Углеродсодержащих отходов (торфа)

Помимо непосредственного сжигания торфа, что в настоящее время признано крайне неэффективным, в мировой практике известны следующие способы химической переработки торфа с целью получения качественного химического и нефтехимического сырья:

• мокрое обугливание (нагрев влажного торфа при 180 °С);

• сухая перегонка (при 120-550 °С);

• газификация (при низких и средних температурах);

• экстракция.

В результате применения каждого из методов получается ряд химических продуктов и полупродуктов. Экстракционная обработка торфа используется для извлечения гуминовых кислот, битумов и др. При мокром обугливании торфа одновременно с топливным торфом получают метиловый и этиловый спирты, уксусную и щавелевую кислоты, фурфурол, а также кормо­вые дрожжи и др. Основным продуктом сухой переработки торфа является торфяной кокс или полукокс.

Процесс коксования и полукоксования позволяет получать кроме газа ме­таллургический кокс, пригодный для производства сталей с малым содержани­ем углерода. При этом полукоксование, протекающее по сравнению с коксова­нием при более низкой температуре (500 °С), предусматривает получение полукокса, газа, смол, подсмольных вод. Газ и полукокс могут использоваться как бытовое топливо и как технологическое сырьё, а смола и подсмольные воды - для извлечения отдельных органических соединений.

В настоящее время наиболее перспективными считаются высокоскорост­ные методы переработки твердых топлив (пиролиз). Технологические решения этого направления позволяют получать из торфа (на комбинирован­ных энергохимических установках) электроэнергию, газ и химические продукты (фенолы, низкомолекулярные органические кислоты и др.).

Перспективна технология получения из торфа активных углей раз­личного назначения, которые по стоимостным показателям в 2-3 раза дешевле углей, производимых по традиционным технологиям, несколько уступая, одна­ко, в прочностных характеристиках. Активные угли из торфа применяются для очистки сточных вод, очистки газовых выбросов.

Отходы растительного происхождения. Биомасса объединяет все органические вещества растительного и живот­ного происхождения. Биомасса делится на первичную (растения, животные, микроорганизмы и т.д.) и вторичную – отходы при переработке первичной био­массы и продукты жизнедеятельности человека и животных. Отходы также делятся на первичные – отходы при переработке первичной биомассы (солома, ботва, опилки, щепа, спиртовая барда и т.д.) и вторичные – продукты физиоло­гического обмена животных и человека.

Широко распространенными и еще мало утилизируемыми крупнотоннажными отходами являются твердые отходы процессов заготовки, переработки и использования растительного сырья – древесины и большого числа видов сельскохозяйственной продукции. Утилизация таких отходов основана в значительной степени на использовании различных химических, механохимических, термохимических и биохимических превращений содержащихся в них компонентов в ценные вещества и материалы.

Площадь лесного фонда РФ составляет 1181 млн. га (69 % суши страны). На ценные хвойные насаждения приходится 72 % площади, мягколиственными породами занято 16 %, твердолиственными – 2,5 %. Общий запас древесины в лесах страны составляет 80 млрд. м³, в том числе 41,5 млрд. м³ спелых и перестойных. Общий прирост основных лесообразующих пород составляет 820 млн. м³ в год.

Леса государственного значения в России занимают 45 % ее территории (775 млн. га). Здесь сосредоточено почти 81 млрд. м³ древесины. Россий­ские лесные ресурсы без ущерба для экологии позволяют не только обеспечивать текущие и перспективные потребности страны, но и ежегодно расширять экспорт.

В настоящее время в России заготавливается около 500 млн. м³ древесины. При этом на всех стадиях процесса от заготовки до переработки древесного сырья образуется значительное количество отходов. Только на лесозаготовках в отходы уходит более 32 % вырубленного леса. Наибольшая часть древесины расходуется на лесопиление, где и образуется больше всего отходов: только 60-62 % исходного сырья превращается в основную продукцию. Отходами лесопильного производства являются горбыли, рейки, обрезки досок, вырезки дефектных мест, опилки, стружка и кора. Кроме того, безвозвратно при сушке теряется 5-7 % и распыляется 1-2 %. Вследствие этого в себестоимости пиленой продукции затраты на сырье составляют 70-80 % от затрат на ее выработку.

Из всего количества образующихся отходов только 60-65 % используется в качестве вторичного сырья, остальные сбрасываются в отвалы, отрицательно влияя на окружающую среду. Значительное количество отходов древесины образуется при использовании древесины на предприятиях автомобильной промышленности, в транспортном строительстве, станкостроении, торговле, коммунальном хозяйстве, мебельной промышленности и других отраслях экономики.

По количеству отходов деревообрабатывающая промышленность стоит на одном из первых мест: столярные изделия (окна, двери); нестроганные детали для домостроения (балки, стропила); фрезерованные детали (наличники, плинтуса, поручни); упаковочная тара (ящики); паркет. Например, на мебельной фабрике количество отходов от всей использованной древесины составляет 60 %.

Все отходы древесины являются ценным сырьем для производства различной продукции, однако по возможности утилизации они не равноценны. Наибольшую ценность представляют отходы деловой древесины, из которых можно изготовить разнообразную мелкую пилопродукцию. К ним относятся горбыли, рейки, крупные кусковые отходы. Их можно использовать и для производства целлюлозы, древесноволокнистых плит (ДВП), древесностружечных плит (ДСП), цементно-стружечных плит (ЦСП) и химической продукции. Щепа и мелкие кусковые отходы являются исходным химическим сырьем при производстве вискозного волокна (а затем и тканей), технического спирта, кормовых дрожжей, уксуса, целлюлозы, бумаги, картона и многих других продуктов.

Древесина, как правило, измельчается, а затем поступает на переработку по соответствующей технологии. Часть древесных отходов в брикетированном виде применяют как топливо для бытовых и промышленных печей. Необходимо упомянуть об энергетическом использовании отходов древесины в газогенераторных установках, которое основано на газификации древесины и получении из нее химических продуктов и горючего газа с последующим использованием его в качестве топлива. Выход газов составляет 0,45 – 0,7 м³/кг сухих отходов.

Переработка кусковых отходов древесины в технологическую щепу осуществляется в лесопильном производстве. При этом используются только очищенные от коры отходы древесины с последующим применением в целлюлозно-бумажном производстве, гидролизном производстве, в производстве ДВП (древесно-волокнистых плит), ДСП (древесно-стружечных плит). При этом размер щепы составляет до 35-40 мм.

Производство строительных и конструкционных материалов из отходов древесины. К этим материалам относятся ограждающие и отделочные строительные материалы – ДВП, ДСП, ЦСП (цементно-стружечная плита), щитовой паркет. При изготовлении ДВП используют целлюлозные волокна, полученные путем дальнейшего измельчения щепы (мокрый и сухой способ). При сухом способе в целлюлозную массу вводят 4-8 % связующей смолы и парафин, а также антисептики, антипирены и другие добавки, позволяющие придать материалу прочность, водостойкость, грибостойкость, пожаростойкость. Например, для повышения прочности при изгибе плиту пропитывают смесью льняного и таллового масел.

ДСП изготавливают горячим прессованием стружки со связующим – мочевино- или фенол-формальдегидной смолой, отвердителем, антисептиком и гидрофобными добавками. Этот материал широко используется в мебельной промышленности.

При изготовлении ЦСП используют древесную муку, которую связывают с помощью цементирующих или связующих веществ. Так называемый ксилолит производится из смеси, содержащей древесную муку, магнезиальный цемент, асбестовое волокно и др. Этот материал используют для изготовления наружных ограждающих панелей, т.к. ЦСП обладают хорошими тепло- и звукоизоляционными свойствами, водостойки, огнестойки, морозо- и бензостойки.

Древесную муку используют в качестве наполнителя полимерных композиций. Так, из полипропилена, наполненного древесной мукой, изготавливают листовой формующийся облицовочный материал вудсток, широко применяемый в зарубежном и отечественном машиностроении. Листы перед формованием на штампе нагревают до 180-190 С. Из вудстока изготавливают внутренние панели дверей автомобиля, задние стенки спинок сидений, панели багажника и другие детали облицовки. Материал обладает высокой прочностью, теплостойкостью, низким коэффициентом линейного теплового расширения. Он выдерживает без изменения длительное воздействие температур от минус 20 до 140 С и теряет жесткость лишь при 160 С, неогнеопасен, устойчив к действию органических растворителей.

Утилизация древесных опилок. При изготовлении древесно-опилочных плит (ДОП) для полов и отделки стен используются древесные опилки. Последовательность операций следующая: просеивание и сушка опилок; смешение со смолой, антисептиками и антипиренами, красителями; прессование при температуре 160-170 С и давлении 2,0-2,5 МПа в течение 30 секунд на один миллиметр толщины плиты; вылеживание в течение пяти суток для снятия внутренних напряжений и усадки. При варьировании состава изготавливают тырсолит, вибролит, паркелит, термопорит. Используют опилки и для изготовления различных видов бетонов: арболита, опилкобетона, деревобетона, гипсоопилочного бетона, термиза.

Благодаря высокой поглощающей способности и низкой стоимости опилки используются для изготовления подстилок на животноводческих фермах, для временного покрытия полов промышленных предприятий, рынков и складов. Предпочтительно применение для этих целей сухих опилок. Кроме того, опилки используют в качестве мульчирующего материала в садоводствах для предупреждения роста сорных трав. Абразивные свойства опилок делают их полезными для очистки полов производственных и общественных помещений, при окраске, полировке и чистке меховых и ковровых изделий, отделке металлов в качестве чистящего и шлифующего материала, в производстве мыла и карборунда.

Используют опилки и в качестве очень дешевого наполнителя при изготовлении пластмассовых и глиняных изделий, в частности для изготовления пористого кирпича и черепицы. Кроме того, их применяют в качестве заполнителя пустот при упаковке стеклянных и фарфоровых изделий, консервов. Сухие опилки применяют как изолирующий материал в строительстве зданий легкого типа.

Химическая переработка отходов растительного сырья. Является наиболее выгодной технологией получения товарных продуктов в целлюлозно-бумажном (картонном), гидролизном и лесотехническом производствах. В то же время, установлено, что на каждый рубль, затраченный на заготовку древесины, можно получить продукции целлюлозно-бумажной промышленности на 2,5-5 рублей, тогда как в мебельной промышленности всего на 1,7-2 рубля, а в промышленности строительных деталей – только на 1,1- 1,2 рубля.

Целлюлозно-бумажное производство. Для получения бумаги используют целлюлозу различных древесных пород и однолетних растений и древесную массу. Целлюлоза является также ценным сырьем для текстильного производства.

Из растительного сырья целлюлозу выделяют различными способами путем варки под давлением в водных растворах реагентов, которые переводят в раствор или разлагают нецеллюлозные составляющие сырья. Наиболее широко распространен способ варки в щелочной среде (NaOH + Na₂S) при давлении (8-10)10⁵ Па и температуре от 165 до 175 С, в кислой среде Са(НSO₃)₂ + SO₂ при давлении (6-8)10⁵ Па и температуре от 135 до 150 С.

Такие сельскохозяйственные растительные отходы, как пшенично-рисовая солома, стебли тростника и ряда однолетних растений используют, в основном, с целью получения целлюлозы для производства бумаги. Из одного кубометра отходов можно получить до 220 кг бумаги, а в гидролизном производстве до 200 л этилового спирта.

Производство удобрений. Различные отходы древесного и другого растительного сырья можно использовать для производства удобрений многоцелевого назначения. Способы переработки этих отходов базируются на микробиологических принципах с использованием природных бактерий, которые развиваются в благоприятных условиях. Сучья, кора, стружка и опилки увлажняют, формуют в рыхлые кучи и заражают культурой специально выведенных бактерий. Для облагораживания компоста можно добавлять карбамид или минеральные удобрения. Процесс созревания компоста протекает с выделением тепла в течение 7-8 недель.

Применение готового компоста на 20-40 % повышает урожайность овощных культур. Компостируемая в виде муки кора (с размером частиц 1-3 мм) с добавками минеральных питательных солей является благоприятной средой для развития микроорганизмов, что обеспечивает большую скорость компостирования по сравнению с древесными опилками.

Микроорганизмы, содержащиеся в активном иле очистных сооружений, в короткое время перерабатывают кору в удобрение, по ценности почти не уступающее торфу. Перед началом процесса вводят вещества-корректоры (оксид кальция, соединения, содержащие азот, фосфор, калий). Получается порошкообразная масса, которую перед употреблением выдерживают в кучах не менее 48 часов.

Термическая переработка отходов растительного сырья. Одним из основных процессов является пиролиз, т.е. нагревание без доступа воздуха до 450-550 С с образованием ряда газообразных и жидких продуктов, а также твердого углеродного остатка. Процесс пиролиза осуществляется в печах периодического и непрерывного действия различных конструкций (камерных, ретортных, туннельных, шахтных, многополочных, вращающихся, с движущимся слоем и др.) с наружным и внутренним обогревом. При подъеме температуры в печи вначале протекают эндотермические процессы. Удаление влаги происходит до температуры 150 С (сушка), далее при температуре 170-270 С начинается образование газов (СО, СО₂) и небольших количеств метилового спирта и уксусной кислоты. Область температур 270-280 С инициирует начало экзотермических превращений, прогрессирующих с дальнейшим увеличением температуры. При этом уменьшается выход неконденсирующихся газов  оксидов углерода, с одновременным усилением образования метана, этилена и водорода, а также парообразных веществ, в том числе метилового спирта и уксусной кислоты. Выходящие из печи газы охлаждаются, при этом конденсируются ценные компоненты. Заключительным этапом пиролиза является охлаждение древесного угля обычно до температуры  40 С, обеспечивающей исключение возможности его самовозгорания на воздухе. Охлаждение может быть естественным и искусственным. В первом случае уголь обычно выдерживают в специальных камерах (емкостях) в бескислородной атмосфере. Во втором случае раскаленный уголь обрабатывают лишенными кислорода холодными газами. При охлаждении парогазовой смеси, выводимой из печи пиролиза, происходит конденсация целого ряда находящихся в ней органических соединений и влаги. Образующийся дистиллят, в котором может содержаться до 180 различных органических веществ, отстаивают. При этом дистиллят пиролиза древесины лиственных пород образует два слоя: осаждающуюся на дно смолу и водный раствор органических соединений (жижку). Дистиллят, полученный при пиролизе древесины хвойных пород, разделяется на три слоя: нижний – нерастворимые в воде органические соединения в виде смолы; средний слой – жижка; и верхний слой, образуемый скипидаром с растворенными в нем смолистыми веществами. Продукты отстаивания разделяют. При разгонке древесной смолы, содержащей фенолы и их метиловые эфиры, получают ряд фракций, используемых в качестве флотационных масел в процессах обогащения руд, ингибиторов (антиокислителей) для стабилизации крекинг-бензинов и масел, сырья для производства пластмасс, растворителей некоторых фармацевтических препаратов. Кроме того, древесная смола используется для пропитки различных изделий из древесины с целью предупреждения их гниения.

При переработке жижки, содержащей уксусную, муравьиную, пропионовую и другие кислоты, наряду с метиловым спиртом, ацетоном, ацетальдегидом, фурфуролом, метилэтилкетоном и другими органическими соединениями, получается (экстракцией серным эфиром) уксусная кислота.

Получаемый древесный уголь в больших количествах находит применение в медицине, в производстве активных углей, сероуглерода, кремния, высококачественных чугунов, черных порохов и др.

Производство активных углей из углей пиролиза древесных отходов. Активные угли используются в различных отраслях промышленности для очистки разнообразных газовых и жидкофазных технологических потоков, в рекуперационных целях и при решении многих задач защиты окружающей среды от вредных промышленных выбросов и сбросов. Агентами активирования наиболее часто являются водяной пар и диоксид углерода, реже – кислород воздуха при температурах 600-1000 С во вращающихся, шахтных, многополочных и других видах печей. При этом происходят существенные потери массы обрабатываемого материала и развивается его внутренняя пористость.

Использование отходов растительного сырья в качестве топлива. В связи с прогрессирующим исчерпыванием ресурсов нефти и газа и все большими трудностями освоения их новых месторождений в последние годы ведутся интенсивные разработки технологии превращения различных видов биомассы (в том числе отходов сельскохозяйственного производства и древесины) в топливо. Потребление биомассы в ряде стран в качестве топлива заметно увеличивается.

При применении биомассы в качестве топлива всегда требуется измельчение и сушка сырья, так как влажность более 50 % приводит к снижению теплоты сгорания. Например, опилки, стружки, кору подвергают механической обработке на червячном прессе с пресс-формой. Во время прессования отходы нагреваются, и избыток влаги удаляется. Готовая продукция непрерывно выходит из трубчатой пресс-формы. Подсчитано, что при сжигании в топках котлов электростанции около 40 тыс. м³/год отходов древесины можно обеспечить работу электростанции мощностью до 750 кВт.

Отходы древесины и других видов растительного сырья обычно содержат небольшие количества серы, что, в отличие от угля и нефти, гарантирует невысокую (значительно ниже существующих норм) токсичность образующихся отходящих газов. Но последние характеризуются высокой концентрацией твердых частиц, что требует установки соответствующего оборудования (циклонов, фильтров) для их улавливания.

Другие направления использования и переработки отходов растительного сырья. Древесные отходы можно использовать для укрепления кормовой базы в животноводстве. На лесосеках России ежегодно образуется около 12 млн. тонн хвойной лапки, а также ветви лиственных пород, основная масса которых сжигается. Эти отходы могут служить для пополнения рациона животных каротином и витамином «В». Для этого в корм скоту добавляют пропаренные или обработанные кислотами или щелочами лесосечные отходы. В частности, пропариванием под давлением при температуре 150-190 С древесины тополя, клена, березы, вяза, ольхи в течение получаса можно получить корм, не уступающий сену среднего качества. Пропаривание разрушает в древесине комплекс целлюлоза-лигнин. Сырьем в такой технологии может служить и солома.

Из хвои деревьев получают богатую протеином витаминную муку – ценную добавку к грубым кормам в животноводстве (сушка при температуре 350 С в течение 5-12 секунд и размол).

Древесная пыль (мука) используется для дезодорации воздуха (H₂ S, NH₃) в помещении животноводческих ферм.

Перспективным материалом для борьбы с нефтяными загрязнениями является такой многотоннажный отход как древесная кора. В измельченном виде с размером части от 0,2 до 0,5 мм она может впитывать до 180 % нефтепродуктов по отношению к собственной массе при времени контакта 15 минут.

Кроме непосредственного применения из биомассы при использовании различных технологий можно получить и ценные химические и энергетические продукты (табл. 2.1).

Таблица 2.1. Первичные продукты и степень превращения