Разработка технологии комплексной утилизации отходов окорки древесины (часть 2)

ИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ

УДК 631.572.004.8

Ф.Х. Хакимова, С.Г. Ермаков

Хакимова Фирдавес Харисовна родилась в 1938 г., окончила в 1965 г. Уральский лесотехнический институт, кандидат технических наук, профессор, зав. кафедрой технологии целлюлозно-бумажного производства Пермского государственного технического университета, заслуженный работник высшей школы РФ. Имеет 150 научных трудов в области теории и технологии целлюлозы.

Ермаков Станислав Глебович родился в 1975 г., окончил в 1997 г. Пермский государственный технический университет, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии целлюлозно-бумажного производства Пермского государственного технического университета. Имеет около 30 печатных работ в области комплексного использования древесного сырья.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОЙ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ ОКОРКИ ДРЕВЕСИНЫ

Разработана технология комплексной утилизации отходов сухой окорки древесины ели с получением из лубяной части дубильного экстракта, лубяного волокнистого полуфабриката (ЛВП) и кормовых дрожжей, а также технологического пара при сжигании корково-древесной части. Предложена технологическая схема комплексного использования отходов окорки древесины.

Ключевые слова: лубяной волокнистый полуфабрикат, бумагообразующие свойства, субмикроструктура, оберточная бумага, композиции, сточные воды, технологическая схема.

В предыдущей статье [1] изложены результаты исследований состава отходов сухой окорки, возможности механического разделения отходов окорки на лубяную и корково-древесную фракции, получения из лубяной фракции дубильного экстракта, ЛВП. Исследованы процессы, протекающие при гидротермической обработке лубяной части отходов окорки древесины. Данная статья посвящена продолжению исследований в области разработки технологии комплексной утилизации отходов окорки древесины.

Таблица 1

Физико-механические показатели сравниваемых полуфабрикатов

Показатели Значения показателей полуфабрикатов

ДДМ ТММ ЛВП из луба

воздушно-сухого влажного

Степень помола, °ШР 65 63 56 58

Обезвоживаемость, с 128 140 70 97

Средневзвешенная длина

волокна, мм 0,85 1,67 2,45 1,73

Разрывная длина, м 2310 3900 4750 3550

Нулевая разрывная длина, м 2330 4680 4010 3050

Сопротивление:

изгибу на 90° 34 820 200 105

продавливанию, кПа 70 125 150 100

раздиранию, мН 160 293 110 85

Водоудержание, % 153 256 226 230

Силы связи между волокна-

ми, Н/мм2 0,30 0,43 0,78 0,45

Физико-механические свойства ЛВП сравнивали с соответствующими показателями дефибрерной древесной массы (ДДМ) и термомеханической массы (ТММ), образцы которых отобраны в производственных потоках Камского ЦБК (табл. 1).

ЛВП отличается от ДДМ и ТММ высокой средней длиной волокна, лучшей обезвоживаемостью, более высокими показателями механической прочности и величинами межволоконных сил связи. Обращает на себя внимание весьма необычное свойство образцов ЛВП - более низкие значения нулевой разрывной длины (показателя, характеризующего прочность самих волокон) по сравнению с самой разрывной длиной. Очевидно, последняя у ЛВП в большей мере определяется межволоконными силами связи, а не прочностью волокон.

Исследования изменения в процессе размола бумагообразующих свойств ЛВП из воздушно-сухого и влажного луба проведены в сравнении с бисульфитной целлюлозой как традиционным полуфабрикатом (рис. 1). На основании полученных результатов установлено следующее: характер изменения бумагообразующих свойств ЛВП из воздушно-сухого и влажного луба в процессе размола аналогичен характеру изменения соответствующих свойств бисульфитной целлюлозы, исключение составляет сопротивление изгибу на 90 ° для ЛВП из воздушно-сухого луба;

абсолютные величины бумагообразующих свойств ЛВП значительно ниже, чем у бисульфитной целлюлозы;

в процессе размола изменение показателей механической прочности ЛВП происходит не так интенсивно, как у целлюлозы; его прочностные показатели при степени помола 40 ... 45 и 60 °ШР различаются незначительно, хотя первый образец обезвоживается значительно легче

Степень типа, °ШР Степеп помою, "шр

д

Рис. 1. Изменения бумагообразующих свойств в процессе размола бисульфитной целлюлозы (а, б), ЛВП из влажного (в, г) и воздушно-сухого (д, е) луба

второго, что свидетельствует о целесообразности использования ЛВП в композиции бумаги уже при степени помола 40 ... 45 °ШР.

На свойства полуфабрикатов и бумаги, наряду с химическим составом и строением волокон целлюлозы, оказывают влияние параметры их капиллярно-пористой системы. При проведении химической обработки субмикроскопические капилляры служат путями подвода реагента и вывода продуктов реакции, и от их количества зависят количество и локализация в стенках волокон основного пластификатора волокна - воды и других низкомолекулярных веществ.

Данные рис. 2, показывают, что объем субмикроскопических капилляров (ОСК) луба в три раза выше, чем у древесины. Связано это с тем, что подавляющую часть луба составляют ситовидные клетки.

Воздушно-сухой луб влажный лу5 ОдуВина бщлыритная

цшюлоза

а В 6 г

Рис. 2. Сравнение ОСК исходного луба и полученных образцов ЛВП: 1 - луб ели; 2 - исходный полуфабрикат; 3,4- ЛВП (степень помола 44(3, я), 43(3, б), 40(3, е),

30

В процессе получения целлюлозы ОСК возрастает. Такое изменение ОСК, во-первых, связано с образованием микрополостей при удалении компонентов древесной ткани (лигнина, гемицеллюлоз и др.), во-вторых - с набуханием клеточных оболочек в варочном растворе. При получении ЛВП показатель ОСК, наоборот, уменьшается. Вероятно, это связано с тем, что в процессе гидротермической обработки луба лигнин не растворяется, а остается в ЛВП. В гидролизат переходят водорастворимые компоненты и легко-гидролизуемые полисахариды. При этом микрополости превращаются в полости, и величина ОСК снижается.

В процессе размола ОСК всех образцов ЛВП и целлюлозы возрастает, что, вероятно, связано с набуханием волокон при размоле.

Сравнение величины ОСК исследуемых полуфабрикатов с механической прочностью отливок бумаги показывает, что полуфабрикат с более высокими значениями ОСК обладает лучшими прочностными свойствами.

Для изучения свойств бумаги, полученной при введении в композицию ЛВП, был использован образец ЛВП из влажного луба при разной степени помола от варки по разработанному оптимальному режиму. Образец применяли для приготовления отливок бумаги в композиции с различными полуфабрикатами производственных потоков Камского и Пермского ЦБК. Выбор полуфабрикатов основан на том, что их будут использовать в композиции оберточной бумаги. Характеристики полуфабрикатов приведены в табл. 2. Характеристики отливок бумаги, полученной с использованием этих полуфабрикатов, представлены в табл. 3.

Анализ образцов бумаги показал следующее: из ЛВП в композициях с макулатурной массой, сучковой целлюлозой, размолотыми (в соотношении 50:50) и неразмолотыми (70:30) отходами сортирования ДДМ получают бумагу, по прочности удовлетворяющую нормам для оберточной бумаги марки «В»; для получения бумажной массы, обладающей хорошей способностью к обезвоживанию, степень помола ЛВП должна составлять 40 ... 45 °ШР.

Таблица 2

Характеристика полуфабрикатов, использованных для получения отливок бумаги

Показатели ДДМ Макулатурная Образцы ЛВП Сучковая Отходы сортирования ДДМ

масса 1 2 целлюлоза 1 2

Степень помола, °ШР 65 21 42 58 14 30 61

Обезвоживаемость, с 128 20 56 97 15 25 160

Разрывная длина, м 2510 3870 3260 3550 3420 1200 2620

Сопротивление:

излому, ч.д.п. - 18 - - 16 - -

изгибу на 90 ° 34 - 62 105 - 9 28

продавливанию, кПа 70 145 75 100 100 - 61

раздиранию, мН 160 480 100 95 670 190 160

Средневзвешенная длина волокна, мм 0,85 1,50 2,46 1,73 2,10 1,07 0,8

Таблица 3

Показатели физико-механических свойств отливок бумаги различных композиций

Состав композиции Характеристика бумаги

ЛВП Макулатурная масса Сучковая целлюлоза Отходы сортирования Ддм Степень помола, °ШР Обезвоживаемость, с Разрывная длина, м Сопротивление

42 °ШР 58 °ШР раздиранию, мН изгибу на 90 °

30 °ШР 61 °ШР

- 50 50 - - - 40 59 3650 350

50 - 50 - - - 31 42 3340 380

- 50 - 50 - - 32 38 3500 530

50 - - 50 - - 32 41 3400 370

- 50 - - 50 - 51 82 2610 160 61

50 - - - 50 - 44 68 2560 160 43

70 - - - 30 - 45 65 3050 150 44

50 - - - - 50 54 100 3100 140 41

- 50 - - - 50 60 135 3270 130 62

В процессе получения ЛВП в гидролизат переходит почти половина массы луба - дубильные, красящие, пектиновые вещества, легкогидроли-зуемые полисахариды и др. Нами в лабораторных условиях смоделирована и исследована промывка ЛВП по схеме отжим - разбавление - отжим. Степень отбора гидролизата при промывке по такой схеме составила около 80 %.

Таким образом, при промывке по указанной схеме получают гидро-лизат, который предполагается направлять на биохимическую переработку в кормовые дрожжи [2], и сточные воды, с которыми уходит около 20 % растворенных в процессе гидролиза веществ.

Таблица 4

Характеристика сточных вод от промывки ЛВП _и бисульфитной целлюлозы_

Значения показателей сточных вод

Показатели от промывки ЛВП варочно-промывного

из луба из одубины цеха КЦБК

рН 4,8 4,9 -

Цветность, °ХКШ 5450 480 -

Мутность, кг/т 0,8 1,4 -

Окисляемость, кг О2/т 17,6 15,0 -

ХПК, кг О2/т 51,3 53,1 499,0

БПК5, кг О2/т 20,7 18,2 102,5

Взвешенные вещества, кг/т 0,008 0,008 0,010

Сухие вещества, кг/т 41,8 41,8 -

Поэтому представляет интерес характеристика сточных вод от промывки ЛВП (в табл. 4). Для сравнения в таблице приведена характеристика сточных вод варочно-промывного цеха Камского ЦБК.

Из данных табл. 4 следует, что основные показатели, характеризующие сточные воды промывки ЛВП, весьма низкие по сравнению с показателями сточных вод варочно-промывного цеха КЦБК: ХПК меньше

Рис. 3. Технологическая схема комплексного использования отходов окорки древесины: 1 - окорочный барабан; 2 - сортировка; 3 - циклон; 4 - разделитель отходов окорки; 5 - вибросортировка; 6 - бункер с подвижным дном; 7 - сушильная установка; 8 - вентилятор; 9 - циклоны; 10 - транспортер; 11 - бункер сухой коры; 12 - экстрактор; 13 - теплообменник; 14 - сборник одубины; 15 - дренирующий конвейер; 16 - сборник оборотной воды; 17 - варочный котел; 18 - выдувной резервуар; 19 - двухбарабанный пресс-сгуститель; 20, 21 - сборники слабого и крепкого гидролизатов; 22 - бак-смеситель; 23 - гидролизер дополнительной инверсии; 24, 25 - сборники гидролизата и слабого экстракта; 26 - двухкорпусная выпарная установка; 27 - сушильная установка для сушки экстракта; 28 - установка для

упаковки; 29 - корорубка

в 7,5 - 8 раз, а БПК - в 4-5 раз. Таким образом, затраты на биологическую очистку сточных вод производства ЛВП будут значительно ниже затрат ва-рочно-промывного отдела.

Рекомендуемая технологическая схема комплексной переработки отходов окорки, приведенная на рис. 3, состоит из следующих основных узлов:

разделение и сортирование отходов окорки с выделением лубяной и корково-древесной фракций;

экстракция лубяной части с получением дубильного экстракта и одубины;

варка ЛВП; промывка ЛВП;

подготовка гидролизата на переработку в дрожжи. Выполненный укрупненный экономический расчет предлагаемого варианта комплексной утилизации отходов окорки древесины показал, что ожидаемый экономический эффект от организации производства и реализации продуктов для предприятия, на котором образуется свыше 90 тыс. т отходов окорки в год, составит 28,1 млн руб.

Таким образом, на основании проведенных исследований разработана технология комплексной переработки отходов сухой окорки древесины ели с получением из лубяной части дубильного экстракта, лубяного волокнистого полуфабриката и кормовых дрожжей, а также технологического пара при сжигании корково-древесной части.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ермаков С.Г., Хакимова Ф.Х. Разработка технологии комплексной утилизации отходов окорки древесины (часть 1) // Лесн. журн. - 2002. - № 5. - С. 108 -115. - (Изв. высш. учебн. заведений).

2. Хакимова Ф.Х., Ермаков С.Г. Исследование процессов, протекающих при гидротермической обработке луба // Вестник ПГТУ «Аэрокосмическая техника». -Пермь, 2001. - № 9. - С. 126-134.

Пермский государственный технический университет

Поступила 01.04.02

F. Kh. Khakimova, S. G. Ermakov

Technology Development of Complex Utilization of Debarking Wastes

Technology of complex utilization of spruce dry debarking wastes has been developed resulting in producing bark extract, fiber bast semi-finished product and nutrient yeast from the inner bark and burning the outer bark for process steam. Technological scheme of complex use of debarking wastes is proposed.