CC BY
53
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
- для обеспечения качественного рас-пыливания бионефти необходимо проводить очистку от твердых частиц, например фильтрованием;
- предварительный подогрев бионефти позволяет снизить ее вязкость, а следовательно, и давление, требуемое для ее рас-пыливания.
Библиографический список
1. Экспериментальное исследование быстрого абляционного пиролиза биомассы / А.Н. Грачев, Р.Г. Хисматов, А.А. Макаров и др. // Материалы докладов Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса». - Вологда, 2008. - С. 77-79.
2. Грачев, А.Н. Исследование быстрого пиролиза древесины в абляционном режиме / А.Н. Грачев, Р.Г. Хисматов, Р.Г. Сафин и др. // Известия Самарского научного центра РАН. - 2008. - Специальный выпуск. - С. 25-29.
3. Грачев, А.Н. Исследование физико-химических свойств жидкого пиротоплива из отходов древесины и оценка возможности его энергетического использования / А.Н. Грачев, Р.А. Халитов, Ю.П. Семенов и др. // Деревообрабатывающая промышленность. - 2009. - № 4. - С. 24-26.
4. Chiaramonti D, Riccio G. Sprays of biomass pyrolysis oil emultions: Modellling and experimental investigation. Preliminary results on modelling. CREAR - Centro di Ricerca per le Energie Alternative e Rinnovabili Universitа degli Studi di Firenze - Facota d’Ingegneria - Dipartimento di Energetica “Sergio Stecco” - 50139 Firenze, Italy
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
и побочных продуктов в виде спиртов, дрожжей, фурфурола из низкокачественной древесины
Д.Ф. ЗИАТДИНОВА, доц. каф. переработки древесных материалов Казанского ГТУ, канд. техн. наук
В России имеются большие запасы осины, которую необходимо регулярно вырубать, чтобы поддерживать рост лесных ресурсов. При непрерывной вырубке этой древесины происходит накопление неиспользованного древесного сырья. Внедрение предлагаемой технологии позволит ликвидировать данную проблему.
Сейчас только начинают вестись разработки непрерывных процессов получения древесноволокнистой массы в США, Канаде и в некоторых фирмах Финляндии. В России данный процесс не развит и может стать почвой для более подробного исследования, дальнейшей разработки и внедрения данного способа.
Технология получения целлюлозы и побочных продуктов в виде спиртов, дрожжей и фурфурола из низкокачественного древесного сырья и отходов деревообрабатывающих производств заключается в интенсивной термообработке с последующим сбросом давления. Основным отличием от традиционных технологий получения целлюлозы, в которых используются токсичные реагенты и затрачиваются огромные количества тепло- и электроэнергии, являются быстрота проведения про-
ziatdmova@rambler. ru
цесса, малый расход химических реагентов (дополнительных катализаторов), полное отсутствие выбросов вредных веществ. Оборудование для осуществления процесса высокотемпературной обработки низкокачественной древесины простое в эксплуатации и компактное, что позволит использовать данную технологию на небольших деревообрабатывающих предприятиях. Эти преимущества обуславливают сокращение энергозатрат, материальных затрат, экологическую чистоту процесса, что на сегодня является наиболее важным и актуальным в любом производстве.
Как правило, химическую переработку древесины проводят либо в жестких условиях, обеспечивающих структурные изменения, либо проводят ее предварительную активацию. В качестве перспективного метода активации предлагается использовать взрывной автогидролиз [1-3], при котором в древесине происходят структурные и химические превращения, сопровождающиеся деструкцией основных компонентов, в первую очередь гемицеллюлоз легкогидролизуемых полисахаридов (ЛГП).
84
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
1
При протекании глубоких гидролитических процессов гемицеллюлозы гидролизуются до низкомолекулярных продуктов, растворимых в воде. Степень гидролитической деструкции гемицеллюлоз определяется условиями гидротермической обработки древесины, а это значит, что с помощью взрывного автогидролиза (ВАГ) можно получать продукт, свободный от гемицеллюлоз [4].
Новизна предложенной технологии в том, что получение целлюлозного волокна производится не за счет продолжительных процессов варки древесного сырья с последующим его разложением на составляющие, а за счет быстрого, кратковременного, динамичного разложения древесного материала путем высокотемпературной обработки и «разрыва» частиц сбросом давления с последующей переработкой полученной «взрывной» массы путем экстракции из нее лигнина и водорастворимых веществ. Такая целлюлоза пригодна для производства картона, а при дополнительной стадии облагораживания - для производства бумаги. Также необработанная древесноволокнистая масса может использоваться для производства древесноволокнистых плит и древесных пластиков. Разрабатываемая технология может быть совмещена со спиртодрожжевым производством.
Установка для автогидролиза работает следующим образом. Сырье в виде измельчен-
ной щепы осины загружают в загрузочное устройство 1, откуда оно переходит во входной шнек 2, вращающийся от электродвигателя 30 через редуктор 33. На входе в реактор 6 сырье образует герметизирующую пробку. Попадая в пространство центрального шнека 3, щепа пропитывается водяным паром и подвергается воздействию температуры. Пар подается от парогенератора 5 или паропровода через полость перфорированного вала 4, соединенного с электродвигателем 31 через редуктор 34. Количество поданного пара регулируется вентилем 22. Образующийся конденсат стекает по рубашке 36 через перфорированную часть реактора и удаляется через шлюзовую камеру 37 с вентилями 23 и 24. За счет сужающейся конструкции реактора 6 на выходе образуется пробка, которая сохраняет герметичность реактора. Обработанная древесная масса по выходному шнеку 7, соединенному с валом центрального шнека, доходит до клапана сброса давления 8, в результате открытия которого древесная масса выстреливается в виде волокнистого материала в сборник продукта - резервуар 9. В резервуар 9 из емкости 13 через систему орошения 14 подают растворитель этанол-вода. Подача растворителя регулируется вентилем 25. Отработанный раствор по линии отвода 20 через накопитель 15 и вентиль 26 направляется в приемник отработанных растворов 21. Часть растворителя возвращается на орошение с по-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
85
БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
мощью центробежного насоса 28. Частично проэкстрагированная древесная масса по шнеку 12, работающему от электродвигателя 32 через редуктор 35, направляется в следующий резервуар 10, где происходит окончательное экстрагирование раствором диоксан-вода. В резервуаре 11 проводят промывку волокнистой массы водой.
Пары, образовавшиеся в реакторах 9, 10, 11, отсасываются в конденсаторы 42 водоструйным эжекционным насосом 43. Наличие эжектора 43 необходимо для отвода неконденсирующихся газов и воздуха из зоны конденсации, особенно в начальный период [6]. Взаимодействие отводимой смеси неконденсирующихся газов и воздуха с водой в эжекторе 43 и фильтр-барботере 45 позволяет, кроме того, очистить отводимый в атмосферу воздух от прочих загрязнений и неприятных запахов. Для более глубокой очистки и исключения каплеуноса отводимую паровоздушную смесь пропускают через рукавный полипропиленовый фильтр 46. Отработанная жидкость из фильтр-барботера 45 через штуцер 44 направляется в емкость 13 для промывки полученной целлюлозы.
Далее готовый продукт направляется в пневматическую сушильную камеру 16, куда вентилятором 18 подается воздух, нагреваемый в калорифере 17. Для равномерной сушки целлюлозы используется механической размешивающее устройство 38, работающее от электродвигателя 40 через редуктор 39. Высушенная целлюлоза попадает по линии отвода готового продукта 41 в приемник готового продукта 29. Волокна целлюлозы, унесенные воздушным потоком, улавливаются циклоном 19 и, осаждаясь, также попадают в приемник готового продукта 29. Подача воздуха регулируется шиберной заслонкой 27.
Рис. 2 . Изменение давления в аппарате при автогидролизе древесины
На рис. 2 представлен график изменения давления в аппарате при протекании процесса автогидролиза древесины.
Древесное сырье под действием температуры распадается на следующие составляющие:
1. Жидкие продукты (появляются при температуре 220 градусов): моно- и олигосахариды, низкомолекулярный лигнин, уксусная кислота, фурфурол, примеси метанола, изопропанола, пропионовой кислоты, гид-роксиметилфурфурол. Суммарное количество жидких веществ 15-17 % при температуре 220 градусов. С понижением температуры выход водорастворимых веществ понижается, с увеличением температуры увеличивается.
Моносахара (31-50 % от выхода жидких продуктов) состоят из: арабинозы (0,02-0,4 %), ксилозы (1,84-2,82 %), глюкозы (1,65-3,45 %), маннозы (0,18-0,87 %). Разрыв гликозидных связей в молекулах легкорастворимых гемицеллюлоз происходит по схеме: из пентозанов - арабиноза и ксилоза, из гек-созанов - глюкоза, манноза.
Катализатором процесса автогидролиза является уксусная кислота, которая образуется в результате отщепления ацетильных групп от макромолекул ксиланов и манна-нов.
Примеси изопропанола и пропионовой кислоты имеют низкое содержание из-за того, что часть пропильных групп древесины входит в состав лигнина, который является более термостабильным. Количество жидких веществ при повышении температуры до 240 градусов увеличивается до 21,4 %.
2. Твердый продукт - целлюлоза. Содержание целлюлозы не изменяется, так как она является представителем трудногидролизируемых полисахаридов и в меньшей степени подвергается деструкции при данных параметрах процесса. Содержание целлюлозы с увеличением температуры несколько увеличивается, чему способствует расщепление гемицеллюлоз. Увеличение составляет от 4347 % до 48-49 %. В данных условиях закономерными являются процессы деструкции, приводящие к тому, что определенная часть низкомолекулярного лигнина становится растворимой даже в воде.
86
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010
