CC BY
104
УДК 674.816.2
Р. Г. Сафин, З. Г. Саттарова, И. Г. Хабибуллин, Р. Р. Зиатдинов, Т. О. Степанова
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.
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.
Введение
Природа - это живой окружающий нас мир во всем бесконечном многообразии его проявлений. Она представляет собой объективную реальность, которая существует вне и независимо от сознания человека. В природе также существуют определенные законы, которым подчиняется все во вселенной, в том числе и человек, который является неотъемлемой частью природы.
Природа состоит из растительного и животного мира и существуют они взаимосвязано за счет круговорота и воды (рис.1).
^ Микроэлементы H2O
O2 Воде
Растительный мир +
РАСТИТЕЛЬНАЯ БИОМАССА
iV
Животный мир
Деревья
Питательные вещества (витамины)
Рис. 1 - Схема круговорота в природе
Вода - основа жизни - главное богатство нашего мира, она дороже всего, без неё природа погибнет. Когда на других планетах находят воду, то говорят о возможной жизнедеятельности на них. Основным продуктом жизнедеятельности растительного мира является биомасса.
Производимая растительным миром биомасса, является возобновляемым ресурсом и делится на 3 вида: водоросли, растения, деревья.
Водоросли, содержат до 80 % жира. За сутки они удваивают свою массу. Водоросли - источник питания для рыб, поэтому жизнедеятельность водорослей переплетается с деятельностью рыбного хозяйства. В будущем водоросли могут стать основным источником энергии путем производств из неё биотоплива: биоэтанола, биодизеля.
Растения это живые организмы способные перерабатывать энергию солнца в возобновляемую биомассу. Однолетние растения являются, в основном, питательной базой для животного мира и поэтому является сферой деятельности сельского хозяйства.
Наибольшие запасы растительной биомассы в мире заключены в многолетних растениях -деревьях. Из деревьев формируются леса, поэтому они являются сферой деятельности лесного хозяйства. В связи с выше приведенным, во вновь сформулированных направлениях подготовки научно-педагогических кадров рыбное, сельское и лесные области знаний сведены в одно направления подготовки: 35.06.04 - Технологии, средства механизации и энергетическое оборудование в сельском, лесном и рыбном хозяйстве.
Основная часть
Дерево - это композиционный материал, многообразно применяющийся человеком в течение многих тысяч лет. Чтобы правильно использовать древесину и древесные материалы, необходимы знания о росте и строении древесины, о свойствах различных пород дерева, необходимо развивать новые технологии и аппаратурное оформление по переработке древесины в востребованные для человечества продукты. Научные направления в области переработки лесных ресурсов ведутся по 3-м специальностям: 05.21.01 - технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства; 05.21.03 -технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины и 0.21.05 - древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки.
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.2). Ствольную часть перерабатывают в пиломатериалы, шпон, технологическую щепу. Пиломатериал включает в себя оцилиндрованные бревна, брус, доски. Из последних производят
CO
Растения
клееный брус, клееные доски для изготовления, соответственно, балок, лестниц, мебели [16, 27, 28]. Шпон различают строганый и лущеный. Лущеный шпон производят на предприятиях производящих фанеру (ЗФЗ, ПФМК). Строганый шпон используется как облицовочный материал в мебельном производстве для облицовки декоративных панелей, дверных полотен, мебельных щитов, а также для производства клееного бруса, 08Б (ориентировонно-стружечная плита). Первой стадией при производства спичек также является производство шпона [1, 6, 24].
Рис. 2 - Направления переработки древесных материалов
Комлевую часть хвойных пород древесины перерабатывают в технологическую щепу - осмол для экстрагирования из нее древесной смолы, из которой производят, затем канифоль, скипидар.
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.3).
Целлюлоза
Т Е Х Н О Л О Г И Ч Е С К А Я Щ Е П А
"ж
НЦ
АЦ
Древесноволокнистая плита
ДВП
МДФ
ДсТП
Арболит
Древесная мука
ДКМ
Для очистки
Рис. 3 - Направления переработки щепы
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 (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.
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, стеклодробленый строительный материал и др.
Опилки используются для производства древесной муки, древесно-композиционные материалы, 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 (см. рис.4). Многие из вышеперечисленных технологий производят
Пеллеты
вторичные отходы, в состав которых входят различные химические компоненты, не позволяющие их дальнейшее использование без специальной обработки. К этим химическим компонентам относятся смолы и клея, 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, 26].
| Коралит ,
| Арболит | У
-е1 ,.......
Газогенерация
Д Р Е В Е С Н Ы Е О Т Х О Д Ы
=з=Т
Пиролиз I
Технологическая щепа
Дрова
1С
Газообразное топливо
Бионефть
Древесный уголь
Жидкое
топливо
Сырье,
компоненты для
хим.
превращений
Экстрактивные вещества
Гидролиз
Дрожжи I
Гидролизный спирт
Синтетический каучук
Растворители
Жидкое биодизель, биоэтанол
Рис. 4 - Направления переработки древесных отходов
С целью получения жидкого биотоплива целесообразно использовать процесс быстрого пиролиза.
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, 25, 29-33].
Заключение
Активное использование вторичных древесных ресурсов является не только важнейшим элементом ресурсосбережения, способствующим
комплексному использованию древесного сырья и, в конечном счете, сохраняющим от вырубки значительные лесные массивы, но и значительно улучшит экологическую составляющую лесной отрасли. Применение высокотемпературных термохимических методов переработки
образующихся отходов позволит сократить вывоз
твердых отходов с малых предприятий за счет того, что кусковые отходы и неделовая древесина будут переработаны в древесный уголь и жидкое топливо. Отходы плитных производств будут подвержены процессу газификации, в результате которой на выходе будет получен чистый генераторный газ.
Литература
1. Р.Г. Сафин, Технологические процессы и оборудование деревообрабатывающих производств: учеб. пособие. М.: Изд-во МГУЛ, 2002 г.
2. Заявка на патент РФ №2014153912, МПК С10В1/04(2014.01) Установка для производства древесного угля / Р.Г Сафин, Н.Ф. Тимербаев, Р.Р.Сафин., и др., Бюл.№19,2014.
3. Сафин, Р.Г. Разработка энергосберегающей технологии газогенерации древесных отходов [Текст]/ Н.Ф. Тимербаев, 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. Гайнуллина, Т.О. Степанова // Вестник Казанского технологического университета. -2014. - Т. 17. №20. - С. 122-127.
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. Тунцев Д. В. Технологическая схема получения биопластики на основе лигнина [Текст] / Д.В. Тунцев, Р.Г. Сафин, М.Р. Хайруллина, Ф.М. Филиппова, И.Ф. Гараева // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 15. Т17 - С. 217 - 219.
11. Тимербаев, Н.Ф. Техника и технологии термической переработки отходов деревообрабатывающей промышленности (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.
12. Тимербаев, Н.Ф. Утилизация твердых отходов деревопереработки, содержащих токсичные вещества (статья)/ Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г. Саттарова. -Вестник Казанского технологического университета, 2011, №4, С.79-84.
СГ
13. 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.
14. 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. - С. 181-182.
15. 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.
16. Фомин, А. А. Диспергирование припуска, снимаемого при профильном фрезеровании заготовки / А.А. Фомин, В.Г. Гусев, Р.Г. Сафин, Р.Р. Сафин // Вестник машиностроения. 2015. - № 3. - С. 53-56.
17. Сафин, Р.Г. Газификация древесных отходов [Текст]/ Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, Д.А. Ахметова, Р.Р. Зиатдинов, А.Р. Хабибуллина // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. №8. - С. 108-111.
18. Сафин, Р.Г. Пиролизная переработка отходов лесопромышленного комплекса в древесный уголь [Текст]/ Р.Г. Сафин, Р.Р. Зиатдинов, А.В. Сафина, А.Р. Хабибуллина // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. №20. - С. 131-134.
19. 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. - С. 57-59.
20. 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.
21. Сафин, Р.Г. Пирогенетическая переработка древесных материалов [Текст]/ Р.Г. Сафин // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т. 17. №9. - С. 88-92.
22. 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.
23. Сафин, Р.Г. Производство метанола из древесных отходов [Текст]/ Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, Т.Х. Галеев // Деревообрабатывающая промышленность. -2013. - №1. - С. 12-15.
24. 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.
25. Сафин, Р.Г. Установка переработки древесных отходов в синтез-газ [Текст]/ Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин // Деревообрабатывающая промышленность. -
2012. - №1. - С. 21-22.
26. Сафин, Р.Г. Технологическая схема подготовки жидких продуктов пиролиза древесных отходов к газификации [Текст]/ Д.В. Тунцев, Р.Г. Сафин, А.М. Касимов, Р.Г. Хисматов, И.С. Романчева, А.С. Савельев // Вестник Казанского технологического университета. -
2013. - Т. 16. №21. - С. 258-260.
27. 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.
28. 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.
29. 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.
30. 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.
31. 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. 168-170.
32. 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.
33. 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.
© Р. Г. Сафин - д.т.н., профессор, зав. кафедрой переработки древесных материалов КНИТУ, safin@kstu.ru; З. Г. Саттарова -к.т.н., доцент той же каф., sattarova@list.ru; И. Г. Хабибуллин - магистрант той же каф., almira-h@rambler.ru; Р. Р. Зиатдинов - к.т.н., доцент той же каф., radis226@rambler.ru; Т. О. Степанова - студентка каф. ПДМ, stepanova-211190@yandex.ru.
© R. G. Safin - doctor of engineering, professor, head of the department of processing of wood materials КЖТО, safin@kstu.ru; Z. G. Sattarova - candidate of technical sciences, associate professor of the same chair, sattarova@list.ru; 1 G. Khabibullin -undergraduate associate professor of the same chair, almira-h@rambler.ru; R. R. Ziatdinov - candidate of technical sciences, associate professor of the same chair; Т. О. Stepanova - student of chair of processing of wood materials, stepanova-211190@yandex.ru.
