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.
35 30 25 Го '5 Ю 5 О |
|
! |
|
|
|
|
1 |
I |
|
|
J |
|
|
|
|
|
|
I, |
|
I __ ;__ |
|
|
|
|
|
'A |
|
|
|
|
№'C |
2t°C |
/ |
/ |
||
|
I ; |
|
/ |
/ Г / |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
P^-r-l i i ! .j.... ; ... ! _J |
|
|
||||
Рис. 4. Равновесие между влагосодержани - Ем дерева л влажность» окружающей среды |
«а |
§ |
Ясность Воздуха |
Рис. 5 Скорость сушки древесины |
А % ; 3 ! Е? |
В'оемя |
Ния весь процесс сушки можно разбить на три периода (рис. 6): 1) период постоянной скорости сушки, или период поверхностного испарения свободной влаги (участок Ab) 2) промежуточный или переходной период сушки (участок be), |
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.
Dw 1Г |
-УГ |
/ |
/ |
(с, // |
/у |
KZ'20 Кг35 А! о W |
Рис. 6. Благосодержанне древесины .1Н.1П "" . 1'ЛП П " Я Г/О Г Г. 1 f> •■>•-!.••! Ч Г1 • h__________________ ГТ1-1 ГШ" II i/fti:i4H!;.fM. |
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.
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).
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.