CC BY
18
УДК 676.1.022
И.С. ГЕЛЛЕС
Петрозаводский государственный университет
Гелес Иосиф Соломонович родился в 1933 г., окончил в 1956 г. Ленинградский технологический институт, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Петроза- водского государственного университета. Имеет около 300 печатных трудов в области научного обоснования и разработки экологически чистых ресурсосберегающих технологий при исполь- зовании древесной биомассы, применения отходов древесного сырья для очистки сточных вод различных производств.
О ВАРКЕ НЕОКОРЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ
Получены экспериментальные данные о физико-механических свойствах целлюлозных масс из корки и луба основных лесообразующих пород таежной зоны РФ.
The experimental data are obtained on physico-mechanical properties of pulp from cortex and soft bark of the main forest-forming species of taiga.
Вопрос целесообразности окорки древесины для сульфатной варки обсуждался неоднократно. Еще в 1953 г. было высказано мнение «... о возможности совместной варки древесины и коры без ущерба для качества получаемой продукции» [5]. Автор работы [9] предложил отказаться от окорки балансовой древесины при варке щепы по сульфатному способу, мотивируя это экономией от исключения слешеров, корообдирочных барабанов, транспортных систем и многочисленного оборудования по
обезвоживанию отходов окорки и очистке оборотных вод при мокром способе окорки. Подобная точка зрения высказывалась некоторыми канадскими специалистами [6]. Несколько иное мнение имели финские ученые, которые считали, что щепу с высоким содержанием коры лучше перерабатывать в отдельных потоках, но оптимальным является максимально возможное удаление коры [11]. Варка с корой, наряду с указанными выше причинами, обосновывалась также увеличением общего выхода массы за счет целлюлозной части коры и устранения потерь при окорке. В работе [10] был оценен общий выход и количество волокнистых клеток у 42 американских хвойных и лиственных древесных пород. Общий выход у хвойных колебался от 17,6 до 35,8 %. Однако волокна, годные к употреблению, присутствовали только у одного вида пихты, а пригодные склереиды у большинства
пород составляли менее 1 %. Данные о прочностных свойствах полученных целлюлозных масс не приведены.
В настоящее время имеется достаточное число работ, в которых изучено влияние коры на свойства получаемой целлюлозы. В большинстве случаев признается, что присутствие до 5 % коры в древесине мало сказывается на прочностных свойствах сульфатной целлюлозы, хотя возрастает сорность и расход химикатов на варку и отбелку [5, 6, 8, 11, 12]. Однако в сульфитном производстве присутствие даже 2 % коры резко сказывается на повышении сорности, что ведет к отбраковке продукции [3].
Концепция о преимуществах щелочной варки неокоренной древесины все в большей мере находит свое реальное воплощение. Так, согласно [8], предусмотрено широкое использование щепы из неокоренной сосны, в [12] сообщается о ежегодном (начиная с 1984 г.) применении 20 тыс. м3 щепы из кроны без окорки для выпуска мешочной бумаги. Более того, при выработке тарного картона и другой продукции на Долинском заводе используется почти исключительно неокоренная лиственница [2].
Однако отсутствие прямых данных о прочностных характеристиках целлюлозы из коры, полученной разными способами, не позволяет сделать более обоснованные выводы по указанной проблеме.
Цель нашей работы - получение данных об обоснованности варки неокоренной древесины основных пород таежной зоны России.
Методическая часть
Сразу после валки деревьев кору от ствола снимали продольными лентами и делили вручную на любяную и корковую части, которые подсушивали до воздушно-сухого состояния. После этого ее измельчали до «щепы» и хранили при комнатной температуре. Сульфатную варку вели по технологическому режиму Сегежского ЦБК. Массу размалывали в лабораторной «сцеже» и хранили во влажном состоянии в холодильнике, чтобы предотвратить развитие на ней микрофлоры. Размол осуществляли в мельнице
Таблица 1
Результаты сульфатной варки корки и луба основных лесообразующих пород
Порода древесины Структурная составляющая коры Расход щелочи (в единицах Ка2О) Выход, % от исходного абс. сухого материала Степень делигни-фикации, п. ед.
% от исходного абс. сухого материала кг / 1 т абс. сухой массы сортированной массы непровара общий
Сосна Корка 17,0 616 21,5 6,1 27,6 123,0
Луб 17,0 798 21,2 0,1 21,3 21,5
Кора 17,0 890 17,1 2,0 19,1 53,5
Ель Корка 17,0 798 21,0 0,3 21,3 90,6
Луб 17,0 625 26,8 0,4 27,2 35,1
Лиственница Корка 17,5 695 10,8 14,4 25,2 83,4
сибирская Луб 17,5 632 25,9 1,8 27,7 55,5
Осина Корка 14,5 472 20,8 9,9 30,7 119,0
Луб 14,5 556 26,1 Нет 26,1 72,7
Береза Корка
(береста) 14,5 483 - - 30,0 -
Луб 14,5 580 - - 25,0 -
ЦРА, отлив - на аппарате ЛОА-2. Физико-механические показатели отливок с поверхностной плотностью 75 г/м2 определяли в ЦЗЛ Кондо-пожского ЦБК*.
Вследствие существенной разницы в строении и составе клеток и основных групп веществ корковой и лубяной части [1] варке подвергали каждую из них отдельно. Из данных табл. 1 следует, что целлюлозные массы из указанных частей, полученные в одинаковых условиях сульфатным способом, различаются по степени непровара, выходу и степени делигнифи-кации. Во всех случаях значения этих показателей у массы из корки значительно выше, чем у луба, особенно для таких пород, как сосна и ель. Кроме того, корка дает больший процент непровара и является источником огромного количества соринок разного размера и формы. Из обеих частей коры получена масса, выход которой в 2 и более раза ниже по сравнению с выходом целлюлозы из древесины той же породы, соответственно удельный расход гидроксида натрия в 1,7-2,3 раза выше и достигает 800 кг/т (в единицах Na2O). Аналогичные данные были достигнуты при варке сосновой коры, не подвергнутой разделению.
Особенно низкие качественные показатели массы из коры березы, которую крайне трудно охарактеризовать обычными методами.
Для сопоставления были проведены также сульфитные варки. По этому способу (табл. 2) выход массы несколько выше, чем по сульфатному, что в случае использования корковой части приводит к еще большему засорению целлюлозы, имеющей крайне низкую белизну.
* В проведении эксперементов участвовали мл. научный сотрудник Г.М. Левкина, инженеры Т.Е. Крутова, Е.С. Софронов.
Таблица 2
Результаты сульфитной варки корки и луба основных лесообразующих пород
Порода древесины Структурная составляющая коры Выход, % от исходного абс. сухого материала Степень делигни-фикации, п. ед. Белизна, %
сортированной массы непровара общий
Сосна Луб 30,3 - 30,3 42,2 9,4
Ель Корка 39,4 1,6 40,9 28,6 -
Луб 35,1 0,3 35,4 47,8 12,1
Осина Корка 30,6 3,9 34,5 96,3 -
Луб | 25,6 | 0,6 | 26,2 | 67,9 | 21,9
Таблица 3
Длина ситовидных клеток луба коры основных лесообразующих пород (п = 200)*
Порода древесины Средняя длина, мм Среднее квадрати-ческое отклонение, мм Коэффициент вариации,% Показатель точности, %
Ель 2,71 0,53 19,6 1,39
Сосна 2,10 0,62 29,6 2,09
Лиственница 2,77 0,83 29,9 2,11
сибирская 0,82** 0,16 19,5 1,95
*Пробы взяты на высоте 1,3 м. ** Данные по склереидам.
Для выявления способности целлюлозных масс из коры к листообра-зованию была определена длина ситовидных клеток, составляющих основную часть луба. Как следует из результатов замеров (табл. 3), их длина примерно соответствует трахеидам. Склереиды лиственницы, составляющие существенную долю ее луба, имеют самые низкие значения этого параметра.
На основании экспериментальных данных был сделан вывод, что из массы от варки корки практически невозможно получить отливку, т. е. клетки наружной части коры изученных пород не способны к связеобразованию. Опыты показали высокую способность к размолу небеленых сульфатных целлюлозных масс из луба. Так, за 2 мин размола в ЦРА достигается степень помола в 50 оШР и выше (табл. 40). Отливки, полученные из лубяной целлюлозы сосны, отличаются несколько лучшей разрывной длиной по сравнению с образцами из луба ели и лиственницы, у которых она не превышала 4100 м. Присутствие корки негативно сказывается на прочностных свойствах целлюлозных масс из коры сосны - они существенно ниже, чем из одного луба, особенно сопротивление излому (табл. 4). Нужно отметить, что отливки, полученные из луба лиственницы, имеют самые низкие значения основных механических показателей. Если сульфатные целлюлозные массы из луба хвойных пород еще могут представлять определенный
Таблица 4
Физико-механические показатели небеленых целлюлозных масс из луба основных лесообразующих пород
Степень помола, Объемная Разрыв- Удлине- Сопротивление
Порода ° ШР масса, ная дли- ние, мм излому, разди- продав-
древесины после после 2 мин г/см3 на, м ч.д.п. ранию, ливанию,
варки размола мН кПа
Сульфатная «целлюлоза»
Сосна 15,5 42,5 0,526 6590 2,2 910 285 280
20,0* 54,0 0,482 4810 3,7 49 293 187
Ель 31,0 - 0,278 3780 2,9 17 383 154
- 50,0 0,299 4090 4,4 260 523 250
Лиственница 27,0 - 0,379 3280 2,3 7 373 118
сибирская - 46,5 0,427 4090 3,7 36 408 177
Осина 6,0 54,5 0,260 500 1,4 - 118 19,6
Сульфитная «целлюлоза»
Сосна 8,0 69,0 0,508 3620 1,8 4 118 169
Ель - 70,0 0,255 2150 2,3 2 157 93
Осина 8,0 71,5 0,391 1050 1,4 - 79 21
*Для сравнения приведены данные для коры сосны.
интерес с точки зрения бумагообразующих свойств, то аналогичные массы из осины и, тем более березы, в этом отношении не имеют никаких перспектив - настолько низки прочностные показатели. В целом можно отметить, что как по выходу, расходу химикатов на варку, содержанию остаточного лигнина, так и по своим физико-механическим свойствам небеленые массы, полученные сульфатной варкой из коры указанных пород, намного уступают целлюлозе из древесины.
Небеленые сульфитные целлюлозные массы из луба имеют существенно худшие значения прочностных показателей по сравнению с сульфатными, и их, на наш взгляд, нельзя рассматривать в качестве реального компонента бумаг и картона.
Таблица 5
Характеристика исходного древесного сырья
Плотность Плотность коры, кг/м3 Содержание Содержание Содержание
Порода древесины коры в древесине, % в коре, мас. % коры в 1 т
древесины в абс. сухом базис- в абс. по по неокоренного
состоянии, кг/м3 ная сухом состоянии объему массе луба корки баланса, мас. %
Сосна 470 290 334 10,6 7,5 30 70 7,0
Ель 435 380 437 12,4 12,5 50 50 11,1
Листвен-
ница си-
бирская 650 360 414 20 12,7 20 80 11,3
Осина 430 400 460 10,5 11,2 45 55 10,1
Береза 600 450 518 13,5 11,7 40 60 10,5
112
И. С. Гелес
Таблица 6
Содержание древесины, корки и луба в 1 т неокоренного баланса, выход целлюлозы и удельный расход щелочи на 1 т получаемой массы
Содержание в 1 т абс. сухого Общий выход Выход Расход щелочи (в ед. Относительный расход щелочи
Порода неокоренного баланса, кг массы из 1 т целлюлозы, % Ыа2О) на 1 т целлюлозы, кг при варке, % от ее расхода при
древесины абс. сухой от исходной абс. из окорен- из неокорен- варке окоренной древесины
древесины корки луба неокоренной сухой окорен- ной древе- ного неокоренной целлюлозы с от-
древесины, кг ной древесины сины баланса древесины сортированной корой
Сосна 930,0 446,4 49,0 13,5 21,0 4,5 464,4 48,0 354,0 365,8 103,3 107,5
Ель 889,0 440,0 55,5 11,8 55,5 15,1 466,9 49,5 343,0 363,5 106,0 112,5
Лиственница сибирская 887,0 372,5 90,4 22,8 22,6 6,3 401,6 42,0 417,0 436,0 104,6 112,7
Осина 899,0 494,5 55,6 17,1 45,4 11,8 523,4 55,0 264,0 277,0 104,9 111,1
Береза 895,0 465,4 63,0 18,9 42,0 10,4 494,8 52,0 279,0 293,0 105,0 111,7
Примечание. В числителе приведены данные для щепы из неокоренной древесины, в знаменателе - для целлюлозной массы.
Исходя из полученных данных, можно сделать заключение, что кору (отходы окорки) нецелесообразно утилизировать в традиционных варочных процессах для получения целлюлозных масс.
Как отмечалось выше, присутствие менее 5 % коры не сказывается заметно на механических свойствах получаемой целлюлозы и расходе химикатов. Однако балансовая древесина в зависимости от породы содержит большее количество коры, и влияние этого фактора на расход щелочи оценено недостаточно. В табл. 5 приведены обобщенные значения средней плотности древесины в абс. сухом состоянии [7], объемное содержание коры и ее базисная плотность [4], а также полученные нами значения соотношений луба и корки в коре исследованных пород. Эти данные, а также приведенные в табл. 1 значения выхода массы из луба и корки позволили рассчитать количество целлюлозы из 1 т абс. сухого неокоренного баланса этих пород и расход щелочи (в единицах №20) в зависимости от вида исходного сырья. Если в расчетах принять выход целлюлозы из луба и корки и расход щелочи на варку по данным табл. 1 и аналогичные показатели для древесины - по табл. 6, то при варке 1 т абс. сухой щепы из неокоренного баланса перерасход основного реагента по сравнению с варкой окоренной древесины будет колебаться от 3,3 (сосна) до 6,0 % (ель). Кроме того, если учесть, что частицы коры после варки будут в основном отсортированы из целлюлозы, то перерасход гидроксида натрия составит от 7,5 (сосна) до 12,7 % (лиственница). Согласно полученным данным, по-видимому, варка неокоренной древесины сосны, возможна, так как она содержит минимальное количество коры, из луба которой получается целлюлоза с более высокими, чем у других пород, прочностными свойствами. Однако это осуществимо, если целлюлоза не подвергается отбелке, а регламент не содержит ограничений по сорности.
Неокоренную лиственницу вследствие повышенного содержания в ней коры и крайне низких физико-механических показателей целлюлозных масс варить нецелесообразно. Это же относится и к сульфатной варке неокоренной древесины березы и осины.
Хочется подчеркнуть, что кору в целом вообще нельзя рассматривать как дополнительный источник волокнистой массы. В качестве такового может служить лубяная часть только некоторых пород.
При решении такого сложного вопроса, как проведение щелочной варки неокоренной древесины, следует принять во внимание и другие факторы, которые не рассмотрены в данной работе (повышенное пенообразова-ние, абразивный износ, «гипсация» оборудования, особенно выпарной аппаратуры, повышенный расход электроэнергии при сортирвании целлюлозы и др.).
Вопрос о получении положительного эффекта от ликвидации основной части оборудования древесно-подготовительного отдела, расширения сырьевой базы и др. по сравнению с многочисленными негативными проявлениями, связанными с варкой неокоренной древесины, можно решить только при проведении самых тщательных технико-экономических расчетов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1]. Гелес И.С. Теоретические основы некоторых направлений использования коры и отходов окорки // Фундаментальные исследования в области комплексного использования древесины: Тез. докл. IV-го Междунар. симпозиума ученых стран-членов СЭВ. - Рига, 1982. - С. 29 - 34. [2]. Гончаров Ю.А., Поле-щук Б. Б. Промышленный опыт использования 100 %-й древесины лиственницы на варку на Долинском заводе // Бум. пром-сть. - 1991. - № 11. - С. 10 - 11. [3]. Измайлова Н.Ф., Барминская Е.П., Богданова Г.П. Получение сульфитной вискозной целлюлозы из древесины с повышенным содержанием ко-ры//Экспресс--информация «Целлюлоза, бумага и картон». - М., 1983. - Вып.3. - С. 10 -13. [4]. Изменчивость базисной плотности и процентного содержания коры и отходов окорки древесного сырья целлюлозно-бумажной промышленности / Т.М. Мадеева, И.А. Нахабцев, А.Х. Ошкаев, В.Н. Крылов // Химия и технология производства целлюлозы: Межвуз. сб. науч. тр. - Л., 1987. - С. 106 - 115. [5]. Иншаков М. Д. К вопросу о сульфатной варке неокоренной сосновой древесины: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Л., 1953.- 16 с. [6]. Направления развития способов производства волокнистых материалов // Экспресс-информация ЦБП. - 1977. - №9. - [4]. [7]. Непенин Н.Н. Технология целлюлоы. Т. 1. Производство сульфитной целю-лозы. - М.: Гослесбумиздат, 1956. - 748 с. [8]. Новый целлюлозный завод в Финляндии // Бум. пром-сть. - 1976. - № 4. - С.32. [9]. Симкин Г. Э. Традиция или необходимость? // Бум. пром-сть. - 1966. - № 8. - С. 24 - 25. [10]. Härder M.Z., Eins-pahr D.W., Parham R.A. Bark filrous yield for 42 pulp wood species // Tappi. -1978. - Vol. 61, N 11. - P. 121 - 122. [11]. Palenjus I. Über die Diskrepanz zwisehen Zielsetzung und Möglichkeiten bei Aufschluß - und Bleichprozessen unter Berücksichtigung des Umweltschutzes // Zellstoff und Papier. - 1976. - N 10.- S. 315 -318. [12]. Poller S., Knappe R. Zur Kenntnis der Kiefernaltholzkrone der Rohstoffs für die Sulfatzellstoffindustrie-Auflereitung, Materialeigenschaften, AufschlußverRalten // Zellstoff und Papier. - 1990. - N 4. - S. 132 - 136.
Поступила 17 ноября 1995 г.
8 «Лесной журнал» № 1
