СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ КОРЫ ХВОЙНЫХ И ЛИСТВЕННЫХ ДЕРЕВЬЕВ
METHOD OF PROCESSING BARK OF CONIFEROUS AND DECIDUOUS TREES

Способ переработки коры хвойных и лиственных деревьев относится к области переработки древесных отходов лесозаготовок, лесопиления и целлюлозно-бумажного производства, а именно к способу переработки коры деревьев.
Известен способ использования коры деревьев в качестве топлива [1], включающий измельчение коры деревьев, сушку до относительной влажности 50…60% и сжигание в топках.
Недостатком данного способа является его низкая эффективность, вследствие того, что на операцию сушки коры деревьев затрачивается значительная часть всей энергии, получаемой от ее переработки; кроме того, существенным недостатком данного способа является высокий уровень эмиссии отходов горения в дымовых газах.
Известен способ получения органоминерального удобрения пролонгированного действия [2], включающий измельчение и перемешивание органического компонента, выполненного в виде древесной коры, и минерального компонента, включающего природный алюмосиликатный минерал, увлажнение и компостирование смеси компонентов удобрения в аэробных условиях.
Недостатками данного способа являются: значительные затраты на приобретение минерального компонента (природного алюмосиликатного минерала) компостируемой смеси; длительный срок переработки древесной коры от 2 до 6 месяцев; сильная зависимость эффективности операции компостирования от природно-климатических условий и времени года (по температуре окружающей среды); и потребность использования больших площадей; все это не позволяет осуществлять переработку древесной коры в промышленных объемах, образующихся на лесоперерабатывающих предприятиях.
Известен способ приготовления органоминерального удобрения [3], включающий измельчение древесных отходов (кора, щепа, опилки и лигнин) до размера частиц 2…5 мм, смешивании измельченных древесных отходов с отходами животноводства (навоз КРС и свиней, помет) и последующее компостирование полученной смеси в буртах трапецеидальной формы.
Недостатками данного способа являются: длительный срок переработки древесных отходов от 2 до 6 месяцев; сильная зависимость эффективности операции компостирования от природно-климатических условий и времени года (по температуре окружающей среды); и потребность использования больших площадей; все это не позволяет осуществлять переработку древесных отходов в промышленных объемах, образующихся на лесоперерабатывающих предприятиях.
Известен способ получения органических удобрений [4], включающий смешивание жидкого навоза и 20…50% гидролизного лигнина в метантенках и дальнейшее метановое сбраживание смеси жидкого навоза и 20…50% гидролизного лигнина в метантенках при температуре смеси 30…60°С в течение 5…10 суток.
Недостатками данного способа являются: очень низкая интенсивность операции сбраживания смеси. Причинами чему является то, что сбраживание смеси осуществляется без постоянного контроля и регулирования параметров этой операции. Температура перерабатываемой смеси от принудительного нагрева может спонтанно увеличиваться и превышать 50°С. Это приводит к образованию в составе биогаза кремнийсодержащих веществ, которые снижают качество биогаза, а также к тому, что концентрация свободного аммиака достигает точки, при которой процесс сбраживания замедляется и может вообще остановиться. В ряду прочего, превышение температуры 50°С ведет к снижению метаболической активности и репродуктивной способности микроорганизмов, участвующих в процессе сбраживания смеси. Все это приводит к чрезвычайно низкому количеству вырабатываемого биогаза, что не позволяет применять данный способ для получения биогаза в промышленных масштабах и говорит о недостаточной эффективности данного способа.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является способ переработки коры хвойных и лиственных деревьев [5], включающий измельчение коры хвойных и лиственных деревьев, смешивание с отходами жизнедеятельности сельскохозяйственных животных и сбраживание (в ферментере) полученной смеси при определенной температуре (не выше 70°С) при постоянном перемешивании в течение 5…7 суток с получением биоудобрения.
Недостатками данного способа являются: низкая интенсивность операции сбраживания смеси. Причинами чему является то, что сбраживание смеси осуществляется без постоянного контроля и регулирования параметров этой операции. А также то, что температура перерабатываемой смеси превышает 50°С. Это ведет к образованию в составе биогаза кремнийсодержащих веществ, которые снижают качество биогаза, а также к тому, что концентрация свободного аммиака достигает точки, при которой процесс сбраживания замедляется и может вообще остановиться. В ряду прочего, превышение температуры 50°С ведет к снижению метаболической активности и репродуктивной способности микроорганизмов, участвующих в процессе сбраживания смеси. Кроме того, данное техническое решение оказывает загрязняющее воздействие на окружающую среду. Это выражается в том, что в ходе сбраживания смеси выделяющийся биогаз поступает в окружающую среду. При этом содержащийся в биогазе метан, как известно, вызывает значительный парниковый эффект. Все это говорит о недостаточной эффективности данного способа.
Достигаемый технический результат состоит в повышении эффективности переработки коры хвойных и лиственных деревьев за счет увеличения интенсивности операции анаэробного сбраживания смеси измельченной коры, навоза или помета сельскохозяйственных животных и обеспечения контроля и регулирования операции анаэробного сбраживания в автоматизированных биогазовых установках. Кроме того, снижается загрязняющее воздействие на окружающую среду за счет сбора во время операции анаэробного сбраживания выделяющегося биогаза.
Указанный технический результат достигается тем, что кору хвойных и лиственных деревьев сначала измельчают до среднего размера отдельных частиц 1…7 мм, а затем осуществляют смешивание измельченной коры с навозом или пометом сельскохозяйственных животных в течение 5…7 минут, а анаэробное сбраживание полученной смеси осуществляют в автоматизированных биогазовых установках при температуре полученной смеси измельченной коры, навоза или помета сельскохозяйственных животных 30…50°С и постоянном ее перемешивании в течение 5…7 суток, при этом во время операции анаэробного сбраживания смеси собирают выделяющийся биогаз, а после окончания операции анаэробного сбраживания смеси собирают оставшийся шлам, используемый как биоудобрение.
Способ переработки коры хвойных и лиственных деревьев включает измельчение коры хвойных и лиственных деревьев, смешивание измельченной коры с навозом или пометом сельскохозяйственных животных, анаэробное (метановое) сбраживание полученной смеси в автоматизированных биогазовых установках при постоянном ее перемешивании, сбор выделяющегося во время операции анаэробного сбраживания смеси биогаза и сбор после окончания операции анаэробного сбраживания смеси оставшегося шлама, используемого как биоудобрение.
Способ переработки коры хвойных и лиственных деревьев состоит из следующих операций. Кору хвойных и лиственных деревьев измельчают до среднего размера отдельных частиц 1…7 мм. Далее измельченную кору смешивают в течение 5…7 минут с навозом или пометом сельскохозяйственных животных, после чего производят анаэробное (метановое) сбраживание полученной смеси в автоматизированных биогазовых установках при температуре 30…50°С и постоянном перемешивании в течение 5…7 суток, при этом во время операции анаэробного сбраживания смеси собирают выделяющийся биогаз, а после окончания операции анаэробного сбраживания смеси собирают оставшийся шлам, используемый как биоудобрение.
Использование данной последовательности операций и технологических режимов этих операций позволяет получить новый технический результат, отличный от технического результата прототипа.
Анаэробное (метановое) сбраживание смеси коры хвойных и лиственных деревьев, навоза или помета сельскохозяйственных животных (свиней, крупного рогатого скота, птицы) при температуре 30…50°С и постоянном перемешивании в течение 5…7 суток позволяет при наименьших материальных затратах в кратчайшие сроки перерабатывать кору хвойных и лиственных деревьев, навоз или помет сельскохозяйственных животных с получением в качестве конечного продукта биогаза высокого качества и шлама, используемого как биоудобрение. При этом операция анаэробного (метанового) сбраживания практически не зависит от природно-климатических условий и времени года (по температуре окружающей среды). Данная операция осуществляется в компактных автоматизированных биогазовых установках (затраты всех видов энергии на функционирование биогазовых установок и поддержание необходимого температурного режима составляют около 30% от всей вырабатываемой энергии [6]). Автоматизированные биогазовые установки обеспечивают постоянный контроль и регулирование параметров анаэробного (метанового) сбраживания смеси, что положительно влияет на повышение эффективности переработки коры хвойных и лиственных деревьев. Это выражается в увеличении интенсивности операции анаэробного сбраживания смеси измельченной коры, навоза или помета сельскохозяйственных животных.
Все это создает условия для поточной переработки коры хвойных и лиственных деревьев в промышленных объемах, образующихся на лесоперерабатывающих предприятиях.
Анаэробное (метановое) сбраживание [6] - один из наиболее перспективных способов переработки органических отходов, отвечающих требованиям экономической эффективности и экологической безопасности. В сущности данного способа лежат сложные природные процессы биологического разложения органических веществ в анаэробных условиях под воздействием особой группы анаэробных бактерий, с получением в конечном итоге биогаза (содержит 60…80% метана, а также углекислый газ, кислород, свободный аммиак и др.) и биоудобрения (высококачественного экологически чистого органического удобрения, в состав которого входят гумусоподобные органические вещества, способствующие структурированию почвы и повышению ее плодородия). Биогаз может быть использован в качестве топлива для выработки электроэнергии, тепла, пара, а также автомобильного топлива. Качество биогаза оценивается концентрацией в биогазе метана, т. к. он используется для получения энергии. Традиционно в качестве основного компонента сбраживаемой смеси используется навоз и (или) помет, т. к. он содержит большое количество биогенных веществ, особенно азота (N), которые необходимы для питания анаэробных бактерий. В качестве дополнительных компонентов могут использоваться растительные остатки (жмых, шрот, зерновая и мелассная послеспиртовая барда, пивная дробина, кора деревьев и др.), отходы мясоперерабатывающих производств, осадки сточных вод и др.
Операция анаэробного (метанового) сбраживания может протекать в трех температурных диапазонах: психрофильном (до 20°С), мезофильном (от 20 до 40°С) и термофильном (от 40 до 70°С). Температура анаэробного (метанового) сбраживания влияет на выход биогаза и длительность этой операции. На основании лабораторных исследований, проведенных автором в ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет», и результатов исследований, представленных в научной литературе [6, 7, 8], установлено, что интервал температур 30…50°С является наиболее оптимальным для осуществления анаэробного (метанового) сбраживания коры хвойных и лиственных деревьев, навоза или помета сельскохозяйственных животных. В этом интервале температур вырабатывается наибольшее количество биогаза при наименьшей длительности процесса анаэробного (метанового) сбраживания, т.е. достигается наибольшая интенсивность операции анаэробного (метанового) сбраживания. Ниже температуры 30°С выход биогаза очень мал (количество вырабатываемой из биогаза энергии хватает только на функционирование биогазовых установок и поддержание необходимого температурного режима, т. е. коэффициент полезного действия стремится к нулю), при этом длительность процесса сбраживания увеличивается в разы. Выше температуры 50°С резко увеличиваются затраты энергии на процесс сбраживания, также при этом в составе биогаза начинают появляться кремнийсодержащие вещества, которые снижают качество биогаза, кроме того, с повышением температуры выше 50°С концентрация свободного аммиака (которое также увеличивается с ростом температуры) достигает точки, при которой процесс сбраживания замедляется и может вообще остановиться.
Длительность анаэробного (метанового) сбраживания коры хвойных и лиственных деревьев в интервале температур 30…50°С составляет 5…7 суток, при условии постоянного перемешивания перерабатываемой смеси, т.к. постоянное перемешивание ускоряет процессы биологического разложения органических веществ и образования биогаза, это ведет к увеличению интенсивности операции анаэробного (метанового) сбраживания смеси, что было установлено в процессе лабораторных исследований, проведенных автором в ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет», и не противоречит результатам исследований, представленных в научной литературе [6, 7, 8].
Необходимым условием высокой эффективности операции анаэробного (метанового) сбраживания является активный обмен веществ и высокая скорость биохимических обменных процессов, напрямую зависящие от величины площади поверхности частиц перерабатываемого материала. Достигнуть большой площади частиц перерабатываемого материала возможно посредством его измельчения [8]. На основании лабораторных исследований, проведенных автором в ФГБОУ ВПО «Петрозаводский государственный университет», и результатов исследований, представленных в научной литературе [6, 7, 8, 9], установлено, что для достижения активного обмена веществ и высокой скорости биохимических обменных процессов средний размер отдельных частиц коры хвойных и лиственных деревьев должен соответствовать значениям из интервала 1…7 мм. Скорость биохимических обменных процессов частицы с размером более 7 мм будет недостаточной для эффективной переработки коры деревьев, что ведет в свою очередь к низкой интенсивности операции анаэробного (метанового) сбраживания. Измельчение частиц менее 1 мм экономически неэффективно, т.к. на это затрачивается очень большое количество энергии, при этом скорость биохимических обменных процессов увеличивается незначительно.
Также необходимым условием высокой эффективности операции анаэробного (метанового) сбраживания является высокая степень однородности смеси, т.к. она влияет на интенсивность операции анаэробного (метанового) сбраживания смеси. Однородность смеси должна составлять 90…95%. Для достижения однородности смеси измельченной коры, навоза или помета сельскохозяйственных животных 90…95% смешивание необходимо производить в течение 5…7 минут. При длительности более 7 минут начинается процесс сегрегации, приводящий к разделению смеси на первоначальные компоненты, что резко снижает интенсивность операции анаэробного (метанового) сбраживания. При длительности смешивания менее 5 минут однородность смеси недостаточная, что также ведет к снижению интенсивности.
Для подтверждения технического результата был проведен ряд экспериментов по переработке коры хвойных и лиственных деревьев, навоза или помета сельскохозяйственных животных.
Навеску коры сосны обыкновенной в количестве 10 кг измельчили в молотковой дробилке. Методом ситового анализа [9] определили средний размер отдельных частиц, который составил 3,68 мм. Далее измельченную кору загрузили в лабораторную модель автоматизированной биогазовой установки, после чего в нее также загрузили свиной навоз в количестве 30 кг, и осуществили их перемешивание в течение 7 минут (посредством лопастной мешалки, которая уставлена внутри автоматизированной биогазовой установки). Затем произвели анаэробное (метановое) сбраживание полученной смеси при поддержании температуры внутри автоматизированной биогазовой установки 45°С и постоянно перемешивая. Сбраживание осуществляли в течение 7 суток. Вырабатываемый, в процессе анаэробного сбраживания, биогаз собирался в отдельную емкость, соединенную с автоматизированной биогазовой установкой. Через 7 суток было получено 8,45 м биогаза и 38,8 кг жидкого биоудобрения (шлама). Частиц коры сосны обыкновенной в жидком биоудобрении не найдено.
Полученные результаты подтверждают заявленный технический результат изобретения.
ИСТОЧНИКИ
1. Волынский В.Н. Переработка и использование древесной коры // ЛесПромИнформ, 2012. №2 (84). С. 168-170.
2. Описание изобретения к патенту RU 2496752 «Способ получения органоминерального удобрения пролонгированного действия (варианты)» (Червонобаб Н.Л. Опубл.: 27.10.2013).
3. Заявка на изобретение RU 2004105620 «Способ приготовления органоминерального удобрения» (Дампилов Б.А., Петунов С.В., Арданов Ч.Е., Отбоев С.С. Опубл.: 10.08.2005).
4. Описание изобретения к патенту SU 1751171 А1 «Способ получения органических удобрений» (Чечура А.А. Опубл.: 30.07.1992).
5. Описание изобретения к патенту FR 2123042 A1 (SOCIETE PROGIL), (Опубл.: 15.06.1970).
6. Голубев И.Г., Шванская И.А., Коноваленко Л.Ю., Лопатников М.В. Рециклинг отходов в АПК: справочник. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2011. 296 с.
7. Седнин В.А., Седнин А.В., Прокопеня И.Н., Шимукович А.А. Анализ факторов, влияющих на производство биогаза при сбраживании осадка сточных вод // Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. Энергетика, 2009. №5. С. 49-58.
8. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика (Пер. с нем. и предисловие М.И. Серебряного). - М.: Колос, 1982. 148 с.
9. Мельников С.В. Механизация и автоматизация животноводческих ферм. - Л.: Колос, 1978. 560 с.