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

Подождите немного. Документ загружается.

'641

переработке богатых пентозанами отходов растительного сырья

(хлопковая шелуха, подсолнечная лузга и т.п.).

В соответствии с этой схемой растительные отходы вначале под-

вергаются мягкому гидролизу разбавленным раствором серной

кислоты, при котором гидролизуются главным образом пентозаны с

образованием пентозных Сахаров (ксилозы, арабинозы), используе-

мых в виде отделяемого от растительной ткани пентозного гидроли-

зата для производства кристаллической ксилозы, фурфурола, кормо-

вых дрожжей или других продуктов.

Оставшуюся после пентозного гидролиза растительную ткань

(целлюлозу и лигнин) подвергают в более жестких условиях гексоз-

ному гидролизу с последующей нейтрализацией гексозного гидроли-

зата и его сбраживанием с целью получения этилового спирта.

Переработка, например, хлопковой шелухи, содержащей 20-30%

пентозанов, может обеспечить получение на 1 т абсолютно сухого

вещества 60-90 л 100%-ного этилового спирта, 28-38 кг жидкой уг-

лекислоты, 70 кг кристаллической ксилозы или 70-80 кг фурфурола

или 80-110

кг

сухих кормовых дрожжей.

Кормовые дрожжи (дрожжевые грибки) представляют собой про-

стейшие одноклеточные организмы, выращиваемые главным обра-

зом на пентозных сахарах. Процесс их получения (выращивания)

основан на увеличении органической массы этих простейших микро-

Пентозные

дрожжи

Питательные

соли

Гидролизная

Воздух^.

г—

V—

\пар

фЪрячие

газы

й-

из гид-

Рис. III-39. Принципиальная

схема

производства кормовых дрожжей

ролизиой барды:

1 - реактор для выращивания дрожжей; 2 - сепаратор; 3 - вакуум-фильтр; 4 -

плазмолизатор; 5 - сушилка; 6 - фасовка и упаковка

'642

организмов за счет усвоения ими углеводов гидролизного сахара, а

также минерального азота и фосфора из специально вводимых

ра-

створ сернокислого аммония и су перфосфата. В результате происхо-

дящих

этих живых организмах биосинтетических процессов из уг-

леводов, азота и фосфора образуются белки, жиры и витамины, не-

обходимые для жизнедеятельности высших животных.

Кормовые дрожжи ИСПОЛЬЗУ ЮТ В качестве ценной и эффективной

белково-витаминной

добавки в

рационе всех

видов

сельскохозяйствен-

ных животных - скота и птицы (особенно молодняка), а также в зве-

рофермах и в рыбном хозяйстве. По составу они включают (в %

масс) содержащий все незаменимые аминокислоты протеин 45,6,

безазотистые экстрактивные вещества 35,2; 9,7 воды, 7,8 золы, 1,5

жира, 0,2 клетчатки и характеризуются наличием витаминов группы

В, провитамина Д

, различных ферментов и гормонов, способствую-

щих усвоению белков и углеводов. На 1т древесных отходов можно

получить 200-250 кг кормовых дрожжей, а на 1 т кукурузных коче-

рыжек - 250-280 кг.

Рис. III-40. Переработка растительного сырья, богатого пентозанами, при

двухфазном гидролизе

'643

Для получения из отходов непищевого растительного сырья глю-

козы для медицинских и пищевых целей использу

ют

различные схе-

мы, вариант одной из которых представлен на рис. III-41.

По этому варианту растительные отходы гидролизуют в мягких

условиях разбавленным раствором соляной кислоты с целью пере-

вода в раствор гемицеллюлоз. Получаемый гидролизат перераба-

тывают

на

этиловый спирт

кормовые дрожжи. Целлюлозу

лигнин

остающейся растительной

ткани

гидролизуют сверхконцентрирован-

ной соляной кислотой. Использованную

для

гидролиза соляную кис-

лоту' регенерируют, а глюкозный гидролизат подвергают очистке и

используют для получения глюкозной патоки или кристаллической

глюкозы. При реализации процесса с получением кристаллической

глюкозы маточник (содержащий незакристаллизованную часть глю-

козы) после отделения кристаллов перерабатывают вместе с геми-

целлюлозным гидролизатом.

Переработка 1 т отходов абсолютно сухой древесины на глюкоз-

ную патоку

может дать

350-400

кг

глюкозы в виде патоки, 60 л 100%-

ного этилового спирта, 65 кг кормовых дрожжей влажностью 8%. Из

этого сырья при его переработке на кристаллическу ю глюкозу мож-

Рис.

Ш-41. Производство

кристаллической глююзы из

растительного сырья

'644

но получить 200 кг кристаллической глюкозы, 150 л 100%-ного эти-

лового спирта и те же количества метанола и кормовых дрожжей.

Рассмотренные способы гидролиза отходов растительного сы-

рья

обеспечивают практически полный гидролиз содержащихся

них

полисахаридов, оставляя лигнин в виде нерастворимого остатка, яв-

ляющегося отходом этих производств. Хотя этот отход и является

потенциальным органическим сырьем, в настоящее время он еще не

нашел широкого применения: частично лигнин используют для про-

изводства лигноплит и линолеума, частичйо сжигают, основная его

масса поступает в отвалы.

Крупным сырьевым источником для гидролизного производства

является

сульфитный щелок, образующийся

процессе получения цел-

люлозы путем сульфитной варки древесных отходов (см. рис. 111-42).

В соответствии с представленной на рис. 111-42 схемой отходы

древесины (главным образом еловой) обрабатывают горячим вод-

ным раствором SO

(4-8%) и Ca(HSO

)

(1% CaO). В процессе вар-

ки гидролизуются до соответствующих моносахаридов только поли-

Рис. III-42. Комплексная переработка древесины на целлюлозу, этиловый

спирт, кормовые дрожжи

бардяный концентрат

'645

сахариды гемицеллюлоз. Лигнин, взаимодействуя с серной кисло-

той, присоединяет ее, образуя лигносульфоновую кислоту, которая пе-

реходит вместе с монозами в раствор в виде кальциевой соЛи. Отде-

ляемый от целлюлозы сульфитный щелок содержит около 2% гексоз

и пентоз и 7-8% лигносульфоната кальция. Его освобождают от из-

бытка SO

и нейтрализуют известью, после чего сусло подвергают

брожению с целью получения этилового спирта. После отгонки пос-

леднего содержащую пентозы жидкость используют для выращива-

ния кормовых дрожжей, а содержащий лигносульфонат кальция ос-

таток концентрируют выпариванием с целью получения бардяного

концентрата, широко используемого благодаря его поверхностно-ак-

тивным свойствам в целом ряде отраслей промышленности.

Переработка 1 т отходов еловой древесины по этой схеме обес-

печивает получение 470

кг

сульфитной целлюлозы и,

кроме

того, 30-

50 л 100%-ного этилового спирта,

1л

метанола, 19-25

кг

жидкой угле-

кислоты,

кг кормовых дрожжей 8%-ной влажности, 475 кг концен-

тратов 20%-ной влажности и 20 кг оберточной бумаги из отходов

производства. При переработке по этой же схеме отходов древеси-

ны лиственных пород получение этилового спирта исключено: весь

пентозный сахар сульфитного щелока может быть использован для

производства кормовых дрожжей, выход которых увеличивается до

60 кг на

т абсолютно сухой древесины.

16.6.3. Производство удобрений

Различные отходы древесного и другого растительного сырья

можно использовать для производства удобрений многоцелевого на-

значения. Приемы приготовления их весьма многочисленны и разно-

образны, но в подавляющем большинстве предложенных для этой

цели способов они являются достаточно простыми по технологичес-

кому оформлению и базируются на микробиологической обработке

сырья с использованием развивающихся в благоприятных условиях

компостирования природных бактерий или специально выводимых

их штаммов.

Согласно одному из самых простых способов отходы лесной и

деревообрабатывающей промышленности в виде измельченных

сучьев, коры, стружек, опилок и пр. увлажняют, формуют в рыхлые

кучи и заражают культурой специально выведенных бактерий. Для

облагораживания (обогащения) получаемого компоста можно добав-

'646

лять карбамид и минеральные удобрения. Процесс созревания ком-

поста протекает с выделением тепла в течение 7-8 недель.

Похожую технологию приготовления компостов используют

для

отдельных видов указанных отходов. Так, например, кору хвойных

пород деревьев подвергают тонкому измельчению, в получаемую

массу добавляют азотнокислые соли и фосфоритную муку и выдер-

живают определенное время с целью вызревания компоста. Приме-

нение последнего на сельскохозяйственных угодьях на 20-40% по-

вышает урожайность овощных культур. Кроме того, измельченная

кора улучшает структуру почвы, хорошо накапливает и удерживает

влагу: Компостируемая в виде муки кора с добавками минеральных

питательных солей является благоприятной средой для развития мик-

роорганизмов, что обеспечивает большую скорость ее ферментации

по сравнению, например, с древесными опилками.

Несколько отличается от вышеизложенной технология перера-

ботки на компост коры импортируемых хвойных пород деревьев,

скапливающейся

значительных количествах

одном из портов Япо-

нии. Согласно этой технологии кору измельчают, обрабатывают фер-

ментами, инициируя развитие микроорганизмов, затем добавляют

карбамид и ку риный помет и выдерживают смесь до полного вызре-

вения

течение трех-четырех месяцев. Получаемое удобрение можно

успешно использовать в сельском хозяйстве и лесоводстве.

С целью улучшения качества получаемых из отходов древесно-

го и другого растительного сырья удобрений используют, как следу-

ет из проведенных выше примеров, различные облагораживающие

добавки, а для обеспечения возможности их транспортирования и

хранения без слеживания и равномерно дозируемого внесения в

почву - ряд приемов, ведущих в целом к усложнению технологии

производства.

Например, согласно одной из патентных заявок Франции измель-

ченные до размеров частиц, характеризующихся поперечником 1-

3 мм и длиной 2-6 мм, отходы переработки растительных волокнис-

тых материалов (в частности остатки обезмасленных масличных и

дистиллированных эфирно-масличных растений), взятые в количе-

стве 15-20% по массе, смешивают в присутствии воды в течение

примерно 15 мин с 15-20% гидросиликата алюминия, 16-20% фос-

фата аммония, 20-23% нитрата калия, 12-18% сульфата аммония

полигоэлементами - 3-7% сульфата железа, 0,3-0,7% серы, 0,1-0,2%

сульфата меди и такими же количествами бора и молибдата аммо-

'647

ния. В смесь можно добавлять также сульфат магния и нитрат ам-

мония. Получающуюся при смешении этих компонентов гомогенную

пасту экструдируют в виде лент, секционируемых затем на гранулы

заданной длины с последующей их термической обработкой с целью

дегидратации

упрочения.

Предложен также ряд способов совместной переработки с

целью получения вышеуказанных отходов древесного и другого рас-

тительного сырья с иными видами богатых органическими веще-

ствами отходов.

Для этой цели с успехом может быть использован, в частности

избыточный активный ил станций обработки коммунальных сточных

вод. Согласно одному' из предложенных способов его смешивают с

целью гомогенизации в двухшнековом смесителе с дроблеными час-

тицами (поперечником до 100 мм

) древесных и/или растительных

отходов (кора, опилки, солома

т.п.) и веществами-корректорами (ок-

сид кальция, соединения, содержащие азот, фосфор, калий и т.п.) в

жидком или твердом виде. Получаемую в виде пасты гомогенизиро-

ванную смесь экструдируют через решетку в виде циллиндров диа-

метром около 10 мм, которые крошат затем в дезинтеграторе. Полу-

чаемый таким образом продукт выдерживают в кучах не менее

48 часов, после чего в соответствии с его составом он может быть

непосредственно использован в качестве удобрения или подвергнут

дегидратации,

или

компостирован.

Сотрудники института лесоводства ПНР, разработавшие похо-

жий, но более простой способ использования древесной коры, отме-

чают, что микроорганизмы, содержащиеся в активном иле очист-

ных сооружений, в короткое время перерабатывают кору в удобре-

ние, по ценности почти не уступающее торфу.

Удобрения с высоким содержанием органических веществ мож-

но получать также путем смешения отходов древесины и/или цел-

люлозных остатков сельскохозяйственного производства с подверг-

нутыми ряду специальных операций продуктами ферментации лю-

бого, способного ферментироваться материала. Например, в

соответствии с одной из таких технологий способный ферментиро-

ваться материал подвергают анаэробной обработке в течение 10-30

дней и затем фракционируют декантацией с получением жидкой и

обогащенной твердой фазой фракций. Последнюю подвергают пас-

теризации

при

температуре около 65-85° С и затем центрифугируют,

фильтруют или отжимают с получением обогащенной по твердому

'648

фракции с содержанием сухого вещества от 20 до 50% по массе.

Эту фракцию облагораживают веществами, содержащими азот, фос-

фор, калий

другие элементы, и смешивают с названными отходами

с последующим формованием получаемой смеси и сушкой гранул

при 80-)30° С в течение не менее одной минуты.

16.7. Термическая переработка отходов

растительного сырья

16.7.1. Пиролиз

Пиролиз (сухая перегонка, термолиз, пирогенетическая переработ-

ка) - процесс разложения отходов древесины и другого растительного

сырья

при

их нагревании без доступа воздуха до 450-550° С, приводя-

щий

образованию ряда газообразных и жидких продуктов, а также

твердого углеродного остатка (древесного утля при переработке дре-

весного сырья).

Процесс пиролиза, схематично представленный

на рис.

П1-43, осу-

ществляют в печах периодического и непрерывного действия раз-

личных конструкций (камерных, ретортных, туннельных, шахтных,

многополочных, вращающихся, с движущимися слоями и др.) с на-

ружным и внутренним обогревом. При подъеме температуры в печи

вначале осуществляются эндотермические процессы. Примерно до

150° С происходит удаление влаги (сушка) перерабатываемого дре-

весного сырья. При дальнейшем повышении температуры в интер-

вале около 170-270° С начинается образование газов (СО, CO

) и

небольших количеств метилового спирта и уксусной кислоты. Об-

ласть температур около 270-280° С инициирует начало экзотерми-

ческих превращений, прогрессирующих с дальнейшим увеличением

температуры. При этом падает выход таких неконденсирующихся

газов, как СО и CO

, с одновременным усилением образования дру-

гих газообразных (CH

, C

, H

) и парообразных веществ, в том

числе метилового спирта и уксусной кислоты. Размер кусков, влаж-

ность перерабатываемого материала, температура и скорость про-

цесса существенно влияют на выход продуктов пиролиза.

Выходящие из печи газы охлаждают с целью рекуперации со-

держащихся в них ценных компонентов. Заключительным этапом

пиролиза является охлаждение получаемого древесного угля обыч-

но до температуры £ 40° С, обеспечивающей исключение возмож-

ности его самовозгорания на воздухе. Оно может быть естествен-

'649

ным или искусственным. В первом случае уголь обычно выдержи-

вают в специальных камерах (емкостях) в бескислородной атмос-

фере. Во втором случае раскаленный уголь обрабатывают лишен-

ными кислорода холодными газами.

При охлаждении парогазовой смеси, выводимой из печи пироли-

за, происходит конденсация целого ряда находящихся в ней органи-

ческих соединений и влаги. Образующийся дистиллят, в котором

может содержаться до 180 различных органических веществ, от-

стаивают. При этом дистиллят пиролиза древесины лиственных по-

род образует два слоя: осаждающуюся на дно отстойную смолу и

водный раствор органических соединений (жижку). Дистиллят, полу-

ченный при пиролизе древесины хвойных пород, разделяется на три

слоя: нижний - нерастворимые в воде органические соединения в

виде отстойной смолы; средний - жижку - и верхний, образуемый

скипидаром с растворенными в нем смолистыми веществами. Про-

дукты отстаивания разделяют.

При разгонке древесной смолы, содержащей фенолы и их мети-

ловые эфиры, получают ряд фракций, используемых

качестве фло-

тационных масел в процессах обогащения руд, ингибиторов (анти-

окислителей) для стабилизации крекинг-бензинов и масел,

сырья

для

производства пластмасс, растворителей некоторых фармацевтичес-

ких препаратов. Кроме того, древесная смола используется для про-

Отходы

древесины

Теплоно-

ситель

Газопаровая

смесь

Конденсация

—I—

Дистиллят

, СО

и др.

Отстаивание

Жижка

Сепарация

Смола

Древесный

уголь

Рис.

Ш-43.

Принципиальная схема пиролиза древесных

отходов и получения

первичных продуктов

процесса

'650

питки различных изделии из древесины с целью предупреждения их

гниения.

Переработка жижки, содержащей уксусную, муравьиную, про-

пионовую и другие кислоты наряду с метиловым спиртом, ацетоном,

ацетальдегидом, фурфуролом, метилэтилкетоном и

дру

гими органи-

ческими соединениями, обеспечивает получение (экстракцией сер-

ным эфиром) уксусной кислоты, широко используемой, в частности,

в производствах ацетатного шелка и кинопленки, а также (отгонкой)

метилового спирта, идущего на производство различных политур и

медикаментов, и ряда других продуктов.

Древесный уголь в больших количествах находит применение в

медицине,

производствах активных

углей, сероу глерода,

кремния, вы-

сококачественных чугунов, черных порохов и ряде друтих процессов.

Основные закономерности пиролиза древесного сырья заключа-

ются в том, что повышение температу

ры

процесса приводит к уве-

личению выхода смолы и газов, снижению выхода уксусной кислоты

и метилового спирта, получению угля с более высоким содержанием

утлерода. Увеличение скорости пиролиза вызывает возрастание вы-

хода смолы с одновременным уменьшением выхода

ксусной кис-

лоты и угля.

Современная промышленность тяжелого органического синтеза

имеет в своем арсенале более дешевые и производительные спосо-

бы получения таких являвшихся ранее традиционными продуктами

лесохимической промышленности веществ, как метиловый спирт и

уксу сная кислота. Однако и в настоящее время масштабы пиролиза

древесного сырья остаются значительными: в 70-х - 80-х годах в

СССР сухой перегонке подвергали ежегодно около 3 млн. плотных

древесины.

16.7.2. Призводство активных углей

Получаемый при пиролизе древесных отходов уголь служит од-

ним из крупных источников сырья в производстве активных углей,

широко используемых в различных отраслях промышленности для

очистки разнообразных газовых и жидкофазных технологических

потоков,

рекуперационных целях и при решении многих

задач

защи-

ты окружающей среды от вредных промышленных выбросов. Наря-

ду с ним в качестве исходного сырья для получения активных углей

широко используют

некарбонизированные отходы древесины (опил-

ки, стружки и т.п.). В технике нашли применение парогазовые и хи-