CC BY
196
УДК 66.013
Д. Ф. Зиатдинова, Р. Г. Сафин, Р. Р. Зиатдинов
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНОЙ МАССЫ СБРОСОМ ДАВЛЕНИЯ
Ключевые слова: технология, давление, древесина, древесная масса, процесс, сброс давления.
Проанализировано современное состоянии техники и технологии производства древесной массы сбросом давления, представлено описание пилотной установки для производства древесной массы.
Key words: Technology, pressure, wood, wood pulp, process, pressure dump.
It is analysed modern a condition of technics and the production technology of wood pulp by pressure dump, the description ofpilot installation for wood pulp manufacture is presented.
Отечественный и зарубежный опыт показывает, что древесные отходы в виде обрезков, сучьев, щепы, опилок, стружек — дешевое сырье для производства древесной массы, из которой изготавливают строительные материалы и изделия, так называемые новые побочные продукты.
Побочные продукты могут использоваться в готовом виде и после переработки. В результате появляется вторичный продукт, получаемый из отходов и побочных продуктов основного производства. К таким продуктам можно отнести древесноволокнистые плиты и древесностружечные плиты, различные плитные утеплители на основе гидролизного лигнина, используемые в промышленном и гражданском строительстве для междуэтажных и чердачных перекрытий, а также холодильных камер. Также в России запатентован способ получения древесных плит без добавления связующего.
Древесная масса - это волокнистый полуфабрикат, получаемый механическим разделением древесины на волокна, разволокнением древесины. Открытие этого метода принадлежит немецкому изобретателю Ф. Келлеру, который в 1843г. впервые получил волокнистую массу истиранием древесины на точильном камне и назвал ее древесной массой. Древесная масса один из самых экономичных полуфабрикатов: при ее изготовлении достигается 95-96%-ный выход волокна из древесины. В производстве древесной массы отсутствуют процессы варки, приготовления и регенерации химикатов, что значительно снижает загрязненность окружающей среды и требует менее дорогостоящих очистных сооружений.
В настоящее время существуют два метода производства древесной массы: дефибрер-ный и рафинерный. Первый метод позволяет производить древесную массу истиранием балансов абразивной поверхностью камня в дефибрерах, второй - древесная масса вырабатывается из щепы размолом ее в дисковых мельницах и называется рафинерной древесной массой. Если щепу предварительно обработать паром, то получается термомеханическая древесная масса, если паром и химикатами - химико-термомеханическая. Широкое применение получила термомеханическая древесная масса, имеющая более высокие прочностные показатели по сравнению с дефибрерной древесной массой. Химико-термомеханический метод получения волокнистых полуфабрикатов находит промышленное применение при использовании в качестве сырья лиственных и хвойных пород древесины. При этом стремятся получить такой волокнистый полуфабрикат, который по своим механическим показателям значительно превосходил бы свойства термомеханической древесной массы, и приближался к сульфитной целлюлозе при сохранении выхода 90 %, характерного для древесной массы.
Разволокнение древесины можно произвести также методом сброса давления. Однако такой процесс измельчения древесины изучался, в основном, экспериментально, а в прикладном направлении полученные результаты использовались преимущественно за рубежом.
Процессы, сопровождающиеся резким изменением давления среды, в котором находится исходный материал, нашли широкое применение с современной промышленности.
У.Мессон использовал метод сброса давления в бумажно-целлюлозном производстве для расщепления щепы. Позднее, на основании данных, полученных У.Мессоном и другими исследователями в этой области, за рубежом была разработана полупромышленная установка для получения древесного волокна, являющегося исходным сырьем в производстве древесноволокнистых плит [1]. В так называемой пушке древесная щепа измельчается вследствие резкого изменения величины давления пара. Данный метод производства волокна получил название “Месонит” [2] и использовался для производства плит и древесных пластиков.
Необходимость реализации крупных биотехнологических программ по использованию растительной биомассы, удовлетворяющих современным требованиям защиты окружающей среды - сокращение или полное исключение использования серы и хлора в производстве волокнистых полуфабрикатов (ВПФ) привело к необходимости усовершенствования технологии «Месонит».
В связи с этим была разработана практически безотходная технология - взрывной автогидролиз (АГ), обеспечивающая разделения растительного сырья на три основных компонента: лигнин, целлюлозу и гемицеллюлозы. При воздействии высокотемпературного водяного пара на древесный комплекс (температура - 2350С, продолжительность обработки - до 3 мин.) отщепляются ацетильные группы, которые способствуют мягкому кислотному гидролизу гемицеллюлоз, а декомпрессия обеспечивает разволокнение древесного сырья [3].
В результате парового взрыва получается водный раствор сахаров, которые можно использовать в качестве кормовой добавки и для выращивания кормовых дрожжей. ВПФ после экстракции лигнина органическими растворителями либо слабым раствором гидроксида натрия состоит в основном из целлюлозы. Лигнин, полученный в результате АГ, обладает высокой реакционной способностью и может быть использован в производстве связующих, пластмасс, фенолформальдегидных смол и адгезивов на их основе.
Процесс является практически бессточным и безотходным. Древесное сырье рекомендуется использовать в виде опилок, древесной стружки, тонкой щепы.
Практическое применение АГ может найти при производстве волокнистого полуфабриката, целлюлозы для химической переработки, растительно-углеводного корма, кормового белка. Также способом АГ возможно получение высококачественной древесной массы для выработки бумажной продукции, не уступающей по качеству химико-механической массе, но при условии обязательного применения различных химикатов и варьирования параметров обработки.
Канадские исследователи предложили технологию и аппаратурное оформление получения взрывным способом химической древесной массы из древесины осины: щепа, предварительно пропитанная раствором сульфита натрия, обрабатывается в специальном реакторе водяным паром при температуре 2300С (давление 3,3 МПа, продолжительность обработки 12 с, выдержка 90 с), после чего масса выстреливается в приемник. Размол массы проводится в рафинерах. Механическая прочность массы выше, чем обычной химико-механической; выход 89-92% от исходной древесины.
Особо следует отметить, что расход электроэнергии на размол взрывной массы ниже, чем при выработке обычной химико-механической массы.
Канадская фирма Стейк Технолоджи Лимитед в сотрудничестве с фирмой Текнип спроектировала и запатентовала для взрывного способа варочный котел "Стейк". Технология "Стейк" - процесс получения бумажной массы взрывным способом - представляет собой непрерывный процесс, протекающий при высокой температуре (порядка 185-200 градусов С) и с незначительным временем пребывания сырья внутри аппарата (до 2 мин. по сравнению с несколькими часами для химических процессов). Для других операций, осуществляемых до и после самого процесса "Стейк", используется существующее промышленное оборудование,
приспособленное для этого процесса.
В Швеции запатентован модифицированный "взрывной" процесс получения волокнистых полуфабрикатов (ВПФ), при котором щепу пропитывают карбонатом натрия, загружают в аппарат типа "ружейного ствола" и вводят в него газообразный диоксид серы. Диоксид серы реагирует с карбонатом, при этом образуется сульфит натрия и углекислый газ. Щепу нагревают паром высокого давления (50 бар); давление внутри щепы создается за счет углекислого газа. Содержимое аппарата выдувают в циклон, где давление составляет 5 бар. При резком расширении и снижении давления пара щепа разрывается с образованием грубо волокнистой массы.
На сегодняшний день в КГТУ на базе кафедры «Переработка древесных материалов» [4-8] ведутся научные исследования и разработки в области измельчения и сушки древесины методом сброса давления. На базе кафедры разработана и создана пилотная установка для переработки низкокачественной древесины и отходов деревообработки (рис.1).
Рис. 1 - Схема разволокнения древесины сбросом давления
Установка включает в себя: реактор 3 с загрузочным 5 и выгрузочным 10 устройствами, снабженный загрузочным 4 и сбросным 21 клапанами; сушильную камеру 10 с фильтрующими рукавами 11 и шнековым выгружателем 16; конденсатор паров 8, подсоединенный к эжекционному насосу 12; парогенератор 1.
Установка работает следующим образом. Загрузочное устройство 5 заполняется суспензией состоящей из воды и щепы, которая перемешивается мешалкой 6, работающей от электродвигателя через редуктор. Использование обрабатываемого материала в виде суспен-
зии позволяет провести быструю загрузку реактора 3 через малый проходной диаметр загрузочного клапана 4.
Путем открытия загрузочного клапана 8 при закрытом клапане 5 суспензия заливается в цилиндрическую емкость 7 с перфорированной боковой поверхностью, установленной во внутренней полости реактора. Перфорированная боковая поверхность обеспечивает сепарирование щепы от воды и равномерный прогрев щепы паром во время протекания высокотемпературной обработки. Сепарированная вода удаляется через штуцер 24 для слива воды, установленный в нижней части реактора. Для предотвращения попадания щепы в штуцер для слива воды, перед ним устанавливается фильтрующая насадка 22.
После слива воды из реактора закрываются клапана 23 и 4 и путем открытия вентиля 2 перегретый пар с температурой 2200С и давлением 22 атм из парогенератора 1 подается в реактор 3, в результате чего происходит тепловая обработка древесных частиц в течении 3-5 минут. Время тепловой обработки зависит от размера частиц древесины.
После окончания тепловой обработки закрывается вентиль 2 и открывается сбросной клапан 21. В результате создается градиент давления и происходит разволокнение прогретой древесной щепы в процессе ее выгрузки в сушильный бункер 10. Выгружаемая древесная масса дополнительно до измельчается, проходя через две стационарные последовательно установленные после сбросного клапана измельчающие насадки 19 переменного проходного сечения. Установка данных насадок 19 позволяет, используя динамическую энергию «выстрела», сократить энергетические затраты на дополнительное механическое измельчение получаемого волокна.
Пары, образующиеся в результате выгрузки и сушки разволокненной древесной массы в камеру 10, конденсируются в кожухотрубчатом конденсаторе 8. Образующийся конденсат собирается в сборнике конденсата 9. Не сконденсировавшиеся пары отводятся эжекционным насосом 12, оснащенную гидрозатвором 13. Избыток хладоагента направляется в канализацию. Горячий конденсат из конденсатосборника 12 направляется в загрузочное устройство 7.
Выгрузка готовой древесной массы из сушильного бункера 10 осуществляется в сборник древесной массы 15 с помощью шнекового транспортера 16, присоединенного к электродвигателю 18 через редуктор 17.
На основе проведенных исследований отработаны и выявлены оптимальные технологические параметры процесса, проведены анализы разволокненной древесины, изучены образцы полученных продуктов.
Применение метода сброса давления для получения древесной массы позволяет решить ряд актуальных проблем, возникающих при проведении данного технологического процесса, в частности, добиться повышения качества вырабатываемого продукта. Для оценки влияния различных факторов на данные процессы необходима разработка их математической модели на основе известных положений теории тепло- и массопереноса с целью математического моделирования процесса и выдачи рекомендаций по практическому применению предлагаемого способа разволокнения древесных частиц.
Таким образом, проведенный обзор техники и технологии с применением сброса давления показал, что данный процесс используется в различных отраслях промышленности и позволяет получать древесную массу требуемого качества.
Литература
1. Фенгел, Д. Древесина / Д.Фенгел - М.: Лесная пром-сть, 1988. - 511 с.
2. Баженов, В.А.Технология и оборудование производства древесных плит и пластиков / А.В.Баженов - М.: Экология, 1992. - 416 с.
3. Гравитис, Я.А. Теоретические и прикладные аспекты метода взрывного автогидролиза растительной биомассы /А.Я.Гравитис // Химия древесины. - 1987. - № 5.
4. Зиатдинова, Д.Ф. Совершенствование технологий переработки древесных материалов, сопровождающихся выделением парогазовой фазы / Д.ф.Зиатдинова // Монография. Казань: КГТУ,
2009. - 140 с.
5. Сафин , Р.Г. Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств / Р.Г.Сафин - Казань: изд-во КГТУ, 2000. - 400с.
6. Сафин, Р.Г. Анализ современного состояния лесопромышленного комплекса и перспективы его развития на базе кафедр лесотехнического профиля КГТУ/ Р.Г.Сафин // Вестник Казан. технол. унта. - 2010. -№4 - С.120-130.
7. Зиатдинова, Д. Ф. Усовершенствование системы газоочистки в производстве целлюлозы и побочных продуктов в виде спиртов, дрожжей, фурфурола при безреактивном расщеплении отходов деревообработки / Д.Ф.Зиатдинова и др.// Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №10. - С.574-578.
8. Зиатдинова, Д. Ф. Совершенствование системы газоочистки при сульфатной варке целлюлозы / Д.Ф. Зиатдинова и др. // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №10. - С. 166-170.
© Д. Ф. Зиатдинова - канд. техн. наук, доц. каф. переработки древесных материалов КГТУ, ziatdinova@rambler.ru; Р. Г. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. переработки древесных материалов КГТУ, ziatdinova@rambler.ru; Р. Р. Зиатдинов - асп. каф. переработки древесных материалов КГТУ, ziatdinova@rambler.ru.
