточным направлением воздуха;
• паровые с поперечным направлением движения воздуха;
• паровые сопловые;
• газовые с продольным прямоточным движением газовоздушной смеси.

Ленточные сушилки, имея определенные преимущества – непрерывность действия и возможность автоматизации процесса, имеют недостатки – низкое качество шпона и др. Поэтому в нашей промышленности используются мало. В отечественной промышленности наряду с импортными  используются сушилки отечественного производства: паровые СУР – 4 и газовые СРГ – 25, СРГ – 50, выпускаемые в настоящее время. Для газовых сушилок используются отечественные теплогенераторы.

Современное строительство ориентировано в основном на импортные линии. На рис. 7 показан пример паровой роликовой сопловой сушилки. До 90-ых годов большая исследовательская работа по сушке шпона проводилась в ЦНИИФ и в вузовских лабораториях. Постепенно количество публикаций по сушке шпона снизилось практически до нуля. В производстве используются старые наработки по режимам сушки. Импортное оборудование поступает уже с отработанными режимами.

Проводимые отечественные исследования посвящены в основном созданию специальных видов фанеры и сушки шпона не касаются.

Сушка измельченной древесины связана с производством плит: ДСП, ДВП, ОSB и МДФ. В настоящее время используются в основном барабанные газовые сушилки различных конструкций. Ленточные в небольшом объеме для сушки щепы. Используются большей частью импортные линии. На рис. 8 приведены примеры таких установок. Режимы работы сушильных агрегатов устанавливаются их производителями.

Результат исследований по сушке стружки последнее время не публиковались. Надо отметить, что отечественное производство сушилок для измельченной древесины не заглохло. Выпускаются барабанные сушилки, например, на предприятии в Брянске фирмы «Термотех», разработан агрегат для измельчения и сушки стружки (рис.8). Организация выпуска такого агрегата связана с развитием производства топливных гранул и брикетов.

Последние годы возникла и относительно быстро развивается производство улучшенного древесного топлива в виде топливных гранул (пеллет) и топливных брикетов. В основном эта отрасль ориентирована на экспорт продукции в Европу, поэтому она развивается большей частью в северо-западном регионе страны. Схема такого производства показана на рис.9.

Производство включает участок сушки измельченной массы древесины. Используются в основном барабанные сушилки. Есть определенные новации. Например, агрегат для измельчения и сушки материала (рис.8). Последнее время появились технологии производства «черных» террофицированных (обжаренных) пеллет. По замыслу производителей «черные» пеллеты обладают лучшими свойствами, но, естественно, дороже.

Развитие этой отрасли будет определяться экономическими условиями. Использование пеллет и брикетов может конкурировать только с использованием угля и мазута. Стоимость энергии, получаемой при сжигании пеллет, в три раза дороже энергии, получаемой при сжигании щепы.

Завершить наше сообщение хочу рассказом о сравнительно новом способе термообработки древесины – термомодифицировании, позволяющим получать материал с направленно улучшенными свойствами.

Схема режима термомодифицирования показана на рис. 10. Процесс включает сушку, высокотемпературную сушку для удаления связанной влаги, нагрев и выдержку без доступа воздуха и охлаждение.

В результате получают материал с улучшенными свойствами: - повышается устойчивость к биологическому и атмосферному воздействию; - древесина меняет цвет; - уменьшаются коэффициенты разбухания; - снижается равновесная влажность.

Используются различные технологии обработки: в вакууме, в среде топочных газов, в паровой среде, гидрофобных жидкостях. Работы проводятся в Финляндии, Франции, Германии и в России. Теоретические работы по разработке методов расчета режимов проводятся в МГУЛ и Казанском университете. В КНИТУ созданы экспериментальные и полупромышленные установки. Фирма «ВакуумПлюс» выпускает промышленные установки (рис. 11) для термомодификации  крупномерных изделий.

В обзоре мы не рассмотрели целлюлозно-бумажное производство в частности сушку бумаги, но это особая сфера. Завершая обзор, хочу сказать, что хотя объем исследовательских работ на сушке древесины заметно сократился, есть еще энтузиасты, продолжающие эти работы.