Взрывной способ получения древесной массы

По экономическим оценкам взрывной автогидролиз - один из наиболее дешевых и эффективных методов переработки древесного сырья. Экологическая чистота и принципиальная простота этого метода говорят в пользу его развития, и у специалистов не возникает сомнений, что применение взрывного автогидролиза позволит в значительной мере решить проблему использования отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности.

Способ получения древесной массы методом парового взрыва впервые был осуществлен в 30-х годах в США Мэсоном. Древесная масса, получившая название "мэсонит", использовалась для производства плит и древесных пластиков. В 80-х годах зарубежные исследователи вновь обратились к способу Мэсона, что было вызвано как необходимостью реализации крупных биотехнологических программ по использованию растительной биомассы, так и необходимостью разработки новых технологических процессов, удовлетворяющих современным требованиям защиты окружающей среды - сокращение или полное исключение использования серы и хлора в производстве волокнистых полуфабрикатов (ВПФ).
В связи с этим была разработана практически безотходная технология - взрывной автогидролиз (АГ), обеспечивающая разделения растительного сырья на три основных компонента: лигнин, целлюлозу и гемицеллюлозы. При воздействии высокотемпературного водяного пара на древесный комплекс (температура 235 градусов С, продолжительность обработки до 3 мин.) отщепляются ацетильные группы, которые способствуют мягкому кислотному гидролизу гемицеллюлоз, а декомпрессия обеспечивает разволокнение древесного сырья.
В результате парового взрыва получается водный раствор сахаров, которые можно использовать в качестве кормовой добавки и для выращивания кормовых дрожжей. ВПФ после экстракции лигнина органическими растворителями либо слабым раствором гидроксида натрия состоит в основном из целлюлозы. Лигнин, полученный в результате АГ, обладает высокой реакционной способностью и может быть использован в производстве связующих, пластмасс, фенолформальдегидных смол и адгезивов на их основе.
Процесс является практически бессточным и безотходным. Древесное сырье рекомендуется использовать в виде опилок, древесной стружки, тонкой щепы.
В зарубежной практике осуществлен как периодический, так и непрерывный процесс взрывного АГ; основным направлением применения АГ является в настоящее время микробиологическое.
Перспективность способа взрывного АГ определяется огромными сырьевыми ресурсами нашей страны, а также напряженной экологической обстановкой. Практическое значение может иметь получение волокнистого полуфабриката, целлюлозы для химической переработки, растительно-углеводного корма, кормового белка. Также способом АГ возможно получать высококачественную древесную массу для выработки бумажной продукции, не уступающей по качеству химико-механической массе, но при условии обязательного применения различных химикатов и варьирования параметров обработки.
Канадские исследователи предложили технологию и аппаратурное оформление получения взрывным способом химической древесной массы из древесины осины: щепа, предварительно пропитанная раствором сульфита натрия, обрабатывается в специальном реакторе водяным паром при температуре 230 градусов С (давление 3,3 МПа, продолжительность обработки 12 с, выдержка 90 с), после чего масса выстреливается в приемник. Размол массы проводится в рафинерах. Механическая прочность массы выше, чем обычной химико-механической; выход 89-92% от исходной древесины.
Химико-механическая взрывная масса с выходом 90%, полученная из древесины лиственных пород, по механической прочности близка к лиственной целлюлозе нормального выхода; белизна взрывной массы существенно выше (54% по сравнению с 35% для лиственной целлюлозы).
Особо следует отметить, что расход электроэнергии на размол взрывной массы ниже, чем при выработке обычной химико-механической массы.
Канадская фирма Стейк Технолоджи Лимитед в сотрудничестве с фирмой Текнип спроектировала и запатентовала для взрывного способа варочный котел "Стейк".
Технология "Стейк" - процесс получения бумажной массы взрывным способом - представляет собой непрерывный процесс, протекающий при высокой температуре (порядка 185-200 градусов С) и с незначительным временем пребывания сырья внутри аппарата (до 2 мин. по сравнению с несколькими часами для химических процессов). Для других операций, осуществляемых до и после самого процесса "Стейк", используется существующее промышленное оборудование, приспособленное для этого процесса.
Преимущества в качестве массы достигаются особыми условиями воздействия, которым подвергается сырье в этой системе (после пропитки химическими реагентами):
- образование пробки внутри коаксиального инжектора, работающего в непрерывном режиме, что позволяет обеспечить наилучшее проникновение химикатов в древесное сырье;
- высокие параметры температуры и давления (при непродолжительном времени выдержки), обеспечивающие в реакторе условия варки, при которых происходит изменение физических и даже структурных свойств компонентов волокна (лигнина и целлюлозы); при этом не наблюдается излом и хрупкость волокон - волокна становятся более гибкими. Этот процесс незначительного разделения древесины на волокна служит одновременно подготовкой для следующей стадии - взрыва или выдувки, обеспечивающей наилучшее разделение волокон без образования костры. Эта стадия процесса обеспечивает повышенную способность волокон к размолу, из чего следует сокращение числа ступеней размола и значительное сокращение расхода энергии на размол.
Система состоит из трех частей:
1. Коаксиальный инжектор для загрузки древесной щепы, шнек компримирования щепы. В этой зоне спрессованное древесное сырье обладает такой большой плотностью, что образованная пробка закрывает реактор, работающий под давлением, обеспечивая полную герметичность. Пробка, образующаяся при непрерывном добавлении материала, перемещается до входа в реактор.
2. Реактор или автоклав. На входе в реактор пробка разрывается коническим шпинделем, что позволяет материалу вновь принять первоначальную форму. С помощью шнека щепа перемещается по реактору в течение 1-4 мин. Для подогрева щепы до требуемой температуры (185-190 градусов С) на входе подается острый пар. Перед "выстрелом" из автоклава образуется новая пробка материала (значительно меньшей прочности) на уровне разгружающего шнека. В системе выгрузки используются выдувные вентили, работающие в периодическом режиме.
3. Разгрузочный клапан (управляется в зависимости от плотности продукта, находящегося внутри разгрузочной трубы). При каждом открытии клапана (каждые 4 с) продукт выбрасывается с большой скоростью в выдувной резервуар, где происходит отделение твердых частиц от пара. Затем масса подается в мешальный бассейн, где перемешивается с оборотной водой, поступающей с различных этапов процесса.
Этот процесс по своей физической сущности более всего сходен с паровым автогидролизом древесного сырья с целью разделения его на три основных компонента - целлюлозу, лигнин и гемицеллюлозы.
За счет взрывного АГ получается только 14,7% раздельных волокон. Основным механизмом разделения щепы на отдельные волокна при взрывном способе является механическое воздействие установленных в сопле планок (или других устройств), через которые проводится выдувка щепы из котла.
Преимущества взрывной массы "Стейк" в сравнении с ХТММ следующие:
- большой выход массы из древесины;
- более высокая механическая прочность - на 30-40%;
- более высокая белизна массы - в среднем на 5% белого;
- значительно меньший расход энергии на размол - на 50-75%;
- меньшие эксплуатационные затраты (при переработке лиственной древесины в среднем на 15%);
- повышенная гибкость процесса в сравнении ХТММ.
Взрывной способ "Стейк" особенно эффективен при переработке лиственной древесины: при практически одинаковом с ХТММ выходе (90-92% от исходной древесины) масса из древесины осины и березы имеет более высокие прочностные показатели, значительно более высокую белизну (на10-12%), более чем в 2 раза меньший расход энергии на размол. Исследования в условиях лаборатории одно- и двухступенчатой отбелки осиновой взрывной целлюлозы показали, что при одноступенчатой отбелке пероксидом водорода прирост белизны составил 25%; при двухступенчатой отбелке - пероксидом и затем дитионитом натрия - белизна увеличилась дополнительно на 1,3-1,9%; одноступенчатая отбелка дитионитом натрия повысила белизну на 7,2%. Стабильность белизны осиновой целлюлозы была на 50-75% выше, чем у ХТММ.
В Швеции запатентован модифицированный "взрывной" процесс получения ВПФ, при котором щепу пропитывают карбонатом натрия, загружают в аппарат типа "ружейного ствола" и вводят в него газообразный диоксид серы. Диоксид серы реагирует с карбонатом, при этом образуется сульфит натрия и углекислый газ. Щепу нагревают паром высокого давления (50 бар); давление внутри щепы создается за счет углекислого газа. Содержимое аппарата выдувают в циклон, где давление составляет 5 бар. При резком расширении и снижении давления пара щепа разрывается с образованием грубо волокнистой массы.
Древесная масса "Стейк" из лиственной древесины имеет гораздо более высокие показатели выхода из древесного сырья, показатели механической прочности и белизну при меньшем расходе химикатов на обработку и при значительно меньшем расходе энергии на размол (в 2,3 раза для древесины осины и в 2 раза - для сосны). Количество загрязнений в сточных водах процесса "Стейк", выраженных в ХПК и БПК, аналогично традиционным технологическим процессам.
Таким образом, паровзрывной способ получения ВПФ имеет большие преимущества по сравнению с ХТММ. Это, прежде всего, низкие требования к качеству древесного сырья (отходы деревообработки), значительно меньший расход энергии на размол массы. Однако наиболее интересное направление паровзрывной варки - получение высококачественного волокнистого полуфабриката для бумажного производства - в промышленном масштабе пока практически не реализовано.