Меню

Материал подготовлен Содиковым Исмоилом, инженером инновационно-технологического центра "Современные технологии переработки биоресурсов Севера".  

Если вы нашли неточности в переводе, свяжитесь, пожалуйста, с Исмоилом. Вы можете написать Исмоилу, какие темы в области ЦБП вам интересны, и мы о них напишем. С Исмоилом можно связаться по телеграмму. 

Если у вас есть интересные материалы и наработки, которыми вы хотели бы поделиться с коллегами, мы с радостью их опубликуем. Также мы ищем редакторов направлений Целлюлоза, Лайнеры, Другие картоны (специальные виды картонов). Если бы вы хотели писать и редактировать статьи на технические темы, свяжитесь с Ириной Летягиной. 

 

Исследование ключевой роли содержания влаги в процессах удаления коры, измельчения и крафт-варки, проливающее свет на стратегии повышения эффективности производства.

Рисунок 1. Основные эффекты содержания влаги (%)

Заготовка и закупка бревен для производства целлюлозы осуществляется по весу в пересчете на тонну с учетом влажности. Влажность древесины существенно влияет на цену целлюлозы из-за ее влияния на массу древесного сырья.

Кроме того, содержание влаги в древесной щепе влияет не только на коммерческие аспекты, но и на такие процессы, как удаление коры, измельчение (например, распределение размеров щепы) и крафт-варка (например, пропитка, свежая с сухой щепой, заряд щелочи, остаточный эффективный щелок), среди прочих. См. Рисунок 1.

Процессы крафт-варки зависят не только от использования новейших технологий или модернизированных варочных котлов, но и от качества основного сырья — древесины. При оценке качества древесины влажность и распределение размеров щепы оказываются наиболее значимыми параметрами. Однако распределение размеров щепы остается самым важным параметром, когда речь идет о качестве древесных щеп.

В данной статье мы рассмотрим наиболее критичные эффекты содержания влаги, влияющие на переработку древесины и процессы варки, включая удаление коры, измельчение, пропитку, варку, заряд щелочи и остаточный эффективный щелок. Кроме того, мы изучим движение воды внутри древесины и транспорт химических реагентов во время процесса крафт-варки.

Удаление коры

Удаление коры зависит от оборудования, формы бревна и прочности сцепления в зоне "кора-дерево". Также важны свойства камбиального слоя (например, содержание пектина).

Прочность сцепления "кора-дерево" определяется несколькими факторами: влажностью, напряжением волокон, породой древесины, температурой и направлением приложенной силы. Возможно, что прочность сцепления "кора-дерево" зависит от содержания воды в клеточных компонентах растения (Chahal, 2019).

Удаление коры с древесины важно для получения целлюлозы высокого качества, и оно зависит от силы сцепления коры с древесиной. Доказано, что влажность в камбиальном слое влияет на прочность сцепления "кора-дерево". Исследования FPInnovations показали, что эта прочность возрастает с увеличением влажности бревна с 20% до 40% (FPInnovations, 2022).

Удаление коры сложнее для замороженных и сухих бревен, так как незамороженные бревна легче очищаются и требуют меньше энергии. В таких условиях возможно как избыточное, так и недостаточное удаление коры (Pulkki, 1991).

Деревья с большим количеством ветвей очищаются хуже, а содержание коры в щепе, поступающей в варочный котел, выше. Оптимальное содержание коры в древесной щепе должно быть ниже 1%, так как более высокие уровни требуют дополнительного расхода химикатов и могут повлиять на выход конечных продуктов.

Измельчение и распределение размеров щепы

В некоторых странах распределение размеров древесной щепы является основой для расчета оплаты лесопильных заводов. Этот параметр особенно важен в крафт-процессе не только из-за влияния на целлюлозное производство и варочный процесс, но и из-за последствий для последующей обработки вареной массы (Quinde, 2020).

Van der Merwe и др. (2016) изучали влияние двух периодов сушки (1 и 2 недели) и размеров бревен на размеры щепы. Было установлено, что продолжительность сушки и размер бревен значительно влияют на распределение древесных щеп (приемлемые, пересушенные, крупные щепы и мелкие частицы).

Воздушно-сухие бревна производят щепу с меньшим количеством пересушенных частиц по сравнению с дровяной древесиной. Кроме того, доля чрезмерно крупных щеп увеличивается при уменьшении размера бревен. В целом, уменьшение размера бревен увеличивает количество нежелательных фракций в щепе. Также отмечено, что влияние влажности древесины на производство щепы изучено недостаточно.

Движение воды в деревьях

Большая часть воды поглощается корнями, проходит через ствол и ветви в листья, а затем испаряется в атмосферу через процесс транспирации. Только менее 5% воды остается для роста растений.

Растения зависят от фотосинтеза, который использует солнечный свет для преобразования воды и углекислого газа (CO₂) в сахара. Однако при этом молекула CO₂ поглощается на каждую 400 молекул воды, теряемых в процессе. Следовательно, необходим баланс между транспирацией и фотосинтезом, чтобы обеспечить выживание растений — они должны синтезировать сахара, но при этом избегать обезвоживания (McElrone, 2013).

Вода перемещается от почвы к вершинам деревьев (например, в секвойях это около 90–100 метров) благодаря механизму когезионного натяжения. Когезия между молекулами воды обусловлена водородными связями, а натяжение создается за счет испарения воды во время транспирации растений. Когда вода испаряется, она «тянет» за собой следующие молекулы воды, чтобы восполнить потерю жидкости в ходе испарения (McElrone, 2013). Когезионныесилы, обусловленные водородными связями, показаны на Рисунке 2.

Рисунок 2. Силы сцепления за счет водородных связей

Морфология волокон

Морфология волокон играет важную роль в понимании того, как вода, консерванты и варочные химикаты проникают и распространяются в древесине (Josza, 1983).

Перемещение воды от корней к верхним частям дерева (листьям и ветвям) осуществляется через сосуды (у лиственных пород) или трахеиды (у хвойных пород). Трахеиды соединяются друг с другом через небольшие полости, называемые окаймленными порами (bordered pits), которые функционируют как предохранительные клапаны: они позволяют воде проходить, но ограничивают распространение пузырьков воздуха или других нежелательных веществ (McElrone, 2013).

Окаймленные поры содержат тонкую мембрану (pit membrane), состоящую из торуса и марго, расположенную в центре порового отверстия (Choat et al., 2008; Jansen and McAdam, 2019). Из-за разницы давления поровая мембрана может изгибаться (аспирироваться) до такой степени, что полностью закрывает отверстие поры (Choat et al., 2008).

Согласно Xia et al. (2023), аспирация в окаймленных порах зависит от структурных и материаловедческих характеристик торуса и марго (см. Рисунок 3).

Рисунок 3. Поток воды в хвойных деревьях через трахеиды и окаймленные поры

Окаймлённые поры присутствуют как в лиственных, так и в хвойных породах древесины (Choat et al., 2008; McElrone et al., 2013). Согласно Brännvall (2017), они распределены попарно, так что одна пора в одном трахеиде соединена с поровым отверстием в соседнем трахеиде.

Проблемы с водным потоком в растущих деревьях

Вода легко перемещается по всем проводящим элементам древесины (сосудам, трахеидам), когда они остаются чистыми. Однако транспорт воды может нарушаться из-за различных факторов, таких как патогенные организмы и их метаболиты, смолы, тиллозы, газовые пузырьки и аспирированные окаймлённые поры, а также другие причины (McElrone et al., 2013). Эти же факторы могут препятствовать проникновению химикатов при варке древесины, особенно в центральные части щепы. Особое внимание следует уделить влиянию аспирированных окаймлённых пор. См. рисунок 4.

Рисунок 4: Поток воды через неаспирированные и аспирированные окаймлённые поры

Импрегнация древесных щеп

Импрегнация — это процесс, который включает в себя сочетание проникновения и диффузии варочных химикатов в древесные щепы. Проникновение определяется градиентом давления внутри варочного аппарата, тогда как диффузия зависит от градиента концентрации активных химических веществ. Высокая влажность щеп может отрицательно сказаться на процессе импрегнации. Если в щепах содержится слишком много жидкости, то отсутствует пространство для проникновения варочного раствора, и вся импрегнация происходит только за счёт диффузии (Corriveau, 1982; Brännvall, 2017).

Древесные щепы должны быть достаточно пропитаны варочными растворами ещё до начала реакций делигнификации при высоких температурах, чтобы избежать неравномерного удаления лигнина из центральных частей щеп. Недостаточно делигнифицированные сердцевины щеп называют "шивами" или "отбросами" (Brännvall, 2017).

Согласно Brännvall и Kulander (2019), использование высокой концентрации активной щёлочи (EA) при импрегнации снижает риск истощения щелочи на этом этапе.

Заболонь против ядровой древесины. Целые брёвна против щеп из лесопильных отходов

Щепа, полученная из отходов лесопиления, формируется из наружных частей брёвен, известных как заболонь. Заболонь характеризуется более высоким содержанием влаги, большим количеством живых клеток, меньшей плотностью, более низким содержанием лигнина, меньшей кислотностью и меньшим количеством экстрактивных веществ по сравнению с ядровой древесиной. Ядровая древесина темнее заболони из-за накопления органических соединений. Волокна заболони легче подвергаются варке, чем волокна ядра.

Проникновение варочного раствора в ядровую древесину затруднено из-за большого количества аспирированных пор (Siau, 1971).

При использовании целых брёвен древесные щепы содержат как заболонь, так и ядро. Физические и химические свойства древесины постепенно изменяются от периферии к центру ствола (сердцевине), и наиболее выраженные различия наблюдаются между наружными и внутренними годичными кольцами. Следовательно, при варке целых брёвен необходимо учитывать широкий диапазон плотности древесины, pH, содержания лигнина, влажности и других характеристик (Quinde, 2020). См. рисунок 5.

Рисунок 5. Поперечное сечение ствола дерева и градиенты его свойств

Варка зелёной (свежей) древесины против сухих древесных щеп

Химические процессы варки древесины (например, крафт-процесс) зависят от способности варочного раствора проникать через древесные структуры. Помимо таких факторов, как плотность, содержание лигнина и влажность, следует учитывать анатомические особенности древесины, в частности, наличие окаймлённых пор.

Аспирация окаймлённых пор обычно происходит при преобразовании заболони в ядровую древесину или при высыхании древесины. Аспирированные окаймлённые поры препятствуют не только проникновению воздуха и ксилемного сока в соседние трахеиды, но и затрудняют проникновение варочного раствора в процессе крафт-варки (Petty, 1972; Josza, 1983; Jansen & McAdam, 2019).

Прохождение варочного раствора легче в зелёной (свежей) древесине, чем в высушенной древесине. Зелёные древесные щепы легче подвергаются варке.

Некоторые целлюлозно-бумажные комбинаты получают свежие древесные щепы в течение недели, складируют их и используют в течение короткого периода. Однако в выходные дни они перерабатывают более старые (высохшие) древесные щепы. Операторы варочных аппаратов на выходных добавляют на 1,0-1,5% больше щелочи по сравнению с буднями, так как они знают, что сухие древесные щепы сложнее подвергаются варке.

Влияние эффективного заряда щёлочи (EAW) и остаточной эффективной щёлочи (REA)

Большинство заводов получают древесные щепы от разных поставщиков, что приводит к значительному разбросу по влажности древесины. Если заводы используют щепы без онлайн-измерения их влажности, невозможно точно определить требуемый эффективный заряд щёлочи (EAW) на абсолютно сухую древесину или соответствующую остаточную эффективную щёлочь (REA).

Неправильные щелочные заряды в непрерывном варочном аппарате приводят к широкому диапазону значений числа Каппа (разброс 20–25 единиц). В результате возникает высокая изменчивость числа Каппа из-за неточных расчетов EAW, даже если другие параметры процесса (например, распределение размеров щеп, сульфидность, H-фактор и т. д.) находятся под контролем (Quinde, 2019).

Онлайн-контроль остаточной эффективной щёлочи в нескольких точках варочного аппарата (например, в нижнем циркуляционном потоке, в выдувной линии и т. д.) помогает исправить неточные расчёты EAW, обеспечивая более стабильную работу варочного аппарата и уменьшая изменчивость числа Каппа. Это снижает риск как переварки, так и недоварки.

Правильный мониторинг концентрации и расхода белого щёлока, наряду с учётом влажности древесных щеп, позволяет точно определять эффективный заряд щёлочи (EAW) на абсолютно сухую древесину и поддерживать стабильный уровень остаточной эффективной щёлочи (REA). См. Рисунок 6.

Рисунок 6. Влияние содержания влаги на эффективную обработку древесины щелочью (EAW%)

Согласно Chircoski et al. (2013), колебания влажности древесных щеп и их насыпной плотности можно уменьшить с помощью системы управления щепой (Chip Management System, CMS), которая включает анализатор влажности щеп (Chip Moisture Analyzer, CMA), систему взвешивания щеп (Chip Weighing System, CWS), систему объемного измерения щеп (Chip Volumetric Measurement, CVM) и систему сортировки щеп по размерам (Chip Sizing System, CSS).

Идеальная система управления и мониторинга непрерывного варочного аппарата должна включать вышеупомянутую систему CMS, онлайн-мониторинг качества и концентрации белого щёлока, а также онлайн-мониторинг остаточной эффективной щёлочи (REA) в различных зонах варочного аппарата.