Тенденции развития производства композиционных материалов из отходов древесины

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

По статистической отчетности Продовольственной и Сельскохозяйственной Организации Объединенных Наций (Food and Agriculture Organization of the United Nations), половина площади мировых запасов леса принадлежит четырем странам мира: Россия (22%), Бразилия (16%), Канада (7%), США (6%).

При этом по процентному соотношению лесов бореальной и умеренной зон Россия является абсолютным мировым лидером. Нашей стране в этом важном сегменте принадлежит почти половина мировых ресурсов. В отношении на одного жителя Российской Федерации приходится около 600 мі леса, что значительно больше, чем в любой из стран мирового сообщества.

Ежегодно в Российской Федерации образуется большое количество отходов деревопереработки, требующей незамедлительной утилизации вследствие их быстрой потери важных с технологической точки зрения свойств.

Отходами деревообрабатывающей и лесной промышленности является часть сырья, которая не попадает в основную продукцию предприятий. Древесные отходы образуются в значительных количествах практически на многих этапах технологической цепи переработки: лесозаготовка - лесопиление - деревообработка.

Утилизация отходов лесной промышленности, изучение и исследование процессов получения из них экологически чистых материалов является очень перспективным направлением как развития современной промышленности, так и улучшения экологического баланса, охраны окружающей среды.

Практически все деревоперерабатывающие процессы предусматривают удаление коры, так называемую окорку, с последующим измельчением ее на более мелкую фракцию. Отходами этих технологических процессов являются: кора, заболонные слои древесины, и, конечно, опилки, образующиеся при механической обработке. Однако, несмотря на большие объемы образующей в деревообработке коры ее использование в качестве добавок к различным видам продукции, биотопливу требует большой осторожности по разным причинам. Например, кора накапливаем в десятки раз больше радиоактивных элементов, чем сама древесина. С этим фактом без сомнений необходимо считаться и проводить дополнительный радиационный контроль коры в производственных условиях.

Образующиеся отходы, как правило, складируются в непосредственно вблизи самих деревоперерабатывающих производств. Незначительное их количество используется в виде топлива. Это обычно отходы от столярных и мебельных производств, шлифовальная пыль, имеющие низкую влажность.

Остальная часть отходов остается невостребованной, хотя имеет множество направления переработки. Так, например, в России на многих крупных целлюлозно-бумажных комбинатах и деревообрабатывающих предприятиях имеется значительное количество коры и других древесных отходов (опилки, стружка, щепа, торф), образовавшихся в процессе производства продукции. Это осложняет экологическую обстановку на площадках предприятий и близлежащих территорий. Тем более, что эти предприятия, как обычно находятся в черте городов, и запасы отходов постоянно пополняются.

В Российской Федерации большое количество целлюлозно-бумажных предприятий: Наманганская целлюлозно-бумажная фабрика, Новолялинский целлюлозно-бумажный завод, Марийский целлюлозно-бумажный комбинат, Братский целлюлозно-картонный комбинат, Архангельский целлюлозно-бумажный комбинат, Котласский целлюлозно-бумажный комбинат, Пермский целлюлозно-бумажный комбинат, Сегежский целлюлозно-бумажный комбинат, Советский целлюлозно-бумажный завод, Соломбальский целлюлозно-бумажный комбинат, Сясьский целлюлозно-бумажный комбинат, Выборгская целлюлоза, Туринский целлюлозно-бумажный завод, Байкальский целлюлозно-бумажный комбинат и др. Суммарный объем поизводимой ими продукции в виде целлюлозы и тароупаковочных видов бумаги оценивается в 440 тыс.тонн/год.

Также имеется большое количество различных деревообрабатывающих предприятий находящихся вдали от городов и широких транспортных инфраструктур, которые не имеют возможности эффективно перерабатывать образующиеся отходы (щепа, стружка, шлифовальная пыль, опилки, древесная кора) в связи с нецелесообразностью грузоперевозки из экономических соображений.

Рациональная утилизация древесных отходов даст возможность снизить вред окружающей среде, послужит источником экономии средств, получения дополнительной прибыли за счет реализации новых видов продукции.

В настоящее время не менее остро стоит вопрос утилизации и использования соломы злаковых и крупяных культур, масса накопления которой ежегодно составляет 80-100 млн. тонн.

Учитывая наметившуюся тенденцию роста продукции сельского хозяйства проблема утилизации отходов от этого сектора экономии страны будет занимать одно из главных мест в различных перспективных планах развития (Рисунок 1).

Рисунок 1. Динамика индекса объёма продукции сельского хозяйства в России в 1990--2008 годах, в процентах от уровня 1990 года

Одним из основных направлений утилизации мелких сыпучих сельскохозяйственных отходов типа рисовой шелухи, лузги подсолнечника, шелухи гречихи, овса, проса и так далее является их использование для получения тепловой и электрической энергии. Одной из основных технологий является сжигание. Сжигание сыпучих сельскохозяйственных отходов базируется на двух методах сжигания: прямое сжигание и сжигание в кипящем слое.

Прямое сжигание рисовой шелухи используется в электростанциях малой мощности от 1 до 5 МВт в таких странах как Тайланд, Бангладеш, Филлипины, Малайзия, Индонезия, Индия. Сжигание в котлах с кипящим слоем обеспечивает повышенную эффективность по сравнению с прямым сжиганием и используется в электростанциях мощностью 25-50 МВт (Калифорния, США). В обоих случаях расход рисовой шелухи составляет 1.5 - 2 кг/кВт-час, а к.п.д. достаточно невысокий. Дополнительный экономический эффект от сжигания рисовой шелухи можно получить за счет продажи золы с высоким содержанием кремнезема.

К сожалению, сжигание некоторых видов лузги представляет собой сложную задачу. Зола, которая образуется при сжигании лузги, плавится при низкой температуре и налипает на поверхности топки и труб котла. Кроме того, лузга сжигается с низкой эффективностью и высоким уровнем эмиссии несгоревших углеводородов.

Большие объемы перерабатываемой древесины влекут за собой очевидную проблему утилизации отходов от этого вида промышленности. Такие же проблемы испытывает и сельское хозяйство нашей страны.

Очевидных путей решения проблемы переработки древесины и сельскохозяйственных растений несколько:

1) Переработка в энергоносители различных составов, назначения и свойств (пеллеты, брикеты, спирты, эфиры и т.д.).

2) Производство товаров народного потребления (различного рода композиционные материалы, мебель, декоративные элементы для обустройства помещений различного назначения и т.д.).

3) Использование рассматриваемых отходов в производстве материалов строительного назначения с добавлением цементных связующих (арболит, фибролит, опилкобетон и т.д.).

Остановимся более детально на отходах растительного происхождения, как сырье для производства плитных материалов мебельного и строительного назначения.

Целлюлоза является самым богатым природным биополимером в мире, который возобновляется и поддается биохимическому разложению. Проведенные в последнее время исследования мирового уровня показали, что выделенные из целлюлозы нано и микроволокна имеют более высокие механические свойства, чем единичные волокна. Такого рода волокна ряд ученых предлагает использовать для укрепления некоторых полимеров.

Для получения волокон целлюлозы и агрегатов волокон используются два основных способа: химический - с помощью сильного кислотного гидролиза, а также механический. Способ механической обработки разделяется на ультразвуковую обработку высокой интенсивности, гомогенизирующую обработку под высоким давлением, обработку дроблением под высоким давлением а также обработку микрофлюидизатором. Продукт, полученный химическим способом, называется целлюлозные усы или нанокристаллы целлюлозы. Продукт, полученный химическим методом, называется микрофибриллы целлюлозы или микрофибрилляты.

Исследования нанокомпозитов, полученных из целлюлозы, в последние годы развиваются очень интенсивно. Это обусловлено экологической чистотой технологий и возможностью увеличения прочности материалов. Французские исследователи использовали некоторые натуральные целлюлозные волокна, обработанные ультразвуком высокой мощности при производстве поливинилацетата при комнатной температуре и обнаружили, что при добавлении целлюлозных волокон модуль упругости при растяжении и прочность поливинилацетата увеличены. Однако, дисперсия целлюлозы не была абсолютно равномерной в матрице сечения и были некоторые пробелы между полимерной матрицей и фибриллами.

Предварительные исследования группы китайских ученых дали возможность выделить микро/нано фибриллы целлюлозы из древесины тополя и рисовой соломы с помощью фермента и ультразвука высокой интенсивности соответственно. Нанокомпозиты были получены путем соединения микро/нано волокон и полипропилена. Результаты показали, что лучшая совместимость микро/нано волокон и полипропилена достигается путем добавления связующего вещества в композиты. Однако, полученные в настоящее время мировые результаты по выделению микро и нановолокон из сырья растительного происхождения не дают возможность их использования для получения продукции, так как отсутствуют фундаментальные знания по взаимосвязям методов модификации отходов природной целлюлозы и технологий получения новых материалов, обладающих улучшенными свойствами. Решение этой проблемы предполагается в перспективе путем проведения международных научно-практических исследований.

Проведенные в мире исследования и созданные автоматизированные технологии производства плитных материалов характеризуются, как правило, однокритериальностью. В этом случае берется за основной один технико-экономический показатель, например, качество. Остальные же показатели не учитываются. Это объясняется не столько сложностью многокритериальных систем управления, сколько отсутствием достоверной информации о свойствах сырья и характере одновременного изменения других важных показателей во время проведения процесса обработки. Также современные методы проведения процессов производства плитных материалов из сырья растительного происхождения и других видов продукции отличаются локальностью автоматизированных систем на конкретном оборудовании технологического цикла.

Одним из основных недостатков применяемых систем управления является ограниченное изменение режимных параметров в реальном масштабе времени, носящее дискретный характер. Такое обстоятельство может послужить причиной возникновения аварийных ситуаций, например возгорание обрабатываемого материала. Аварийные ситуации подобного рода, к сожалению, не являются редкостью в технологиях сушки, прессования волокнистых материалов растительного происхождения (фанера, MDF (medium density fiberboard), древесностружечные плиты).

Отсутствие автоматизированных комплексов объясняется недостаточностью в настоящее время фундаментальных знаний о специфических особенностях сырья, закономерностях его обработки, оптимальных характеристиках. В ряде случаев полученные результаты предполагают узкий аспект применения того или иного автоматического управления.

Современный уровень развития промышленности, оборудования, требует прецизионной точности регулирования и установки требуемых параметров в автоматическом режиме основного задействованного парка станков и устройств во время объективного изменения внешних воздействий. Только такое объективное управление делает возможным снижение энергоемкости и безопасности процессов, максимальной производительности, получение продукции высокого качества. В настоящее время ведется успешная российско-китайская научно-практическая работа по созданию современных систем управления промышленным оборудованием высокой точности.

В настоящее время автором ведется активная научная работа совместно с коллегами из Китайской народной республики, имеющими большой опыт в производстве плитных материалов из отходов древесины и сельского хозяйства. Участие китайских ученых в научно-технических проектах «Развитие нано-механических протоколов испытаний для характеристики лигноцеллюлозных/полимерных систем», «Нано-механические свойства клеточной стенки десяти видов лиственных пород» (с финансированием по линии Министерства сельского хозяйства США), «Национальная научно-технологическая программы в рамках одиннадцатой пятилетки), «Подготовка рисовой соломы для получения микро/нано фибриллы и потенциал её использования» дало положительные результаты, касающиеся изучения древесины различных пород и волокон, а также биоресурсных технологий. Был получен патент.

На основании действующего договора между лесопромышленным факультетом ФГБОУ ВПО «ВГЛТА» и Центром исследований быстрорастущих деревьев и инженерии волокнистых материалов Нанкинского лесного университета проводятся совместные научные исследовании на протяжении 6 лет.

Эти исследования направлены на установление возможностей утилизации отходов растительного происхождения с получением модифицированных плитных материалов мебельного и строительного назначения с высокими эксплуатационными характеристиками, а также биотоплива. сельскохозяйственный утилизация промышленный

Однако, в настоящее время нет фундаментальных знаний по теории автоматизации таких процессов вследствие отсутствия зависимостей изменения свойств сырья при его переработке, режимных характеристик оборудования, а также оптимальных характеристик связующих.

Поэтому традиционно применяемые системы управления отдельным оборудованием или целыми производственными процессами, например, древесностружечных плит не являются приемлемыми. Это объясняется как спецификой сырья, так и существующими уровнем и несовершенством традиционно применяемых систем управления. При этом также планируется получить фундаментальные знания по теории связей между растительными волокнами, различного происхождения для обеспечения заданных физико-механических свойств производимой продукции.

Размещено на Allbest.ru