Моделирование процессов получения древесноволокнистых полуфабрикатов в целях расширения сырьевой базы лесопромышленных предприятий

УДК

676.1.054.1

DOI:

10.37482/0536-1036-2020-5-176-183

Аннотация

В настоящее время материалы из древесноволокнистых полуфабрикатов нашли широкое применение в домостроении в качестве конструкционных, отделочных и изоляционных. Как показал анализ результатов многочисленных исследований, сырьем для их производства служит технологическая щепа из отходов деревообработки, которая подвергается гидротермической обработке и дальнейшему размолу в дисковых ножевых размалывающих машинах в две ступени. Значительная энергоемкость процесса производства древесного волокна обусловлена не только использованием 2-ступенчатого размола, но и преодолением гидродинамического сопротивления водной среды, где осуществляется размол. В ходе решения задачи расширения сырьевой базы для производства древесноволокнистого полуфабриката и снижения энергоемкости процесса размола был исследован размол щепы из порубочных остатков в аэродинамической среде на модернизированной планко-крестовой мельнице. Проанализированы особенности этого процесса и дана оценка его эффективности. Установлено влияние продолжительности выдержки щепы из порубочных остатков в растворе уксусной кислоты, величины рабочего зазора и угла наклона передней грани ножа на степень помола и фракционный показатель качества помола древесной массы. Получены статистическо-математические уравнения, описывающие исследуемый процесс, и построены графические зависимости, для которых выполняется следующее основное требование: экспериментальные точки в совокупности должны располагаться достаточно близко к кривым. Данные уравнения позволяют прогнозировать качество древесноволокнистой массы в зависимости от установленных режимов процесса размола, а также при известных значениях технологических и конструктивных параметров размалывающей установки определять ее показатели. Подтверждена эффективность процесса получения древесноволокнистого полуфабриката в аэродинамической среде из щепы, произведенной в результате переработки порубочных остатков (ветви, ветки и сучья) в мобильной рубительной машине.
Финансирование: Исследование выполнено при поддержке гранта Президента РФ для молодых ученых – кандидатов наук МК-1902.2019.6; проект «Разработка и внедрение эффективной технологии комплексной переработки лесосечных отходов» проведен при поддержке Красноярского краевого фонда науки.

Сведения об авторах

М.А. Зырянов, канд. техн. наук, доц.; ResearcherID: N-6950-2016,
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4525-2124
С.О. Медведев, канд. экон. наук; ResearcherID: N-8240-2016,
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7459-3150
Лесосибирский филиал Сибирского государственного технологического университета науки и технологий им. академика М.Ф. Решетнева, ул. Победы, д. 29, г. Лесосибирск, Красноярский край, Россия, 662543; е-mail: zuryanov13@mail.ru, medvedev_serega@mail.ru

Ключевые слова

фибрилляция, степень помола, щепа, волокно, порубочные остатки, математическая модель, размол

Для цитирования

Зырянов М.А., Медведев С.О. Моделирование процессов получения древесноволокнистых полуфабрикатов в целях расширения сырьевой базы лесопромышленных предприятий // Изв. вузов. Лесн. журн. 2020. № 5. С. 176–183. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-5-176-183

Литература

1. Безруких Ю.А., Медведев С.О., Алашкевич Ю.Д., Мохирев А.П. Рациональное природопользование в условиях устойчивого развития экономики промышленных предприятий лесного комплекса // Экономика и предпринимательство. 2014. № 12-2. С. 994–996. [Bezrukikh Yu.A., Medvedev S.O., Alashkevich Yu.D., Mokhirev A.P. Environmental Management in the Conditions for Sustainable Economic Development Industrial Forestry Complex Enterprises. Ekonomika i predprinimatel’stvo [Journal of Economy and entrepreneurship], 2014, no. 12-2, pp. 994–996].
2. Гончаров В.Н. Теоретические основы размола волокнистых материалов в ножевых машинах: дис … д-ра техн. наук. Л., 1990. 375 c. [Goncharov V.N. Theoretical Framework of Refining Fibrous Materials in Knife Machines: Dr. Eng. Sci. Diss. Leningrad, 1990. 375 p.].
3. Зырянов М.А., Дресвянкин И.А., Рубинская А.В. Экспериментальнотеоретическое обоснование физико-химических превращений древесной биомассы в технологии производства древесноволокнистых плит // Инж. вестн. Дона. 2016. № 4. Ст. № 158. [Zyryanov M.A., Dresvyankin I.A., Rubinskaya A.V. Experimental and Theoretical Study of Physical and Chemical Transformations of Woody Biomass in the Production Technology of Fibreboard. Inzhenernyy vestnik Dona [Engineering Journal of Don], 2016, no. 4, art. 158].
4. Зырянов М.А., Чистова Н.Г., Лазарева Л.И. Совершенствование работы размольного участка производства древесноволокнистых плит мокрым способом // Химия растит. сырья. 2011. № 3. С. 193–196. [Zyryanov M.A., Chistova N.G., Lazareva L.I. Improving the Work of the Grinding Section of the Fiberboard Production by the Wet Method. Khimija rastitel’nogo syr’ja [Chemistry of plant raw material], 2011, no. 3, pp. 193–196].
5. Зырянов М.А., Чистова Н.Г., Швецов В.А., Зарипов З.З. Переработка древесных отходов в производстве древесноволокнистых плит // Вестн. КрасГАУ. 2010. № 4. С. 288–291. [Zyryanov M.A., Chistova N.G., Shvetsov V.A., Zaripov Z.Z. Wood Waste Processing for the Wood-Fiber Panels Production. Vesnik KrasGAU [The Bulletin of KrasGAU], 2011, no. 4, pp. 288–291].
6. Коротаев Э.И., Симонов В.И. Производство строительных материалов из древесных отходов. М.: Лесн. пром-сть, 1972. 144 с. [Korotayev E.I., Simonov V.I. Production of Construction Materials from Wood Waste. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1972. 144 p.].
7. Мохирев А.П., Аксенов Н.В., Шеверев О.В. О рациональном природопользовании и эксплуатации ресурсов в Красноярском крае // Инж. вестн. Дона. 2014. № 4-1. Ст. № 20. [Mokhirev A.P., Aksenov N.V., Sheverev O.V. On the Rational Management and Exploitation of Resources in the Krasnoyarsk Region. Inzhenernyy vestnik Dona [Engineering Journal of Don], 2014, no. 4-1, art. 20].
8. Никишов В.Д. Комплексное использование древесины. М.: Лесн. пром-сть, 1985. 261 с. [Nikishov V.D. Integrated Wood Utilization. Moscow, Lesnaya promyshlennost’ Publ., 1985. 261 p.].
9. Чистова Н.Г., Петрушева Н.А., Алашкевич Ю.Д., Трофимук В.Н. Оптимизация процесса размола в производстве древесноволокнистых плит мокрым способом // Фундаментальные исследования. 2006. № 11. С. 38–40. [Chistova N.G., Petrusheva N.A., Alashkevich U.D., Trofimuk V.N. Optimization of Rifining Process in Wethardboard Production. Fundamental’nyye issledovaniya [Fundamental research], 2006, no. 11, pp. 38–40].
10. Bens O., Hüttl R.F. Energetic Utilisation of Wood as Biochemical Energy Carrier – A Contribution to the Utilisation of Waste Energy and Landuse. International Journal of Thermal Sciences, 2001, vol. 40, iss. 4, pp. 344–351. DOI: 10.1016/S1290-0729(00)01220-5
11. Chornyy O. Influence of the Bretton Woods Institutions on Economic Growth: Literature Survey for Transitional Economic Systems. Economics & Sociology, 2011, vol. 4, no. 2, pp. 32–41. DOI: 10.14254/2071-789X.2011/4-2/4
12. Fergusоn W. Why Wood Pulp is the World’s New Wonder Material. New Scientist, 2012, iss. 2878. 24 p.
13. Forests and Forestry in Sweden. Stockholm, KSLA, 2015. 24 p. Available at: https://www.skogsstyrelsen.se/globalassets/in-english/forests-and-forestry-in-sweden2015.pdf (accessed 22.06.19).
14. Goldstein J. Finding New Markets for Local Waste Wood. BioCycle, 2002, vol. 43, no. 12, pp. 30.
15. Hellen E. Beyond Paper and Board – Leap in Resource-Efficiency with Nanocellulose and New Forming Techniques. Forestcluster Ltd’s Annual Seminar. Helsinki, 2011. 25 p.
16. Mokhirev A.P., Pozdnyakova M.O., Medvedev S.O., Mammatov V.O. Assessment of Availability of Wood Resources Using Geographic Information and Analytical Systems (the Krasnoyarsk Territory as a Case Study). Journal of Applied Engineering Science, 2018, vol. 16, iss. 3, pp. 313–319. DOI: 10.5937/jaes16-16908
17. Shi S.Q., Gardner D., Pendleton D., Hoffard T. Timber Production from Reclaimed Creosote-Treated Wood Pilings: Economic Analysis and Quality Evaluation. Forest Products Journal, 2001, vol. 51, no. 11-12, pp. 45–50.
18. Wood Waste Reduction. Pollution Prevention Institute. Topeka, Kansas State University, 2006. 12 p.
19. Zozulya V.V., Sakhanov V.V., Medvedev S.O., Bezrukih Y.A., Romanchenko O.V. The Features of Industrial Modernization Management in Forest Complex. Proceedings of the 17th International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management (SGEM 17), Albena, Bulgaria, June 29 – July 5, 2017. Albena, SGEM, 2017, pp. 927–934.
20. Zozulya V.V., Romanchenko O.V., Zuykov A.V., Sergeeva A.Yu., Medvedev S.O., Zozulya I.V. Financial Stimulation of Forest Resources Deep Processing. Journal of Advanced Research in Law and Economics, 2017, vol. 8, no. 1, pp. 312–318.

Ссылка на английскую версию:

Modeling the Production Processes of Wood-Fiber Semi-Finished Products Aimed at Expansion of the Raw Material Base of Forest Enterprises

MODELING THE PRODUCTION PROCESSES OF WOOD-FIBER SEMI-FINISHED PRODUCTS AIMED AT EXPANSION OF THE RAW MATERIAL BASE OF FOREST ENTERPRISES

M.A. Zyryanov, Candidate of Engineering, Assoc. Prof.; ResearcherID: N-6950-2016,
ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4525-2124
S.O. Medvedev, Candidate of Economics; ResearcherID: N-8240-2016,
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7459-3150
Lesosibirsk Branch of Reshetnev Siberian State University of Science and Technology, ul. Pobedy Street, 29, Lesosibirsk, 662543, Russian Federation; e-mail: zuryanov13@mail.ru, medvedev_serega@mail.ru

Currently, materials made of wood-fiber semi-finished products are widely used in house building as structural, finishing and insulating materials. According to the results analysis of numerous studies, the raw material for their production is technological chips of woodworking waste. While production, the chips are subjected to hydrothermal treatment and further grinding in disk knife grinding machines in two stages. Significant energy consumption of the wood fiber production process is driven not only by grinding wood chips in stages, but
also by overcoming the hydrodynamic resistance of the aqueous environment, where grinding is carried out. The process of grinding wood chips, made of from chopping residues, in an aerodynamic medium on an upgraded cross-bar mill was studied in order to solve the
problem of expanding the raw material base for the production of a wood fiber semifinished product and reducing the energy intensity of the grinding process. The features of this process were analyzed and its effectiveness was assessed. The influence of the exposure
time of wood chips of chopping residues in an acetic acid solution, the size of the working gap and the angle of inclination of the front edge of the knife on the grinding degree and fractional quality of wood pulp grinding was determined. Statistical and mathematical equations, that describe the studied process, were obtained, and the graphical dependencies are constructed. The following basic requirement is fulfilled for the dependencies: the experimental points for a total should lie quite close to the curve. These equations allow predicting
the quality of wood pulp depending on the set modes of the grinding process; as well as determining the quality indicators of wood pulp with known values of the technological and structural parameters of the grinding machine. The efficiency of the process of obtaining the
wood-fiber semi-finished product in an aerodynamic environment from wood chips produced as a result of chopping residues (branches, twigs, etc.) processing in a mobile wood chipper, is proven.
For citation: Zyryanov M.A., Medvedev S.O. Modeling the Production Processes of WoodFiber Semi-Finished Products Aimed at Expansion of the Raw Material Base of Forest Enterprises. Lesnoy Zhurnal [Russian Forestry Journal], 2020, no. 5, pp. 176–183. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-5-176-183
Funding: The research was carried out with the support from the grant of the President of the Russian Federation for young scientists (candidates of sciences) МК-1902.2019.6; the project “Development and Implementation of an Effective Technology for Integrated Processing of Logging Waste” was supported by the Krasnoyarsk Regional Fund of support scientific and technical activities.

Keywords: fibrillation, grinding degree, chips, fiber, chopping residues, mathematical model, grinding.

Поступила 22.06.19 / Received on June 22, 2019