ТЕХНОЛОГИЯ ПИРОГЕНЕТИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ СУШКА ДРЕВЕСИНЫ

При естественной (воздушной) сушке. к:»к уже говорилось, со­держание влаги в древесине уменьшается очень медленно и даже при самых благоприятных условиях древесина становится сухой (15—20% влажности) только через полтора года после рубки.

Во избежание омертвления значительных средств, затраченных на заготовку древесины га тл. ччш долгий ерик пол гора года), приходится нерорабатыБаit сырую древесинv с влажностью 45% и выше. Чтобы переработка сырой древесины f-ьпа бо->ее выгод­ной, ее подвергают искуса венной сушке.

Дровяную древесину можно сушить при непрямом пли прямом се нагреве. В первом случае древесину нагревают через стенки реторты или калориферов, расположенных в камере сушки, за счет лучеиспускания и глапдкм оОрйчоч коггаехшкчшых токов газов И паров, имеющихся в реторте. Во и я ром случае древесину нагревают неиосрел:;генным соприкосновением ее с теплоноси­телем.

Зависимость искусственной сушки древесины от свойств нагревающих газов

При сушке происходит удаление влаги одновременно из поло - С1И клеток и из стенок клеток древесины; из псчлосьч клеток влага удаляется значительно скорее, чем из стенок клеток.

При высушивании древесины влага удаляется обычно при не­высоких температурах. Чтобы обеспечить при этом испарение

Влаги, необходимо древесину сушить в токе циркулирующего теп­лоносителя, не насыщенного парами воды. Известно, что тепло­носитель, находящийся непосредственно над влажной древесиной, всегда будет насыщен парами больше, чем вдали от нее, поэтому в процессе сушки между высушиваемой древесиной и окружающей средой всегда имеет место некоторая разность в концентрациях или в парциальных давлениях пара удаляемой влаги. Эта разность и обусловливает возможность испарения из древесины влаги при температуре ниже точки ее кипения.

Если применяется насыщенный теплоноситель, то древесину невозможно высушить полностью. В этом случае в древесине всегда остается некоторое количество влаги. Остающаяся при сушке вла­га носит название равновесной. Разность между первоначальным, общим содержанием влаги и равновесной влагой представляет так называемую свободную влагу.

Равновесная влажность в древесине не является величиной постоянной. Она зависит от температуры н относительной влаж­ности теплоносителя: чем выше температура и чем ниже относи­тельная влажность окружающего теплоносителя, тем меньше ве­личина равновесной влажности.

Относительное содержание влаги в нагревающих газах ока­зывает очень большее влияние на скорость сушки: чем оно ниже, тем быстрее и полнее сохнет древесина. Каждому относительному содержанию влаги в нагревающих газах при определенной тем­пературе их отвечает определенное равновесное содержание влаги в древесине, дальше которого сушка не идет.

Характер изменения равновесной влажности древесины и зави­симости от относительной влажности теплоносителя и темпера­туры показан на рис. 4. По этому рисунку видно, что если отно­сительное содержание влаги в газах одно и то же, а температура их неодинакова, то, чем выше эта температура, тем ниже равно­весное содержание влаги в древесине. Так, если относительное со­держание влаги в газах 100%, а температура их 100 и 21°, то рав­новесное содержание влаги в древесине будет 20% и 32% соот­ветственно.

По рис. 4 также видно, чю для абсолюшо сухою теплоносителя величина равновесной влажности равна нулю. Следовательно, при сушке совершенно сухим теплоносителем, древесину можно высу­шить полностью.

Сушка древесины чзлястсн процессом иеусхаиовившнмся, с из­меняющейся скоростью (рис. 5). На изменение скорости сушки в зависимости от времени сильно влияет изменение скорости движе­ния теплоносителя к относительная влажность теплоносителя. Ха­рактер изменения этих условий на практике определяется кон­структивными особенностями сушильного аппарата.

Сушка дров в сушилках непрерывного действия при постоян­
ных условиях внешней среды является относительно простым слу­чаем, однако и здесь скорость сушки не остается постоянной в те­чение всего процесса. Как правило, в начале процесса, при удалении свободной влаги, как видно из рис. 5, скорость сушки высока, затем она начинает падать и в конце сушки при удалении связанной влаги, становится весьма малой.

Если высушиваемые

Дрова разделаны на небольшие чурки и в начале сушки чурки обладали значительной влажностью, то удале­ние свободной влаги нз разделанных чурок про­исходит с постоянной скоростью (рис. 6, отре­зок Ab). Затем, начиная от точки Ь, представля­ющей собой первую кри­тическую точку, ско­рость удаления свобод­ной влаги уменьшается приблизительно по за­кону прямой линии (отрезок be). При удалении связанной влаги от точки с (соответствующей второй критической точке Кг на оси абсцисс), скорость сушки уменьшается по кривой cd и в конце кон­цов падает до нуля.

Если тот же обра­зец древесины сушить при более пониженной влажности теплоносите­ля, при большей скоро­сти его движения или при более высокой тем­пературе, то кривая Abed переместится вверх (показана пунктиром), однако общий вид ее не изменится.

Соответственно та­кому характеру измене­ния скорости высушива­
в течение которого изменение скорости сушки и влажности древе­сины происходит по закону прямой линии;

3) период внутренней диффузии, характеризующий испарение связанной влаги (участок со'), со скоростью сушки изменяющейся

По закону кривой ли­нии.

Очень часто при сушке большой массы чурок переходный пе­риод может отсутство­вать, как как па практи­ке в большинагве слу­чаев древесина посту­пает в сушку с разной начальной влажностью.

Период постоянной скорости сушки

Гпчка: г —вторая крптит сскал (/--равновесное В ПерИОД ПОСТОЯННОЙ

В4-г.»с,.л«.ржаив1- скорости СуШКИ, КЭК ПО-

Казывают наблюдения, вся поверхность древесины покрыта более или менее тонкой Пленкой воды. Такое состояние поверхности обусловливается тем, что влажность древесины в начале сушки очень высока и испа­ряющаяся с ее поверхности влага очень быстро возмещается за Счет диффузии свободной влаги из полосги клеток древесины.

Удаление воды в этот период подобно обычному процессу ис­парения с поверхности воды в потоке теплоносителя. На поверх­ности высушиваемой древесины имеется пограничный слой газо­вой пленки, препятствующий переходу влаги нз капилляров в теп­лоноситель. Такой пограничный слой возле древесины отличается от основной массы теплоносителя главным образом слоистым дви­жением газа без образования вихрей. Поэтому пар, образующийся на влажной поверхности древесины, прежде чем попасть в основ­Ную массу теплоносителя, должен продиффундировать через га­зовую пленку. Дальнейшее распространение пара в основную мас­су теплоносителя происходит уже сравнительно быстро в силу Имеющихся здесь конвекционных токов.

Таким образом, в первый период сушки скорость удаления во­ды из древесины определяется главным образом скоростью диф­фузии водяных паров через пограничную пленку. По этой причине первый период сушки, в течение которого происходи г удаление свободной б таги, пи жди называют периодом внешней диффузии, считая, «го окно1 :iu. v> коп солирующим условием за этот период кгпяетея дифф.<чя пара через внешнюю газовую пленку.

В первый п - рнод удаления свободной влаги, т. е. в период

Поверхностного испарения влаги, скорость сушки зависит от раз­ности парциальных давлении водяного пара над влажной поверх­ностью древесины и в окружающей среде, от скорости движения теплоносителя и от давления в полости камеры сушки. При пра­вильном подборе этих условий сушка идет быстро, и без образо­вания трещин в древесине.

При постоянной скорости сушки количество свободной влаги, удаляемой с наружной поверхности куска древесины в виде пара, равно количеству влаги, диффундиру ющеи из полости клеток дре­весины на ее поверхность. Испарение свободной влаги по такому закону происходит до тех пор, пока относительное содержание влаги в древесине не достигнет 23%. Скорость испарения влаги в этот период сушки тем больше, чем меньше насыщен теплоно­ситель и чем больше скорость его движения.

Поэтому в основу процесса сушки древесины должен быть положен такой метод, который полностью удовлетворял бы ос­новным положениям правильного ведения сушки. С этой целью в выходном конце камеры сушки должна быть обеспечена высо­кая температура и интенсивная скорость циркуляции теплоноси­теля. Во входном конце камеры должна быть низкая темпера­тура и более высокая относительная влажность теплоносителя, вследствие чего, как показывает опыт, будет иметь место частич­ная конденсация паров воды, содержащихся в отработанном теплоносителе, на загруженных в вагонетку дровах. Такая конден­сация полезна для процесса сушки древесины, так как она уско­ряет предварительный нагрев древесины за счет скрытой теплоты конденсации паров воды и, следовательно, улучшает процесс суш­ки древесины.

Промежуточный период сушки

Переход от периода испарения свободной влаги из полос)л клеток к периоду испарения связанной влаги, т. е. к периоду вну­тренней диффузии, не всегда можно заметить, особенно если куски высушиваемой древесины имеют разные размеры. В этом случае скорость испарения свободной влаги из крупных кусков, находящихся в центре вагонетки, начинает уменьшаться значи­тельно ранее, еще до достижения первой критической точки. Уменьшение скорости сушки, при удалении свободной влаги из полости клеток, наблюдается при понижении содержания в дре­весине влаги от 30 до 23%. Таким образом, этот период можно назвать промежуточным или переходным. В начале его, когда значительная часть поверхности древесины еще остается влажной, основным условием, определяющим скорость сушки, является диф­фузия пара через газовую пленку; в конце этого периода, когда почти вся поверхность древесины становится сухой, скорость сушки определяется внутренней диффузей.

Как уже указывалось, в течение первого периода сушки вся поверхность высушиваемой древесины покрыта слоем воды. Но с некоторого момента на поверхности древесины начинают появ­Ляться уже относительно сухие отдельные участки. Момент появ­ления этих островков соответствует первой критической точке Ki На оси абсцисс (рис. 6).

Образовавшиеся сухие островки в дальнейшем все увеличива­ются по площади. В связи с этим, очевидно, величина поверхно­сти куска древесины, покрытой жидкой пленкой, начинает умень­шаться, а следовательно, уменьшается и скорость испарения. Этим уменьшением поверхности, с которой происходит испарение, и обусловливается падение скорости сушки во второй ее период. Ме­ханизм удаления влаги в основном тот же, что и в начале сушки и, следовательно, скорость сушки во втором периоде изменяется по такому же закону, как и в период поверхностного испарения.

Во втором периоде сушки происходит уменьшение поверхности, покрытой жидкой пленкой. Очевидно, в некоторый момент вся поверхность древесины окажется относительно сухой. Этот мо­мент соответствует второй критической точке Кг на оси абсцисс (рис. 6).

Период внутренней диффузии

Процесс сушки не заканчивается во втором периоде. К концу второго периода в основной массе куска, в его порах остается зна­чительное количество влаги. Удаление этой влаги соответствует периоду, когда скорость сушки изменяется по закону кривой ли­нии. Это — третий период сушки. В первом и во втором периодах сушки вода испарялась прямо с поверхности. В третьем периоде влага, прежде чем испариться, должна продиффундировать из внутренних слоев на поверхность.

Начало внутренней диффузии соответствует содержанию вла­ги в древесине приблизительно в 23%.

В начале третьего периода диффузия воды обычно происходит без особой трудности. Однако по мере высушивания древесины скорость диффузии настолько снижается, что на поверхности дре­весины образуется сухой слой. Таким образом, главным условием, от которого зависит скорость сушки в третьем периоде, является диффузия воды внутри высушиваемой древесины. По сравнению со значением диффузии, задерживающая роль газовой пленки теперь становится незначительной. Точно так лее скорость тепло­носителя и парциальное давление водяного пара оказывают на процесс лишь второстепенное влияние.

Следует отметить, что на практике при сушке древесины не всегда имеют место все три периода. Так, если на сушку посту­пает влажная древесина и высушивание производится до содер­жания влаги менее 23%, то имеют место все три периода. Если на сушку поступает древесина с небольшим содержанием влаги, например, меньше 30%, первый период отсутствует.

Температура нагрева теплоносителя

Для сушки дров в промышленных условиях следует применять отработанные продукты горения (от юй или другой установки) с примесью воздуха или возвращаемого отработанного теплоно­сителя для понижения их температуры до требуемой величины, определяемой конструкцией сушилки и условиями сушки.

Чем выше температура теплоносителя, тем быстрее сохнет Влажная древесина. Однако нельзя брать температуру нагреваю­щих газов слишком высокой, так как высокая температура ведет к неравномерно!! сушке одного и того же образца древесины, на­ружные слон которого могут высохнуть до абсолютно сухого со­стояния, а внутренние в это время могут содержать еще влагу. Вследствие образования сухого наружного слоя выделение влаги изнутри куска древесины затруднится, что поведет к образова­нию, в особенности в еловой древесине, множества трещин, сни­жающих прочность получающегося угля.

Если в нагревающих газах есть в достаточном количестве сво­бодный кислород, то высохшая древесина при температуре выше 200" легко загорается. Во избежание загорания дров при их суш­ке теплоносителем, поступающим в сушилку при температуре вы'- ше 200°, целесообразно применять рециркуляцию газов, при ко­торой древесину не следует нагревать выше 120", так как при дальнейшем повышении температуры начинается частичное раз~- ложение гемицеллюлоз древесины с выделением уксусной кисло­ты. Если сушка идет в отдельной камере, то выделившаяся уксус­ная кислота будет потеряна для производства.

Условия, влияющие на скорость сушки в промышленных печах

Конечное содержание влаги в древесине при выходе из камеры сушки

Количество влаги в древесине во время пиролиза оказывает большое влияние на производительность печи, на расход топлива, на качество конденсата, на выход и механическую прочность угля. Чем выше влажность древесины, тем дольше время пребывания вагонеток с древесиной в печи, а следовательно, тем меньше про­изводительность последней, и больше расход топлива. При пиро­лизе влажной древесины вся влага переходит в конденсат, вслед­ствие чего жидкие погоны получаются с пониженной концентра­цией ценных органических веществ, дальнейшее извлечение ко­торых будет связано с большим расходом водяного пара >и воды на испарение и охлаждение, с большим объемом аппаратуры для переработки разбавленных конденсатов. Выход товарной продук­ции вследствие этого окажется меньшим.

Производительность печи с увеличением влажности высуши­ваемой древесины падает. Вследствие этого возрастает время пре­бывания в печи дров и угля, а следовательно, и время контакта неконденсирующихся газов или парогазов с образовавшимся уг­лем. Излишнее же время действия на уголь парогазов или некон­денсирующихся газов вызывает частичное иссечение угля парога - зами, уменьшение выхода угля и понижение его механической прочности. Поэтому желательно древесину перед поступлением в печь предварительно высушивать в отдельной, независимой от печи, камере сушки до возможно меньшей влажности.

О наиболее выгодном содержании влаги в древесине при обу­гливании в промышленных печах нет достаточно веских указа­ний. Обычно считают, что при пиролизе древесины в аппаратах периодического действия наиболее выгодное относительное содер­жание влаги в древесине должно быть в пределах 20—25%. Объясняют это тем, что при такой влажности пиролиз древесины протекает более спокойно, без резкого повышения температуры и без бурного выделения парогазов в период экзотермической, ре­акции.

Такие доводы, однако, экспериментально не подтверждены, п, если они и правильны, то только для таких печей, в которых пи­ролиз протекает за счет нагрева древесины естественными кон­векционными токами парогазовой смеси, нагревающейся возле металлических стенок реторт или калориферов, расположенных в камере пиролиза. В печах с искусственной циркуляцией, по на­шему мнению, можно применять древесину с содержанием влаги до 10% без сколько-нибудь заметного нарушения нормального технологического режима и без ухудшения качества угля и пони­жения выхода продуктов обугливания.

Удаление влаги из древесины сравнительно легко происходит до периода снижения влажное ш до 20%. С дальнейшим пониже­нием влажности сушка затрудняется, расход тепла на 1 кг испа­ряемой влаги увеличивается. Ускорение сушки в этом случае связано с повышением температуры пли с увеличением количества - циркулирующего теплоносителя. При неизменном же режиме рез­ко снижается производительность печи.

При использовании в качестве теплоносителя отработанных продуктов горения, например, от рекуператора или реторт, имеется предел снижению содержания влаги в древесине. Этот предел обусловливается тем, что количество и температура отходящих продуктов горения зависят от производительности печи. Чем вы­ше производительность печи, тем больше получается продуктов горения и тем выше их температура при выходе из рекуператора или реторты.

Увеличение же производительности печи при определенных размерах камер сушки и обугливания вызывает, кроме увеличе­ния расхода топлива, уменьшение времени пребывания древе­сины в камере сушки и печи. Уменьшение времени пребывания древесины в камере сушки неизбежно вызывает повышение со­держания влаги в высушенной древесине. Поступление более влажней древесины в печь тотчас же сказывается на температур­ном режиме печи и производительность ее снижается. Поэтому во всех печах для обугливания древесины, имеющих камеру для предварительной сушки, с применением для сушки отработанных продуктов горения от рекуператоров, снизить содержание в дре­весине влаги ниже определенного предела, без устройства для этой цел:; специальной топки, нельзя.

Этот предел зависит от начального содержания влаги в дре­весине, от производительности печи, от размеров печи и камеры сушки и от конструкции сушилки.

При ритмично;"; работе сушилки непрерывного действия с ре­циркуляционным процессом, при продолжительности пребывания древесины в камере сушки 20 час. и при использовании! теплоты отработанных продуктов горения от рекуператоров содержание влаги в древесине можно снизить: при сушке березовой древе­сины— с 45—50 до 15—18%. а поп сушке сосновой — с 45—50 до 10—12%.

Движение теплоносителя в камере сушки может быть как по принципу противотока, так и — иапаллетьиого тока. Наиболее вы­годные условия сушки, обеспечивающие максимально возможную производительность сушильной камеры, наименьшее содержание в высушенных дровах влаги и наименьший расход теплоносителя, это условия сушки по принципу противотока.

Движение теплоносителя в камере сушки

Циркуляция теплоносителя вокруг отдельных поленьев или чурок, загружаемых в вагонетки, зависит от способа распределе­ния теплоносителя в камере сушки л от распределения дров в ка­мере сушки.

Если камера сушки туннельная, с вагонетками, то подвод теп­лоносителя должен быть сосредоточен не на длине одной ваго­нетки, а на длине нескольких вагонеток, с равномерным распре­делением его из газохода под каждой вагонеткой. При таком под­воде теплоносителя получается хорошая омываемость отдельных поленьев или чурок, находящихся в вагонетках.

4 В. Н, Козлов, А. А. Нимвицкий

При подводе теплоносителя через ряд щелей, расположенных под дном вагонетки, главная масса теплоносителя, вследствие большой скорости движения в щелях, проходит через промежутки между отдельными поленьями, тем самым способствуя ускорению сушки древесины.

Скорость сушки отдельного полена в вагонетке зависит от скорости циркуляции теплоносителя вокруг полена. Чурки, нахо­дящиеся в середине вагонетки, сохнут значительно медленнее, чем чурки вверху вагонетки. В верхних горизонтах вагонеток древе­сина быстро сохнет потому, что часть теплоносителя поступает вверх по свободному пространству между стенкой камеры сушки и вагонеткой и поэтому парогазовая фаза вверху менее насыщена парами, чем в промежутках между отдельными чурками в сере­дине вагонетки.

Разница в скорости сушки чурок, находящихся в верхних и средних горизонтах вагонеток, вполне понятна, если учесть, что движение влаги в древесине при сушке происходит в сторону уменьшения парциального давления, т. е. из внутренних слоев древесины, имеющих большее содержание влаги, к наружным, с меньшим ее содержанием. Поэтому скорость сушки тем больше, чем меньше парциальное давление паров воды в тепло­носителе.

Вследствие того, что газовая фаза в промежутках между чур­ками, находящимися в вагонетках, более насыщена парами, чем наверху под сводом или в свободном пространстве между стенкой камеры сушки и вагонетками, то сушка чурок, находящихся в се­редине вагонеток, происходит значительно медленнее, чем чурок, находящихся снаружи, по бокам. Поэтому, чтобы избежать боль­шой разницы влагосодержания в древесине, находящейся в раз­ных местах вагонеток, необходимо создать хорошую циркуляцию теплоносителя в свободных промежутках между отдельными чур­ками в вагонетках.

Хорошая циркуляция теплоносителя увеличивает скорость ис­парения влаги с поверхности чурок, ускоряет продвижение влаги из внутренних слоев древесины к наружным и этим увеличивает скорость сушки всей массы загруженных в вагонетки чурок. Этим и можно объяснить, что в сушилке туннельного типа с возвратом отработанного теплоносителя для понижения температуры тепло­носителя при вступлении его в камеру сушки, разница в содер­жании влаги в древесине, находящейся в центре вагонетки и в древесине, находящейся по бокам ее, незначительна. Так, сосно­вая чурка с начальной влажностью 45,5%, загруженная в середи­ну вагонетки, через 24 часа высыхает до 14,3% влажности, а чур­ка от того же полена, но загруженная наверх вагонетки, — то 11,5%.

Размер поленьев

Б пеколо'юн древесине движение влаги происходит при сушке в двух направлениях: по длине волокон и в радиальном, а в рас - колоюи — в трех направлениях: по длине волокон, в радиальном и в тангентальном.

Скорость испарения во всех трех направлениях неодинакова: наименьшая — в радиальном направлении и наибольшая — по длине волокон.

Особенно медленно сохнут нерасколотые кругляки, кора с ко­торых не снята.

Раскалывая полено, мы тем самым увеличиваем поверхность испарения и, следовательно, способствуем увеличению скорости сушки.

Чем толще полено, тем труднее его высушить. Объясняется это тем, что главное затруднение при сушке древесины заклю­чается не в испарении влаги с поверхности полена, а в продвиже­нии влаги из внутренних слоев древесины к наружным. Эта труд­ность возрастает по мере того, как содержание влаги в древе­сине уменьшается.

Таким образом, колотая древесина сохнет лучше, чем неколо­тая, ра спиленная на чурки — лучше, чем нераспиленная. Поэтому при загрузке в сушилку дров разной разделки невозможно до­стигнуть в период сушки одинакового содержания влаги в дровах. Это обстоятельство указывает на необходимость равномерной раз­делки дров на чурки.

На практике в сушку поступает древесина весьма неоднород­ной как по размерам отдельных кусков, так и по качеству. В об­щей массе поступивших в камеру сушки дров можно найти дре­весину тонкую и колотую, толстую неколотую, здоровую и по­врежденную гнилыо. Такая неоднородность создает большие трудности для установления правильного режима работы сушиль­ных камер и термического разложения древесины.

Поэтому при разделке необходимо тщательно сортировать дре­весину как по породам, так и по качеству. Совершенно не следует обугливать пораженную гнилыо древесину. При загрузке в ваго­нетки древесины нельзя допускать, даже в незначительном коли­честве, примеси гнилой древесины. При наличии в вагонетке даже одной гнилой чурки возможно самовозгорание угля при его выгрузке из камеры тушения, что приведет к получению мусори - стого угля пониженной механической прочности.

Начальное содержание влаги в древесине

Продолжительность сушки древесины определяется скоростью диффузии влаги, которая тем больше, чем больше начальное со­держание в древесине влаги. В начале процесса сушки влажной древесины скорость сушки постоянна. При постоянной скорости сушки скорость продвижения влаги из внутренних слоев древе­сины равна скорости испарения с ее поверхности. Если скорость испарспия с поверхности древесины больше скорости продвижения влаги, то скорость сушки будет постепенно уменьшаться.

Скорость с шки тем больше, чем меньше стенок клеток прохо­дит частица воды па пути изнутри куска древесины к его поверх­ности. Д. тинные оси клеток параллельны оси ствола или ветви, из которых взят кусок древесины. Поэтому на пути, параллельном оси куска, встречается всего меньше стенок клеток, преграждаю­щих путь, и скорость испарения влаги с поперечного разреза го­раздо больше, чем с продольного радиального или таш сптального раскола. Больше всего препятствует сушке кора.

Скорость сушки зависит от качества и породы древесины, от размеров общей массы загруженных поленьев и их положения в камере сушки, от температуры и скорссл; циркуляции теплоноси­теля, от влажности теплоносителя при входе и выходе его из су­шильной камеры и ог других условии. Продолжительность пребы­вания древесины в синильной камере, а следовательно, и произ­водительность последней — это функция скорости сушки, причем, чем больше скорость сушки, тем больше производительность су­шильной камеры при прочих равных условиях.