Варианты переработки низкосортной древесины на углеродные материалы

УДК

DOI:

Аннотация

Лесопокрытая площадь в наиболее обжитых районах Европейско-Уральской части Российской Федерации занята в основном низкосортной лиственной древесиной с преобладанием березы и осины. Пиролиз является традиционным способом переработки низкосортной древесины, получаемый при этом древесный уголь может быть эффективно использован в технологии других углеродных материалов. Разработанная нами структура системы получения углеродных материалов из древесины состоит из четырех подсистем: 1 – заготовка сырья, 2 – первичная обработка древесины, 3 – пиролиз древесины, 4 – переработка древесного угля. При заготовке и первичной обработке древесины энерго- и ресурсосбережение обеспечиваются за счет утилизации древесных отходов, при пиролизе – за счет применения тепла экзотермических реакций. Показано, что в условиях лесопромышленных предприятий отбор избыточного тепла возможен при использовании для производства древесного угля модульных пиролизных ретортных установок и подобных им аппаратов. При переработке древесного угля ресурсосбережение обеспечивается за счет направления его мелких фракций на брикетирование, а энергосбережение – при сжигании газов активации. В процессе получения активных углей наименьшую экологическую опасность представляет активация водяным паром. Окисление активного угля (по соображениям экологической безопасности) предлагается проводить в паровой фазе с использованием горячего влажного воздуха в качестве окислителя. При этом не образуется сточных вод. Анализ вариантов переработки низкосортной древесины показал, что разработанная нами технология получения углеродных материалов позволяет более чем в 3 раза увеличить стоимость продукции, производимой, например, из 1 м³ березовой древесины, повысить экономическую стабильность предприятий лесного комплекса, получить до четырех видов углеродных материалов (древесный уголь, древесно-угольные брикеты, активные и окисленные угли), а также снизить экологическую опасность их производства за счет сжигания парогазовой смеси пиролиза древесины, применения водяного пара (на стадии получения активных углей) и воздуха (на стадии получения окисленного угля).

Сведения об авторах

Ю.Л. Юрьев¹, д-р техн. наук, проф.

И.К. Гиндулин¹, канд. техн. наук, доц.

Н.А. Дроздова², канд. техн. наук, ведущий эколог

¹Уральский государственный лесотехнический университет, Сибирский тракт, д. 37,

г. Екатеринбург, Россия, 620100; e-mail: bluestones@mail.ru, tradeek@mail.ru

²Муниципальное унитарное предприятие жилищно-коммунального хозяйства «Сысертское», ул. Коммуны, д. 48, г. Сысерть, Свердловская область, Россия, 624022;

e-mail: drozdova-na@mail.ru

Ключевые слова

Для цитирования

Юрьев Ю.Л., Гиндулин  И.К., Дроздова Н.А. Варианты переработки низкосортной древесины на углеродные материалы // Лесн. журн. 2017. № 5.
С. 139–149. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.5.139

Литература

Список литературы

1. Богданович Н.И., Короткий В.П., Великанов В.И., Носков Д.К. Переработка низкосортной и мелкотоварной древесины в энтеросорбенты для сельского хозяйства методом совмещенного процесса карбонизации-активации на модульных установках в полевых условиях // Лесн. журн. 2010. № 4. С. 126–131. (Изв. высш. учеб. заведений).

2. Дроздова Н.А., Юрьев Ю.Л. Активация березового и осинового угля // Вестн. Казан. технол. ун-та. 2012. Т. 15, № 13. С. 147–148.

3. Дроздова Н.А., Юрьев Ю.Л. Изучение сорбционных свойств активного угля в статических условиях // Вестн. Казан. технол. ун-та. 2013. Т. 16, № 19. С. 83–84.

4. Мухин В.М., Тарасов А.В., Клушин В.Н. Активные угли России. М.: Металлургия, 2000. 352 с.

5. Пат. 1790209 Рос. Федерация. МПК⁶ C 10 B 1/04, C 10 B 53/02. Установка для производства древесного угля / Богданович Н.И., Ипатов В.В. Заявл. 21.09.1990;  опубл. 27.11.95, Бюл. №11. 3 с.

6. Пат. 2027735 Рос. Федерация. МПК⁶ C 10 B 1/04, C 10 B 15/02, C10B 57/02. Установка для производства древесного угля / Богданович Н.И., Гольверк С.В. Заявл. 27.10.92; опубл. 27.01.95, Бюл. № 2. 3 с.

7. Пат. 2051097 Рос. Федерация. МПК⁶ C 01 B 31/10, C 23 C 8/00. Способ активации карбонизованных материалов / Панюта С.А., Юрьев Ю.Л., Стахровская Т.Е., Шишко И.И. Заявл. 25.11.92; опубл. 27.12.95, Бюл. № 12. 3 с.

8. Пат. 118960 Рос. Федерация. МПК⁹ С 10 В 53. Установка для производства древесного угля и шихты / Пономарев О.С., Юрьев Ю.Л. Заявл. 21.02.2012; опубл. 10.08.2012, Бюл. № 22. 2 с.

9. Пат. 71655 Рос. Федерация. МПК⁸ С 10 В 1/14. Устройство для получения окисленного древесного угля / Юрьев Ю.Л., Гиндулин И.К. Заявл. 12.11.07; опубл. 20.03.08, Бюл. № 8. 3 с.

10. Саврасова Ю.А., Богданович Н.И., Макаревич Н.А., Белецкая М.Г. Углеродные адсорбенты на основе лигноцеллюлозных материалов // Лесн. журн. 2012. № 1.
С. 107–112. (Изв. высш. учеб. заведений).

11. Юрьев Ю.Л. Технология лесохимических производств. Ч. 1. Пиролиз древесины: учеб. пособие. Екатеринбург: Полиграфист, 1997. 99 с.

12. Юрьев Ю.Л., Солдатов А.В. Термохимическая переработка древесины в условиях лесопромышленного предприятия // Лесн. журн. 2005. № 3. С. 113–118. (Изв. высш. учеб. заведений).

13. Юрьев Ю.Л., Терентьев В.Б., Самойленко С.А. Проблемы переработки неликвидной лиственной древесины // Леса России и хозяйство в них. 2013. № 1(44).
С. 111–112.

14. Kammen D.M., Lew D.J. Review of Technologies for the Production and Use of Charcoal. Available at: www.hedon.info/docs/Kammen-Lew-Charcoal-2005. pdf

15. Lussier M.G., Shull J.C., Miller D.J. Activated Carbon from Cherry Stones // Carbon. 1994. Vol. 32, no. 8. Рp. 1493‒1498. Available at: http://www.sciencedirect.com /science/journal/00086223/32

16. Patent EP, no. 0216229 A2. Process for the Manufacture of Active Carbon / Wienhaus O., Klose E., Born M., Hennig F., Blossfeld O., Seidel H., Riedel D., Fischer F., Zimmer J., Heidrich M., Lötzsch P. 1989.

17. Patent US, no. 20080142354 A1. Carbonizing Apparatus, Carbonizing System and Carbonizing Method / Yokoyama K., Fujiwara M., Ueda S., Arai Y., Kudo T., Miyahara S. 2008.

18. Patent US, no. 8202400 B2. Manufacture of Charcoal / Elliott A.M. 2012.

19. Patent US, no. 20110008317. Charcoals / de Leij F.A., Hutchings T.R.,
Wingate J.R. 2011.

20. Rodriguez-Reinoso F., Linares-Solano A., Molina-Sabio M., Lopez-Conzalez J. de D. The Two-Stage Air-CO₂ Activation in the Preparation of Activated Carbons.
I: Characterization by Gas Adsorption // Adsorption Science and Technology. 1984. Vol. 1, no. 3. Pp. 211‒222.

21. Stassen H.E. Developments in Charcoal Production Technology. Available at: www.fao.org/docrep/005/y4450e/y4450e11.htm

22. Wienhaus О., Blossfeld О., Born M., Zimmer J. Neue Erkenntnisse bei der Erzeugung von Holz- und Aktivkohlen aus Kieferschlagabraum // Zellst. und Pap. 1985. Vol. 34, no. 1. Pp. 32‒36. 

Поступила 23.03.17

Ссылка на английскую версию:

UDC 674.8:66.04

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.5.139

Options of Low-Grade Wood Processing into Carbon-Base Materials

Yu.L. Yur'ev¹, Doctor of Engineering Sciences, Professor

I.K. Gindulin¹, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor

N.A. Drozdova², Candidate of Engineering Sciences, Principal Environmental Specialist

¹Ural State Forest Engineering University, Sibirskiy trakt, 37, Yekaterinburg, 620100, Russian Federation; e-mail: bluestones@mail.ru, tradeek@mail.ru

²Municipal Unitary Enterprise of Housing and Communal Services “Sysertskoe”,
ul. Kommuny, 48, Sysert, Sverdlovsk region, 624022, Russian Federation;

e-mail: drozdova-na@mail.ru

The forested area in the most inhabited lands of the European Ural part of the Russian Federation is occupied mainly by low-grade hardwood with a predominance of birch and aspen. Pyrolysis is a traditional method for low-grade wood processing; the produced charcoal can be effectively used in the technology of other carbon materials. The structure of the developed system for the production of carbon materials from wood consists of 4 subsystems: 1 ‒ raw material procurement, 2 ‒ primary wood processing, 3 ‒ wood pyrolysis, 4 ‒ charcoal processing. When harvesting and primary processing of wood, energy and resource saving is ensured through the wood waste utilization; during pyrolysis ‒ by using heat exothermic reactions. In the timber industry enterprises, the excess heat abstraction is possible when using modular pyrolysis retort units and similar apparatuses for the production of charcoal. When processing charcoal, resource saving is provided by briquetting of its small fractions, and energy saving ‒ by activation gases burning. Water steam activation poses the least environmental hazard in the producing process of active carbons. We propose to conduct oxidation of activated charcoal (for reasons of environmental safety) in the vapor phase using hot moist air as an oxidizing agent. At the same time, no wastewater is formed. The analysis of options of low-grade wood processing has shown that the developed technology of carbon materials allows us to increase the cost of products, for example, from 1 m³ of birch wood more than 3 times, and to increase the economic stability of forestry enterprises. At the same time, we can obtain up to 4 types of carbon materials (charcoal, wood-coal briquettes, activated and oxidized coals), and reduce the environmental hazard of their production by burning a steam-gas mixture of wood pyrolysis, by the use of water vapor (at the stage of activated charcoals producing) and air (at the stage of obtaining of oxidized coal).

Keywords: low-grade wood processing, pyrolysis, charcoal, activated charcoal, energy saving.

REFERENCES 

1. Bogdanovich N.I., Korotkiy V.P., Velikanov V.I., Noskov D.K. Pererabotka nizkosortnoy i melkotovarnoy drevesiny v enterosorbenty dlya sel'skogo khozyaystva metodom sovmeshchennogo protsessa karbonizatsii-aktivatsii na modul'nykh ustanovkakh v polevykh usloviyakh [Processing of Low-grade and Small Merchantable Wood into Enterosorbents for Agriculture by Method of Concurrent Process of Carbonation-activation on Modular Installations in Field Conditions]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2010,
no. 4, pp. 126‒131.

2. Drozdova N.A., Yur'ev Yu.L. Aktivatsiya berezovogo i osinovogo uglya [Activation of Birch and Aspen Charcoal]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Herald of Kazan Technological University], 2012, vol. 15, no. 13,
pp. 147‒148.

3. Drozdova N.A., Yur'ev Yu.L. Izuchenie sorbtsionnykh svoystv aktivnogo uglya v staticheskikh usloviyakh [Study of Sorption Properties of Activated Charcoal under Static Conditions]. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta [Herald of Kazan Technological University], 2013, vol. 16, no. 19, pp. 83‒84.

4. Mukhin V.M., Tarasov A.V., Klushin V.N. Aktivnye ugli Rossii [Activated Charcoal of Russia]. Moscow, Metallurgiya Publ., 2000. 352 p. (In Russ.)

5. Bogdanovich N.I., Ipatov V.V. Ustanovka dlya proizvodstva drevesnogo uglya [Installation for the Charcoal Production]. Patent RF, no. 1790209, 1990.

6. Bogdanovich N.I., Gol'verk S.V. Ustanovka dlya proizvodstva drevesnogo uglya [Installation for the Charcoal Production]. Patent RF, no. 2027735, 1992.

7. Panyuta S.A., Yur'ev Yu.L., Stakhrovskaya T.E., Shishko I.I. Sposob aktivatsii karbonizovannykh materialov [The Method of Carbonized Materials Activation]. Patent RF, no. 2051097, 1992.

8. Ponomarev O.S., Yur'ev Yu.L. Ustanovka dlya proizvodstva drevesnogo uglya i shikhty [Installation for the Charcoal and Charge Production]. Patent RF, no. 118960, 2012.

9. Yur'ev Yu.L., Gindulin I.K. Ustroystvo dlya polucheniya okislennogo drevesnogo uglya [Device for Oxidized Charcoal Producing]. Patent RF, no. 71655, 2007.

10. Savrasova Yu.A., Bogdanovich N.I., Makarevich N.A., Beletskaya M.G. Uglerodnye adsorbenty na osnove lignotsellyuloznykh materialov [Carbon Adsorbents Based on Lignocellulosic Materials]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2012, no. 1,
pp. 107‒112.

11. Yur'ev Yu.L. Tekhnologiya lesokhimicheskikh proizvodstv. Ch. 1. Piroliz drevesiny [Technology of Wood Chemical Production. Part 1. Wood Pyrolysis]. Yekaterinburg, Poligrafist Publ., 1997. 99 p. (In Russ.)

12. Yur'ev Yu.L., Soldatov A.V. Termokhimicheskaya pererabotka drevesiny v usloviyakh lesopromyshlennogo predpriyatiya [Thermochemical Woodworking in Forest-industrial Enterprise]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2005, no. 3, pp. 113‒118.

13. Yur'ev Yu.L., Terent'ev V.B., Samoylenko S.A. Problemy pererabotki nelikvidnoy listvennoy drevesiny [The Problem of Illiquid Hardwood Processing]. Lesa Rossii i khozyaystvo v nikh, 2013, no. 1(44), pp. 111–112.

14. Kammen D.M., Lew D.J. Review of Technologies for the Production and Use of Charcoal. Available at: www.hedon.info/docs/Kammen-Lew-Charcoal-2005.pdf.

15. Lussier M.G., Shull J.C., Miller D.J. Activated Carbon from Cherry Stones. Carbon, 1994, vol. 32, no. 8, pp. 1493‒1498. Available at: http://www.sciencedirect.com /science/journal/00086223/32.

16. Wienhaus O., Klose E., Born M., Hennig F., Blossfeld O., Seidel H., Riedel D., Fischer F., Zimmer J., Heidrich M., Lötzsch P. Process for the Manufacture of Active Carbon. Patent EP 0216229 A2, 1989.

17. Yokoyama K., Fujiwara M., Ueda S., Arai Y., Kudo T., Miyahara S. Carbonizing Apparatus, Carbonizing System and Carbonizing Method. Patent US, no. 20080142354 A1, 2008.

18. Elliott A.M. Manufacture of Charcoal. Patent US 8202400 B2, 2012.

19. de Leij F.A., Hutchings T.R., Wingate J.R. Charcoals. Patent US 20110008317, 2011.

20. Rodriguez-Reinoso F., Linares-Solano A., Molina-Sabio M., Lopez-Conzalez J. de D. The Two-Stage Air-CO₂ Activation in the Preparation of Activated Carbons.
I: Characterization by Gas Adsorption. Adsorption Science and Technology, 1984, vol. 1,
no. 3, pp. 211‒222.

21. H.E. Stassen. Developments in Charcoal Production Technology. Available at: www.fao.org/docrep/005/y4450e/y4450e11.htm.

22. Wienhaus О., Blossfeld О., Born M., Zimmer J. Neue Erkenntnisse bei der Erzeugung von Holz- und Aktivkohlen aus Kieferschlagabraum. Zellst. und Pap., 1985,
vol. 34, no. 1, pp. 32‒36. 

Received on March 23, 2017

For citation: Yur'ev Yu.L., Gindulin I.K., Drozdova N.A. Options of Low-Grade Wood Processing into Carbon-Base Materials. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2017, no. 5,
pp. 139–149. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.5.139