Родионов А. И и др. Tехнологические процессы экологической безопасности /Основы энвайронменталистики

Подождите немного. Документ загружается.

'631

Лиственные породы древесины в виде тонких пластин (шпона)

используют для получения древеснослоистых пластиков, производ-

ство которых заключается в обработке шпона ростворами терморе-

активных синтетических смол с последующей просу

шкой

и сборкой

в пакеты.

целью улучшения прочности

эластичности изделий ис-

пользуют армирующие материалы (фольга, металлическая сетка,

прорезиненная ткань и т.п.), а для повышения их антифрикционных

свойств вводят графит и масла. Собранные пакеты обрабатывают

на этажных гидравлических прессах при 120-150° С и 10-17,5 Мн/м

(100-175 кгс/см

). Древеснослоистые пластики используют в каче-

стве конструкционных, электроизоляционных, антифрикционных ма-

териалов в судостроительной, электротехнической и машинострои-

тельной отраслях промышленности.

Растительные отходы в виде опилок, стружек, тонких и мелких

обрезков, волокон служат сырьем для производства древесноплас-

тических масс. Их приготовление заключается в обработке назван-

ных отходов растворами синтетических смол, сушке получаемой мас-

сы и в ее горячем прессовании в пресс-формах с получением про-

фильных или плиточных изделий. Последние ввиду их хороших

прочностных, электроизоляционных и антифрикционных свойств ис-

пользуют в машино- и аппаратостроении, электротехнической про-

мышленности, производстве строительных материалов и по некото-

рым другим направлениям. Производство древесных прессованных

пластиков требует лишь 15-35% синтетического связующего от об-

щей Cy

MMbi изделий, что значительно меньше потребности в этих

компонентах производств таких традиционных и остродефицитных

видов пластиков, как текстолит и волокнит. Капиталовложения, не-

обходимые для организации производства древесных прессованных

пластиков,

три с лишним раза меньше таковых производства такой

пластмассы, как полиэтилен. Использование этих пластиков позво-

ляет экономить значительные количества черных и цветных метал-

лов, ценных пород древесины. Экономическая эффективность одной

тонны этих материалов в СССР составляла 2,5 тыс. руб, а капиталь-

ные затраты на их производство окупались в течение нескольких ме-

сяцев.

Такие широко распространенные отходы,

как

древесные стружки

и опилки, используют для производства древесной муки. Последняя

представляет собой тонкодисперсный (размер частиц 150-420 мкм)

сыпучий порошок, получаемый сухим помолом сырья с помощью

'632

различных механизмов измельчения (мельницы ударного действия,

жерновые поставы, маятнико-роликовые мельницы) с последующим

отделением продукта на ситах или в воздушных сепараторах. Дре-

весную муку используют в производстве ряда строительных мате-

риалов (линолеум, ксилолит и др.), в мебельной промышленности,

для получения некоторых взрывчатых веществ и ряда других

целей.

Дробленые отходы растительного сырья (опилки, стружки, кост-

ра, кора, камыш и др.) в виде заполнителя часто вместе с песком в

смеси с минеральными вяжущими материалами (портландцемент,

гипс), водой и иногда химическими добавками, играющими роль ми-

нерализаторов и ускорителей твердения цемента (например, CaCl

(SO

)

с Ca (OH)

и др.), служат

для

получения арболита (короли-

та), образующегося в результате твердения смеси перечисленных

ингредиентов. Расход заполнителя составляет 160-250 кг/м

. Сырь-

евую смесь арболита, представляющего собой легкий бетон (объем-

ная масса 400-700 кг/м

), формуют в виде плит, блоков, панелей и

т.п. с целью получения после твердения готовых строительных де-

талей. Кубометр растительных отходов, переработанных на арбо-

лит, высвобождает в строительстве 1,5 м

пиломатериалов.

Известно большое число и других сходных рецептур и приемов

использования растительных отходов для производства облегченных

и легких бетонов. Например, для изготовления строительных пере-

городок используют опилозолобетон, на получение

которого рас-

ходуют 0,8 м

увлажненных опилок, 0,4 м

золы, 0,16 м

известкового

теста, 0,3 м

воды и 185 кг цемента.

Отходы растительного сырья можно эффективно использовать в

качестве выгорающих добавок, вводимых в сырьевые смеси при

производстве строительной керамики.

Из древесных отходов (опилки, стружка

т.п.), смешанных с син-

тетическими смолами, изготовляют

полы

цехов промышленных пред-

приятий. Современные клеи позволяют из различных древесных

обрезков получать длинномерные детали, по прочности практически

не уступающие таковым, изготовленным из цельной древесины. Рас-

четы показывают, что клеевое соединение обрезков древесины дли-

ной не менее 0,2 м в детали для строительства и мебельной про-

мышленности с выгодой окупает расходы на соответствующее обо-

рудование и организацию производства. Такой путь утилизации

древесных отходов все шире используют в мировой практике для

'633

производства различных типов щитового паркета, некоторых строи-

тельных элементов, железнодорожных шпал, отдельных деталей

мебели и других изделий.

16.6. Химическая переработка отходов

растительного сырья

Наиболее выгодным использованием отходов древесины и ряда

других видов растительного сырья является их химическая перера-

ботка с получением товарных продуктов в целлюлозно-бумажном

(картонном), гидролизном и лесохимическом производствах, хотя

капиталовложения для переработки равных количеств этих отходов

на заводах древоплит все же значительно ниже, чем на этих пред-

приятиях. В то же время установлено, что на каждый рубль, затра-

ченный на заготовку древесины, можно получить продукции целлю-

лозно-бумажной промышленности на 2,5-5 руб, тогда как в мебель-

ной промышленности всего на 1,7-2 руб, а в производстве

строительных деталей только на 1,1-1,2 руб.

16.6.1. Целлюлозно-бумажное производство

Для получения бумаги используют целлюлозу различных древес-

ных пород и однолетних растений и древесную массу. Целлюлоза

является также ценным сырьем для текстильного производства.

Весьма широкое применение она находит и в других отраслях про-

мышленности.

В общей массе вырабатываемой в мире технической целлюлозы

доля последней, получаемой

на

основе древесины лиственных пород и

однолетних растений, составляет соответственно примерно 20 и 5%.

Бумажное производство не требует выработки химически чис-

той целлюлозы, поэтому для увеличения выхода в ней сохраняют

часть гемицеллюлоз. Содержание а -целлюлозы* в целлюлозе для

производства бумаги обычно не превышает 60-80%. Значительно

жестче требования по чистоте, предъявляемые к целлюлозе для про-

изводства искусственного волокна.

Гораздо более дешевым полуфабрикатом для производства бу-

* а -целлюлоза - условное обозначение наиболее высокомолекулярной

части целлюлозы, не растворяющейся при обработке 17,5%-ным раствором

NaOH в течение 45 минут при 20°С

'634

маги, а также картона и ДВП является древесная волокнистая мас-

са. В промышленной практике используют различные ее виды: бе-

лую, получаемую механическим истиранием

или

размалыванием кус-

ковой древесины с использованием воды; бурую, являющуюся про-

дуктом размола древесины, предварительно пропаренной в котлах

под давлением; химическую, представляющую продукт обработки

древесины (в ряде случаев под давлением и при температуре до 150°

С) растворами NaOH, NaHSO

, NaHCO

Из растительного сырья целлюлозу выделяют различными спо-

собами путем его обработки (варки под давлением) в водных ра-

створах реагентов, которые переводят в раствор и/или разрушают

нецеллюлозные составляющие сырья. Выбор конкретного способа

определяется типом подлежащего переработке сырья и назначени-

ем (видом) производимой целлюлозы. В зависимости от применяе-

мого оборудования варка может быть непрерывной или периодичес-

кой. По составу используемых при варке реагентов ее способы раз-

деляют на кислотные, нейтратьные и щелочные, а в зависимости от

характера активных компонентов варочного раствора различают две

основные группы варок: щелочную (с использованием в качестве

активного реагента едкого натра, смеси едкого натра и сульфида или

сульфидов натрия, а также известкового молока) и сульфитную (ак-

тивным компонентом является сульфит,

большей или меньшей сте-

пени связанный основанием). Наиболее широко распространенным

способом в щелочной группе является сульфатная варка [NaOH +

S, (8 - 10) х IO

Па, 165-175° С], а

сульфитной группе - кислая

бисульфитная варка [Ca (HSO

)

+ SO

, (6 - 8) х IO

Па, 135-150° С].

Помимо способов, объединяемых вышеуказанны ми основными груп-

пами, в практике используют такие способы варки, как хлорно-ще-

лочной, азотнокислый

другие.

Все виды целлюлозы можно получать из отходов лесопиления и

лесозаготовок (щепа, обрезки, горбыли

и т.п.),

если

только

такое сырье

представляет собой окоренный материал. Считают, что такие отхо-

ды могут заменить > 50% сырья в виде балансовой древесины в

целлюлозно-бумажном производстве и

100%

его

производстве тар-

ного картона. Такие сельскохозяйственные растительные отходы, как

пшеничная и рисовая солома, стебли тростника и ряда однолетних

растений, используют

основном с целью получения целлюлозы для

производства бумаги. Наиболее эффективным для этих отходов яв-

ляется использование сульфатного способа варки целлюлозы, позво-

'635

ляющего перерабатывать все виды растительного сырья. Этот спо-

соб преобладает в настоящее время в мировой практике производ-

ства целлюлозы. На IM

отходов можно получить до 220 кг бумаги.

Как древесные, так и недревесные растительные отходы перед

варкой подвергают подготовительным операциям, сводящимся к

удалению инертных включений (очистке), измельчению (рубке, рез-

ке, размолу) и сортированию. Последовательность перечисленных

операций зависит от вида перерабатываемого отхода. В качестве

примера ниже описана технология подготовки к использованию в

целлюлозно-бумажном производстве

такого

распространенного сель-

скохозяйственного отхода, как солома (см. рис. III-36).

Подготовка соломы включает две основные операции: измель-

чение ее в сечку и очистку последней. Поступающие на переработ-

ку кипы соломы освобождают от обвязки на специальном столе 1,

где обвязочные материалы (проволоку, ленту; бечеву и т.п.) удаляют.

Затем солому подают транспортером 2 в ножевую дробилку-соло-

морезку 3, конструкция которой аналогична конструкции широко ис-

пользуемых в сельском хозяйстве агрегатов измельчения соломы.

Получаемую

этом аппарате сечку с длиной волокон около 12- 15 мм

пневмотранспортом подают в циклон предварительного обеспыли-

вания 4. Ввиду легкой слеживаемости сечки и возможности забивки

транспортных магистралей ее концентрация в транспортирующем

воздухе не должна превышать 200-250 г/м

. Обеспыленная

цикло-

не 4 сечка под действием силы тяжести поступает в барабан с била-

ми, оснащенными иглами (отпыливатель) 5, где от соломы отделяют

оставшиеся на ней зерна. При этой обработке сечки на ее поверхно-

сти вновь появляется пыль. Далее сечку подают в вибрационный

желоб 6, оборудованный электромагнитами. Освобожденную от воз-

можных металлических включений сечку направляют затем в одно-

корпусную барабанную сортировку 7, где осуществляют ее повтор-

ное обеспылевание и отделение мятой соломы. Следующей ступе-

нью обработки сечки является удаление из нее с помощью вибросит

и воздушной сепарации имеющих большой удельный

вес зерен и

узел-

ков стеблей соломы. Подготовленную таким образом сечку пнев-

мотранспортом подают через циклон на транспортер и далее на пе-

реработку в целлюлозно-бумажное производство.

'636

Рис. III-36. Приготовление

и очистка соломенной сечки:

1 - стол для разделки кип; 2,9, 14 - транспортер; 3 - ножевая соломорезка; 4,13 -

циклон; 5 - отпыливатель; 6 - виброжелоб; 7 - барабанная сортировка; 8 - удаление

пыли и мятой соломы; 10 - вибросито; 11,17- воздуходувка; 12 - удаление зерен и

узелков; 15 - пылесборник; 16 - удаление пыли

16.6.2. Гидролизное производство

Различные отходы растительного сырья (древесные отходы, под-

солнечная лузга, хлопковая шелуха, кукурузные кочерыжки, солома

и т.п.) путем гидролиза в присутствии катализаторов (минеральных

кислот, кислых солей и некоторых других веществ) могут быть пе-

реработаны с получением важных кормовых, пищевых и техничес-

ких продуктов. Такие отходы даже в тонкоизмельченном состоянии

почти не усваиваются сельскохозяйственными животными, так как

обычно содержат 70-75% нерастворимых в воде полисахаридов в

виде гемицеллюлоз и целлюлозы. Лишь после удаления из этих отхо-

дов лигнина или даже ослабления его связей в одревесневших рас-

тительных тканях остающиеся углеводы могут на 60-80% усваи-

'637

ваться организмом таких жвачных животных, как лошади, коровы,

овцы, козы.

В условиях гидролиза происходит разложение целлюлозы и геми-

целлюлоз с образованием через промежуточные соединения простей-

ших Сахаров - моноз* (гидролизный сахар). Одновременно происхо-

дит и частичный распад моноз с образованием органических кислот,

фурфурола

ряда других веществ. Продукты промышленных гидро-

лизных производств, основанных на использовании отходов расти-

тельного непищевого сырья, представляют собой растворы моноса-

харидов (пентоз и гексоз, в том числе глюкозы), называемые гидро-

лизатами, твердый остаток - гидролизный лигнин

летучие вещества

(органические кислоты, спирты). Химический состав подвергаемых

гидролизу отходов растительного сырья, а также способ осуществ-

ления процесса гидролиза определяют преобладание в гидролизном

сахаре тех или иных моносахаридов.

Осахариванию путем гидролиза можно подвергать различные по

форме кусков и размерам отходы указанных видов растительного

сырья, однако очевидно, что интенсивность процесса повышается с

увеличением степени измельчения обрабатываемого материала. В

промышленных условиях

настоящее время процесс гидролиза осу-

ществляется в растворах как концентрированной, так и разбавлен-

ной минеральной кислоты (H

), причем наиболее распространен

последний способ. Выход моноз при гидролизе может достигать 90%

от содержащихся в сырье полисахаридов.

В зависимости от ориентации гидролизных производств на полу-

чение тех или иных продуктов переработку получаемых гидролиза-

тов осуществляют химическим или более широко используемым

биохимическим путем. Биохимическая переработка гидролизатов

позволяет получать такие важные продукты, как этиловый и мети-

ловый спирты, кормовые дрожжи, фурфулол, диоксид углерода.

- На рис. III-37 схематично представлен один из наиболее распро-

странненых в отечественной промышленности вариантов процесса

гидролиза (так называемый однофазный гидролиз) с биохимической

переработкой гидролизата.

В соответствии с этой схемой гидролиз растительного сырья осу-

ществляют (см. рис. III-38) в вертикальных металлических котлах-

гидролизерах

емкостью

до 70 м

, футерованных изнутри кислотоупор-

Монозы

- моносахариды.

'638

ной керамикой. Смесь измельченных отходов с 0,4-0,7% ратвором

серной кислоты нагревают

гидролизере паром под давлением (137-

147) х IO

Па до 160-190° С. Получаемый кислый раствор-гидроли-

зат, содержащий сахара, непрерывно выводят из котла через фильт-

рующее устройство

нижней части гидролизного аппарата, предох-

раняя таким образом сахар от дальнейшего распада. Гидролизат

подают

испаритель, где при охлаждении

результате снижения дав-

ления из него выделяют пары, которые конденсируют и используют

для выделения метанола, фурфурола, скипидара и других веществ.

По окончании гидролиза, продолжающегося в течение 1-3 часов, в

гидролизере остается влажный лигнин, пропитанный разбавленной

серной кислотой. Избыточным давлением эту смесь выдувают

цик-

лон. Для обеспечения возможности дальнейшей биохимической пе-

реработки гидролизат нейтрализуют известью. Образующийся гипс

отделяют от нейтрализованного гидролизата, сушат и обжигают с

последующей передачей его на строительные нужды. Отделенный

от гипса нейтрализованный гидролизат (гидролизное сусло) после его

охлаждения и дополнительной очистки передают на сбраживание.

На этой стадии в нейтральный раствор гидролизного сусла вводят

винокуренные дрожжи и сбраживают содержащиеся в нем гексозы

с образованием этилового спирта и углекислоты:

2С

ОН +

2С0

Получаемый спирт (1,2-1,6%) выделяют из жидкости путем отгонки

и очищают от примесей. Образующийся при брожении диоксид уг-

лерода можно перерабатывать с целью получения товарных продук-

тов - жидкой

глекислоты и сухого льда.

Остающаяся после отгонки спирта жидкость - гидролизная бар-

да - содержит пентозы и служит для получения кормовых дрожжей

(см. рис. 111-39). Для этого в нее дозируют содержащие азот и фос-

фор питательные соли (сульфат аммония, суперфосфат) и вводят

культуру пентозных дрожжей (Torula Utilis

Monilia murmanica и др.).

Процесс выращивания (накопления, размножения) дрожжей длится

несколько часов при пропускании через сбраживаемое сусло возду-

ха (примерно 60-80 м

/ч на

жидкости) и поддержании темпера-

туры на оптимальном уровне путем охлаждения. Выделение дрож-

жей из сброженного сусла осуществляют в несколько стадий при

помощи сепараторов и вакуум-фильтров с получением частично обез-

воженного дрожжевого концентрата (дрожжевого молока). Послед-

ний обрабатывают в плазм олизаторе* при 80-90° С с целью разру-

'639

Рис. III-37. Спирто-дрожжевое производство

при

однофазном гидролизе

шения дрожжевых клеток. Образующуюся сметанообразную массу

подвергают сушке, продукт которой охлаждают, готовые кормовые

дрожжи затаривают для отправки потребителям.

Переработка отходов хвойной древесины по вышеуказанной схе-

ме (рис. Ш-37) обеспечивает выход гидролизного сахара, не превы-

шающий 50-53%, а количество образующегося 100%-го этилового

спирта составляет 165-200 л на 1 т абсолютно сухой древесины.

Замена отходов хвойной древесины отходами лиственной или бога-

тыми пентозами сельскохозяйственными отходами изменяет выход

спирта и других продуктов: примерно в 2 раза увеличивается выход

фурфурола и в 2-2,5 раза - выход кормовых дрожжей. Возможности

этой технологии характеризуют, помимо вышеприведенных, следу-

ющие показатели, достигаемые при переработке 1 т отходов хвой-

ной древесины в абсолютно сухом состоянии. Выход углекислоты

* Плазмолизатор

аппарат для

термического разрушения дрожжей.

'640

может достигать 70 или 40 кг соответственно для жидкого и твердо-

го продукта, кормовых дрожжей - 40 кг, фурфурола - 9,4 кг, скипида-

ра- 0,8 кг, изобутилового и изоамилового спирта - 0,3 кг, строитель-

ного алебастра 225 кг. При производстве этих продуктов расходуют

95 кг серной кислоты (100%), 7,2 т пара различных параметров, 8 м

воды, 230 квт-ч электроэнергии.

Получаемый при гидролизе указанных отходов фурфурол явля-

ется ценным и перспективным сырьем для ряда органических про-

изводств. Он используется для селективной очистки нефти и расти-

тельных масел, в производстве каучука, витаминов и лекарственных

веществ, малеинового ангидригида, синтетических волокон и краси-

телей.

На практике выход сахара при гидролизе отходов древесины по

вышеприведенной схеме (рис. III-37) не превыщает 50%, что состав-

ляет лишь 70% от теоретически возможного выхода. В связи с этим

разработаны друтие способы гидролиза растительного сырья, позво-

ляющие значительно увеличить этот показатель.

Так на рис. III-40 приведен вариант схемы, используемый при

Отходы.

растительного

сырья

Пары на конденсацию

разделение

Кислота

Г+Я

Ca(CH).

К'

Лигнин

JLL

Гиле

Вода

Чг>

-f,

Нейтральный

гидролизат на

сбраживание

Рис.

Ш-38.

Принципиальная

схема

гидролизного производства:

1 - гидролизер; 2 - испаритель; 3 - мерник; 4 - кристаллизатор; 5 - теплообменник;

6 - фильтр-пресс; 7 - отстойник; 8 - нейтрализатор; 9 - циклон