Пути увеличения эффективности сушки

О.О. Пинчевская, В.С. Коваль, НУБиП Украины

Древесина является наиболее экологически чистым материалом на планете, но известно, что около 70 % энергии, необходимой для переработки древесины, приходится на сушку. Подсчитано, что это составляет 15–20 % от потребления во всех отраслях. Этот процесс ограничен законами термодинамики и далеко не всегда эффективен.

Существуют также и другие ограничения, затрудняющие процесс сушки. Они связаны с видом конечной продукции. Для некоторых плотных пород древесины необходим длительный срок сушки, причем выведение связанной влаги происходит значительно медленнее, чем свободной. Желание получить продукт насыщенного естественного цвета заставляет проводить сушку некоторых пород древесины в течение длительного периода при низкой температуре.

Проблемы с сушкой древесины начинаются не на участке распиловки круглого леса. Существует множество пород древесины, среди которых сотни видов - это промышленные породы. Кроме того, есть много ценных пород, которые сейчас приобретают спрос на рынке. Все они растут в разных регионах, некоторые виды произрастают за пределами 30 ° - 40 ° северной широты, некоторые - на высоте 3000 м над уровнем моря. Даже в одном регионе имеются значительные различия между породами и в пределах одной породы. Итак, сушильный процесс осложняется большой вариативностью пород древесины, ее свойств как биологического материала, что исключает возможность унификации.

Даже после завершения процесса сложности не заканчиваются, поскольку многие проблемы в использовании изделий из древесины связаны с тем, что при перевозке изделий из одного региона в другой, а также в зависимости от сезона может изменяться влажность окружающей среды. Определенные технологии в деревянном домостроении, мебельном производстве и других деревообрабатывающих направлениях используют гигроскопическую способность древесины, которая впоследствии ощущается при эксплуатации готовых объектов.

Существует немало факторов, отражающихся на сушке древесины. На многие из них повлиять невозможно, но располагая информацией об их изменении и влиянии на ход проведения процесса, можно заранее предсказать его качество и себестоимость. По мнению M.R. Milota (2010) такие факторы можно разделить на социальные, экологические и технологические.

Социальные факторы

Мировой финансовый кризис, а в Украине к этому присоединилась политико-экономическая нестабильная ситуация, повлиявшая на финансовый поток, который, в свою очередь, отвернулся от прикладных исследований. Со стороны промышленности также наблюдается спад активности, она гораздо меньше стала сотрудничать с исследовательскими организациями. Это не хорошо, потому что идеи должны внедряться в жизнь.

Правительственные программы главным образом нацелены на специфические сферы, поскольку законодатели стремятся иметь больше контроля над результатами. Приоритетным направлением в Украине сейчас является изготовление так называемой биомассы или биотоплива. Это не способствует фундаментальным исследованиям в области сушки древесины.

Мировые правительственные организации, предоставляющие гранты, измеряют успех исследования, основываясь на влияниях на окружающую среду. Кроме того, преимущество в оказании финансирования предоставляется тем проектам, которые позволяют получить немедленный результат, что довольно трудно продемонстрировать в сушке, где технологии используются десятки или даже сотни лет. По сравнению с другими направлениями, которые могут появляться или исчезать на протяжении жизни одного человека, сушка сильно проигрывает.

С другой стороны - затраты энергии. Сейчас это очень важная тема, и сушка должна иметь большой потенциал в этой сфере из-за ее высокого потребления. Однако трудно получить финансирование для внедрения технологии, которая еще не до конца проверена. Это заставляет исследователей, работающих над пилотными проектами, демонстрировать технологию после доведения концепции в лаборатории. Вместо того чтобы ввести проект в эксплуатацию сразу после проведения исследования, необходимо работать еще и над оформлением проекта для получения финансирования на уже защищенную концепцию. Подобные проекты чаще финансирует промышленность, а не правительственные программы, поэтому исследователи вынуждены сначала знакомить промышленников со своими проектами и защищать идеи. Почти полное отсутствие специализированных научно-исследовательских лабораторий в нашей стране, оснащенных современным оборудованием, ограниченное количество специалистов порождает появление «докторов π» и в области сушки древесины.

Использование органического топлива будет увеличиваться и, возможно, ограничит его наличие. А значит, возникнет потребность в биомассе, которая в настоящее время используется как источник энергии для многих сушильных камер, и в других секторах деревообрабатывающей промышленности (плитном, бумажном). Рост стоимости биомассы увеличит затраты на сушку. В то же время повышение стандартов жизни ужесточит требования к деревянным изделиям, большинство из которых изготавливается из высушенной древесины. Это спровоцирует поиск энергосберегающих способов сушки.

На Западе наблюдается слияние мультинациональных компаний, хотя в то же время рядом с консолидированными компаниями работают малые лесопилки. Бревна, которые поступают на предприятия, могут быть привезены из различных регионов и, соответственно, значительно отличаться по своим свойствам. Это усложняет работу операторов сушильных камер.

Украина экспортирует много круглого леса, который затем возвращается к нам в виде изделий с большой добавленной стоимостью -- мебели, напольных покрытий, деталей домостроения. Кроме того, на рынке сегодня широко представлена так называемая биологически чистая мебель азиатского происхождения. Не следует забывать, что изготовлена она из древесины, которая росла в условиях влажного тропического климата, а затем транспортировалась водным путем. Эксплуатация таких изделий в отапливаемых помещениях приводит к их быстрому (в течение одного-двух лет) деформированию и разрушению.

Американские компании, которые могут получать сухую древесину из восточной части страны, часто отправляют ее морем в Китай, где, используя преимущества дешевой рабочей силы, изготавливают мебель и везут ее обратно морем в США. Содержание влаги в древесине во время такого перемещения изменяется, что приводит к возникновению дефектов при продаже и эксплуатации мебели в более сухих регионах.

Чтобы избежать таких проблем, компании должны иметь в штате специалиста, который хорошо разбирается в строении и свойствах древесины. Кроме того, следует принимать во внимание возможное ухудшение экологической чистоты древесины и изделия после преодоления значительного расстояния, а также ущерб, наносимый при такой перевозке среде за счет расходов органического топлива.

Вместе с тем на Западе набирает силу тенденция производить изделия на местах. В Украине для этого существует программа поддержки отечественного производителя. Реклама призывает граждан покупать продукты питания местного изготовления. Это, с одной стороны, поддерживает экономику страны и региона, а с другой - хорошо сказывается на экологии,  так как в этом случае используется меньше топлива для перевозки, следовательно, меньше загрязняется окружающая среда. Однако в нашей сфере потребитель пока отдает предпочтение мебели и паркету зарубежного производства.

Владельцы маленьких земельных участков и небольших пилорам пытаются развить местные рынки для своей продукции даже при отсутствии поддержки государства. Они никогда не будут соперничать с крупными фабриками в мощности производства, но что касается мебели и потребительских товаров с высокой добавленной стоимостью, то потребитель должен чувствовать определенную гордость, что его обеденный стол был выращен и произведен на родине.

Экологические факторы

Ведется много дискуссий об изменении климата, парниковом эффекте, выбросах углекислого газа и т.д., а также о необходимости использования нейтральных видов выработки энергии. Это глобальные вопросы, и они касаются не только деревообрабатывающей промышленности. Использование биомассы как источника возобновляемой энергии крайне важно для внедрения и реализации новых проектов на предприятиях переработки древесины.

Наличие органического топлива не предполагается увеличивать, его стоимость не будет снижаться, а углеродный выброс из органического топлива не станет меньше без глобальных технологических изменений. Это повлияет на технологии, использующие органическое топливо для сушки, делая ее слишком дорогой.

Между тем, сушка, в которой используется тепло от биотоплива, будет со временем все больше дорожать, поскольку другие отрасли промышленности пытаются также использовать это топливо. Высокие энергетические затраты на сушку поставят вопрос о торговле углеродом. Разрешенный выброс углерода будет уменьшен с помощью системы «cap and trade systems».

Считается, что леса являются поглотителями углекислого газа, однако их роль в уменьшении углеродного выброса неоднозначна и зависит от того, о каких функциях леса идет речь. С одной стороны, в случае накопления углерода в лесах сохраняется чистая вода, животный мир, эстетика, получаемые продукты лесоводства и биотопливо. Кроме того, улучшается здоровье лесов за счет использования в качестве биотоплива больных деревьев, веток, отходов санитарных рубок и уменьшается использования органического топлива.

С другой стороны, если лесистость будет больше, может возрасти количество предприятий с вредными выбросами, поэтому в Европе не поддерживают «СО2 кредиты».

Когда для сушки используется биомасса, ее просто сжигают и питают сушильную камеру, нагревают бойлер, запускают турбину т.п. Каждый из этих процессов имеет разные побочные продукты, эффективность и выбросы. Следовательно, встает нерешенный вопрос: что лучше для окружающей среды - сжигание биомассы или транспортировка древесного сырья для переработки в другие регионы с меньшим развитием промышленности (при этом сжигается бензин). Выход не очевиден. То, что оптимально для одного региона, может не срабатывать в другом.

Если лесную биомассу считать биотопливом по стандартам возобновляемой энергии, то, скорее всего, будет наблюдаться рост когенерации на перерабатывающих предприятиях. Это будет источником тепла при сушке. Если позволять использовать леса как накопители для торговли углеродом, то, вероятно, станет труднее получать лесную биомассу, что усложнит использование будущего топлива. То есть чем больше будет лесистость, тем больше кредитов за уменьшение выбросов СО2, незагрязнение окружающей среды и тем меньшей будет переработка.

Технологические факторы

Сегодня есть возможность заглядывать внутрь объектов с помощью томографии, как на макро-, так и на клеточном уровне. Компьютерные технологии продолжают совершенствоваться и уже достигли того предела, где больше нет ограничений для приложения усилий. Компьютерное моделирование позволяет воспроизводить многие процессы, не проводя настоящих экспериментов.

Однако для того чтобы использовать моделирование и тестирование на компьютере, нужно обладать информацией о свойствах материалов. Еще многое предстоит узнать о поведении древесины, особенно что касается влияния температуры и влажности в сушке. Кроме того, древесина разнообразна, ее свойства имеют значительную изменчивость. В процессе сушки корректировка его ограничивается образцами, которые сушатся медленнее и наиболее вероятно не отражают реальной картины. Моделирование должно учитывать это разнообразие.

Понятно, что нельзя решить все мировые проблемы с помощью лучшей сушки, однако можно внести свой вклад различными способами. Если принять во внимание значение сушки во всех отраслях и количество энергии, потребляемой для сушки продуктов древесины, то видно, что почти незаменима сушка с минимальным потреблением энергии и уменьшенным воздействием на окружающую среду. Высокое качество сушки и в дальнейшем будет оставаться крайне важным, поскольку древесина используется во все более сложных конструкциях.

Во многих процессах сушки древесины уже используют топливо из биомассы. Те, кто еще этого не делает, вынуждены будут перейти на этот вид топлива. Экономические ограничения могут вынудить к этому шагу, поскольку стоимость ископаемого топлива растет. Топливо из биомассы уже имеется на месте производства, поэтому транспортные расходы минимальны, как и выбросы углерода по сравнению с теми, которые происходят при доставке топлива.

На Западе все больше производителей тепловой и электрической энергии в деревообрабатывающих компаниях работают в тесной связи с сушильными предприятиями. Малые производители энергии избегают потерь мощности этой энергии при передаче. Проектные планы по увеличению электрической мощности из биомассы, ветра, волн, солнца иногда рушатся из-за стоимости или юридических аспектов, связанных со строительством электростанций.

В Украине из альтернативных источников энергии, используемых для сушки древесины, пока доступна только биомасса в виде опилок, отходов деревообработки. Непосредственных производителей тепловой энергии тоже нет, следовательно, деревообрабатывающие предприятия сами производят энергию, сжигая отходы собственного производства.

Сегодня существует потребность в дальнейших исследованиях по сушке биомассы. Если ее нужно транспортировать, то сушка и прессование могут сократить расходы на перевозку, кроме того снижение уровня влаги необходимо для выделения газа. Даже для прямого воспламенения и выработки энергии предварительная сушка топлива может увеличить эффективность нагревателя. Уже есть множество производителей топливных гранул и брикетов, продукция которых пользуется спросом за рубежом.

Для эффективного использования биотоплива необходимы исследования по созданию эффективных малозатратных сушилок различной мощности, уменьшению выбросов, а также сбору фундаментальной информации, необходимой для строительства сушилок.

Поскольку выбросы углерода стали товаром, то необходимо проведение пожизненного анализа изделий из древесины. Сушка в большой степени влияет на результаты этого анализа. Если налоги на выбросы углерода станут выше, то необходимо будет создание сушильного оборудования, в котором бы использовались другие технологии, не практикующиеся в настоящее время.