CC BY
190
ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ
УДК 674.816.2
Р. Г. Сафин, Д. Ф. Зиатдинова, А. В. Сафина, Т. О. Степанова, А. А. Крайнов
СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ЛЕСНЫХ РЕСУРСОВ
Ключевые слова: природа, дерево, биомасса, древесные отходы, пиломатериалы, древесная смола, кормовые добавки, экстрактивные вещества, технологическая щепа, шпон, целлюлоза, опилки, древесноволокнистая плита, стружка, газогенерация, пиролиз, древесный уголь.
В данной статье рассмотрены основные направления переработки лесных ресурсов, а также образующихся древесных отходов. Наиболее перспективным направлением является термохимическая переработка образующихся отходов в газообразное и жидкое топливо и сверхкритическая флюидная экстракция.
Keywords: nature, tree, biomass, wood waste, timber, wood pitch, feed additives, extractive substances, technological spill, interline interval, cellulose, sawdust, fiber board, shaving, gas generation, pyrolysis, charcoal.
In this article the main directions of processing of forest resources, and processings of the formed wood waste are considered. The most perspective direction is thermochemical processing of the formed waste in gaseous, liquid fuel and supercritical fluid extraction.
Введение
Древесина - это композиционный материал, состоящий из большого количества компонентов. Чтобы правильно использовать древесину и древесные материалы, необходимо развивать новые технологии и аппаратурное оформление по переработке древесины в востребованные для человечества продукты. На кафедре переработки древесных материалов Казанского национального исследовательского технологического университета, в соответствии с химическим составом, строением и свойствами древесины разрабатываются различные методы и аппаратурные оформления для ее переработки.
Экспериментальная часть
В дереве можно выделить крону, ствол, комлевую часть с корневой системой. Каждая из этих частей выполняет свои определенные функции и имеет различное промышленное применение (см. рис.1). Ствольную часть перерабатывают в пиломатериалы, шпон, технологическую щепу. Пиломатериал включает в себя оцилиндрованные бревна, брус, доски. Из последних производят клееный брус, клееные доски для изготовления, соответственно, балок, лестниц, мебели [15, 25, 26]. Шпон различают строганый и лущеный. Лущеный шпон производят на предприятиях производящих фанеру (ЗФЗ, ПФМК). Строганый шпон используется как облицовочный материал в мебельном производстве для декоративных панелей, дверных полотен, мебельных щитов, а также для производства клееного бруса, OSB (ори-ентировонно-стружечная плита). Первой стадией при производства спичек также является производство шпона [1, 6, 24].
Комлевую часть хвойных пород древесины перерабатывают в технологическую щепу - осмол для экстрагирования из нее древесной смолы, из которой производят, затем канифоль, скипидар.
Рис. 1 - Направления переработки древесных материалов
Крона используется для производства кормовых добавок и извлечения из нее экстрактивных веществ, из которых впоследствии производят: лекарственные препараты, биологически активные добавки, эфирные масла (в частности для ароматерапии).
В настоящее время активно используется стволовая часть, в меньшей степени крона и комлевая часть, практически не используется корневая система.
Широкий спектр применения имеет технологическая щепа (рис.2).
Технологическая щепа (дробленка) является сырьем для производства целлюлозы, древесностружечных и древесноволокнистых масс, используется для получения стружки и опилок [9, 13].
Целлюлоза используется в производстве бумаги, искусственных волокон (АЦ), пленок, пластмасс, лакокрасочных материалов, бездымного пороха (НЦ), твердого ракетного топлива.
Древесноволокнистая масса используется в целлюлозно-бумажных предприятиях для производства древесноволокнистых плит (г. Волжск), МДФ (мягкая древесноволокнистая плита) (ОЭЗ «Алабуга» -«Кастамоне»). Древесноволокнистая плита находит
широкое применение в мебельной промышленности, производстве строительных материалов. Как правило, из ДВП изготавливают стенки шкафов и комодов, днища выдвижных ящиков и тумбочек.
Т Е Х Н О Л О Г И Ч Е С К А Я Щ Е П А
Целлюлоза
НЦ
АЦ
Древесноволокнистая плита
ДВП
МДФ
ДсТП
Арболит
Древесная мука
ДКМ
Для очистки сточных
Рис. 2 - Направления переработки щепы
(см. рис.3). Многие из вышеперечисленных технологий производят вторичные отходы, в состав которых входят различные химические компоненты, не позволяющие их дальнейшее использование без специальной обработки. К этим химическим компонентам относятся смолы и клеи, пленочные покрытия, минеральные компоненты, используемые в плитном производстве и т.д. Такие отходы целесообразно подвергать термической переработке для получения различного топлива: твердого, газообразного, жидкого. С целью получения древесного угля, используемого в качестве твердого топлива, адсорбента целесообразно использовать отходы лесозаготовительного производства и подвергать их процессу пиролиза [2, 11, 18, 21, 24].
Для получения биотоплива используется процесс быстрого пиролиза.
Плита МДФ применяется для производства мебели, стеновых панелей, отделки, декоративных панелей, элементов отделки интерьера, мебельных плит, строительных столярных деталей и др.
Одним из основных потребителей стружки и опилок является плитное производство. Древесностружечные плиты (ДСтП) производят из специальной стружки путем горячего прессования с добавлением связующих веществ. Развивается производство таких строительных материалов из измельченной древесины, как песчано-опилочный бетон, цементно-стружечные плиты, арболит, ксилолит, стеклодроб-леный строительный материал и др.
Опилки используются для производства древесной муки, древесно-композиционных материалов, в гидролизном производстве. Общий объем используемой щепы не превышает 30 %.
Во всех рассмотренных технологиях переработки древесины возникают огромные объемы древесных отходов [5, 7, 8, 10, 19, 22].
В России к числу наиболее актуальных проблем относится утилизации древесных отходов. На сегодняшний день при существующих методах переработки теряется почти половина биомассы дерева, из-за низкого уровня технологических процессов деревообработки. Большая часть древесных отходов вывозится на свалки, либо бесконтрольно сжигается. Ежегодно в лесопильной и деревообрабатывающей промышленности образуется около 60 млн. м3 древесных отходов, почти три четверти которого приходится на долю лесопиления, из них 60 % составляют крупные или кусковые отходы (вырезки, горбыли, рейки и т. д.) и 40 % мелкие или мягкие отходы (опилки, стружка и т.д.). Древесные отходы можно использовать после механической обработки или химической переработки, а также непосредственно без каких-либо обработок. Они становятся основой для производства эффективных заменителей деловой древесины, экономически выгодных материалов и изделий. Постоянно расширяется ассортимент и объем производства строительных материалов из отходов.
Древесные отходы, в виде технологической щепы, стружки, опилок являются сырьем для производства многих ранее рассмотренных продуктов
I Коралит М' Г/Т
| Арболит | /
Газогенерация
ЕГТХ
Д Р Е В Е С Н Ы Е О Т Х О Д Ы
=з=г
Пиролиз I
Технологическая щепа
Дрова
К
ДВС
Газообразное топливо
Бионефть
Древесный уголь
Жидкое топливо
Сырье, компоненты для хим. превращений
Экстрактивные вещества
Гидролиз
Дрожжи
Гидролизный спирт
Синтетический каучук
Растворители
Жидкое биодизель, биоэтанол
Рис. 3 - Направления переработки отходов
древесных
При переработке древесных отходов содержащих химические компоненты, например отходы фанерного производства ДВП, ДсТП, МДФ наиболее перспективно использовать процессы высокотемпературной газификации, в результате которой химические компоненты будут разложены и будет получен высококалорийный генераторный газ пригодный для использования в ДВС, электрогенераторах и т. д [3, 4, 12, 14, 17, 20].
Очень перспективным является газификация древесных отходов с получением генераторного газа пригодного для синтеза компонентов моторного топлива. Сейчас интенсивно ведутся разработки в данной области [15, 23, 24, 29-33].
В древесине различных пород содержится большое количество экстрактивных веществ, которые обладают полезными свойствами и многие из них до настоящего времени поставляются из зарубежных стран.
Объясняется это тем, что применяемые в России экстракционные технологии не в полной мере удовлетворяют качеству компонентов. В связи с этим следует исследовать и внедрить в лесохимическую промышленность более современные технологии. В связи с этим все больший интерес представляет, развивающееся в последние годы, новое направление в экстракционной технологии - применение в
Пеллеты
СГ
качестве экстрагентов сверхкритических флюидов [34,40].
Имеются работы сравнивающие экстракцию с помощью сверхкритических флюидов и экстракцию водяным паром для древесной массы, полученные результаты говорят о том, что метод сверхкритической флюидной экстракции превосходит экстракцию водяным паром по разнообразию и количеству экстрагируемых веществ [38,39].
На сегодняшний день существует ряд методов и оборудования для процессов сверхкритической флюидной экстракции, в том числе экстракции химических соединений из древесины. [35,36].
Процесс экстракции из органической биомассы с помощью сверхкритических флюидов успешно применяет компания "ГОРО", получая вещества применяемые в медицине и фитофармацевтике при экстракции с помощью сверхкритического диоксида углерода [37].
На кафедре "Переработка древесных материалов" КНИТУ совместно с ООО "Органика" ведутся работы по созданию опытно - промышленной установки для сверхкритической экстракции флюидами древесного сырья и биомассы (см. рис.4). Установка включает в себя: компрессор - 1, конденсатор - 2, холодильник - 3, баллон с диоксидом углерода - 4, вентили - 3,8,9, буферную емкость для диоксида углерода - 5, загрузочный люк - 6, экстрактор - 7, сепаратор - 10.
Работа установки осуществляется за счет подачи диоксида углерода из баллона 4, через вентиль 3 к компрессору 1, где газ сжимается с помощью холо-дильника11.
3
Рис. 4 - Опытно-промышленная установка экстракции веществ из древесных материалов
Далее сжиженный диоксид углерода в критическом состоянии попадает в буферную емкость 5, затем через вентиль 8 попадает в экстрактор 7, куда уже загружено сырье через загрузочный люк 6. После проведение процесса экстракции, полученный диоксид углерода с экстрактивными веществами попадает через вентиль 9 в сепаратор 10, где пары диоксида углерода отводятся в камеру 2, для охлаждения сжатого диоксида углерода. Холодильник 11 включается только при запуске установки.
Заключение
Активное использование вторичных древесных ресурсов является важнейшим элементом ресурсосбережения, способствующим комплексному использованию древесного сырья и, в конечном счете, сохраняющим от вырубки значительные лесные массивы.
Развиваемые в КНИТУ новые высокоэффективные технологии переработки древесных материалов способствуют решению проблемы эффективного использования лесных ресурсов.
Возможность проведения процесса сверхкритической флюидной экстракции древесины при низких температурах, а также легкая сепарируемость экст-рагента из экстракта и рафината, стимулирует развитие данного научного направления для извлечения из древесины и древесной биомассы ценных компонентов для пищевой и медицинской промышленности, открывая новое научное направление переработки лесных ресурсов.
Литература
1. Р.Г. Сафин, Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств: учеб. пособие. М.: Изд-во МГУЛ, 2002 г.
2. Патент РФ №2468061, МПК С10В1/04(2014.01) Установка для производства древесного угля / Н.Ф. Тимер-баев, Р.Р.Сафин и др., Бюл.№33,2012.
3. Сафин, Р.Г. Разработка энергосберегающей технологии газогенерации древесных отходов [Текст]/ Н.Ф. Тимер-баев, Р.Г. Сафин, А.Р. Хисамеева, М.В. Шулаев, М.В. Хузеев // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. -Т. 12. №1. - С. 24-32.
4. Сафин, Р.Г. Газификация влажных древесных отходов [Текст]/ Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, А.Р. Хисамеева, Д.А. Ахметова // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - Т. 15. №17. - С. 195-199.
5. Сафин, Р.Г. Современные строительные композиционные материалы на основе древесных отходов [Текст]/ Р.Г. Сафин, В.В. Степанов, Э.Р. Хайруллина, А.А. Гай-нуллина, Т.О. Степанова // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. №20. - С. 123128.
6. Сафин, Р.Г. Анализ современного состояния лесопромышленного комплекса и перспективы его развития на базе кафедр лесотехнического профиля КГТУ [Текст]/ Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин // Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - №4. - С. 120-4130.
7. Степанова Т.О., Гайнуллина А.А. Современные строительные композиционные материалы на основе древесных отходов. // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2014. Т. 2. № 5-4. С. 299-303.
8. Сафин Р.Г., Исхаков Т.Д., Гайнуллина А.А., Степанова Т.О., Хабибуллина А.Р. Разработка композиционных материалов на основе древесных отходов. // Деревообрабатывающая промышленность. - 2014. - №4. - С. 32-37.
9. Сафин, Р.Г. Современное состояние техники и технологии производства древесной массы сбросом давления [Текст]/ Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Р.Р. Зиатдинов // Вестник Казанского технологического университета. -2011. - №7. - С. 53-57.
10. Тимербаев, Н.Ф. Техника и технологии термической переработки отходов деревообрабатывающей промыш-
ленности (монография)/ Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г. Саттарова. - М-во образ. И науки РФ, Казан. Гос. Технол. Ун-т. - Казань: КГТУ, 2010.- 172с.
11. Тимербаев, Н.Ф. Утилизация твердых отходов дерево-переработки, содержащих токсичные вещества (статья)/ Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г. Саттарова. - Вестник Казанского технологического университета, 2011, №4, С.79-84.
12. Просвирников, Д.Б. Особенности переработки древесных материалов методом паровзрывного автогидролиза и технологические пути использования получаемого лигноцеллюлозного продукта / Д.Б. Просвирников, В.А. Салдаев // Деревообрабатывающая промышленность, изд. № 4. - 2012. - С. 8 - 13.
13. Сафин, Р.Г. Энергонезависимая установка непрерывной переработки древесных отходов / Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов, И.И. Хуснуллин // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т.16. - №14. -
C. 181-182.
14. Timerbaev, N.F. Modeling of the Process of Energy-Technological Treatment of Wood by Method of Direct-Flow Gasification / N.F. Timerbaev, R.R. Safin, R.G. Safin,
D. F. Ziatdinova // Journal of Engineering and Applied Sciences 9 (5): 141-146, 2014.
15. Фомин, А.А. Диспергирование припуска, снимаемого при профильном фрезеровании заготовки / А.А. Фомин,
B.Г. Гусев, Р.Г. Сафин, Р.Р. Сафин // Вестник машиностроения. 2015. - № 3. - С. 53-56.
16. Сафин, Р.Г. Газификация древесных отходов [Текст]/ Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, Д.А. Ахметова, Р.Р. Зиат-динов, А.Р. Хабибуллина // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. №8. - С. 108111.
17. Сафин, Р.Г. Пиролизная переработка отходов лесопромышленного комплекса в древесный уголь [Текст]/ Р.Г. Сафин, Р.Р. Зиатдинов, А.В. Сафина, А.Р. Хабибул-лина // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. №20. - С. 131-134.
18. Сафин, Р.Г. Разработка древесно-конструкционного материала на основе гипса, пенополиуретана и древесных частиц [Текст]/ Ф.М. Филиппова, Р.Г. Сафин, Э.Р. Хайруллина, Д. Д. Исянгулова // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. №19. -
C. 57-59.
19. Сафин, Р.Г. Переработка лигнина термическим способом [Текст]/ Д.В. Тунцев, Р.Г. Сафин, А.Р. Арсланова, Р.Г. Хисматов, С.В. Китаев // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. №16. - С. 147-150.
20. Сафин, Р. Г. Пирогенетическая переработка древесных материалов [Текст]/ Р.Г. Сафин // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. №9. - С. 88-92.
21. Сафин, Р.Г. Производство пористого теплоизоляционного материала на основе отходов деревообработки и пенополиуретана [Текст]/ Р.Г. Сафин, Л.И. Левашко, Ф.М. Филиппова, Е.И. Байгильдеева // Деревообрабатывающая промышленность. - 2013. - №1. - С. 15-18.
22. Сафин, Р.Г. Производство метанола из древесных отходов [Текст]/ Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, Т.Х. Гале-ев // Деревообрабатывающая промышленность. - 2013. -№1. - С. 12-15.
23. Сафин, Р.Г. Перспективы развития лесопромышленного комплекса РТ на базе научных разработок кафедр лесотехнического профиля КНИТУ [Текст]/ Р.Р. Сафин, Р. Г. Сафин // Деревообрабатывающая промышленность. - 2012. - №3. - С. 22-27.
24. Сафин, Р.Г. Установка переработки древесных отходов в синтез-газ [Текст]/ Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин
// Деревообрабатывающая промышленность. - 2012. -№1. - С. 21-22.
25. Сафин, Р.Г. Протяженность контакта инструмента с заготовкой и углы встречи с волокнами древесины при профильном фрезеровании отходов лесопиления [Текст]/ А.А. Фомин, Р.Г. Сафин, В.Г. Гусев // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т. 16. №20. - С. 216-219.
26. Сафин, Р.Г. Мощность резания при профильном фрезеровании отходов лесопиления [Текст]/ А.А. Фомин, В.Г. Гусев, Р. Г. Сафин // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т. 16. №14. - С. 193-198.
27. Сафин, Р.Г. Разработка технологии переработки высоковлажных древесных отходов в высооктановые компоненты моторного топлива [Текст]/ Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, А.Р. Садртдинов, Д.Б. Просвирников // Вестник Казанского технологического университета. -2013. - Т. 16. №7. - С. 250-254.
28. Сафин, Р.Г. Технология переработки древесных отходов в диметиловый эфир [Текст]/ Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, Л.М. Исмагилова // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т. 16. №7. - С. 95-97.
29. Сафин, Р.Г. Разработка технологии получения метанола из древесных отходов [Текст]/ Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, Т.Х. Галеев // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т. 16. №3. - С. 168170.
30. Сафин, Р.Г. Газификация влажных древесных отходов [Текст]/ Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, А.Р. Хисамее-ва, Д. А. Ахметова // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - Т. 15. №17. - С. 195-199.
31. Сафин, Р.Г. Разработка технологии получения моторного топлива из отходов деревообработки [Текст]/ Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, З.Г. Саттарова, Т.Х. Галеев // Вестник Казанского технологического университета. -2012. - Т. 15. №11. - С. 205-207.
32. Ф.М. Гумеров Влияние процедур обработки сверхкритическим СО2 на состав и структуру чайного листа и целлюлозы [Текст]/ Ф. Н. Шамсетдинов, Л. Ю. Яруллин, Ф.М. Гумеров, Ф.Р. Габитов, З. И. Зарипов, А. Б. Ремизов, И.М. Колядко, В.Г. Никитин, A. К. Фахреев, Д. И. Камалова// Сверхкритически Флюиды: Теория и Практика т.6 № 2 2011г
33. Грант US5364475 A US 08/100,647 Process for removing chemical preservatives from wood using supercritical fluid extraction, Keith L. Levien, Jeffrey J. Morrell, Satish Kumar, Endalkachew Sahle-Demessie 15 ноя 1994.
34. Грант US4714526 A US 07/026,603 Supercritical fluid extraction method for multi-component systems, Kenneth Pennisi, Eldred Chimowitz, 22 дек 1987.
35.Группа компаний "ГОРО" Основные направления применения СКТ [Электронный ресурс]/ Режим доступа: http://www.extract.ru/index.php?id=81.
36. Khorasani A.M. Supercritical fluid extraction of wood pulp with analysis by capillary gas chromatography-mass spectrometry [Текст]/ Khorasani A.M., L. H McDaniel, Taylor T. T // Journal of Supercritical Fluids The (Impact Factor: 2.57). 04/2001.
37. C. Zetzl Supercritical fluid extraction of woods and roots from brazilian tropical forest region [Текст]/ R. Ibe, M. Johannsen, C. Zetzl, G. Brunner.
38. Сафин Р.Г., Степанов В.В., Исхаков Т.Д., Гайнуллина А. А., Степанова Т.О. Новые исследования и разработки в области получения древесно-композиционных материалов на основе древесных отходов. // Вестник технологического университета. - 2015. -Т. 18. №6. - С. 139-142.
39. Тунцев, Д.В. Переработка низкокачественной древесины в уголь на установке «ПУ-10» [Текст]/ Д.В. Тунцев, Р.Г. Хисматов, М.Р. Хайруллина, А.С. Савельев, И. С. Романчева // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. - 2015. - Т. 3. - №2-1(13-1). - С. 459-463.
40. Солдуп Ш.Н. Исследование сверхкритической экстракции каменных углей тувы [Текст]/ Солдуп Ш.Н., Котельников В.И., Патраков Ю.Ф., Монгуш Г.Р.// VIII Всероссийская конференция с международным участием «Горение твердого топлива» Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, 13-16 ноября 2012 г.
41. Степанова Т.О., Степанов В.В., Исхаков Т.Д. Технологическая схема получения теплоизоляционных материалов из древесных отходов. // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2015. - № 2. ч.1 С. 443-447.
42. Темнова Е.Б., Мазуркин П.М., Степанова Т.О. Экономическая эффективность отбора колотой древесины с резонансными свойствами. // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. -Т. 17. №24. - С. 236-239.
© Р. Г. Сафин - д.т.н., проф., зав. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, safin@kstu.ru; Д. Ф. Зиатдинова - д.т.н., доцент той же кафедры, ziatdinova@rambler.ru; А. В. Сафина - к.т.н., доцент каф. экономики КНИТУ, cfaby@mail.ru; Т. О. Степанова - магистрант каф. переработки древесных материалов КНИТУ, stepanova-211190@yandex.ru; А. А. Крайнов - магистрант каф. переработки древесных материалов КНИТУ, apehablood@list.ru.
R.G. Safin - doctor of engineering, professor, head of the department of processing of wood materials, КЫКТи, safin@kstu.ru; D. F. Ziatdinova - doctor of engineering, professor of chair of processing of wood materials, КЖТи, ziatdinova@rambler.ru; А. V. Safina - candidate of technical sciences, associate professor of the same chair, КЫКТи, cfaby@mail.ru; Т. О. Stepanova -undergraduate of chair of processing of wood materials, КЫКТи, stepanova-211190@yandex.ru.; A. A. Krainov - undergraduate of chair of processing of wood materials, КЫКТи, apehablood@list.ru.
