Обзор технологических комплексов сушки шишек и извлечения семян хвойных пород деревьев

Введение. На сегодняшний день в Красноярском крае, как и на всей территории Россий- ской Федерации, наблюдается дефицит посадочного материала для восстановления лесного фонда. Ежегодной проблемой стали природные пожары, освобождающие большие территории от зеленого богатства России – лесов. Помимо пожаров существуют другие факторы, способствующие сокращению, такие как сплошная вырубка леса, болезни, усыхание лесов, техногенные выбросы. За 2001–2016 гг. Россия стала первой среди стран с наибольшими потерями леса, где среднегодовые потери лесных территорий стали составлять более 4,4 тыс. га. Требуется лесное воспроизводство за счет проведения лесовосстановительных работ и ухода за лесами. В 2013 г. заработала государственная программа «Развитие лесного хозяйства на 2013–2020 годы», где остро встал вопрос о повышении эффективности и качества лесовосстановления и продуктивности лесов [2].

Лесозаготовка и лесопереработка являются самыми технически оснащенными структурами в лесном хозяйстве. Но в направлении разработки технологий для проведения лесовосстановительных работ наблюдается другая ситуация. Производство машин и технологических линий находится на низком уровне, так как существующие мощности и оборудование хозяйств, занимающихся лесовосстановлением, – это оборудование 60-х, 70-х гг. [8]. В последние годы, в связи с истощением лесного фонда РФ, возникла потребность в производстве специальных технологических линий и лесохозяйственных машин. Данное оборудование должно соответствовать существующим стандартам и включать в себя современные технологии, обеспечивающие снижение материальных, энерго- и трудозатрат и соответствующие мировым экологическим стандартам.

Цель исследования : провести обзор и дать оценку эффективности существующим технологическим комплексам для извлечения семян из шишек и сушки семян хвойных пород деревьев.

Задачи исследования :

• 1.    Произвести поиск и анализ технологических комплексов для сушки шишек и извлечения семян.

• 2.    Сравнить технологические комплексы, оценить производительность и скорость сушки шишек.

Методика и результаты исследования

Сбор лесосеменного сырья шишек производится после созревания семян. Их влажность в это время составляет около 20–25 %, а семена плотно закрыты чешуйками в шишке. Подготовка семян к посеву заключается в извлечении семян из шишек, обескрыливании, очистке, просушке до влажности 10 %. Все эти этапы являются энергозатратными. Главной задачей при извлечении семян является сохранение их качественных характеристик. Основными способами извлечения семян хвойных пород деревьев являются: извлечение семян при естественных условиях; искусственное создание условий, способствующих раскрытию шишки и извлечению семян [3].

На сегодняшний день лесные хозяйства России извлекают семена из шишек двумя основными методами: термическим и механическим. Переработка лесосеменного сырья механическим способом представляет собой дробление и измельчение шишки и отделение семян из раздробленной массы. Такой метод получения семян является малоэффективным: после дроб- ления необходимо отсеять семена от полученной массы, провести инспекцию семян на повреждения и просушить до необходимой влажности. Все эти этапы являются энерго- и трудозатратными и говорят о малой эффективности использования такой технологии.

Термическим методом извлекают семена из шишек в шишкосушилках. Различают три типа шишкосушилок: стеллажные, барабанные и шахтные. Шишки сушат при температуре от 40 до 60 °C, в зависимости от породы дерева. Сушка, в зависимости от влажности и размера шишки, продолжается в течение 8–36 ч при постоянном удалении водяных паров воздушным потоком. Для раскрытия шишки и извлечения семян необходимо, чтобы влажность шишек составляла 10 %.

Творческим внедренческим предприятием «Новатор» разработаны комплекты оборудования для сушки шишек и извлечения семян [4]. В комплект КСШ-01, КСШ-02 входит шишкосушил-ка ШС-200 и специальный прутковый барабан БП-01 (рис. 1).

Рис. 1. Комплекс для сушки и извлечения семян из шишек КСШ-01

Температура в камере – от 40 до 80 °С, в зависимости от породы дерева. Продолжительность сушки составляет от 8 до 24 ч. Водяные пары удаляются циркулирующим воздухом, который подогревается водяным или электрическим калорифером. Сушильная камера снабжена датчиками температуры и влажности. Предварительно очищают сырые шишки в прутковом барабане БП-1, далее их засыпают через загрузочный люк в шишкосушилку ШС-200 равномерным слоем. Подсушивание шишек происходит в течение 3-4 ч, при этом калорифер установлен на минимальную мощность. Далее жалюзная полка, где находились шишки, открывается, и подсушенные шишки пересыпаются в отсек сушки, а в отсек, где происходит подсушивание шишек, засыпается новая партия сырых шишек (рис. 2). Сушка шишек продолжается 3-4 ч при максимальной мощности. Окончательный этап сушки продолжается еще 3-4 ч. Сухие шишки извлекают через нижний лоток и загружают в барабан БП-01, где происходит извлечение семян и очистка от крылатки.

Производительность комплекса КСШ-01 составляет 220 кг за цикл сушки (от 40 до 60 кг на лоток). Установленная мощность шишкосушил- ки ШС-200 составляет 10 кВт, средняя произво- дительность – 14 кг/ч.

(T) - отсек загруки арых шишек и предварительной падсуики

(2) - отсек предварительной сушки

(3)- отсек суши

@ - отсел окончательной сушки и Выгрузки сухих шишек

(5) - полки решетчатые жалюзийного типа

Рис. 2. Технология сушки в шишкосушилке ШС-200

Также на российском рынке пользуются спросом сушильные шкафы производства компании BCC (Швеция), которые представлены двумя моделями стандартной серии DL600 и крупной DL1200 (рис. 3).

Рис. 3. Сушильные шкафы BCC (Швеция) серии DL600 и DL1200

Эти сушильные комплексы отличаются тем, что в них используется активное охлаждение (испаритель, удаляющий влагу из продуваемого воздуха и снижающий его температуру). Представленная технология позволяет производить сушку семян в мягком режиме, не нарушая биологическую систему семян. Сушильные ком- плексы DL 600 и DL1200 также используют для сушки семян, фруктов, ягод, пыльцы и других продуктов. Сушка сырья в сушильном комплексе длится 8–40 ч при температуре 40–60 °С, в зависимости от породы дерева. Производительность DL600 составляет для сырых шишек сосны до 125 кг за цикл (4–10 ч.) в зависимости от начальной влажности [5]. Установленная мощность DL600 составляет 8,75 кВт, а производительность – 21 кг/ч сырых шишек.

Для сушки шишек на российском рынке представлен мобильный комплекс СУ-1 (рис. 4)

• [6]. Комплекс предназначен для проведения сушки сырья на месте сбора. Сушилка представляет собой теплоизолирующий корпус, в центре которого установлен сетчатый барабан, куда засыпаются шишки (рис. 5).

  

  Рис. 4. Мобильный сушильный комплекс СУ-1

  
  
  

  Рис. 5. Сетчатый барабан мобильного сушильного комплекса СУ-1

  
  

Нагрев воздуха в установке производится с помощью электрокалорифера. Температурный режим при сушке шишек контролируется при помощи термодатчиков, установленных в камере сушки. Для контроля влажности используется звуковая сигнализация, сообщающая о стадии сушки. Время сушки в мобильном комплексе составляет 12–24 ч. Производительность сушилки за цикл составляет до 225 кг сырых шишек. За сутки можно получить до 20 кг сосновых семян [6]. Мощность мобильного комплекса СУ-1 составляет 5 кВт. В среднем за час обрабатывается до 16 кг сырых шишек.

Компанией «Лесхозмаш» разработана малогабаритная сушилка СМ-45 (рис. 6) [7].

Сушилка представляет собой металлический корпус, где установлено девять ярусов сетчатых стеллажей. Для лучшей циркуляции воздуха стеллажи имеют различную ширину. Система нагрева и циркуляции воздуха включает в себя 3 вентилятора с нагревательным элементом. Комплекс имеет четыре заданные программы работы сушилки. Время сушки составляет от 8 до 12 ч. Производительность сушилки СМ-45 составляет до 45 кг сырых шишек за цикл сушки. Потребляемая мощность сушилки СМ-45 составляет 6,5 кВт, средняя производительность – 4,5 кг/ч.

Сотрудниками Красноярского ГАУ (г. Красноярск) разработана экспериментальная установ- ка для проведения сушки шишек и семян хвойных пород деревьев (рис. 7) [1]. На основании проведенных экспериментов было установлено, что применение СВЧ-поля направленного дей- ствия, ИК-излучения и использование активного вентилирования позволяют производить сушку и извлечение семян из шишек с наименьшими энерго- и трудозатратами.

Рис. 6. Сушилка малогабаритная СМ-45

Рис. 7. Экспериментальная технологическая линия с СВЧ-модулем и ИК-излучением

На данном этапе идет исследование обоснованных ранее технологических режимов сушки шишек и семян хвойных пород деревьев, подготовки семян к посеву, сушки сыпучих и гранулированных материалов. Установленная мощность экспериментальной технологической линии – 5 кВт. Предварительно установлена производительность сушилки, которая может составлять до 40 кг сырых шишек в час.

Разработанная в Красноярском ГАУ экспериментальная технологическая линия может стать новейшим техническим средством для получения высококачественных семян. Воздействуя ЭМП СВЧ и ИК-излучением на обрабатываемый материал, можно повысить эффективность процесса сушки и извлечения семян, снизить энергетические и трудовые затраты.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда поддержки научной и научно-технической деятельности.

Выводы

• 1.    Анализ состояния вопроса показал заинтересованность производителей лесовосстановительных комплексов в развитии данного направления, но способы получения семян остаются энергозатратными.

• 2.    Обзор существующих технологий показал, что время сушки шишек в применяемых комплексах составляет не менее 6 ч. Использование СВЧ- и ИК-технологий позволит сократить это время до 30 мин.

• 3.    В существующих технологических линиях 8. происходит нагрев воздуха, а затем самого обрабатываемого материала, СВЧ-технология нагревает сам продукт. Воздействуя ЭМП СВЧ и ИК-излучением на обрабатываемый материал можно повысить эффективность процесса сушки и извлечения семян, снизить энергетические и трудовые затраты.                                ^.