Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы
1.1 Общая схема подготовки древесины Ю
1.2 Рубительные машины
1.2.1 Рубительная машина «Норман» 12
1.2.2 Рубительная машина «HHQ»
1.3 Геометрия рубки щепы 15
1.4 Сортирование щепы 18
1.5 Методы определения качества щепы 20
1.6 Влияние размеров щепы на результаты варки целлюлозы 1.6.1 Толщина щепы 23
1.6.2 Длина и ширина щепы 25
1.6.3 Содержание мелкой и крупной фракций в композиции щепы 25
1.6.4 Влияние качества щепы на прочность целлюлозы 1.7 Схема подготовки древесины ОАО «Соломбальский ЦБК» 28
1.8 Выводы по обзору литературы и постановка задачи исследования 30
2 Методическая часть 34
2.1 Варка сульфатной целлюлозы 34
2.2 Анализ варочных растворов 34
2.3 Анализ целлюлозы
2.3.1 Анализ химического состава целлюлозы 35
2.3.2 Размол целлюлозы
2.3.3 Изготовление отливок
2.3.4 Определение стандартных характеристик прочности целлюлозы 36
2.3.5 Определение фундаментальных (по Кларку) свойств волокна 2.3.5.1 Определение размеров волокон и фракционного состава по дайне волокна 3 6
2.3.5.2 Определение межволоконных сил связи 37
2.3.5.3 Определение собственной прочности волокна 37
2.3.6 Определение характеристик жесткости и деформативности 38
2.3.6.1 Получение и математическая обработка кривой зависимости «напряжение-деформация» 38
2.3.6.2 Определение жесткости при изгибе
41 3 Экспериментальная часть 42
3.1 Анализ фракционного состава щепы от машин «Норман» и «HHQ» 42
3.1.1 Анализ отдельных фракций щепы ОАО «Соломбальский ЛДК», 44 ОАО «Архангельский ЦБК»
3.1.2 Анализ отдельных фракций щепы лесозавода А 45
3.1.3 Анализ отдельных фракций щепы лесозавода Б 46
3.1.4 Анализ отдельных фракций щепы лесозавода В 46
3.1.5 Выводы по разделу
3.1 3.2 Влияние основных факторов варки на выход и число Каппа целлюлозы 48
3.2.1 Выводы по разделу
3.2 62
3.3 Исследование фундаментальных и прочностных характеристик полученных образцов целлюлозы 63
3.3.1 Исследование фундаментальных и прочностных характеристик образцов целлюлозы, полученных из щепы машины «Норман» 63
3.3.2 Исследование фундаментальных и прочностных характеристик образцов целлюлозы, полученных из щепы машины «HHQ» 71
3.3.3 Свойства отливок образцов целлюлозы, полученных из щепы машин «Норман» и «HHQ» 76
3.3.4 Деформационные характеристики образцов целлюлозы, полученных из щепы машин «Норман» и «HHQ» 77
3.3.5 Выводы по разделу 3.3 81
3.4 Оценка влияния фракционного состава щепы согласно ГОСТ 15815-83
и SCAN-CM 40:01 на характеристики целлюлозы 83
3.4.1 Выводы по разделу 3.4 93
4. Рекомендации по организации древесно-подготовительного производства ОАО «Соломбальский ЦБК» 94
5 Общие выводы 98
Библиографический список
- Рубительная машина «HHQ»
- Анализ химического состава целлюлозы
- Анализ отдельных фракций щепы ОАО «Соломбальский ЛДК», 44 ОАО «Архангельский ЦБК»
- Исследование фундаментальных и прочностных характеристик образцов целлюлозы, полученных из щепы машины «Норман»
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время мировая целлюлозно-бумажная промышленность развивается в направлении создания экологически безопасных технологических процессов и улучшения качества выпускаемой продукции. Важнейшую роль при этом играет начальная стадия процесса производства целлюлозы - подготовка древесины. Поступающее на комбинат древесное сырье отличается разнообразием, а древесно-подготовительное производство предназначено для того, чтобы минимизировать существующие вариации и интегрировать материал ь основной процесс.
Проблемы приготовления щепы для производства целлюлозы привлекают большое внимание производственников и исследователей, поскольку качество сырья оказывает основное влияние на режим варки целлюлозы, ее выход, количество отходов сортирования, прочностные свойства полуфабриката и, в конечном итоге, на себестоимость продукции. Доля древесного сырья в себестоимости целлюлозы составляет не менее 50 %, поэтому проведение комплексного исследования влияния качества щепы на свойства полуфабрикатов является весьма актуальным.
На большинстве целлюлозно-бумажных предприятий действующие дре-весно-биржевые производства имеют срок эксплуатации около 40 лет, а отдельные комбинаты вообще не имеют в своем составе полноценного производства щепы, которое бы отвечало требованиям современной технологии. К таким предприятиям относится ОАО «Соломбальский ЦБК», обеспечение сырьем которого полностью складывалось из поставок привозной щепы от лесопильных заводов области. Спад в лесопромышленном комплексе в начале 1990-х гг. привел к сокращению объемов выпуска продукции на предприятии. В данный момент на крупных российских предприятиях разрабатываются и реализуются проекты по строительству новых древесно-биржевых производств.
К настоящему времени предложена новая конструкция рубительных машин типа «HHQ», которая, по данным разработчиков, обеспечивает лучшее качество щепы. Вместе с тем в литературе не представлены в достаточном объеме данные по влиянию качественных характеристик щепы от машин нового поколения, в том числе «HHQ», на варочный процесс, фундаментальные, деформационные и прочностные характеристики целлюлозы.
Все вышеизложенное свидетельствует о необходимости проведения исследований, направленных на оценку качества щепы, получаемой на новых машинах, и сравнения этих качественных характеристик с качеством щепы, получаемой на машинах, которые традиционно используются на российских предприятиях.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей диссертационной работы является комплексное исследование влияния качества щепы, получаемой на различных рубительных машинах, на варочный процесс, фундаментальные свойства волокна, деформационные и прочностные характеристики целлюлозы.
Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Исследование качественных показателей хвойной щепы от базовой для российских предприятий рубительной машины «Норман» и машины нового поколения «HHQ».
-
Исследование влияния фракционного состава щепы от рубительных машин «Норман» и «HHQ» на процесс сульфатной варки и качественные показатели хвойной целлюлозы в зависимости от изменяющихся условий варки.
-
Сравнительный анализ физико-механических характеристик образцов целлюлозы, полученных из щепы от машин старого и нового поколения.
-
Количественная оценка влияния фракционного состава щепы, полученной при использовании методик ГОСТ 15815-83 и SCAN-CM 40:01, на характеристики целлюлозы.
-
Разработка на основе результатов эксперимента рекомендаций и технико-экономического обоснования организации современного древесно-подготовительного производства.
Научная новизна. Установлены закономерности влияния качества щепы от рубительной машины нового поколения «HHQ» на процесс сульфатной варки и качественные характеристики хвойной и лиственной целлюлозы. Показано, что целлюлоза, полученная при варке щепы от машины «HHQ», имеет большую длину волокна и более высокую прочность волокна.
Доказано, что методика определения фракционного состава щепы SCAN-CM 40:01, позволяющая контролировать содержание «толстой» фракции, является предпочтительной для оценки качества щепы и оптимизации режима работы рубительной машины.
Практическая ценность. Усовершенствован режим сульфатной варки с использованием щепы, полученной на рубительной машине «HHQ», позволяющий повысить качественные характеристики целлюлозы и снизить расход активной щелочи на 1...5 %. По результатам исследований разработана проектно-сметная документация по проекту «Строительство древесно-биржевого производства ОАО «Соломбальский ЦБК», годовой экономический эффект от реализации проекта составляет около 160 млн. рублей.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на международных, всероссийских и региональных конференциях в городах: Санкт-Петербург (2007), Стокгольм (2008), Караваево (2009), Архангельск (2009).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 6 научных работ, в том числе 2 в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, методической части, экспериментальной части, включающей 4 главы, общих выводов, рекомендаций, библиографического списка, четырех приложений. Содержание работы изложено на 141 странице, включая 39 рисунков и 15 таблиц, библиографический список содержит 129 наименований.
Автором выносятся на защиту следующие основные положения диссертационной работы;
-
Сравнительные данные по фракционному составу щепы, полученной на рубительных машинах «Норман» и «HHQ».
-
Закономерности влияния фракционного состава щепы машин «Норман» и «HHQ» и параметров варки на выход и число Каппа сульфатной хвойной целлюлозы.
-
Установленные корреляционные зависимости между фракционным составом щепы машин «Норман» и «HHQ» и фундаментальными, деформационными и прочностями характеристиками хвойной сульфатной небеленой целлюлозы.
-
Предложение по замене методики ГОСТ 15815-83, используемой в настоящее время на российских предприятиях для анализа фракционного состава технологической щепы, на методику SCAN-CM 40:01.
Рубительная машина «HHQ»
Для своего времени, начало 1960-х гг., конструкция машины «Норман» имела значительные преимущества перед остальными машинами. Главной ее особенностью была конструкция ножевого диска. Все известные до того времени машины имели ножевые диски с прямой поверхностью между выступающими из нее ножами. Диск машины «Норман» имел геликоидальную форму. При подаче бревна через патрон к винтообразной поверхности диска рубка происходила непрерывно и бревно находилось непрерывно под действием не менее двух ножей, чем устранялось подскакивание его в патроне. Режущее действие ножа происходило не в вертикальной плоскости, а следуя ходу винта. До этого в машинах обычной конструкции в момент рубки бревно сильно прижималось к поверхности ножа, причем давление вызывало изменение формы отруба.
Машина «Норман» одинаково применима как для рубки бревен, так и отходов лесопиления, и может работать без использования механического подающего устройства. Отвод получаемой щепы из кожуха машины происходит вниз через отверстие в фундаментной плите [13]. За период с 1959 по 1984 гг. на предприятия бывшего СССР было поставлено 47 машин «Норман» [14].
В период с 1970 г. по 1990-х гг. конструкции рубительных машин не претерпевали значительных изменений, в результате получаемая щепа содержала достаточно большое количество мелочи (щепы шириной 5 мм и менее) и опилка. 1.2.2 Губительная машина «HHQ»
Особенностями машины «HHQ» являются высокая производительность и условия рубки щепы. Наличие горизонгального загрузочного транспортера позволяет регулировать скорость подачи древесины на рубку и ориентировать балансы по ходу транспортера. Ширина загрузочного паїрона, в зависимости от типоразмера машины составляет от 590 до 975 мм, что позволяет осуществлять одновременную рубку нескольких балансов по всей ширине контр-ножа «в один слой», при этом на рубку могут подаваться как короткомер, так и хлысты. Безударная разгрузка щепы в бункер-выравниватель сводит к минимуму образование мелочи и опилка. Получаемая щепа имеет квадратную форму и небольшую толщину [15].
Начиная с 2001 г. 39 машин «HHQ» были поставлены на заводы Финляндии, Бразилии, Индонезии, 2 машины эксплуатируются на российских комбинатах. Самая большая рубительная машина такого типа имеет производительность 500 пл. м3/час при диаметре диска 3870 мм и 18 установленных ножах [16].
Несмотря на--, появление на рынке новых высокопроизводительных рубительных машин; на российских комбинатах в эксплуатации остается; большое количество машин старых типов: «HQ», «GS», «МРН», «Кархула», «Блэк-Клаусен» со средней часовой производительностью до -120 плотных м щепы,. введенных в эксплуатацию в период с 1970-х по 1990-е тт. [19]i с наклонной подачей балансов и верхним; выносом щепы через циклон. Полученная на этих машинах щепа имеет низкое качество - повышенное содержание; щепы крупной и мелкой фракции.
На геометрические размеры щепы непосредственное влияние оказывают конструкция рубительной; машины, установка ее основных элементов, скорость рубки, состояние ножей и другие факторы рубки;
На рисунке 1.4 показан поперечный разрез диска рубительной машины, на рисунке 1.5 представлен образец щепы. Считается, что хвойная щепа для условий: сульфатной варки должна иметь длину 25 ±3 мм и толщину 4 мм, для производства механических масс — 20 ± 2; и 3 мм. Щепа? из лиственных пород древесины должна иметь длину 20 ±2 мми толщину Змм [20].
Угол, под которым ствол древесины входит в область рубки, называется углом рубки или углом наклона патрона є. Угол є оказывает большое влияние на качество щепы: с его увеличением растет содержание мелкой фракции щепы, щепа становится толще при постоянной длине и увеличивается ее насыпная плотность. Уменьшение угла є приводит к уменьшению насыпной плотности щепы, при этом увеличивается площадь рубки, что снижает возможности рубительной машины перерабатывать баланс максимально возможного диаметра. По данным исследования Wang и Gullichsen величина угла є оказывает существенное влияние на прочностные свойства целлюлозы, меньшее - на процесс варки. Причем прочностные свойства целлюлозы увеличиваются с ростом угла є [21]. Обычно угол рубки принимают равным 30. У рубительной машины «Норман-66» угол наклона патрона составляет 38, у «HHQ» є = 32.
Величина дополнительного угла X влияет на толщину щепы. Угол X составляет угол между передней (торцевой) поверхностью ножа и поверхностью, перпендикулярной направлению волокон древесины. В отличие от величины выступа ножа и, которую можно менять в зависимости от требуемой длины щепы, угол X утверждается при проектировании рубительной машины. С увеличением угла А, уменьшается толщина щепы-.. Традиционные: машины имеют угол А, равным, 10-14, что соответствует выработке: щепы с длиной 24 мм; и толщиной ; 4,4 мм: Машины нового поколения?производят щепу толщинош3 4 мм[22].
На качество щепы; влияние оказывает скорость рубки: с увеличением скорости рубки; возрастает количество щепы мелкой- фракции [23-25]. Содержание мелочи- и опилка: увеличивается в два-раза при увеличенишскоростих 15 доЗО м/с. Уменьшение скорости: рубки снижает производительность машины, растет количество щепы; крупной фракции. Большинство современных машин имеют оптимальную; скорость рубки? около: 20? м/с. Установка большого числа ножей в .машинах нового поколения? позволяет снизить скорость рубки и свести содержание мелочи ю минимуму..
Часть, рубительной? машины;., которая,- находится ві непосредственном» контакте:с древесиной?выходе:рубки и испытывает наибольший:;износ, - нож..При? рубкещепыважен неугол заточкиножа р, адополнительный уголсЯ;. Угол Р;влияет лишь=на износ: ножа: чем; меньше угол; Р;,тем; больше износ: ножа: [26].. Установка: ножадолжнабытьвыполненатаким образом., чтобы: наклон наружной гранигножа в вертикальной плоскости был минимальный; т.е:. угол, затягивания? 4- 1-2,, на практике же, угол ; =;- 6-8. Обычно: угол р составляет от 32 до 40, количество устанавливаемых: на машине ножей; составляет от 6 до 16 шт. в; зависимости: от производительности, длины щепы, и диаметра:диска-, [27]. Угол заточки ножей; на машине «Норман» составляет 32, Ha?«HHQ» р = 35.
Ножи изготавливаются- из легированной; стали. Износ: режущей: кромки ножей, в том числе контр-ножа, влечет за собой; увеличение; содержания в щепе мелочи и опилка, снижает производительность = машины, поэтому ножи требуют регулярной заточки. По данным исследования ;НЬгт изношенные ножи приводят кс образованию в 2 раза большего количества мелочи и опилка, чем вновь заточенные [28]. При выработке более: короткой щепы, и = 16- мм, образуется лишь на 1 % больше мелочи; и значительно меньшее: количество-щепы крупной фракции, чем при производстве более длинной щепы, и = 22 мм. При рубке:окоренной древесины: ножи могут переработать до 3 тыс. пл. м древесины. Таким образом, интервал: между заменами ножей составляет от 8 до 16 часов в зависимости от производительности машины [29]. Толщина диска машины составляет от 80 до 220 мм. Со стороны загрузки баланса на диск крепятся расходные листы. Данные листы предохраняют диск от износа, а также используются для регулирования длины щепы [30, 31].
Кроме того, качество щепы зависит от климатических условий. В условиях низких температурах древесина становится хрупкой, что при рубке приводит к увеличению содержания мелкой фракции щепы. При скорости рубки 30 м/с и температуре + 15 С содержание мелкой фракции составляет 4 % и опилка - 1 %, при температуре - 30 С - 7 и 2,5 %, соответственно. Повышение скорости рубки до 40 м/с увеличивает содержание указанных фракций в 2 раза. Поэтому в холодное время года принято изменять установку ножей на рубительной машине таким образом, чтобы увеличить длину получаемой щепы [32].
При влажности древесины около 30 % увеличивается нагрузка на двигатели и возрастает потребление электроэнергии, при этом уменьшается толщина щепы, увеличивается содержание опилка [33].
Подача на рубку короткого тонкомера приводит к образованию большого количества мелочи и опилок более 15 и 8 %, соответственно, в то время как при подаче нормальных балансов содержание мелочи и опилка составляет 7 и 2 %, соответственно [34].
Исходя из вышеизложенного, для создания наилучшей конструкции рубительной машины необходимо иметь угол рубки є = 30, низкую скорость рубки около 20 м/с, которая частично достигается за счет позиционирования режущей поверхности ближе к центру диска [35], безударную разгрузку щепы, а также использовать высокопрочные материалы для изготовления ножей.
Анализ химического состава целлюлозы
Основные исследования влияния качества щепы на варочный процесс и свойства целлюлозы проводились в период с 1970-х по середину 1990 гг. Отсутствие крупных исследований в этой области начиная с 2000 г. может свидетельствовать о том, что сейчас подобные работы проводятся поставщиками технологического оборудования, которые изучают влияние геометрии рубки на качество щепы и процесс проведения современных модифицированных варок [102-107]. Из-за высокой конкуренции между поставщиками оборудования подробности исследований становятся коммерческой тайной, а на суд заказчиков выносится лишь интересующий их результат - снижение потерь древесины, повышение качества щепы, увеличение выхода целлюлозы, снижение расходов топливно-энергетических ресурсов, химикатов, сокращения расходов на содержание оборудования, снижение себестоимости готовой продукции.
Проведенный анализ литературных данных позволяет сделать следующие выводы:
1. Достаточно высокий уровень развития технологии подготовки древесины дает возможность вводить в эксплуатацию цеха для переработки до 3 миллионов плотных м3 древесины в год. В процесс подаются балансы длиной от 4 до 6 м с обязательной предварительной разморозкой/промывкой древесины и последующей массовой окоркой.
2. Для выработки щепы на новых производствах, в том числе в России, устанавливают рубительные машины типа «HHQ» с горизонтальной загрузкой балансов и безударной разгрузкой щепы. В то же время, на большинстве действующих деревообрабатывающих предприятиях, которые поставляют щепу на целлюлозно-бумажные комбинаты, в эксплуатации находятся машины «Норман».
3. На качество получаемой щепы основное влияние оказывает конструкция рубительной машины. Для получения щепы наилучшего качества необходимо устанавливать угол рубки равным 30.. .32, дополнительный угол - от 10 до 14, низкую скорость рубки около 20 м/с, безударную разгрузку щепы, производить своевременную замену ножей. Этим требованиям соответствует рубительная машина «HHQ».
4. Установка на участках сортирования щепы помимо гирационных сортировок дополнительных плоских сортировок позволяет вывести из процесса утолщенную щепу и, тем самым, улучшить варочный процесс, повысить качественные показатели целлюлозы. Однако при этом увеличивается количество отходов сортирования и возрастает удельный расход древесины на варку.
5. В России качественные показатели щепы оценивают по ГОСТ 15815-83, в Скандинавии - по SCAN-CM 40:01. На зарубежных предприятиях для анализа щепы, подаваемой на варку, используют как лабораторные анализаторы, так и их оптические аналоги. На российских предприятиях для текущего контроля качества щепы используют только лабораторные анализаторы согласно ГОСТ 15815-83. При этом отсутствуют данные о сравнении вышеуказанных методов оценки и влиянии метода оценки качества щепы на конечный результат варки. 6. Из всех геометрических размеров щепы толщина является определяющим фактором однородности делигнификации. Большинство исследователей сходятся во мнении, что в результате варки тонкой щепы 2-3 мм получается целлюлоза с низкими значениями числа Каппа и лучшими прочностными показателями. Длина щепы влияет на среднюю длину волокна целлюлозы и не должна быть меньше 15 мм.
7. В отдельных работах рассматривается вопрос влияния качества щепы на прочностные показатели качества целлюлозы и делается вывод о том, что только равномерная по составу щепа с низким содержанием мелочи и/или крупной фракции щепы позволяет получить целлюлозу с хорошими прочностными показателями.
8. На большинстве . целлюлозно-бумажных предприятий действующие древесно-биржевые производства имеют срок эксплуатации около 40 лет, а отдельные комбинаты, к которым относится ОАО «Соломбальский ЦБК», вообще не имеют в своем составе полноценного производства щепы, которое бы отвечало требованиям современной технологии. Поэтому на большинстве крупных российских предприятий разрабатываются и реализуются проекты по строительству новых древесно-биржевых производств. Вместе с тем, в литературе не представлены в достаточном количестве данные по влиянию качественных характеристик щепы от машин нового поколения на варочный процесс, фундаментальные, деформационные и прочностные характеристики целлюлозы.
Целью настоящей диссертационной работы является комплексное исследование влияния качества щепы, получаемой на различных рубительных машинах, на варочный процесс, фундаментальные свойства волокна, деформационные и прочностные характеристики целлюлозы.
Для достижения данной цели были поставлены и решались следующие задачи: 1. Исследование качественных показателей хвойной щепы от базовой для российских предприятий рубительной машины «Норман» и машины нового поколения «HHQ». 2. Исследование влияния фракционного состава щепы от рубительных машин «Норман» и «HHQ» на процесс сульфатной варки и качественные показатели хвойной целлюлозы в зависимости от изменяющихся условий варки. 3. Сравнительный анализ физико-механических характеристик образцов целлюлозы, полученных из щепы от машин старого и нового поколения. 4. Количественная оценка влияния фракционного состава щепы, полученной при использовании методик ГОСТ 15815-83 и SCAN-CM 40:01, на характеристики целлюлозы. 5. Разработка на основе результатов эксперимента рекомендаций и технико-экономического обоснования организации современного
Анализ отдельных фракций щепы ОАО «Соломбальский ЛДК», 44 ОАО «Архангельский ЦБК»
Состав щепы данного поставщика также соответствует требованиям стандарта, при этом содержание нормальной фракции составляет 88,4 %. Анализ состава отдельных фракций щепы представлен на рисунке А5.
Остаток на сите 30 представляет собой щепу длиной 28...37 мм при ширине практически равной длине. Толщина щепы этой фракции 6...7 мм, то есть полностью превышает рекомендованные размеры.
Остаток на сите 20 имеет преобладающую длину (80 %) 24...28 мм при ширине 20.. .22 мм, толщина щепы 3 мм.
Остаток на сите 10 полностью представлен щепой, имеющей длину 20 мм при ширине 10... 13 мм и толщине 3 мм. Остаток на сите 5 при вполне удовлетворительной длине щепы 17...22 мм и обычной для этой фракции толщине имеет ширину 3...5 мм, то есть эта фракция также представляет собой «спички», толщина 2 мм.
1. Анализ фракционного состава образцов щепы показал, что по формальному признаку они соответствуют требованиям, которые предъявляются-ГОСТ 15815-83 к щепе для производства сульфатной целлюлозы. В то же время, при более точной оценке качества щепы (измерение длины, толщины, ширина и угла среза) установлено, что качественные показатели щепы, поставляемой на ОАО «Соломбальский ЦБК» различными поставщиками от рубительных машин «Норман», имеют существенные отличия. Таким образом, при соблюдении условий эксплуатации данного типа машин, может быть полученаї щепа с высокими качественными показателями: длина 25 мм, толщина нормальной фракции 3...4 мм при-содержании нормальной фракции 88...91 % после сортирования (ОАО «Соломбальский ЛДК» и лесозавод Б).
2. Установлено, что качество щепы, полученной на рубительной машине «HHQ», не отличается от показателей качества щепы от машин «Норман» при условии соблюдения режима эксплуатации. При этом, качество щепы от машины «HHQ» позволяет исключить процесс сортирования из схемы подготовки щепы для некоторых сортов целлюлозы, поскольку содержание нормальной фракции в этой щепе составляет 85 %. Для несортированной щепы данного типа рубительной машины характерны существенные отличия во фракционном составе для остатков на ситах 20 и 10: в остатке на сите 20 отмечено высокое содержание щепы толщиной более 4 мм (80 %).
3. Показано, что для щепы, полученной на рубительной машине «Норман» лесозавода В, остатки на ситах 20 и 10 имеют практически одинаковые размеры (длина 20...23 мм, толщина 3 мм), что позволяет считать качество щепы, поставляемое этим предприятием наиболее высоким. В то же время по качественному составу фракций с сит 30 и 5 преимущество имеет щепа»от «HHQ»: длина остатка с сита 30- 34...37 мм при толщине 6 мм, а с сита 5 - 21.. .23 мм при толщине 2 мм. 3.2 Влияние основных факторов варки на выход и число Каппа целлюлозы
С целью определения влияния основных факторов сульфатной варки на выход и основные показатели целлюлозы были проведены лабораторные варки с использованием щепы от машин «HHQ» ОАО «Архангельский ЦБК» и «Норман» ОАО «Соломбальский ЛДК».
Для получения уравнений регрессии, позволяющих оценить влияние факторов варки, вида рубительной машины и фракционного состава щепы на качество полуфабрикатов, был проведен планированный эксперимент на основе четырехфакторного униформ-ротатабельного плана второго порядка Бокса-Хантера [128]. В качестве переменных факторов эксперимента были приняты:
Оцениваемыми выходными параметрами эксперимента являлись основные показатели целлюлозы после варки - общий выход, выход СЦ, число Каппа, а также остаточная щелочность и содержание СВ в черном щелоке. Уровни варьирования факторов приведены в таблице 3.4. Таблица 3.4 - Уровни варьирования исследуемых факторов
Факторы ДобавкамелочиF,% ТемпературастоянкиГ, С Расход реагента Продолжительность стоянки/, мин
Звездное плечо (а = 2,000) Максимум (+а) Минимум (-а) 501000 50 172,5 162,5 8 28,0 12,0 6018060 Изменение фракционного состава в ходе эксперимента производилось следующим образом: к щепе нормальной фракции (остатки на ситах 20 и 10 мм) добавлялась щепа с сита 5 мм, то есть мелкая фракция. Использование добавки мелкой фракции в эксперименте обусловлено тем, что именно эта фракция, по существующему мнению, создает наибольшие затруднения при варке. Интервал изменения содержания мелкой фракции, принятый в, эксперименте, позволял провести сравнение влияния добавки мелочи от машин «HHQ» и «Норман» на варочный; процесс. Выбор в качестве изменяющегося параметра доли мелкой фракции также объясняется тем, что по данным приведенного выше анализа (см. таблицу 3.2, 3.3) качество этой фракции для обеих рубительных машин практически одинаково и составляет 6,4-6,5 %. Кроме того, согласно литературных данных [35, 89)90, 94]; присутствие мелкой фракции в большей степени должно влиять на качество целлюлозы.
Лабораторные варки проводились при ГМ 4, продолжительности подъема до максимальной температуры 90 минут, приначальной температуре 100 С. В результате варок были получены., образцы целлюлозы с числом Каппа 18 -... 50. Остальные условия проведения эксперимента и полученные результаты в случае использования щепы от «HHQ» и «Норман» представлены в таблицах 3.5, 3.6, соответственно.
Исследование фундаментальных и прочностных характеристик образцов целлюлозы, полученных из щепы машины «Норман»
Из приведенных в таблице 3.13 данных видно, что в случае хвойной ГОСТ-щепы при увеличении содержания мелкой фракции общий выход целлюлозы оставался почти неизменным и составлял 48.. .49 %, выход СЦ имел наибольшее значение, равное 42.. .43 %, при содержании в композиции мелкой щепы 75... 100 %. В случае хвойной SCAN-щепы при увеличении содержания в щепе мелкой фракции общий выход целлюлозы также оставался неизменным и составлял 48.. .49 %, выход же СЦ имел наибольшие значения 46.. .48 % при содержании в щепе 50 и 100 % мелкой фракции. Полученные образцы хвойной целлюлозы имели близкие значения числа Каппа 38...41. Таким образом, исключение при фракционировании по методике SCAN «толстой» щепы снизило влияние добавки мелкой фракции на выход и количество непровара и существенно снизило величину непровара.
Общий выход и выход СЦ целлюлозы был выше значений, полученных для хвойной целлюлозы, на 3-5 % по объективным причинам: содержание целлюлозы в хвойной древесине меньше, чем в лиственной и составляет 43 и 46 %, соответственно [129]. В случае лиственной ГОСТ-щепы повышение общего выхода наблюдалось при добавке мелкой фракции в количестве 25-75 %, что сопровождалось повышением числа Каппа целлюлозы до 26.. .29. При варке щепы, отфракционированной по методике ГОСТ, не содержащей мелкой фракции были получены образцы целлюлозы с более низким значением числа Каппа 18 при значительном количестве непровара 4,4 %. Варка щепы, содержащей 100% мелкой фракции, позволила получить образцы целлюлозы с теми же значениями числа Каппа, при этом непровар отсутствовал.
При варке лиственной щепы, отфракционированной по методике SCAN, в целом, были получены образцы целлюлозы с более низкими значениями числа Каппа, то есть исключение «толстой» щепы также оказывает влияние на варку. Для этой щепы был существенно ниже выход непровара.
Необходимо отметить, что выход сортированной целлюлозы во всех 4-х случаях был наибольшим при варке 100 % мелкой фракции щепы (хвойная целлюлоза - 44,0 %, лиственная 48,5 %), следовательно, образование непровара при использовании щепы с толщиной 2 мм было минимальным, по сравнению с варкой щепы толщиной 4 мм. Сделанные выводы подтверждаются данными в графическом виде на рисунке 3.37.
Как следует из данных таблицы 3.14, увеличение содержания мелкой фракции в ГОСТ- и SCAN-хвойной щепе привело к уменьшению средней длины волокна, причем в случае SCAN-щепы эта закономерность прослеживалась более заметно. Это может быть связано с тем, что средняя длина SCAN-щепы мелкой фракции составляет 22 мм, а крупной - 26 мм. Снижение доли крупной фракции в ГОСТ-щепе приводит к увеличению межволоконных сил связи, с максимумом при содержании мелкой фракции 50 %, что также справедливо для SCAN-щепы. Прочность волокна, которая характеризуется нулевой разрывной длиной, снижается на 2000 м с увеличением содержания мелкой фракции в ГОСТ-щепе и на 1000 м в случае SCAN-щепы.
Изменение композиции щепы почти не отразилось на значениях разрывной длины, которая изменялась в обоих случаях в пределах 5 %. Сопротивление продавливанию для ГОСТ- и SCAN-щепы имело максимальные значения 620 и 650 кПа при низком содержании в композиции мелкой фракции - 0...25 %, наоборот сопротивление раздиранию - при 100% мелкой фракции: 920 и 960 кПа, соответственно. Деформационные показатели качества были максимальны при содержании мелкой фракции 25-50 %.
Для лиственной целлюлозы (см. таблицу 3.15) увеличение содержания мелкой фракции в ГОСТ- и SCAN-щепе, как и в случае хвойной целлюлозы, привело к снижению средней длины волокна целлюлозы, причем наибольшая длина волокна 1,2 мм достигается при содержании крупной фракции 75 %. Уменьшение содержания крупной фракции в ГОСТ-щепе привело к некоторому увеличению межволоконных сил связи, с максимумом при остаточном содержании крупной фракции 25 %, что справедливо для SCAN- и ГОСТ-щепы. Нулевая разрывная длина снижалась с увеличением доли мелочи, особенно после доли мелкой фракции 50 %.
Показатель разрывной длины имел максимальные значения 10000 м как для ГОСТ-щепы, так и для SCAN-щепы, при содержании мелкой фракции 0...25 %. Сопротивление продавливанию для ГОСТ- и SCAN-щепы имело максимальные значения при содержании в композиции мелкой фракции 50 % - 340 и 370 кПа, соответственно, а сопротивление раздиранию до 740...750 мН при 100 % мелкой фракции.
Жесткость при изгибе для ГОСТ- и SCAN-щепы имело максимальное значение при 100 % мелкой фракции, модуль упругости при изгибе - при 50 % мелкой фракции. В целом можно сказать, что деформационные показатели целлюлозы как в случае хвойной, так и лиственной щепы, в меньшей степени изменялись в условиях проведенного эксперимента.
На рисунках 3.38 и 3.39 приведены графические зависимости изменения фундаментальных и прочностных характеристик хвойной и лиственной целлюлозы Ьсрвзв, Fce, LQ, П, R, L ОТ добавки мелкой фракции для ГОСТ- и SCAN-щепы. Среднев»веш енная длина волокна
