Термическая переработка древесины

Сунил получаемый из нитролигнина, служит для антисептиче­ской пропитки тканей, а нитролигнин как добавка в глинистые растворы при бурении глубоких скважин. Опыты показали, что лигнин повышает урожаи картофеля на 3-4 центнера с га.

Углежжение, смолокурение и дегтекуренное производства являются старейшими русскими производствами, игравшими значительную роль в экономике дореволюционной России. Эти производства возникли еще в XIV веке. Спустя некоторое время появилось скипидарно-канифольное производство, а в XIX веке начали получать из древесины уксусную кислоту, метиловый спирт и генераторный газ.

Еще в 1791 г. русский академик Т. Ловиц предложил исполь­зовать специально приготовленный древесный уголь для очистки воды, а затем и растворов селитры. Производству древесного угля и улучшению его качества всегда уделялось особое внима­ние, так как большие его количества расходовались не только для нужд металлургии, но и для производства пороха, который почти 500 лет был единственным и универсальным взрывчатым веществом.

В начале XIX века член-корреспондент Петербургской акаде­мии наук П. Г. Соболевский, заинтересовавшись газовым осве­щением, решил разработать прибор, позволяющий получать све­тильный газ из древесины. Им был сконструирован аппарат, получивший название термолампы. В журнале «Санкт-Петербург­ский вестник» за 1812 г. в отделе «Наука и художества» отме­чается, что «термолампами называются печи, посредством кото­рых чрез пережигание дерева в уголье освещаются и отапли­ваются покои, и сверх того получается еще деготь и пригорело-древесная кислота, способная заменить во многих случаях обык­новенный уксус...». По методу Соболевского из кубической сажени дров получалось до 50 тыс. кубических футов газа, кото­рого было достаточно для горения 4000 ламп в течение 5 часов.

Смолокурение было в России еще в XII веке, и вскоре смола явилась предметом торговли с заграницей. Позднее Петр I лично наблюдал за увеличением производства смолы, требовавшейся для кораблестроения, и регулировал ее вывоз в другие страны.

В конце XIX века проф. Казанского университета Ф. М. Флавицкий получил из живицы русской сосны канифоль и скипидар, которые по своим свойствам не отличались от французского и американского. Академик В. Е. Тищенко, долгие годы работав­ший в области лесохимии, будучи доцентом Петербургского университета, издал в 1895 г. интересную книгу «Канифоль и скипидар». В течение только XIX столетия умельцы из крестьян и рабочих предложили и освоили смолокуренные печи, реторты, холодильники и другие аппараты оригинальной конструкции.

Д. И. Менделеев большое внимание уделял развитию отече­ственной лесохимической промышленности, называя лесохими­ческие продукты исконными русскими товарами.

В России накануне первой мировой войны действовало 6060 смолокуренных установок и 850 реторт (казанов) для сухой пе­регонки древесины, на которых вырабатывалось 91,6 тыс. тонн смолы, 23 тыс. тонн скипидара-сырца, 10 тыс. тонн уксуснокальциевого порошка и 9 тыс. тонн смолы. Углевыжигательные печи Урала в 1913 г. для нужд металлургии переработали на древес­ный уголь 6,6 млн. складочных кубометров дров. Большинство этих установок имело очень слабое техническое оснащение.

Углежжение и смолокурение за годы Советской власти раз­вились в мощную промышленность пирогенетической перера­ботки (пиролиз) древесины. Пиролиз осуществляется как без доступа воздуха (сухая перегонка), так и с частичной подачей воздуха (газификация).

Сухая перегонка - нагрев древесины в металлических ретортах или специальных печах различных конструкций без до­ступа воздуха до температуры 400-500°С. При этом древесина, обугливаясь, разлагается на древесный уголь и различные ле­тучие продукты (рис. 50). Уже при 270-300°С реакция разло­жения идет с выделением тепла. Из летучих продуктов после ох­лаждения в холодильнике отделяются несконденсировавшиеся газы и жидкие соединения, состоящие из двух слоев: водного (разбавленный раствор различных ценных продуктов, называе­мый подсмольной водой) и нерастворимой смолы. Из кубометра древесины при этом получают 140-180 килограммов угля, 280- 400 килограммов жидких продуктов (вместе с водой) и 80-100 килограммов газов.

До последних лет для сухой перегонки древесины наиболее ши­роко применялись периодически действующие реторты, которые при большом расходе топлива обладали довольно низкой про­изводительностью. Были разработаны новые более экономичные, непрерывно действующие агрегаты, обладающие более высокой производительностью. Из них надо отметить непрерывно дейст­вующие канальную печь (с обогревом циркулирующими га­зами) и реторту, в которой древесина, загружаемая в ее верх­нюю часть, движется сверху вниз, соприкасаясь при этом с паро­газовой смесью со все более высокой температурой. Работу таких реторт легко автоматизировать, и расходуют они сравни­тельно мало тепла. В настоящее время в стране действует во­семь заводов сухой перегонки древесины.

Как качество угля, так и состав и выход всех других продук­тов зависит, как это видно из табл. 7, от сырья (породы дерева) и от условий разложения древесины.

Таким образом, из кубометра лиственной древесины полу­чают 22-30 килограммов уксусной кислоты, 4-5 килограммов растворителей, 5,5-6 килограммов метилового спирта и другие продукты.

Процессы термического разложения древесины лежат в ос­нове таких производств, как углежжение, смолокурение, собст­венно сухой перегонки древесины, газификации и энергохимиче­ского использования древесины.

Газификация древесины осуществляется в газогене­раторах с целью получения более качественного газообразного топлива (высокая температура пламени, легкость регулирова­ния процесса горения, возможность транспортирования на даль­ние расстояния) при одновременном улавливании из газа раз­личных ценных лесохимических продуктов. В качестве топлива генераторный газ применяется в промышленных энергетических установках и в двигателях внутреннего сгорания.

Из килограмма абсолютно сухой древесины получается 1,6- 1,9 кубометра газа (в пересчете на сухой нормальный газ) с теплотворной способностью от 5400 до 6900 кдж/м³. В парога­зовой смеси, выходящей из генератора, содержится 0,5-2,5% органических кислот, около 0,8% спиртовых продуктов и от 4,5 до 13% смолы. Количество жидких продуктов примерно такое же, как и при сухой перегонке. В определенных условиях гази­фикации можно до 60% древесины перевести в жидкие продук­ты, которые наполовину состоят из смолы. В настоящее время из продуктов пиролиза древесины вырабатывают различные коптильные жидкости для копчения пищевых продуктов («Вакоп», «Вахтоль» и др.), успешно заменяющие дымовое копчение.

В последние годы предложено большое количество различ­ных схем комплексного энергохнмического использования отхо­дов древесины. Наряду с горючим газом получают и лесохими­ческие продукты. В Центральном котлотурбинном научно-иссле­довательском институте (ЦКТИ) проф. В. В. Померанцовым разработана топка-генератор, представляющая, по существу, газогенератор, непосредственно присоединенный к паровому котлу. Установка позволяет из древесных отходов получать го­рючий газ, два вида смолы, уксуснокальциевую соль и пар при сжигании отходов.

По другой схеме (ЦНИЛХИ-ЦНИИМЭ) при газификации древесины получают газ (для выработки электроэнергии), смолы и уксусиокальциевый порошок. Энергохимическая установка В. А. Лямина перерабатывает отходы  на  генераторный  газ, сырую смолу п кислую воду. По этой схеме переработку древес­ных отходов можно широко механизировать и автоматизировать. Передвижной энергохимический агрегат предложен А. К. Славян­ским.

Энергохимическая переработка отходов древесины позволяет получить из них важные химические соединения и использовать имеющиеся запасы тепла для энергетических целей.

Древесный уголь применяется в небольших количествах при выплавке чугуна в доменном процессе, в производстве фер­росплавов, а также в кузницах и в литейных. Малое содержа­ние золы, незначительные количества серы и фосфора позво­ляют получать на древесном угле металл высокого качества. Древесный уголь используется как топливо для подогревателей, вагонов-ресторанов и т. д., применяется для изготовления элек­тродов и для цементации (насыщение поверхности углеродом) некоторых стальных изделий, повышающей их твердость и из­носостойкость, а также в цветной металлургии для получения магния, кремния, в производстве алюминия и для рафинирования (очистки) меди.

Из лиственной древесины, особенно из березы, может быть получен пористый древесный уголь, обладающий хорошей погло­тительной способностью (поверхность пор 1 грамма активированного угля колеблется от 160 до 400 квадратных метров). Та кой активированный уголь применяется в противогазах, а также для поглощения паров летучих растворителей (для рекуперации), для очистки паточных и глюкозных сиропов, а также вод ных растворов от красящих веществ (в сахарной промышленности)  и в других химических производствах. При добавке в кормовой рацион животных и птиц активированный уголь уменьшает желудочные заболевания, способствуя тем самым со­хранению поголовья, повышению веса  и удойности. В США ежегодно около 10 тыс. топи древесного угля идет в корм скоту.

Древесный уголь применяется в качестве катализатора в контактных процессах, как составная часть черных порохов в медицине (при отравлении солями металлов), для производ­ства сероуглерода (необходимого при получении вискозного во­локна и целлофана), в быту и в табачной промышленности.

В сыром древесном уксусе, известном под названием жижки, обнаружено 380 разнообразных химических соединений, но про­мышленное значение имеют немногие.

Уксусная кислота (первая из кислот, которая стала из­вестна человеку в виде уксуса при скисании вина) применяется для получения ацетилцеллюлозы (а из нее получают пласт­массу - целлон, кинопленку, искусственный шелк, ацетон). а так­же она и ее соли (алюминия, железа, хрома и др.) широко используются в текстильной (как протрава и для закрепления кра­сителей), фармацевтической (для приготовления лекарств), пар­фюмерной, лакокрасочной (растворитель основы лаков) и дру­гих отраслях промышленности. Особенно много уксусной кис­лоты применяется в пищевой промышленности для изготовления уксусной эссенции и для консервирования пищевых про­дуктов.

С каждым годом все более расширяется производство сложных эфиров (этилацетата, бутилацетата, амилацетата и др.). являю­щихся хорошими растворителями для лаков и смол. Лаковые пленки, полученные на основе этих растворителей, не только влагостойки, по и обладая большой прочностью, сохраняют дли­тельное время свою окраску. Эти растворители хорошо смеши­ваются с другими растворителями и применяются в полиграфи­ческой, обувной, мыловаренной и других отраслях промышлен­ности. Выпускаются и смешанные растворители: древесноспиртовый, ацетатнокожевенный, ацетатномебельный, бутилацетатные и другие. II хотя уксусная кислота в больших количествах получается синтетическим путем, все же «древесная кислота» и по настоящее время применяется в ряде отраслей промыш­ленности.

При организации специального уксуснокислотного сухоперегонного производства из 1 складочного кубометра древесины твердых лиственных пород можно получить: 15 килограммов уксусной кислоты (в пересчете на 100%-ную), 25 килограммов смолы, около 100 килограммов древесного угля и 7 килограммов спиртов и растворителей.

Получаемый при сухой перегонке метиловый, или древес­ный, спирт в небольших количествах идет для производства фар­мацевтических препаратов, красителей, как добавка к жидкому топливу для повышения его октанового числа. Он также приме­няется и как исходное сырье для получения формальдегида, диметилсульфата, диметилтерефталата, метилацетата, диметилформамида, ингибиторов, метиламина, антидетонационных сме­сей (тетраметилсвинец) и др.

Из метилового спирта можно получить формальдегид. При действии аммиака из формальдегида получают гексаметилентетрамин, используемый в медицине под названием уротро­пин, для производства мощного взрывчатого вещества - гексо­гена, лекарственных соединений и красителей. Формальдегид широко применяется как антисептическое, дезодорирующее сред­ство, для дезинфекции, в промышленности пластических масс (феноло-формальдегидных, меламино-формальдегидных, анилино-формальдегидных и мочевино-формальдегидных), в кожевенном деле в качестве дубителя.

Ацетон, который можно получить и из уксусной кислоты и этилового спирта, хорошо растворяет жиры и смолы. Он ис­пользуется в ряде производств как растворитель и полупродукт (при изготовлении бездымного пороха, ацетатного шелка, для получения лаков, красок, фармацевтических препаратов и в дру­гих отраслях химической промышленности).

Активированным углем, пропитанным ацетоном, заполняют стальные баллоны, в которых хранится и перевозится ацетилен под давлением (в одном объеме ацетона растворяется 375 объе­мов ацетилена).

При сухой перегонке растительного сырья (с катализато­рами) получается 3-5% (от веса сухого сырья) фурфурола.

Древесные смолы, получающиеся при любых про­цессах термического разложения древесины, представляют со­бой темную, вязкую жидкость, содержащую десятки разнооб­разных химических соединений (фенолы и их производные, карбоновые кислоты и другие вещества), при переработке которых можно получить сотни новых продуктов.

Состав смолы зависит от вида процесса (сухая перегонка, углежжение, смолокурение, газификация), от исходного сырья (хвойные или лиственные породы, лесосечные отходы, сосновые пни - пневый осмол) и метода выделения ее из сырья. По ме­тоду выделения различают отстойные, растворимые и экстрак­ционные смолы.

Выход древесной смолы из кубометра древесины колеблется в довольно широких пределах-от 18 до 55 килограммов. Больше всего в древесных смолах содержится фенолов, орга­нических кислот и их производных.

Растворимые древесные смолы перерабатываются в виде водных растворов. Из древесных смол после соответствующей разгонки на фракции и их дальнейшей переработки можно полу­чить ценные продукты, которые нашли широкое применение в ряде отраслей народного хозяйства. В натуральном виде или после промывки смолу можно применять для просмолки кана­тов, судостроительной пакли и в качестве мягчителя в резино­вой промышленности.

При фракционированной разгонке смолы сперва отбирается кислая вода, затем легкие масла (при температуре до 175- 180°), затем креозотовое масло (в пределах 180-240°), далее антиокислитель (240-310°), тяжелые масла (выше 280°) и пек. При обработке смолы (без предварительной разгонки или после нее) химическими соединениями получаются разнообразные про­дукты на основе фенолов: гербициды, связующие, дубители, по­верхностно-активные вещества и др.

Из креозотового масла получают флотационные масла, а также и такие продукты, как креолин и медицинский креозот.

Фенолы растворимых смол используются для производ­ства полифенольного лесохимического понизителя вяз­кости (11ФЛХ) бурильных промывочных растворов. Он не только ускоряет проходку скважин, но и значительно уменьшает осложнения, встречающиеся при бурении скважин в тяжелых геологических условиях. Эти фенолы служат для изготовления связующих, которые с большой эффективностью используются в производстве древесноволокнистых и древесностружечных плит. Подсчитано, что при замене мочевино-формальдегидных смол, которые применяются в настоящее время для этой цели, лесохимическими фенолами высвобождаются сотни тысяч тонн мочевины.

Фенолы и формальдегид в большом количестве применяются для получения синтетических смол, так называемых фено­пластов. Чистые литые смолы (без наполнителя и других веществ) имеют прозрачный янтарно-желтый цвет, заменяя иногда натуральный янтарь. При желании могут быть получены смолы белого цвета и других расцветок. Такие литые смолы ис­пользуются в основном для производства электроизоляторов и различных галантерейных изделий: пуговиц, бус, мундштуков, различных украшений. Феноло-формальдегидные смолы бывают новолачные и резольные. Новолачная смола термопластична, т. е. способна при нагревании расплавляться, а при охлаждении застывать, сохраняя все свои первоначальные свойства. Резоль­ные смолы - это такие феноло-формальдегидные смолы, кото­рые способны под влиянием нагрева переходить в неплавкое п нерастворимое состояние.

Феноло-формальдегидная смола применяется для производ­ства бакелитовых лаков, различных слоистых пластмасс и пресс-порошков. Для последней цели смолу смешивают с красителями и  наполнителями  (обычно с древесной  мукой), которые не только удешевляют будущее изделие, но и улучшают его фи­зико-механические свойства.

Примерный состав пресспорошка (в %) следующий:

Смола (новолачная)....................... 40-45

Стеарат   кальция (в качестве смазки) .........    1,5

Древесная мука........... 40-50                    

Уротропин (отвердитель) . . . 6-8       

Краситель....................... .....1,5

Такой порошок в пресс-форме легко превратить во всевоз­можные изделия для радиотехнической, машиностроительной и электротехнической промышленности, быта, связи (рис. 51). Раствором фенолальдегидной смолы легко пропитываются бу­маги, ткани, стеклянное волокно, фанера, древесные отходы. Таким образом получают гетинакс (в основе бумага), текстолит (в основе ткань), стеклотекстолит (стеклянная ткань), бакели­товую фанеру, древеснослоистые пластики (в основе шпон- тонко лущеная древесина) и пр. Пропитывая фенолальдегидной смолой асбестовое волокно, получают новую пластмассу - фаолит, не боящуюся кислот.

Из фенопластов и слоистых пластиков изготовляют трубы, листы, стержни,  ролики  эскалаторов,  бесшумные  шестерни.

Детали химической аппаратуры, тормозные колодки, моторные лодки и многое другое.

Водорастворимые бакелитовые клеи употребляются для про­изводства древесностружечных плит.

Тонкостенные формы для литья металла изготавливают из песка и фсноло-формальдегидной смолы (в качестве связую­щего материала). Такой метод литья позволяет не только со­кратить производственный цикл и полностью механизировать литейное производство, но и получать точные отливки деталей (точностью до 0,2-0,4 мм на 100 мм) и тем самым уменьшить расход металла.

Следует подчеркнуть, что материалы, необходимые для из­готовления фенопластов (фенол, формальдегид, древесная мука, уротропин), могут быть получены из древесины. До 50% синте­тического фенола в рецептуре феноло-формальдегидных смол можно заменить щелочным лигнином и получить феноло-лигнино-формальдегидные смолы. Древесная мука входит в состав взрывчатых веществ, линолеума, линкруста. Из фенолов изго­товляют гербициды (например, типа 2,4-Д) для нужд сельского хозяйства, искусственные дубители - синтаны, понизители вяз­кости растворов, необходимые при бурении скважин.

Флотационные масла из древесных смол с успехом заменяют дефицитные соединения, применяемые в качестве пе­нообразователя при обогащении руд, что имеет большое значе­ние для дальнейшего развития цветной металлургии.

Древесносмоляной креолин, получаемый при варке древесных смол с канифолью и щелочью, применяется в виде 2,5%-ной эмульсин в воде в ветеринарии для дезинфекции и ле­чения от чесотки овец и других животных.

Креозот (креозотовое масло, смесь фенолов и аромати­ческих углеводородов) благодаря своему антисептическому и противопаразитному действию применяется в медицине. Из крео­зота букового дегтя может быть выделен гваякол - ценное вещество, применяемое для синтеза ванилина и лекарственных веществ.

При температуре 240-300°С отгоняется антиокислитель, ко­торый добавляется в небольших количествах к бензину, полу­чаемому при крекинг-процессе. Антиокислитель (0,07- 0,15% от веса бензина) задерживает (тормозит) процессы окис­ления и полимеризации непредельных соединений, имеющихся в бензине, и тем самым уменьшает процесс образования нагара в цилиндре двигателя.

При разгонке смолы при температуре свыше 280 310° С на­чинают отгоняться тяжелые масла, и в результате остается древесносмоляной пек, теплотворная способность ко­торого равна примерно 33 500 кдж/кг. Он может быть использо­ван в качестве топлива, а также как сырье для получения неко-юрых продуктов. Пек может быть применен как основной кре­питель для чугунного литья (50 весовых частей пека, 30 частей сульфитноспиртовой барды и 20 частей формовочной глины) и для производства древеснопекового пластификатора. С этой целью пек расплавляют и обрабатывают водным раствором ед­кого натра. Килограмм пластификатора позволяет сэкономить примерно 100 килограммов цемента или 350 килограммов извести, повышает морозостойкость растворов и улучшает их ка­чество.

В дорожном строительстве пек применяется как связующая и водоотталкивающая добавка к дорожному грунту. В обув­ной промышленности пек используется в виде простилочного вара для заполнения промежутков между подошвой и стелькой обуви.

В жидких продуктах сухой перегонки древесины содержится небольшое количество фурфурола, значение которого было от­мечено выше, а также сильван, фуран и ацетальдегид. Исследо­вания показали, что из кубометра березовой древесины, предва­рительно пропитанной серной кислотой, можно получить в со­ставе жижки более 12 килограммов фурфурола.

Древесные смолы применяются, кроме того, для консерви­рования древесины, в производстве кровельного толя (для про­питки картона), как связующее при изготовлении активирован­ного угля, в качестве мягчителя в резиновой промышленности (сосновая смола) и т. д.

Получение смолы термическим разложением сосновой древе­сины (рис. 52) сосредоточено в особой отрасли промышлен­ности - смоло-скипидарном производстве (смолокуре­нии). При нагревании древесины, богатой смолой, при темпера­туре в пределах 100-200° С выделяются скипидар и водяные пары, затем при 200-250° С - смола и при дальнейшем повы­шении температуры - продукты сухой перегонки дерева. Из складочного кубометра пневого осмола весом 300 килограммов выделяется примерно 70 килограммов угля, 33,8 килограмма без­водной смолы, 14,8 килограмма скипидара и другие продукты.

Сосновая смола используется для просмолки канатов, сетей и снастей в рыбной и пенько-джутовой промышленности,

п судостроении, строительном деле, в качестве мягчителя для приготовления колесной мази, вара (в текстильной промышлен­ности и сапожно-шорном производстве).

Масла березовой смолы используются в качестве заменителя пластификатора для полихлорвиниловой смолы. Кроме того, березовая смола является основой черного смоляного лака - сальватора, который служит для окраски железных кро­вель, деревянных конструкций и т. д.

Дегтекуренное производство - процесс сухой пе­регонки, основная цель которого - получение берестового дегтя. Сырьем для сухой перегонки в этом производстве служит на­ружный слой березы - береста, которую снимают со срублен­ных или с растущих деревьев в период их цветения. Выход дегтя (по весу) из чистой (без примесей луба) воздушносухой бе­ресты составляет около 30%. В среднем принято считать, что с кубометра березовой древесины получается до 10 килограммов бересты.

Березовый деготь - густая, вязкая, маслянистая и неклей­кая на ощупь жидкость черного цвета с голубовато-зеленым или зеленовато-синим отливом, с сильным специфическим запахом. Основным потребителем дегтя является кожевенная промыш­ленность, где он идет для выделки кож и для предохранения кожаных изделий от гниения при длительном хранении. Очищенный деготь применяется также в парфюмерной промышлен­ности, в медицине (в ветеринарных препаратах для лечения кож­ных заболеваний).

источник:  А. Авербух,  "Что делает химия из древесины", Москва, издательство "Лесная промышленность", 1970 год 

UP

Вход/Регистрация - Присоединяйтесь! Ваше имя: (или войдите через соц. сети ниже)

Комментарии и отзывы ( потяните за правый нижний край для увеличения окна ):

Введите код, который Вы видите на изображении выше (чувствителен к регистру). Для обновления изображения нажмите на него.

• Араукария Каннингема (Araucaria cunninghamii), дерево, свойства древесины
• Тасманский дуб (E. delegatensis, E. obliqua & E. regnans), дерево, свойства древесины
• Бекхаусия Бэнкрофта (Backhousia bancroftii), дерево, свойства древесины
• Жёлтый кедр (Chamaecyparis nootkatensis), дерево, свойства древесины
• Американский белый дуб (Quercus alba), дерево, свойства древесины