4.Комплексное использование древесины

1. Основные направления использования и способы переработки древесного сырья.

Древесина служит в народном хозяйстве исходным сырьем для выработки более двадцати тысяч продуктов и изделий. Способы переработки древесного сырья классифицируют на три основные группы: механические, химико-механические и химические. Различна степень превращений древесины в конечный продукт. В одних технологических процессах она сохраняет свои исходные физико-механические свойства, макро- и микроструктуру, в других — используется как источник волокнистого сырья, в третьих — как химическое сырье.

Механическая переработка древесины заключается в изменении ее форм пилением, строганием, фрезерованием, лущением, точением, сверлением, раскалыванием. В результате

механической обработки получают разнообразные товары народного потребления и промышленного назначения, продукцию и сырье для смежных перерабатывающих отраслей промышленности. Механическим истиранием древесины получают волокнистые полуфабрикаты.

При химико-механической переработке получают промежуточный продукт из древесины, однородный по составу и размерам,— специально резаную стружку, дробленку, шпон. Промежуточный продукт, получаемый механическим способом, покрывают синтетическим связующим веществом. Под действием температуры и давления происходит реакция полимеризации связующего, в результате чего промежуточный древесный продукт прочно склеивается. В качестве связующего вещества может быть использован цемент и другие минеральные вяжущие вещества. При химико-механической переработке получают фанеру, столярные, древесностружечные и цементно- стружечные плиты, арболит и фибролит. Химико-механический способ используют при получении волокнистых полуфабрикатов в целлюлозно-бумажной промышленности.

Одно из направлений химико-механической переработки состоит в получении модифицированной древесины. Наиболее простой способ улучшения природных свойств древесины—увеличение ее плотности прессованием, называют термомеханическим модифицированием (ГОСТ 24329—80). Заготовки в виде брусков, досок, стержней или цилиндров уплотняют в пресс-формах под давлением до 70 МПа. Механическое воздействие может сочетаться с нагревом, пропаркой, пропиткой древесины минеральными маслами или смолами. Химико-механическое модифицирование осуществляется предварительно обработкой древесины аммиаком или мочевиной с последующим прессованием. Комбинированное механическое, термическое и химическое воздействие вызывает изменения физических свойств и химического состава древесины, в результате чего повышается ее пластичность и улучшаются условия прессования. Получаемые материалы обладают стабильностью формы и размеров, высокими показателями физико-механических свойств, примерно пропорциональных степени уплотнения. При химическом модифицировании прессования не требуется. Древесину обрабатывают ацетилирую- щими реагентами и затем подвергают длительной термообработке. Совсем иначе происходит увеличение плотности при радиационно-химическом модифицировании. Древесину вначале подвергают пропитке низковязкими мономерами или алигомерами, например стиролом, метилметакрилатом, винил- ацетатом, ненасыщенными смолами или их смесями. Полимеризацию мономера в древесине проводят под воздействием гамма-лучей. Получаемый материал представляет собой древесину, пропитанную пластмассой.

Химическая переработка древесины осуществляется термическим разложением, воздействием на нее растворителей, щелочей, кислот, кислых солей сернистой кислоты. Термическое разложение, или пиролиз древесины, осуществляется нагреванием древесины при высокой температуре без доступа воздуха. При пиролизе получают твердые, жидкие и газообразные продукты. Из них наибольшее практическое значение в народном хозяйстве имеет древесный уголь.

При помощи растворителей из древесины, предварительно измельченной в щепу, извлекают различные экстрактивные вещества. При экстракции водой получают дубители. Клеящие свойства камеди, извлекаемой водой из древесины лиственницы, используются в полиграфической, текстильной и спичечной промышленности. При экстракции бензином пневого осмола, измельченного в щепу, из древесины наиболее экономным способом извлекают канифоль. Этот ценный продукт широко используют для получения высококачественной бумаги, как заменитель жиров в мыловарении, для производства лаков, линолеума, резины, электротехнических и других изделий.

При обработке хвойной древесины слабыми растворами щелочей, без давления, из нее извлекают смолистые вещества и небольшое количество лигнина, гемицеллюлоз. При длительном нагревании древесины под давлением с концентрированными растворами щелочи, взятыми в избытке, происходит ее полное разложение. Продуктами разложения являются газы, смола, уксусная и муравьиная кислоты. Значительное количество этих кислот образуется при окислении древесины кислородом воздуха в слабощелочной среде под давлением [11].

При варке измельченной в щепу древесины с 5—15%-ным водным раствором едкого натра, часто с добавлением сернистого натрия, большая часть лигнина растворяется и получается волокнистая целлюлоза — натронная или сульфатная. Сульфитную целлюлозу получают при обработке древесины раствором кислых солей сернистой кислоты. В присутствии свободного сернистого ангидрида лигнин растворяется под действием давления и высокой температуры. Как и при натронной варке, получается волокнистая масса — целлюлоза. Кислоты оказывают разрушающее гидролизующее действие на древесину, что лежит в основе гидролизного процесса производства глюкозы, ксилита, спирта. Большое значение приобретают кормовые дрожжи, полученные на гидролизных и целлюлозных предприятиях из углеводов, содержащихся в гидролизатах и сульфитных щелочах. Гидролизом лиственной древесины, разбавленной кислотой или водой под давлением, получают фурфурол.

Основными потребителями древесного сырья, поставляемого лесозаготовительной промышленностью, являются лесопильные, целлюлозно-бумажные, плитные и фанерные предприятия. С развитием народного хозяйства структура потребления древесины постоянно изменяется. Ранее значительным было использование круглых необработанных лесоматериалов. Затем преобладающим стало использование древесины в лесопилении, где объемы перерабатываемого сырья теперь стабилизировались. Ныне наиболее интенсивно растет использование измельченного древесного сырья в виде технологической щепы, которая широко используется в производстве целлюлозы, бумаги, картона, древесностружечных и древесноволокнистых плит. Потребление древесины для выработки этих видов продукции возрастает в 2 раза примерно каждые 10 лет и в перспективе достигнет около половины объема всего заготовляемого сырья.

Изменения в структуре потребления древесины вызывают соответствующие изменения в поставке лесоматериалов. Быстрыми темпами нарастает производство щепы, которую справедливо называют «строительным камнем» будущей лесной индустрии. Щепа является основой комплексного использования древесины. Она открывает неограниченные возможности для утилизации практически любого древесного сырья, включая нетранспортабельные отходы и вторичное сырье, например тар- ноупаковочные материалы, скапливающиеся в больших количествах в городах. Процесс производства щепы может осуществляться на любой стадии заготовки и обработки древесины, начиная от измельчения в лесу целых деревьев до переработки отходов.

Успешно развивается производство щепы мобильными руби- тельными машинами. На лесных складах в щепу перерабатывают не находившую сбыта низкокачественную древесину не только хвойных, но и мягколиственных пород. В лесопилении широкое признание получили фрезерно-брусующие станки для одновременного получения бруса и щепы. Значение их особенно велико для тонкомерной (диаметром от 6—8 см) древесины, которая ранее не могла быть использована как пиловочное сырье.

Щепа открывает новые возможности не только в сферах заготовки и переработки древесного сырья, но и его транспорте. Измельченную в щепу древесину можно сплавлять в специальных капсулах, благодаря чему из глубинных лесных районов можно доставлять потребителю всю биомассу дерева любых пород.

Появилась возможность создания промышленных плантаций леса с применением короткого оборота рубок. Преимуществом плантационных насаждений является не только более высокая производительность 1 га леса. Размещение плантаций вблизи перерабатывающих предприятий позволит бесперебойно снабжать их древесным сырьем при меньших затратах на его заготовку и транспорт.

2. Основные понятия и классификация отходов лесозаготовок. Потенциальные, реальные и экономически доступные ресурсы.

В зависимости от производства, при котором образуются древесные отходы, их можно подразделить на два вида: отходы лесозаготовок и отходы деревообработки.

Отходы лесозаготовок — это отделяемые части дерева в процессе лесозаготовительного производства. К ним относятся хвоя, листья, неодревесневшие побеги, ветви, сучья, вершинки, откомлевки, козырьки, фаутные вырезки ствола, кора, отходы производства колотых балансов и т. п.

В своем естественном виде отходы лесозаготовок малотранспортабельны, при энергетическом использовании они предварительно измельчаются в щепу.

Отходы деревообработки — это отходы, образующиеся в деревообрабатывающем производстве. К ним относятся: горбыль, рейки, срезки, короткомер, стружка, опилки, отходы производства технологической щепы, древесная пыль, кора.

По характеру биомассы древесные отходы могут быть подразделены на следующие виды: отходы из элементов кроны; отходы из стволовой древесины; отходы из коры; древесная гниль.

В зависимости от формы и размера частиц древесные отходы обычно подразделяются на следующие группы: кусковые древесные отходы и мягкие древесные отходы.

Кусковые древесные отходы — это откомлевки, козырьки, фаутные вырезки, горбыль, рейка, срезки, короткомеры. К мягким древесным отходам относятся опилки и стружки.

Количество древесных отходов. Количество отходов при производстве конкретного вида товарной продукции из древесины определяется по ее доле, которая осталась не использованной в данном технологическом процессе.

Количество образующихся древесных отходов исчисляется обычно в процентах от объема древесного сырья, использованного при производстве продукции. Оно зависит от вида производимой продукции.

Отходы лесозаготовок. На основании многочисленных исследований, проведенных ЦНИИМЭ, ВНИПИЭИлеспромом, а также различными авторами при составлении массовых таблиц и других таксационных материалов, установлено, что имеется зависимость между количеством вывозимой стволовой древесины и количеством отходов лесозаготовок. В первом приближении эта зависимость принимается линейной.

Отходы лесопиления. В процессе лесопиления получаются различные кусковые отходы, которые в ряде случаев используются для энергетических целей. Кусковые отходы лесопиления образуются из периферийной части бревен и при отсутствии предварительной окорки бревен имеют в своем составе такое количество коры, при котором использование их для варки целлюлозы и производства древесных плит невозможно.

При проведении расчетов топливного баланса объединения или предприятия в зависимости от местных условий количество древесных отходов лесопиления от объема распиливаемого сырья (%) следует принимать в следующих пределах:

• Горбыль 5. . .10

• Стульчаки 2. . .5

• Рейки 10. . .15

• Вырезки 2. . .5

• Опилкн 10. . .15

Отходы шпалопиления. При производстве шпал для железнодорожных линий широкой колеи средний выход продукции и древесных отходов от перерабатываемого сырья (%) составляет:

• Шпалы по ГОСТ 78—65 50

• Необрезные доски 13

• Деловой горбыль 16

• Опилки и срезки 13

• Усушка 8

При проведении практических расчетов эти цифры должны быть уточнены на основании изучения местных условий.

Отходы окорки древесины. Количество коры, находящейся на древесине, зависит главным образом от породы, а также от возраста деревьев, условий их произрастания, диаметра ствола и т. п.

Общее количество коры, получаемой при окорке древесины на предприятиях, с учетом потери коры в процессе лесозаготовок, изменяется в пределах от 10 до 14,5 % объема ликвидной древесины. При транспортировании древесины сплавом часть коры отваливается и фактический выход коры в среднем составляет 8...10 % от объема окоренной древесины.

В практических расчетах количество коры принимается ЦНИИМОДом в размере 10 % от объема окоренной древесины. Такое высокое содержание коры на древесине определяет важность проблем полезного использования отходов окорки древесины, учитывая все возрастающие объемы целлюлозно-бумажного производства, где окорка древесины обязательна.

Потенциальные, реальные и экономически доступные ресурсы.

По объѐму лесные ресурсы подразделяются на потенциальные, реально доступные и экономически доступные. Потенциальные ресурсы включают в себя полный объѐм конкретного вида древесного сырья. Реальные древесные ресурсы отличаются от потенциальных на величину неизбежных технологических потерь ввиду несовершенства существующей техники и технологии лесозаготовок. Много древесины теряется при лесопользовании (заготовка, транспортировка, переработка древесины). Экономически доступным является минимальный объѐм определенного вида реальных ресурсов, заготовка и переработка которого эффективна в конкретных природно-производственных условиях деятельности лесного комплекса. Одновременно, экономически недоступными могут быть древесные ресурсы в спелых и перестойных низкотоварных насаждениях, при отсутствии приемлемых видов первичного лесотранспорта, доступных технологий эффективного производства качественных лесных продуктов для удовлетворения текущего рыночного спроса. Информация о реальных древесных ресурсах на лесных территориях представляется актуальной для органов исполнительной власти, предпринимателей, отечественных и зарубежных инвесторов, принимающих решение о создании новых производственных мощностей лесного комплекса, развитии транспортной и социальной инфраструктуры. В современных условиях стала экономически возможной оценка, как объѐма, так и стоимости ресурсного потенциала лесных территорий при внедрении ГИС-технологий с использованием данных дистанционного зондирования и привязкой топоосновы к лесоустроительной квартальной сети (А.П. Карпик, 2004). Поэтому первостепенной задачей является создание баз данных по всем видам природных ресурсов и функций лесов, необходимых для наполнения геоинформационных моделей конкретным содержанием. Тогда подход с использованием моделей экономической комплексной оценки лесных благ позволит оперативно определять величину потенциала их совокупной стоимости по текущим параметрам состояния для осуществления мониторинга экономического зонирования в границах территорий (Г.А. Прешкин, Р.Н. Ковалѐв, 2007). В рыночных условиях становится необходимым иметь более достоверную информацию об объѐме и стоимости потенциала лесов как части национального богатства Российской Федерации, чтобы предупредить действия, вводящие в заблуждение возможных арендаторов, пользователей и приобретателей. Поэтому необходимы меры защиты государственного имущества - мониторинг лесных богатств не только в части охраны ресурсного потенциала, но и как носителя климатообразующих, средоформирующих и др. функций и эффектов. Владелец лесных участков (территорий) вправе рассчитывать на полную и достоверную информацию о количестве, породном составе, товарности древесных запасов и других лесных благ, которые переходят в его пользование. Эта информация необходима и государству для предъявления санкций владельцу за нарушения требований договора. Словом, назрело время для создания специального технического регламента (СТР), устанавливающего обязательные требования идентификации лесных ресурсов, за обеспечение которых отвечает государство. Стремление к регламентации обязательных требований, закреплѐнных нормативными актами высшего уровня (законами), вытекает из современного мирового опыта. Доказательной базой выполнения требований (СТР) на лесные ресурсы, на методические подходы и методики расчетов и оценок, процессы измерений и других норм, должны стать соответствующие новые или переработанные национальные стандарты, которые сейчас практически отсутствуют или имеют статус рекомендательных. Вывод: необходим СТР на лесные земли и лесные блага, а кадастровая стоимость лесных земель должна аккумулировать стоимости всех видов ресурсов и функций с учетом существующих мировых цен.

3. Методы расчета объемов образовавшихся отходов древесины.

Количество кусковых отходов древесины, образующихся в процессе деревообработки, определяется по формуле:

M_к = Q*r*C/100, т/год

где: Q - количество обрабатываемой древесины, м³/год,

r - плотность древесины, зависимости от вида древесины, т/м³;

С - количество кусковых отходов древесины от расхода сырья, %, принимается в зависимости от вида продукции.

Объем образующихся кусковых отходов древесины определяется по формуле:

V = M_к/r/k, м³/год

где: М_к - количество образующихся кусковых отходов, т/год,

k - коэффициент полнодревесности кусковых отходов (отрезков пиломатериалов), k = 0,57.

Стружки, опилки древесные

Количество стружек и опилок древесных при отсутствии местных отсосов и пылеулавливающего оборудования определяется по формуле:

M_ст,оп = M_ст + M_оп = Q *r * C_ст/100 + Q * r *C_оп/100, т/год

где: М_ст - количество отходов стружки, т/год,

М_оп - количество отходов опилок, т/год,

Q - количество обрабатываемой древесины, м³/год,

r - плотность древесины в зависимости от вида древесины, т/м³;

С_ст - количество отходов стружек от расхода сырья в зависимости от вида продукции, %;

С_оп - количество отходов опилок от расхода сырья в зависимости от вида продукции.

Объём образующихся опилок и стружек определяется по формуле:

V = M_ст/r/k_ст + M_оп/r/k_oп, м³/год

где: k_ст - коэффициент полнодревесности стружек, k = 0,11;

k_oп - коэффициент полнодревесности опилок, k = 0,28.

Количество стружек и опилок древесных при наличии местных отсосов и пылеулавливающего оборудования определяется по формуле:

М_ст,оп = [Q *r *(С_ст + С_оп) *10^-2] *[1 - 0.9 *К_п *10^-2 *(1 - h)], т/год

где: 0.9 - коэффициент эффективности местных отсосов;

К_п - коэффициент содержания пыли в отходах в зависимости от способа механической обработки древесины (пиление, строгание, шлифовка и т.п.), %;

h - коэффициент эффективности пылеулавливающего оборудования, в долях 1.

Исходные данные для расчётов