автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.03, диссертация на тему:Рациональные способы переработки коры сплавной древесины пихты сибирской

кандидат технических наук
Щукина,
Анна Владимировна
город
Красноярск
год
2007
специальность ВАК РФ
05.21.03
Автореферат по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева на тему «Рациональные способы переработки коры сплавной древесины пихты сибирской»

Автореферат диссертации по теме "Рациональные способы переработки коры сплавной древесины пихты сибирской"

На правах рукописи

Щукина Анна Владимировна

Рациональные способы переработки коры сплавной древесины пихты сибирской

05 21 03 - Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева, химия древесины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□ОЗ174257

Красноярск-2007

003174257

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» на кафедре «Промышленная экология, процессы, аппараты химических производств»

Научный руководитель

доктор биологических наук, профессор

Степень Роберг Александрович

Официальные оппоненты

доктор химических наук, доцент

Левданский Владимир Александрович

кандидат технических наук, доцент

Крылова Оксана Константиновна

Ведущая организация

Институт леса им В Н Сукачева СО РАН

Защита состоится ноября 2007 г в 0-00 часов на заседании

диссертационного совета Д 212 253 01 при ГОУ ВПО «Сибирский государственный технологический университет» по адресу 660049, Красноярск, пр Мира, 82

Отзывы (в двух экземплярах с заверенными подписями) просим направлять ученому секретарю диссертационного совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СибГТУ

Автореферат разослан «Р£» 4Р 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат химических наук, доцент

С В Исаева

Актуальность Россия, обладая огромными лесными ресурсами, использует их крайне нерационально Полезно потребляется половина, а в Сибири — нередко треть от биомассы дерева. Неиспользованной остается основная часть древесных отходов, прежде всего кора, составляющая до 15 % общею объема Особенно это касается коры сплавляемых балансов

В связи с низкой стоимостью водной транспортировки, намного уступающей всем другим видам доставки древесины, ее объем до сих пор остается высоким При переработке сплавляемой древесины кора практически не находит рационального потребления, загрязняет и загромождает территорию и затраты на ее переработку и хранение накладываются на себестоимость товарной продукции. Утилизация коры позволяет улучшить экономику и экологию предприятия, что свидетельствует об актуальности ее использования Для организации производства важно располагать сведениями об объемах, составе и свойствах этих древесных отходов

Исходя из потребления исходной коры, представляется, что и кора сплавной древесины может служить сырьем для получения эфирного масла, компостов, угольных материалов и рада других продуктов Цель и задачи работы

Целью исследований является разработка технологии комплексной переработки скапливающейся на промплощадке коры сплавной пихты сибирской с получением эфирного масла, компостов, активного угля и других лесохимических продуктов

При проведении исследований решались следующие задачи

- разработка технологии рационального использования коры сплавной пихты и оценка эффективности ее вариантов,

- изучение компонентного состава и свойств данного сырья и влияния на эти показатели продолжительности его пребывания в воде,

- исследование динамики выделения эфирного масла и других компонентов из коры сплавной пихты, созревания компостов и качественных характеристик активных углей, получаемых на ее основе

Научная новизна работы

- дана оценка коры сплавной пихты как потенциального сырья для производства эфирного масла, компостов и активных углей,

- исследована изменчивость компонентного состава коры пихты в зависимости от продолжительности пребывания в воде балансов,

- изучено влияние некоторых факторов на выход, состав и динамику отгонки эфирного масла из данного сырья, интенсивность продуцирования С02 при его компостировании, свойства и качество углей,

- установлено ускорение процесса отгонки эфирного масла из коры сплавной пихты и предложено его объяснение

Практическая значимость

- разработана технология комплексной переработки коры сплавной пихты сибирской, обоснованы направления практического применения товарных продуктов из этого сырья и вторичных отходов переработки,

- экономические расчеты показали, что на основе разработанной технологии могут быть созданы рентабельные производства, позволяющие утилизировать крупнотоннажные древесные отходы, скапливающиеся на территории комбината, полезно перерабатывая их в востребованную продукцию, избежать серьезных финансовых санкций и улучшить экономику предприятия

- результаты исследований могут быть использованы на предприятиях лесного, лесохимического, сельскохозяйственного профиля Производственные испытания полученного эфирного масла и компоста показали их эффективность

Публикации По результатам исследований опубликовано 14 работ Основные результаты представлены в 10 приведенных в автореферате публикациях.

Апробация работы. Материалы докладывались на конференциях региональных «Непрерывное экологическое образование и экологические проблемы Красноярского края» (Красноярск 2002, 2003 гт), «Экологическая безопасность Красноярского региона» (Красноярск, 2005 г ), межрегиональной

«Эколого-экономические проблемы региональных товарных рынков» (Красноярск, 2004 г), всероссийских «Проблемы химико-лесного комплекса» (Красноярск, 2003, 2004 г), «Проблемы экологии и развития городов» (Красноярск, 2001 г )

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, аналитического обзора, методической, экспериментальной, технологической частей, выводов и списка литературы Работа изложена на 150 страницах и включает 46 таблиц и 15 рисунков Библиография содержит 194 наименования

Введение Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, ее вклад в решение проблемы рационального использования древесного сырья

Аналитический обзор В разделе систематизированы сведения по переработке крупнотоннажных древесных отходов лесопильных и деревообрабатывающих производств, прежде всего коры как сырья для химической, фармацевтической промышленности, ее использования в сельском хозяйстве, в качестве топлива Их анализ указывает на практическое отсутствие данных, связанных с утилизацией коры, находившихся в воде деревьев, изменчивости компонентного состава Систематизация сведений позволила конкретизировать поставленные в диссертации задачи.

Методическая часть Объектом исследования служила кора пихты сибирской, отобранная с доставленных автотранспортом (называемых в работе исходными) и находящихся в запани на лесной бирже № 1 ООО «Енисейского ЦБК» в течение 0 5, 1 0, 1 5,2 0, 2 5 и 3 5 месяцев балансов. Диаметр балансов, кора которых использовалась для опытов, 120±5, 280±7, 320±11, (360±10) мм, что соответствует молодняку, средневозрастным, приспевающим и спелым деревьям Схема исследований представлена на рисунке 1

Динамику выделения эфирного масла изучали путем дробной отгонки -фиксированием его объема при продолжительности процесса 1 0, 3 5, 6 0, 9 0, 18 0, 30 0, 37 0, 70 0, 90 0, 140 0, 180 0 мин

Отбор балансов

Влажность, зольность

Сырье Кора сплавной пихты

Измельчение, усреднение

запасов сырья Компонентный

Активный уголь

«Активация*—

Кубовый конденсат

концентрирование

Коровой пихтовый экстракт

Физико-

химические

показатели

__ Физико-химические показатели .Состав

Динамика накопления сухого остатка

Испытания по выращиванию картофеля и пшеницы

Влияние продолжительности пребывания в воде Потенциальные запасы

Динамика отгонки

показатели -►Свойства

Рисунок 1- Схема переработки коры сплавной пихты и анализ получаемых продуктов

Пиролиз коры осуществляли в лабораторной щелевидной реторте при 500 °С и избыточном давлении 1-2 102 Па Влажность сырья 9-11 %, скорость подъема температуры - 9 °С/мин, выдержка - при ее конечном значении 30 мин В главе приведены характеристика установок, аппаратуры и материалов, условия эксперимента, методики исследования исходного сырья, получаемых продуктов и математической обработки результатов

Экспериментальная часть и обсуждение результатов Пребывание коры в воде ведет к заметному изменению ее состава, значительно возрастающему по мере ее продолжительности При этом она существенно обедняется водорастворимыми веществами В частности, пребывание коры в воде в течение 3,5 месяцев снижает их содержание с 9,5 до 4,2 % Доля спирторастворимых продуктов при сплаве уменьшается за этот период с 14,2 до 13,7 %, легкогидролизуемых полисахаридов в образцах - с 15,2 до 7,5 %, трудногидролизуемых - с 21,1 до 13,1 % от абсолютно сухого сырья (а с с) Содержание полисахаридов уменьшается в связи с гидролитическими превращениями, увеличение лигнина и минеральных веществ происходит вследствие вымывания других компонентов коры, а минеральных веществ, возможно, также за счет загрязнения ее песком и т п

При проведении исследований с корой сплавной пихты исследовали варианты ее переработки с получением эфирного масла, удобрений и угольных материалов

Содержание эфирного масла в коре растущих деревьев в зависимости от возраста различается почти в 1,5 раза - с 1,69 до 2,85 %, что обусловлено рядом причин К основным из них относятся изменение анатомической структуры коры, биохимических процессов в организме и режима освещенности ассимиляционного аппарата растений разного возраста Результаты указывают на целесообразность переработки коры онтогенетически зрелых деревьев Это обусловлено и практикой хозяйствования, поскольку объектом главных рубок являются спелые и перестойные древостой

Пребывание балансов в воде сопровождается снижением содержания

эфирного масла Темпы потерь обратно пропорциональны продолжительности экспозиции и диаметру балансов Для всех исследованных образцов они составляют в первые полмесяца около 20 %, во вторые - 10 %, в последующие два месяца - около 15 % (таблица 1)

Таблица 1 - Влияние продолжительности пребывания балансов в воде на содержание эфирного масла в коре пихты разных диаметров

В процентах от а с с

Диаметр балансов, мм Кора исходных балансов Продолжительность нахождения в воде, мес

0,5 1,0 1,5 2.0 2,5 3,5

120 1,69± 0,08 1,39± 0,03 1,22± 0,03 1,10± 0,04 1,03± 0,03 0,92± 0,06 0,85± 0,04

280 1,86± 0,08 1,54± 0,04 1,33± 0,04 1,20± 0,04 1,10± 0,05 1,05± 0,05 1,01± 0,06

320 2,44± 0,07 2,04± 0,07 1,79± 0,05 1,56± 0,05 1,46± 0,05 1,3 8± 0,05 1,32± 0,06

360 2,85± 0,06 2,52± 0,05 2,30± 0,04 2,06± 0,04 1,87± 0,04 1,72± 0,06 1,53^ 0,05

Отмечаемый характер снижения вклада эфирного масла логично объясняется его малой растворимостью в воде и увеличением толщины коры с повышением диаметра и, следовательно, возраста деревьев Вымывание масла происходит с поверхности коры, его появление на которой в первую очередь обусловлено расположением внутренних вместилищ Другой важной причиной происходящего варьирования служат возрастные анатомические изменения как последних, так и самой коры Определенную роль играет и повышение в масле при старении вклада углеводородов, хуже растворяющихся в воде по сравнению с кислородсодержащими соединениями, что важно для переноса компонентов к поверхности и их вымыванию

Проведение двухфакторного дисперсионного анализа показало наличие

статистически достоверных различий по содержанию эфирного масла в коре балансов разного диаметра, а также его изменения в зависимости от продолжительности пребывания в воде

Проведенные исследования показывают, что динамика вымывания масла удовлетворительно описывается поликомом 3-й степени. Их вид с соответствующим значением коэффициентов детерминации для балансов разного диаметра представлен ниже для балансов диаметром

120 мм у = 0,0184 х3 - 0,0557 х2 - 0,2755 х + 1,6884 при R2 = 0,9971, 280 мм у = 0,0346 х3-0,1431 х2-0,1654 х + 1,8609 при R2 = 0,9993, 320 мм у = 0,0434 х3 - 0,1601 х2 - 0,2888 х + 2,4316 при R2 = 0,9992, 360 мм у = 0,0085 х3 - 0,0279 х2 - 0,5796 х + 2,8557 при R2 = 0,9996 Высокое значение коэффициентов детерминации указывает на близость всех экспериментальных точек приведенным уравнениям

Растворимостью различных групп терпеноидов в воде при увеличении продолжительности пребывания балансов в ней объясняется и нарастание доли моно- и сесквитерпеноидных соединений с сокращением вклада кислородсодержащих веществ в коре деревьев разного возраста. Так, у коры деревьев диаметром 120 мм, находящейся в течение 3,5 месяцев в воде, в эфирном масле увеличивается доля монотерпеновых соединений с 71,1 до 77,9 %, сесквитерпеноидных - с 0,8 до 1,6 %, а кислородсодержащих продуктов снижается с 28,1 до 20,4 % Кроме того, в составе последних при пребывании в воде в течение 2 месяцев изменяется соотношение борнилацетата и борнеола. первого - уменьшается с 21,2 до 14,0 %, а второго - возрастает с 3,6 до 5,9 % Возможно, что одной из причин сокращения борнилацетата является его омыление с образованием борнеола и уксусной кислоты. В целом, поскольку товарная ценность пихтового масла определяется содержанием в нем кислородсодержащих компонентов можно считать, что при длительном пребывании коры пихты в воде его ценность снижается.

Пребывание балансов в воде сказывается и на характере выделения

эфирного масла из коры, ускоряя его отгонку из сырья. Его влияние четко проявляется при отгонке терненоидои ю коры исходного и находящегося Я воде молодняка (рисунок 2).

Продолжитель ность отгонки, мие!

—Исходная кора —° Кора, пребывавшая и иоде 0,5 мес.

Кора, пребывавшая в воде 1,0 мес. Кора, пребывавшая в воде 3,5 мес.

Рисунок 2 - Динамика выделения эфирного масла ЩЗ коры пихты различной продолжительности пребывания а воде

8 начальный период динамика их выделения в Сравниваемых случаях весьма близка. Ей свойственна высокая скорость - при продаШитедшоста 1 мин. у коры исходных балансов — 2510"' мл/мин, находившейся б воде 5,5 месяцев - 17-Ю"2 мл/мин, 3 мин - соответственно и 7,2-ИТ2 -мп/мип.

Б середине и особенно в заключительной части процесса выход вдещ из исходной коры заметно выше, чем из сплавляемой. При продолжительности отгонки 70 мин - соответственно 0,55■ 10"2 и 0,24-1 (V2 мл/мин. Важно отметить, что из коры, находящейся более 1,0 месяца в воде, после 1,5 ч отгонки практически не выделяется терненоидов. 'Гак, скорость их отгонки при 340 мин.

у исходной коры - 0,14 10'2 мл/мин, у находящейся в воде 3,5 месяца -0,02 10"2 мл/мин, т е продолжительность выделения масла из таких образцов сокращается почти на порядок

Логично предполагать, что причиной снижения выхода эфирного масла на завершающей стадии отгонки из коры пихты сплавных деревьев по сравнению с исходными служит разложение ее связанных терпеноидов с высвобождением компонентов масла Развитие этих процессов может протекать под действием метаболитов микроорганизмов или сорбированных корой примесей Сокращение в этой фракции вклада монотерпенов находится в соответствии с таким представлением Не противоречит этому и снижение на данном этапе отгонки по сравнению с исходной корой массы экстрактивных веществ, выделяемых в кубовый конденсат Различие компонентного состава последних фракций масла исходных и пребывавших в воде балансов позволяет полагать, что основным из терпеновых составляющих связанных терпеноидов является камфен О других их компонентах говорить затруднительно

При изучении изменения состава эфирного масла в соответствии с различной летучестью его последующие фракции в процессе отгонки обедняются монотерпеновыми углеводородами и обогащаются кислородсодержащими и сесквитерпеноидными соединениями Так, первая фракция по истечении одной минуты отгонки, особенно коры сплавных балансов, почти целиком состоит из монотерпенов (у коры не пребывавшей в воде - 88,4 %, у находившейся в воде 2 месяца - 94,5 %), а во фракции масла после получасовой отгонки они представляют соответственно около 80 и 86 % С учетом этого, несмотря на сравнительно невысокое содержание кислородсодержащих соединений можно выделить и обогащенные ими фракции, обладающие большей бактерицидностью, которые можно использовать для лекарственных целей В целом же эфирное масло коры сплавных балансов наиболее пригодно для производства изделий парфюмерно-косметического назначения и товаров бытовой химии Проведенные испытания показали целесообразность и эффективность его применения

Основная часть экстрагируемых при гидродистилляции веществ переходит в раствор в начальный период Однако, если из коры исходных балансов за первые 0,5 ч экстрагировалось около 59 %, то сплавных - в зависимости от экспозиции от 69 до 74 % от общей массы За последующий 1 ч из всех образцов вымывается близкое количество веществ с небольшим превышением у коры исходных балансов Более существенно для сравниваемых образцов различается выход продуктов в заключительные 1,5 ч У коры исходных балансов за этот период в кубовый остаток переходит свыше 16 %, сплавной - в 2-3 раза меньше Полученные данные свидетельствуют о перераспределении их перехода в жидкую фазу с заключительных стадий на начальные, темпы которого определяются продолжительностью пребывания сырья в воде Динамика выделения экстрактивных веществ подтверждает представление о деструктировании меротерпеноидов коры при сплаве балансов

Образующийся при отгонке эфирного масла кубовый конденсат, сконцентрированный до 50 % сухого вещества, содержит моносахариды -88,4 г/л, легкогидролизуемые полисахариды - 67,8 г/л, дубильные вещества -7,2 г/л, общие фенолы - 24,6 г/л, органические кислоты - 10,9 г/л, смолистые вещества - 4,2 г/л, витамины, минеральные компоненты и другие энергетические и биологически активные вещества Предполагается, что он найдет применение для получения корового пихтового концентрата Известно, что кубовый остаток, полученный на основе исходной коры, эффективно используется в качестве подкормки для крупного рогатого скота Учитывая близкий состав последнего и полученного нами продуктов, можно полагать, что он также может быть использован в рационе животных

К особенностям коры сплавной древесины относятся высокая влажность (75 %) и повышенное содержание лигнина, являющегося основным источником образования гумуса, а также меньшее по сравнению с исходной корой количество ингибирующих веществ эфирного масла, фенолов, смолистых

продуктов и др Эта специфика делает ее более привлекательной для компостирования, чем кору исходных балансов

Кора исходных балансов характеризуется кислой реакцией среды (рН 4,65-4,76) и содержанием углерода - 49, азота - 0,42, фосфора - 0,10 и калия - 0,31 % При двухмесячном пребывании коры в воде их значения изменяются соответственно рН 4,96-4,99, 52 %, 0,63 %, 0,09 % и 0,25 %, 3,5 месяца -рН 5,19-5,26, 54 %, 0,71 %, 0,09 % и 0,24 % Соотношение С . N в сравниваемых образцах составляет 116 83 76, что свидетельствует о существенном улучшении ее использования для компостирования Для повышения вклада азота, необходимого для развития, участвующих в разложении коры микроорганизмов, ее обогащали азот- и фосфорсодержащими добавками С целью понижения кислотности среды в смесь коры и минеральных удобрений вводили по 10 и 15 % цеолита Сахаптинского и Пегасского месторождений Деструкцию биомассы коры и композиций на ее основе при компостировании анализировали по респирационной активности Наиболее высокая активность для коры пихты сплавных балансов наблюдалась в первый месяц компостирования в вариантах кора + минеральные удобрения + 10 % цеолита Пегасского месторождения (21,59 г С02/м2 для 2,0 мес. и 24,44 г С02/м2 - 3,5 мес. пребывания сырья в воде) Такое значение сохранялось в течение первых двух месяцев, затем быстро снижалось Напротив, в вариантах с корой исходных балансов и Пегасским цеолитом активность компостирования усиливалась на третьем месяце (23,20 г С02/м2) Можно предполагать, что отмечаемое различие объясняется меньшей кислотностью среды и пониженным соотношением С N сплавной коры

Внесение в пихтовую кору 10 и 15 % цеолитов Сахаптинского месторождения в вариантах с исходной корой также усилило минерализационые процессы третьего месяца, а в опытах с корой 2,0-3,5-месячного пребывания - по большей степени в течение второго месяца. Такие различия, по-видимому, объясняются разным количеством легкогидролизуемого материала в сравниваемых образцах коры Возможно

также, что наблюдаемое расхождение действия цеолитовых добавок разных месторождений связано с неодинаковым содержанием в них активного начала Поскольку используемые в опытах цеолиты представлены кальциевой формой можно полагать, что кальций играет роль регулятора процесса распада органического вещества, нейтрализующего кислотность и увеличивающего биологическую активность

Наиболее высокие показатели выделения углекислого газа отмечены при максимальных среднесуточных температурах воздуха Причем наименьшие значения его стока происходили в контрольных вариантах, что свидетельствует о низкой степени минерализации Его основными причинами, вероятно, служат низкое значение рН и высокое отношение С N в сырье Результаты анализов свидетельствуют, что пребывание балансов пихты в воде интенсифицирует протекание биологического разрушения ее коры

Агроэкономическую эффективность полученных компостов проверяли в опытах по выращиванию твердой пшеницы яровой формы и картофеля сорта Адретта Для их производства использовали кору пихты балансов, находившихся в воде в течение двух месяцев

Результаты опытов показывают, что добавление в почву корового компоста ускоряет формирование и созревание семян пшеницы и увеличивает продуктивную кустистость растений и массу зерновки В зерне пшеницы, выращенной на удобренной земле, содержание белка и азотистых веществ на 1,6 % больше, у картофеля - более ранняя всхожесть и лучшее развитие корневой системы В нем содержится на 2,7 % крахмала и на 1,5 % белка больше, чем в контроле

Перспективным вариантом утилизации коры сплавной пихты является выработка активных углей Полученные из исходной и пребывавшей в воде коры угли проактивированы в одинаковом режиме на лабораторной установке (820 "С, расход пара — 2 г/г загружаемого угля и продолжительности активации - 30 мин)

Выход угля при пиролизе коры сплавной пихты достаточно высок

(32-33 % мае от загрузки образца) и практически не отличается от получаемого из исходной коры (33 %) Обгар в обоих случаях около 50 % Их адсорбционная способность по метиленовому голубому и йоду несколько хуже по сравнению с таковыми из коры исходных балансов (таблица 2)

Таблица 2 - Основные характеристики активных углей из исходной и

сплавной коры пихты

Активные угли из коры пихты Активные угли марок

Характеристика исход- находящая- находящая- находящая- БАУ-А по ОУ-А по

ная ся в воде ся в воде 1 ся в воде 2 ГОСТ ГОСТ

0,5 месяцев месяц месяца 6217-74 4453-74

Выход 33 33 32 32 - -

угля-сырца, %

Обгар, % 50 50 50 50 - -

Активность по 71 67 64 62 60 -

йоду, %

Активность по 310 299 291 285 - 225

метиленовому голубому, мг/г

Суммарный объем пор по воде, см5/г 2,2 2,1 2,1 2,0 1,6 -

Предполагается, что при нахождении в воде и дальнейшем высыхании коры сплавной пихты происходит увеличение количества макропор с худшей адсорбирующей поверхностью и снижение мезопор, характеризующихся высокой сорбционной активностью Реальным объяснением снижения качества может служить и загрязнение при сплаве минеральными веществами коры.

Наиболее благоприятная температура получения активных углей с лучшими адсорбционными свойствами для коры пихты исходной и сплавных балансов неодинакова Для первой из них наилучшие адсорбционные свойства, определяемые объемом микропор, достигаются при 820 °С, для коры с балансов, находившихся в воде 2 месяца, - при 750 °С

Результаты проведенных исследований показывают, что по техническим характеристикам и адсорбционным свойствам активные угли сплавной коры не уступают таковым из коры исходных образцов Они могут применяться для очистки сточных вод предприятий лесохимического профиля

Технологическая часть

При окорке балансов на промплощадке образуются большие объемы коры, которую экономически неэффективно использовать как топливо и вывозить на полигон Начальным из вариантов ее рациональной переработки является отгонка корового эфирного масла, принципиальная схема которой представлена на рисунке 3 Кора после измельчения до размера частиц 3-10 мм ленточным транспортером подается в кожух вентилятора высокого давления и по пневмопроводу поступает в загрузочный циклон Отсюда посредством гибкого рукава она загружается в кассеты перегонного чана (чанов) Отгонка корового масла осуществляется острым паром, поступающим снизу из | паропровода, связанного с паровым котлом

Проходя через сырье, пар частично конденсируется с образованием I кубового конденсата, который по окончании отгонки переносится в выпарной аппарат, где упаривается до содержания сухого остатка 50 % и поступает в емкость для корового концентрата Основная часть пара при прохождении через измельченную кору увлекает за собой частицы эфирного масла и через патрубок в стенке чана поступает в конденсатор-холодильник, где конденсируется, охлаждается до 30-40 °С и попадает во флорентину Здесь конденсат разделяется на масло-сырец и флорентинную воду Масло декантируется и поступает в приемник, где в течение 2-3 сут освобождается от растворенной в нем воды, а флорентинная вода - в резервную емкость и затем периодически в паровой котел. Для улавливания улетучивающихся из установки паров эфирного масла и снижения его концентрации в воздухе рабочего помещения до ПДК (5 мг/м3) предлагается использовать адсорбирующее устройство - малые кассеты с древесным углем, движение потока через которые создается вентилятором

Эфирное масло составляет 1-2 % коры, остальная ее часть попадает в отходы. Наиболее простой в технологическом отношении и не требующий больших капитальных затрат и специального оборудования способ утилизации твердого остатка, образующегося после отгонки эфирного масла, - полевое

1 - корорубитсльный станох, 2 - компрессор, 3 - загрузочный циклон, 4 - перегонный чан, 5 - кассеты, 6 - сборник кубового остатка. 7 - выпарной аппарат, 8 - емкость для корового пихтового экстракта, 9 - конденсатор, 10 - флорентина, 11 - отстойник, 12 - емкость флорентинной воды, 13 - паровой котел 14 - электроталь, 15 - адсорбирующее устройство для очистки воздуха

Пунктиром выделены процессы и их аппаратурное оформление, предлагаемые автором Рисунок 3 - Технологическая схема комплексной переработки коры сптавной пихты

компостирование Для производства компоста на специальной площадке проводится прием и хранение коры, формирование бурта, соединение компонентов смеси (коры, минеральных удобрений, цеолита), технологическая выдержка (аэрация, дополнительный полив) и отгрузка компоста потребителю

Решение задачи по комплексному использованию коры и твердого остатка предусматривает их переработку в активный уголь В связи со значительными капитальными затратами его производство предполагается развивать тремя последовательными стадиями с получением угля-сырца, активного угля и высококачественной угольной продукции Предлагаемый вариант, предусматривающий пиролиз коры и активацию угля-сырца, схематически представлен на рисунке 4

Твердый остаток, образующийся после отгонки масла (и неиспользуемая кора) ленточным транспортером подается в барабанную сушилку, где высушивается до 10-15 %-ой влажности Далее сырье скиповым подъемником транспортируются в загрузочный бункер печи пиролиза Получаемый здесь уголь-сырец, пройдя через холодильник, выгружается в бункер-накопитель, откуда в первом из вариантов направляется на склад для реализации Парогазы, выходящие из печи, как правило, содержат угольную пыль и часто непропиролизованные остатки коры Для разделения их пропускают через форковденсатор, где наряду с частичной конденсацией смолы происходит улавливание твердых включений Газы с температурой 100-130 °С после конденсации в холодильнике попадают в сборник жидких продуктов, в котором из них выделяются отстойная смола и оставшаяся обессмоленная жижка Они собираются в разные сборники и реализуются в дальнейшем как товарные продукты лесохимическим предприятиям и для производства влагозащитного, антисептического препарата в шпалопропиточные цеха

На второй ступени производства уголь-сырец скиповым подъемником загружается в печь активации Из-за малой механической прочности и размера частиц нами считается целесообразным использовать реторту активации барабанного типа Она обогревается мазутом, сжигаемым в пламени факела

«лез.у РГту , 4 I г-

тт^т / 1

! Р 1 ! ■

\ - сушилка. 2 - печь пиродиж 3 - дымовая труба. 4 - фор ко »лен с а тор. 5 - холодильник, 6 - сборник жидки* городу еде а, 7 - сборник обессмолеиной жижки, 8-сборник отстойной смолы, 9, 17 - бункернакопитель, щ- скиповый п&лъетщ. 1? - загрузочным бункер, ¡2 — барабанная печь активации, 13 - мул и то в ыс полки, \ 4 - топка котла утилизатора, 15 - котел утилизатор, 1-6 - дымосос, ! 8 - пневмотранспортер, [9 - дезинтегратор, 20 - отбойно-ЕШхрезой классификатор, 31 - скруббер, 22 - рукавный фильтр, 23 —поиемняк

Рисунок 4 - Принципиальная технологическая схема производства активного угля из коры сплавной пихты

Туда же подается перегретый водяной пар В качестве топлива можно использовать и газы пиролиза Согласно проведенным исследованиям, оптимальная температура внутри камеры для исходной коры равна 850 °С, сплавной - 750 °С Для сокращения уноса мелких частиц угля в топку котла-утилизатора с газами активации увеличивается объем выгрузочной камеры и монтируются отбойники из мулита Такая модернизация обеспечивает более полное осаждение порошкообразного угля в низ камеры, откуда он, пройдя холодильник, попадает в бункер-накопитель Часть газов активации, охлаждающихся при обогреве реторты, отправляется в барабанную сушилку

Активирование угля-сырца проводится перегретым водяным паром, выходящим из котла-утилизатора нагретыми до 600 °С дымовыми газами, поступающими из топки котла-утилизатора с температурой 1000 °С

При утилизации коры сплавных балансов по первым двум ступеням вырабатывается активный уголь сравнительно низкого качества Его основным недостатком является малая механическая прочность В связи с этим целесообразна организация производства по технологии с получением продукции более высокого качества

Технико-экономические показатели

Выбор варианта переработки определяется реальными возможностями эксплуатации конкретного предприятия и рядом особенностей, присущих исследуемому сырью

При работе на пихтоваренной установке, с учетом нерентабельности выработки эфирного масла из бедной ими смеси сплавной пихтовой и еловой коры первый из вариантов предусматривает ежегодную утилизацию 500 т из накапливающихся на предприятии 600 т сырья Остальная ее часть, как н твердый остаток, образующийся после отгонки эфирного масла, вывозится на полигон Из коры сплавных балансов разного возраста и продолжительности нахождения в воде вырабатывается различное количество эфирного масла (таблица 3) Тем не менее, учитывая, что объем сырья для вариантов с разным содержанием эфирного масла является одинаковым, то и затраты на

Таблица 3 — Себестоимость производства эфирного масла при его разном содержании в коре

В тысячах рублей

Статьи затрат Содержание масла, кг/т а с с

14 16 22 26

Сырье 50,00 50,00 50,00 50,00

Электроэнергия 40,16 40,16 40,16 40,16

Топливо 50,00 50,00 50,00 50,00

Тара 15,22 17,40 23,92 28,28

Зарплата рабочих с начислениями 341,71 341,71 341,71 341,71

Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования (с амортизацией) 31,68 31,68 31,68 31,68

Вывоз и размещение одубины и неперерабатываемой коры 104,80 104,80 104,80 104,80

Цеховые расходы 79,20 79,20 79,20 79,20

Общехозяйственные расходы 56,95 56,95 56,95 56,95

Коммерческие расходы 7,61 8,70 11,96 14,14

Полная себестоимость 777,33 780,60 790,38 796,92

электроэнергию, топливо, расходы на содержание и эксплуатацию

оборудования и заработная плата работников также не будут отличаться Несколько расходятся лишь затраты на тару и коммерческие расходы, которые пропорциональны объему выпускаемой продукции В связи с этим, полная себестоимость производства масла при его разном содержании в сплавной коре будет отличаться незначительным образом

Расчет технико-экономических показателей для сырья с разным вкладом терпеноидов показал, что переработка коры сплавных деревьев с его содержанием 14 кг/т а с с (молодняки) исключает прибыль Однако, даже в этом случае утилизация выгодна для основного производства, поскольку освобождает его от крупнотоннажных отходов При увеличении возраста деревьев до 100-120 лет рентабельность данного производства заметно возрастает

Оценка экономической эффективности цеха по производству эфирного масла и корового пихтового экстракта проведена для коры с его средним содержанием 16,0 кг/т а с с Его основные экономические показатели представлены в таблице 4

Выработка помимо корового масла пихтового экстракта повышает

Таблица 4 — Основные технико-экономические показатели производства

Варианты

Показатель переработка коры с получением эфирного масла и корового пихтового экстракта переработка с компостированием твердого остатка переработка сырья с получением угля-сырца переработка сырья с получением активных углей

Годовой расход сырья, т - в свежем виде - в а. с с 500+100 150 490+100 147,50 490+100 147,50 490+100 147,50

Объем выработки продукции в натуральном выражении, т - эфирное масло - коровой пихтовый экстракт - компост -уголь-сырец - активный уголь - отстойная смола -жижка 2,00 4,35 2,00 4,35 295,48 2,00 4,35 49,50 12,00 34,50 2,00 4,35 23,00 12,00 34,50

Капитальные вложения, тыс руб* 240,00 200,00 240,00 740,00 1490,00

Себестоимость, тыс руб 936.72 780,60 1089,03 1217,47 1773,23

Доход, тыс руб 1305,00 870,00 1550,25 2397,45 2937,45

Прибыль от реализации, тыс руб 368,28 89,40 461,22 1179,98 1164,22

Налог на прибыль, тыс руб 88.39 21,46 110,69 283,20 279,41

Чистая прибыль, тыс руб 279,89 67,94 350,53 896,78 884,81

Рентабельность производства, % 28,22 10,28 29,75 49,22 39,63

Срок окупаемости, лет 0.86 2,94 0,68 0,83 1,68

* - для цеха по переработке с получением эфирного масла над чертой с реализацией корового пихтового экстракта, под чертой - без нее

рентабельность производства и уменьшает срок его окупаемости до 1 года

Сумма капитальных затрат с получением экстракта, согласно мнению специалистов, возрастает на 40 тыс руб , себестоимость производства - на 20 % Рентабельность может увеличиться также при частичной реализации флорентинной воды и отработанного сырья

Образующийся при отгонке твердый остаток и неиспользованная для этой цели кора по предлагаемой технологии перерабатываются на компост и

угольные материалы Варианты компостирования, получения угля-сырца и активного угля рассматриваются при обсуждении результатов исследования При расчете на массу исходного сырья 490 т одубины и 100 т свежей не перерабатываемой для эфирного масла коры чистая прибыль при производстве компоста составляет 350,53 тыс руб./год, рентабельность - 29,75 %, срок окупаемости - до 8,2 месяцев При этом с утилизацией одубины из расходов на получение эфирного масла исключаются затраты на вывоз и размещение не только ее самой, но и неперерабатываемой коры.

При утилизации одубины и неперерабатываемой коры для выработки угольных материалов появляется возможность для отгонки эфирного масла использовать в качестве топлива газы, отходящие из печи пиролиза В качестве сопутствующих продуктов пиролиза образуются отстойная смола (12,0 т) и обессмоленная жижка (34,5 т), стоимость которых принята согласно действующим расценкам

В соответствии с проведенным расчетами, чистая прибыль от реализации товарной продукции при производстве эфирного масла, корового пихтового экстракта, угля-сырца, отстойной смолы и обессмоленной жижки составляет 896,78 тыс руб Необходимо отметить, что спрос на уголь-сырец может оказаться весьма ограниченным По этой причине, несмотря на значительную рентабельность данного производства (49,22 %) и низкий срок окупаемости (10 месяцев), он может оказаться маловостребованым С учетом этого при улучшении финансовых возможностей предприятия и устойчивым спросом на активный уголь, хотя и с худшими экономическими показателями его выработка может стать предпочтительнее

Следует также отметить, что утилизация твердого остатка, образующегося после отгонки эфирного масла, и неиспользуемой в пихтоваренном производстве коры, даже при ее нерентабельности, позволяет избавиться от крупнотоннажного отхода, что чрезвычайно важно с экономической и экологической позиций При комплексной же переработке сырья предприятие получает большой объем пользующейся спросом

продукции и улучшает свое экономическое положение Выводы

1 Разработана технология комплексной переработки коры сплавных балансов пихты, основанная на паровой отгонке эфирного масла и утилизации образовавшихся жидких и твердых отходов Рентабельность производства при различных вариантах переработки сырья составляет от 10,3 до 49,2 %, окупаемость - от 2,9 до 0,7 года

2 Установлено, что пребывание коры в воде ведет к существенному снижению водорастворимых веществ, легко- и трудногидролизуемых полисахаридов, эфирного масла и повышению лигнина и минеральных веществ. Темпы изменения их вклада обратнопропорциональны экспозиции и диаметру балансов

3 Найдено, что выход эфирного масла из коры исходных балансов в 1,2-2,0 раза выше, чем из коры сплавных деревьев Последнее из них в связи с возможной деструкцией сложных терпеноидных структур при сплаве быстрее выделяется из сырья, а из-за разной растворимости различных терпеноидов в воде обогащается углеводородами

4 Экспериментально установлено, что пребывание балансов пихты в воде интенсифицирует протекание биологического разрушения коры и делает ее привлекательной для получения компостов Их применение ускоряет развитие и повышает урожайность пшеницы и картофеля

5 Установлено, что выход угля-сырца при пиролизе коры сплавной пихты составляет 32-33 % Наиболее благоприятной температурой при получении активных углей для очистки сточных вод является 750 °С

Основные результаты диссертации изложены в работах

1 Щукина, А В Динамика эфирного масла коры пихты сибирской при затоплении / А В. Щукина [и др ] II Проблемы экологии и развития городов Сб ст материалов 2-й Всерос науч -практ конф — Красноярск. СибГТУ, 2001 -Т 1 -С 250-253

2 Щукина, А В Рациональная переработка коры сплавной и затопленной пихты / А В Щукина, Р А Степень // Химико-лесной комплекс - проблемы и решения Сб ст по материалам науч -практ конф - Красноярск СибГТУ,

2003 - С 337-341

3 Щукина, А В Удобрения на основе сплавной пихтовой коры / А В Щукина, Р. А Степень // Лесной и химический комплексы — проблемы и решения (экологические аспекты) Сб ст по материалам Всерос науч -практ конф -Красноярск СибГТУ, 2004 - Т 3 - С 40-44

4 Щукина, А В Деструктурирование сплавной коры пихты сибирской / А В Щукина, Р А Степень//Вестник СибГТУ -2004 -№1 -С. 50-55.

5 Щукина, А В Компостирование коры сплавных деревьев / А В Щукина, Р А Степень // Эколого-экономические проблемы региональных товарных рынков Материалы межрегион науч -практ конф — Красноярск КГТЭИ,

2004 - С 216-217

6 Щукина, А В Влияние короцеолитовых удобрений на урожайность картофеля и пшеницы / А В Щукина, Р А Степень // Вестник СибГТУ -

2005 - № 1 - С 43-46

7 Щукина, А В Получение и применение компостов на основе коры пихты сибирской / А В Щукина, Р А Степень // Региональные производители Их место на рынке товаров и услуг Материалы межрегион науч -практ. конф -Красноярск КГТЭИ, 2005 - С 207-210

8 Щукина, А В Получение эфирного масла из коры сплавной пихты сибирской / А В Щукина, Р А Степень II Вестник СибГАУ - 2006 -Вып 4,№ 11 -С 198-202

9 Щукина, А В Кора сплавной пихты сибирской — сырье для производства древесноугольных материалов / А В Щукина [и др ] // Химия растительного сырья -2006 -№2 - С 61-62

10 Щукина А В Динамика выделения эфирного масла коры сплавной пихты сибирской / А В Щукина, Р А Степень // Растительные ресурсы - 2007 -Т 43, Вып 4 - С 83-87

Сдано в производство 03 10 07 Формат 60*84 1/16 Усл. печ л 1,0 Изд № 5-08 Заказ № 2238 Тираж 100 экз Редакционно-издательский центр СибГТУ 660049, г Красноярск, пр Мира, 82

Оглавление автор диссертации — кандидат технических наук Щукина, Анна Владимировна

Введение 2007 год, диссертация по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, Щукина, Анна Владимировна

Заключение диссертация на тему "Рациональные способы переработки коры сплавной древесины пихты сибирской"

БиблиографияЩукина, Анна Владимировна, диссертация по теме "Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины"