Способ изготовления декоративных элементов из древесных отходов

 

Изобретение относится к технологии переработки древесных отходов и может быть использовано в лесной и деревообрабатывающей промышленности для изготовления изделий из отходов. Задача, решаемая изобретением, - снижение материалоемкости процесса изготовления декоративных элементов. Известны способы изготовления декоративных элементов из древесных отходов (щепы), к недостаткам которых следует отнести высокую материалоемкость из-за необходимости использовать связующие вещества. Поставленная задача решается использованием перегретого водяного пара для термообработки измельченных древесных отходов. Новым является то, что древесные отходы измельчают до частиц диаметром (0,04 - 7,0) 10^-4 м, а термообработку осуществляют перегретым водяным паром путем фильтрации его через измельченные отходы при температуре 100 - 250^oC. 1 ил.

Предполагаемое изобретение относится к технологии переработки древесных отходов и может быть использовано в лесной и деревообрабатывающей промышленности для изготовления изделий из отходов.

Известен способ изготовления древесных плит из древесной щепы (см. Химическая энциклопедия. Т. 2. М. Советская энциклопедия, 1990, c. 228). Древесную щепу размалывают (измельчают) на волокна, волокнистую массу разбавляют водой и вводят в нее связующее. Из полученной массы формируют плиты при температуре 180 220^oC путем прессования.

К недостаткам данного способа следует отнести высокую материалоемкость процесса, обусловленную необходимостью использовать связующее, а затем сушить древесную массу.

Известен способ изготовления изделий из древесных прессовочных масс (смеси измельченной стружки или опилок с синтетическим связующим) путем горячего прессования при T 120 180^oC и давлении 2 100 МПа.

Недостатками данного способа являются необходимость использования связующего и высокие давления прессования (в случае прессования деталей сложной конфигурации до 100 МПа) (см.Химическая энциклопедия. Т. 2. М. Советская энциклопедия, 1990, с. 230).2 Наиболее близким к предполагаемому изобретению является принятый нами за прототип способ непрерывного изготовления древесно-волокнистых плит (см. авт. св. СССР N 1691104, кл. B 27 N 3/04. Опубл. БИ N 42, 1991).

Согласно указанному способу древесную щепу размалывают (измельчают), смешивают со связующим и сушат ступенчато, вначале в сушилке до влажности 26 35% а затем влажность снижают на 10 13% в процессе формования из измельченной щепы ковра, при этом предварительный прогрев и формование осуществляют в потоке горячего газа с температурой 55 90^oC, а прессование ведут при направленном удалении парогазовой смеси через нелицевую поверхность прессуемого ковра.

К недостаткам данного способа следует отнести высокую энергоемкость процесса, обусловленную необходимостью сушить приготовленную массу, высокую материалоемкость процесса, вызванную необходимостью использовать связующие вещества, процентное содержание которых в смеси измельченная масса связующее может достигать 20 40% от массы сухой древесины, большие расходы горячего газа, обусловленные необходимостью сушку проводить при невысоких температурах (Т 55 90^oC), т.к. при высоких температурах возможны разрушение связующих веществ и потеря прочности прессуемых плит.

Целью предполагаемого изобретения является снижение материалоемкости изготовления декоративных элементов из древесных отходов.

Поставленная цель достигается тем, что в отличие от известного способа, заключающегося в измельчении древесины, термообработке ступенчато вначале в сушилке до влажности 26 35% а затем снижении влажности на 10 13% в процессе формования, совмещенного с предварительным прогревом ковра, которые осуществляют в потоке горячего газа с температурой 55 90^oC, направленном удалении в процессе прессования парогазовой смеси через нелицевую поверхность прессуемого ковра, новым является то, что древесные отходы (щепа, стружка и т. д.) измельчают до размера частиц (0,04 7,0) 10^-3 м, а термообработку осуществляют путем фильтрации через отходы перегретого до 100 - 250^oC водяного пара.

На чертеже приведено устройство, на котором реализуют способ изготовления декоративных элементов из древесных отходов.

Согласно предполагаемому изобретению изготовление декоративных элементов из древесных отходов осуществляют следующим образом.

В бункер 1 подают древесные отходы 2. Под действием собственного веса древесные отходы поступают в измельчитель 3. С помощью двигателя 4, расположенного на стойке 5, приводят во вращение измельчающие шестерни 6. Проходя между шестернями 6, древесные отходы 2 измельчаются и попадают на сетку 7, через которую проходят частицы диаметром (0,04 7,0) 10^-3 м. Более крупные частицы (не прошедшие через сетку 7 ) захватываются шестернями 6 и, проходя через них повторно, измельчаются. Измельченные отходы, прошедшие через сетку 7, попадают в дозатор 8. При помощи двигателя 9 и дозатора 8 осуществляют подачу измельченных древесных отходов в транспортер 10, работу которого обеспечивают с помощью двигателя 11. При помощи транспортера 10 отходы подают в камеру термообработки 12. За уровнем загружаемых в камеру отходов наблюдают через смотровое окно 13. После загрузки необходимого количества древесных отходов в камеру 12 с помощью устройства подпрессовки 14 осуществляют поджатие измельченных отходов к решетке 15 камеры термообработки. Степень поджатия варьируется в широких пределах. Основная цель поджатия состоит в том, чтобы предотвратить выброс отходов потоком фильтрующегося через них пара из камеры термообработки. Фильтрующийся пар через перфорированную плиту устройства поджатия выходит из слоя древесных отходов. После поджатия отходов из парогенератора 16 по трубопроводу 17 в подрешеточную камеру 18 подают перегретый водяной пар при температуре 100 250^oC. Перегретый водяной пар после попадания в подрешеточную камеру 13 проходит через решетку 15 и фильтруется через слой отходов 2. Давление, которое необходимо обеспечить, чтобы пар фильтровался через слой отходов, определяется проницаемостью слоя измельченных отходов и может быть рассчитано на основе закона Дарси, т.е.

где Pвхода, Pвыхода давление перегретого водяного пара на входе и выходе слоя древесных отходов; Hслоя высота слоя отходов; μпара динамическая вязкость перегретого водяного пара; скорость фильтрации пара через слой отходов;
Kотходов проницаемость слоя отходов.

Давление пара на входе в слой отходов контролируется по показаниям манометра 19, а расход пара по показаниям расходомера 20. При этом изменение давления и расхода пара осуществляют с помощью крана, установленного в парогенераторе на выходе пара.

Фильтрующийся через слой измельченных древесных отходов перегретый водяной пар нагревает отходы до температуры 100 250^oC, в результате чего происходит частичное термическое разложение отходов с выделением относительно небольшого количества летучих продуктов и смолы (см. В.И. Корякин. Термическое разложение древесины. М. Гослесбумиздат, 1962, с.11).

Тепло, передаваемое от потока перегретого пара к поверхности частиц, внутри частиц распространяется теплопроводностью. Известно, что скорость распространения тепла внутри частицы определяется величиной критерия Био, Bi = 2d/λ (см. Теоретические основы теплотехники. Справочник. Книга 2. / Под ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. М. Энергоатомиздат, 1988, с.229). В критерий Био входит диаметр частиц, поэтому в зависимости от диаметра частиц зависит и скорость прогрева всего слоя. Чтобы время прогрева слоя не было слишком большим, необходимо древесные отходы дробить до некоторого определенного диаметра. С другой стороны степень дробления должна быть такой, чтобы при изготовлении изделий их поверхность имела относительно небольшие неровности. Такие, чтобы при покрытии поверхности лаком или краской (при декоративной отделке изделия) не образовалось неровностей. Очевидно, что чем меньше частицы, из которых путем прессования изготовлено изделие, тем более ровной будет поверхность данного изделия. Практически минимальный размер частиц, до которых удается измельчить древесные отходы на современном оборудовании, составляет 0,04 1O^-3 (см. С.М. Головков, И.Ф. Коперин, В.И. Найденов. Энергетическое использование древесных отходов. М. 1987, с. 34). Поэтому нижний предел измельчения древесные отходов составит величину:
dч 0,04 1O^-3 м.

Очевидно, что для прессования декоративного элемента из древесных отходов необходимо равномерно прогреть весь слой отходов (каждая частица слоя должна быть равномерно прогрета). Равномерный прогрев всего слоя отходов может быть осуществлен лишь при определенных условиях. Эти условия определяются размерами частиц, теплофизическими характеристиками частиц и водяного пара, которые в сильной степени зависят от температуры.

Равномерный прогрев частиц древесных отходов, а значит, и всего слоя их при фильтрации водяного пара возможен при

Из (2) следует ограничение размер частиц слоя отходов, т.е. на основании (2) определяется размер частиц слоя отходов, когда весь слой может быть равномерно прогрет. Из (2) получим, что слой отходов будет равномерно прогреваться, если частицы, его составляющие, имеют размер не более

где l_древ. = 0,14 ÷ 0,43 Вт/мК (см. Теоретические основы теплотехники. Справочник. Кн. 2. / Под ред. В.А. Григорьева и В.М.Зорина. М. Энергоатомиздат, 1988, с. 177. Табл. 3.7).

Как следует из соотношения (3) при
α = α_min - d_ч = d^max_частиц,
т.е. максимальный размер частиц.

Определим возможное минимальное значение α_min при фильтрации пара в слое частиц.

Известно (см. Н.И. Гельперин, В.Г. Айнштейн, В.Б.Кваша. Основы техники псевдоожижения. М. Химия, 1987, с. 230-233), что перенос тепла от теплоносителя к твердым частицам осуществляется путем теплопроводности через пограничную пленку, окружающую частицы, и путем конвекции, т.е.

α = (α_т) + α_к (4)
Из (4) следует, что α_min = (α_т) при α_к = 0.

В этом случае (см. Н.И. Гельперин и др. с.231)

где λ_п теплопроводность пара;
ε пористость.

Отсюда следует, что a_т = min при λ_п = min, dч max и ε = max. Для перегретого водяного пара при T 250^oC λ_п 38,1 10^-3 Вт/м K (см. С.Н.Богданов и др. Холодильная техника. Свойства веществ. Справочник. М. Агропромиздат, 1985, с. 168. Табл. 57).2 Максимальную пористость имеют древесные отходы в виде рыхлых опилок
ε 1-П 1 0,20 0,80
(см. С. И. Головков, И.Ф.Коперин, В.И. Найденов. Энергетическое использование древесных отходов. М. Лесная промышленность, 1987, с.32).

Максимальный размер измельченных древесных отходов dч 30 10^-3 м (см. С. И. Головков, И.Ф.Коперин, В.И.Найденов. Энергетическое использование древесных отходов, с. 30).

Подставив значения l_п, dч и ε в ( 5 ), определим минимально возможное значение a_т при фильтрации перегретого водяного пара через слой измельченных древесных отходов

Используя полученное минимальное значение коэффициента теплообмена, определим предельный (верхний) размер диаметра частиц, до которых возможно дробление древесных отходов, т.е.

Таким образом, на основании вышеизложенного следует, что древесные отходы при изготовлении декоративных элементов необходимо измельчать до частиц диаметром dч (0,04 7,0) 10^-3 м. Только в данном диапазоне измельчения древесных отходов достигается равномерный их прогрев при фильтрации перегретого водяного пара, что обеспечивает равномерную термообработку всего слоя и получение после прессования декоративных элементов с однородными характеристиками (плотность,прочность и др.) по всему объему элемента.

Температуру перегретого водяного пара, подаваемого в слой измельченных древесных отходов, устанавливают в пределах 100 250^oC. Температура 1OO^oC обусловлена нижним пределом существования перегретого водяного пара. Подача пара при Т > 250^oC нецелесообразна, поскольку при температуре выше 250^oC начинается процесс резкого разложения древесины, что приводит к ухудшению ее текстуры и качества (см. В.И. Корякин. Термическое разложение древесины. М. Гослесбумиздат, 1962, с. 11).

Профильтровавшийся через слой измельченных древесных отходов перегретый водяной пар направляют в циклон 22, где пар и газообразные продукты термического разложения древесины очищаются от твердых частиц. Затем по трубопроводу 23 парогазовую смесь подают в конденсатор 24, где путем охлаждения смеси через разделительную стенку потоком воздуха, создаваемого вентилятором 25, конденсируют пары уксусной кислоты, смол, водяной пар. Образовавшийся конденсат направляют в фильтр 26, где отделяют воду от остальной массы жидких продуктов. Воду направляют в парогенератор 16 для производства водяного пара. Оставшиеся продукты (жидкие) используют в качестве химического сырья или для других целей. Неконденсирующиеся газы (CH₄, C₂Н₄, CO) через фильтр 27 направляют в топку парогенератора.

Прошедшие термообработку древесные отходы (определяют по показаниям датчика температуры) с помощью дозатора 28 подают в форму 23, после чего форму по рольгангу 32 подают под пресс-форму 31 и с помощью сжатого воздуха прессуют декоративный элемент. После сброса давления сжатого воздуха форму 29 с готовым декоративным элементом по рольгангу (пружина 30 отжала пресс-форму) подают к месту складирования и упаковки декоративных элементов.

Пример 1.

В бункер 1 подают древесные отходы 2 в виде щепы. Под действием собственного веса щепа поступает в измельчитель 3. С помощью двигателя 4, расположенного на стойке 5, приводят во вращение шестерни 6. Проходя между шестернями 6, щепа 2 измельчается и попадает на сетку 7, через которую проходят частицы диаметром dч 7,0 10^-3 и менее. Более крупные частицы (не прошедшие через сетку 7) захватываются шестернями 6 и, проходя через них повторно, измельчаются до диаметра частиц, которые уже проходят через сетку 7.

Измельченные древесные отходы, прошедшие через сетку 7, попадают в дозатор 8. При помощи двигателя 3 и дозатора 8 осуществляют подачу измельченных отходов в транспортер 10, работу которого обеспечивают с помощью двигателя 11. При помощи транспортера 10 отходы подают в камеру термообработки 12. За уровнем загружаемых отходов наблюдают через смотровое окно 13. После загрузки необходимого количества древесных отходов в камеру термообработки 12 с помощью устройства подпрессовки 14 осуществляют поджатие отходов к решетке 15 камеры термообработки 12. После поджатия отходов из парогенератора 16 по паропроводу 17 в подрешеточную камеру 18 подают перегретый до T 250^oC водяной пар. Пар после попадания в подрешеточную камеру 18 фильтруется через решетку 15 и слой измельченных отходов 2 в камере термообработки 12.

Пycть проницаемость слоя отходов Kотходов 10^-9 м² (см. Р. Коллинз. Течения жидкостей через пористые материалы. М. Мир, 1964. Табл. Физические свойства типичных пористых материалов). Вязкость перегретого до Т 250^oC водяного пара μ_п 182 10^-7 Н·с/м² (см. С.Н. Богданов и др. Холодильная техника. Свойства веществ. Справочник. М. Агропромиздат, 1985, с. 168. Табл. 57). Высота слоя отходов Hслоя 1м. Давление в подрешеточной камере Pвхода 1,5 10⁵ Па. Давление на выходе из слоя практически равно атмосферному, т.е. Pвых 10⁵ Па. Из соотношения (1) следует, что скорость фильтрации перегретого водяного пара в этом случае будет равна

Фильтрующийся через слой измельченных древесных отходов перегретый водяной пар нагревает отходы до температуры T 249^oC за время, которое определяется на основании соотношения

При этом принято, что плотность частиц отходов ρ_ч 500 кг/м³; теплоемкость отходов Cч 2,7 10³ Дж/кгK, коэффициент теплообмена α 191 Вт/м²K (см. С. И. Головков и др. Энергетическое использование древесных отходов. М 1987, с. 17. Табл.6. Теоретические основы теплотехники. / Под ред. В.А.Григорьева и В.М.Зорина. М. Энергоатомиздат, 1988, с. 177. Табл. 3.7).

Давление пара на входе в слой отходов контролируют по показаниям манометра 19, а расход по показаниям расходомера 20. Температуру прогрева слоя отходов контролируют по показаниям датчика температуры. Профильтровавшийся через слой измельченных древесных отходов перегретой водяной пар направляют в циклон 22, где пар и газообразные продукты термического разложения древесины очищаются от твердых частиц. Затем по трубопроводу 23 парогазовую смесь подают в конденсатор 24, где путем охлаждения смеси потоком воздуха, создаваемым вентилятором 25, конденсируют пары уксусной кислоты и водяной пар. Образовавшийся конденсат направляют в фильтр 26, где отделяют воду, которую подают в парогенератор 16 для производства водяного пара, а остальные продукты используют в качестве химического сырья. Неконденсирующиеся газы через фильтр 27 направляют в топку парогенератора.

Прошедшие термообработку древесные отходы с помощью дозатора 28 подают в форму 29, после чего форму по рольгангу З2 подают под пресс-форму 31 и с помощью сжатого воздуха прессуют декоративный элемент.

После сброса давления сжатого воздуха форму 29 с готовым декоративным элементом по рольгангу (пружина 30 отжала пресс-форму) подают к месту упаковки.

Пример 2.

В бункер 1 подают древесные отходы 2 в виде щепы. Под действием собственного веса щепа поступает в измельчитель 3. С помощью двигателя 4, расположенного на стойке 5, приводят во вращение шестерни 6. Проходя между шестернями 6, щепа 2 измельчается и попадает на сетку 7, через которую проходят частицы диаметром 0,04 10^-3 м. Более крупные частицы захватываются шестернями 6 и, проходя через них повторно, измельчаются до диаметра частиц, которые проходят через сетку 7.

Измельченные отходы, прошедшие через сетку 7, попадают в дозатор 8. При помощи двигателя 9 и дозатора 8 осуществляют подачу измельченных отходов в транспортер 10, работу которого обеспечивают с помощью двигателя 11. При помощи транспортера 10 отходы подают в камеру термообработки 12. За уровнем загружаемых отходов наблюдают через смотровое окно 13. После загрузки необходимого количества древесных отходов в камеру 12 с помощью устройства подпрессовки 14 осуществляют поджатие измельченных отходов к решетке 15 камеры термообработки 12. После поджатия отходов из парогенератора 16 по трубопроводу 17 в подрешеточную камеру 18 подают перегретый до 200^oC водяной пар.

Пусть в камеру термообработки загрузили 1000 кг измельченных отходов.

Давление пара на входе в слой отходов контролируют по показаниям манометра 19, а расход по показаниям расходомера 20. Температуру прогрева слоя отходов контролируют по показаниям датчика температуры.

Профильтровавшийся через слой измельченных древесных отходов водяной пар в смеси с газообразными продуктами разложения древесины направляют в циклон 22, где пар и газообразные продукты очищаются от твердых частиц (пыли). Затем по трубопроводу 23 парогазовую смесь подают в конденсатор 24, где путем охлаждения смеси потоком воздуха, создаваемым вентилятором 25, конденсируют пары уксусной кислоты и водяной пар. Образовавшийся конденсат направляют в фильтр 26, где отделяют воду, которую подают в парогенератор 16 для производства водяного пара, а остальные продукты используют в качестве химического сырья. Неконденсирующиеся газы через фильтр 27 направляют в топку парогенератора.

Прошедшие термообработку древесные отходы с помощью дозатора 28 подают в форму 29, после чего форму по рольгангу 32 подают под пресс-форму 31 и с помощью сжатого воздуха прессуют декоративный элемент. После сброса давления сжатого воздуха форму 29 с готовым декоративным элементом по рольгангу подают к месту упаковки.

Использование древесных отходов для производства декоративных элементов позволяет получить значительный экономический эффект, поскольку деловая древесина заменяется отходами.

Формула изобретения

Способ изготовления декоративных элементов из древесных отходов, их термообработку и прессование в виде декоративного элемента, отличающийся тем, что древесные отходы измельчают до диаметра частиц d (0,04 - 7,00)·10^-3 м, а термообработку осуществляют путем фильтрации их перегретым водяным паром при 100-200^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1