Главная
страница 1


MicrowavesforChemicalPulping

микроволны для химического производствацеллюлозы

Применение инновационной технологии обработки древесины с использованием микроволн в целлюлозной промышленности

Обоснование процесса



Peter Vinden

Grigory Torgovnikov

           Microwave wood processing                                                                      



прямая соединительная линия 37

The  University  of  Melbourne

Department  of  Forest and Ecosystem Science

1 Water  St ., Creswick , Victoria  3363, Australia

Tel:   +61 (3)  53 214  119 ;   Fax : +61 (3)  53 214 166

Mob:  + 61 4 189 184 50

E-mail:  grigori@unimelb.edu.au

 

Кресвик, Австралия,2012г.


Оглавление


Краткая аннотация .............................................................................................2

Технология ..........................................................................................................3

Потенциальные преимущества .........................................................................5

Стоимость .......................................................................................................... 7

Дальнейшие шаги .............................................................................................. 8

Надежность технологии.....................................................................................8

Возможности применения .................................................................................8

Заключение.......................................................................................................... 9

Ссылки..................................................................................................................10

группа 34КРАТКАЯ АННОТАЦИЯ




В основе метода лежит обработка древесины микроволнами, применимая для материала в форме щепы, отдельных кусков или бревен на существующих предприятиях по производству целлюлозы.


Радикальные улучшения в целлюлозном производстве:

  • Значительное сокращение расхода химических веществ

  • Повышение производительности

  • Значительное сокращение расходуемой энергии

• Увеличение выхода и повышение качества целлюлозы

  • Уменьшение ущерба для окружающей среды



Потенциальные возможности

Преимущества

Экономия химических веществ (увеличение скорости химическихреакций)

  • сокращение расхода химических веществ на 25-45%, уменьшение нагрузки на оборудование процесса восстановленияхимикатов

Повышение производительности варки

  • повышение производительности на 20-34% для заводов с ограниченной производительностью варочного котла

Экономия энергии

  1. Снижение H-фактора

2. Сокращение переработки химикатов






  • сокращение энергии для производства целлюлозы на 35-50%

  • экономия энергии до 33%




Экономия материалов

  • сокращение потерьсырьяс 3.8 до 0.3%

  • увеличение выхода целлюлозы на 2.7%

Возможность использования щепы более крупного размера

  • уменьшение потерь древесины в связи с использованием крупной щепы

  • повышение прочности целлюлозы на 2% благодаря меньшему объему повреждённых волокон

Аспекты защиты окружающей среды

  • повышенная защита окружающей среды благодаря сокращению использования топлива и химикатов

группа 32ТЕХНОЛОГИЯ



Микроволновая модификация древесины


  • Технология была разработана и запатентована проф. П.Винденом и проф.Г.Торговниковым(Университет Мельбурна).
  • Результаты исследований показывают, что микроволны могут использоваться для изменения микроструктуры древесины для повышения проницаемости материала

  • Воздействие микроволн создает микро- и макропоры в древесине без нарушения прочности волокон, увеличивая проницаемость древесины в нескольких тысяч раз в сравнении с натуральными свойствами древесины, позволяя жидкости быстро проникать в древесину (как показано ниже).

Интенсивное воздействие микроволн на влажную древесину создаётвысокое давления пара в клетках древесины. Под действием высокого внутреннего давления мембраны пор клеток, мембраны сосудов и слабые лучевые клетки разрываются, образуя проходы для распространения жидкостей и газов. Повышение проницаемости древесины в несколько тысяч раз в радиальном и продольном направлении может быть обеспечено для пород, которые до обработки были непроницаемыми для жидкостей и газов. Изменение структуры древесины после обработки микроволнами, воздействие волн на свойства древесины, параметры процесса для различной степени модификации древесины описаны Торговниковым и Винденом(2009г.).


Изменение структуры древесины после воздействия микроволн

Рис. 1. Разрушенныепоры(сосна) Рис. 2. Разрушенные зоны

срединных пластинок (ель)

Рис. 3. Структура древесины (MountainAsh) после интенсивной обработкимикроволнами.



Рис. 4. Образец эвкалипта после интенсивной обработки микроволнами. Слева – необработанная древесина, справа – древесина после интенсивной обработки микроволнами -Торгвин.



Информация касательноработ для целлюлозной промышленности
Исследования в данной области осуществлялись двумя основными исследовательскими организациями:

1. Университет Мельбурна

2. Окриджская национальная лаборатория (ORNL), совместно с отделом промышленных технологий, эффективного использования энергии и возобновляемых источников энергии, Министерство энергетики США
Технология, запатентованная Университетом Мельбурна, может применяться в целлюлозной промышленности таким же образом, как и в лесной промышленности
Лабораторией ORNL были выполнены исследования преимуществ применения технологии для химической варки целлюлозной
В Университете Мельбурна имеется специальное микроволновое оборудование и продолжается совершенствование технологи для промышленного внедрения

Применение технологии





  • Предполагается, что микроволновое оборудование будет включаться в существующие технологические линии предприятий по производству целлюлозы

  • Это потребует минимального изменения существующих процессов и небольших площадей для установки микроволнового оборудования

  • Данная технология может использоваться на любом предприятии по производству целлюлозы

  • Микроволновое технологическое оборудование для модификации древесины было разработано и испытано в Университете Мельбурна



Предлагаемая схема технологического процесса


Измельчение

Обработка щепы микроволнами

Обработка паром

Варка и промывка






стрелка вправо 28стрелка вправо 27стрелка вправо 25стрелка вправо 24

Каждая установка для обработки древесины микроволнами включает 4 подсистемы:

1) Подсистема микроволнового оборудования предназначена для эффективной обработки материала микроволнами и включает генераторы и специальные аппликаторы для обработки древесины(микроволновый аппликатор – устройство, обеспечивающее воздействиемикроволн на материал).

2) Подсистема подачи материала предусматривает механизмы для перемещения материала через аппликатор с регулируемой скоростью.

3) Аэродинамическая подсистема предназначена для удаления паров, воды и частиц древесины из аппликатора, и для предотвращения конденсациипара на внутренних поверхностях аппликатора.

4) Операционная и контролирующая подсистема обеспечивает генерирование команд для других подсистем для эффективного контроля процесса обработки древесины.


группа 22ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА



Более низкий расход химических веществ
Расход химических веществ для процесса производства целлюлозы уменьшается на 25-45% благодаря эффективности использования химикатов для варки
Соответственно, уменьшается необходимость переработки химических веществ, что обеспечивает уменьшение затрат энергии и увеличивает производительность процесса восстановленияхимикатов
Также уменьшается требуемый объем вспомогательных химикатов
Общее сокращение объема химических веществ обеспечивает сокращение объема отходов, что представляет преимущества для защиты окружающей среды
Повышение производительности


  • Повышение проницаемости древесины обеспечивает более быстрый контакт между химическим веществом и структурой древесины, повышая эффективность реакции




  • Увеличение скорости варки означает уменьшение времени обработки вварочном котле, что позволяет увеличить производство целлюлозы без изменения характеристик оборудования и целлюлозы




  • повышение производительности на 20-34% для установок с ограниченной производительностью варочного котла


Уменьшение расхода энергии


  • В результате повышения эффективности реакции варки для древесины, обработанной микроволнами, происходит уменьшение требуемого расхода энергии




  • Для отбеливаемой целлюлозы обеспечивается уменьшение расхода энергии на 32-50% (определяется как H-фактор)



  • Снижение необходимости переработки химических веществ обеспечивает экономию энергии до 33%. Экономия энергии в условиях США составляет 2.06 ГДж на тонну сухой целлюлозы.




  • Энергия является основным фактором, определяющим стоимость эксплуатации установок по производству целлюлозы. Предварительная оценка стоимости для промышленности США показала, что обработка щупы с использованием микроволн может обеспечить общее уменьшение стоимости энергии на тонну сухойцеллюлозы на 54.5 $ США.


Повышение выхода и качества целлюлозы
Выход

    • Повышение выхода целлюлозы на 2.7% (в некоторых случаях до 7%)

    • Уменьшение потерь материала с 3.8 до 0.3%

    • Лаборатория ORNL подтвердила, что “возможно производить целлюлозу даже из крупных кусков древесины (длиной 4 дюйма, диаметром 4 дюйма) при использовании H-фактора как для стандартной щепы”

    • Увеличение длины щепы обеспечивает уменьшение количества резов, повышая выход более длинных волокон, уменьшая пропорцию мелких фракций

    • Рубка на щепу большего размера или куски также уменьшает объем неиспользуемой древесины



Качество


  • Древесина, обработанная микроволнами, с более равномерной структурой обеспечивает более равномерное поглощение химических веществ, обеспечивая более равномерную варку




  • Это обеспечивает меньшую вариацию неравномерности варки щепы, и меньше изменений качества из-за перевара или недовара

  • Характеристики целлюлозы из древесины, обработанной микроволнами, сопоставимы с характеристиками целлюлозыиз необработанной древесины.


Безопасность для окружающей среды
Применение технологии обработки древесины микроволнами обеспечивает сокращение расхода химических веществ, энергии и сырья для производства одной тонны целлюлозы. Это позволяет предприятиям по производству целлюлозы значительно снизить уровень загрязнения окружающей среды.


группа 20СТОИМОСТЬ



Внедрение технологии
Технология обработки древесины микроволнами может применяться предприятиями по производству целлюлозы с цикличным или непрерывным режимом работы с любыми объёмами проиэводства.
Параметры и стоимость микроволновой установки для обработки щепы из хвойной древесины для производства целлюлозы


Производительность установки( сухаяцеллюлоза),

тонн/год


Производительность( сухаяцеллюлоза), тонн/час (7500 рабочих часов в год)

Мощность микроволновой установки, кВт

Расход электроэнергии,

кВт*ч/тоннасухойцеллюлозы



Стоимость микроволновой установки (стоимость только технологического оборудования), $ США

50,000

6.7

1000

192

1,665,000

100,000

13.3

2000

192

3,330,000

200,000

26.6

4000

192

6,660.000

500,000

66.7

10200

192

16,650,000


Стоимость обработки древесины микроволнами

(пример для установки с производительностью100,000 тонн/год)


Анализ стоимости обработки хвойной древесины был выполнен для следующих условий:

1. Производительность микроволновой установки(по сухой целлюлозе): 100,000 тонн/год при 7500 рабочих часах в год (930 рабочих смен в год)

2. Микроволновая мощность установки - 2000 кВт

3. Стоимость микроволновой установки (при частоте 0.915 ГГц) 3,330,000 $ США

4. Управление микроволновой установкой в течение каждой смены осуществляется двумя операторами

5. Потребление электроэнергии - 192кВт*ч/тонна

6. Стоимость электроэнергии – от 0.06$ США/кВт*чдо 0.12$ США/кВт*ч.

7. Норма амортизации - 17%.


Расчетная стоимость (представлена ниже) включает капитальные затраты, стоимость обслуживания, стоимость замены магнетронов, стоимость труда и электричества. Данная стоимость не включает стоимость здания, монтажа оборудования, электрических соединений, прочие затраты (накладные расходы) и налоги.

Стоимостьмикроволновой обработки щепы (производительность 100,000 тоннсухой целлюлозыв год)


Стоимость электричества,

$ США/кВт*ч



Стоимость микроволновой обработки, $ США/тонна

0.06

23.6

0.09

29.4

0.12

35.2

Наибольшую долю стоимости составляет стоимость электричества - 49–66%.




группа 18ДАЛЬНЕЙШИЕ ШАГИ




Производственные испытания для подтверждения преимуществ технологии микроволновой обработки щепы в условиях конкретных предприятий по производству целлюлозы. Оптимизация параметров процесса.
Разработка и испытания специальной микроволновой установки для обработки щепы из хвойной древесины в производственных масштабах.
Внедрение технологии микроволновой обработки щепы на предприятиях по производству целлюлозы с различной производительностью и использующих различные производственные технологии.


группа 16НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНОЛОГИИ



  • Университет Мельбурна (Г. Торговников и П. Винден) наглядно подтвердил, что технология микроволновой обработки может успешно применяться для увеличения проницаемости древесины. Также были продемонстрированы преимущества использования прошедшей микроволновую обработку древесины для производства целлюлозы химическим способом




  • Окриджская национальная лаборатория (A.Компер и др.) продемонстрировала, что технология микроволновой обработки обеспечивает значительные преимущества при использовании для производства целлюлозы химическим способом




  • В Университете Мельбурна была создана и испытана полу-коммерческая установка мощностью 300 кВт для обработки древесины микроволнами, подтвердившая перспективность использования технологии в промышленных условиях



группа 14ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ



Применение на новых или существующих предприятиях по производству целлюлозы

Применение на существующих предприятиях по производству целлюлозынаиболее просто осуществимо, т.к. в данном случае внедрение требует меньшего объема капиталовложений и обеспечивает наглядные результаты

Использование данной технологии для новых предприятий может обеспечить революционную модернизацию целлюлозной промышленности, вплоть до радикального упрощения варочного оборудования
Хвойная и лиственная древесина


  • Для производства целлюлозы может использоваться обработанная микроволнами хвойная и лиственная древесина




  • Микроволновая обработка хвойной древесины требует меньшего количества энергии и имеет меньшую стоимости, поэтому коммерциализация для хвойной древесины должна осуществляться в первую очередь




  • Микроволновая обработка лиственной древесины является более дорогостоящей, но коммерческие преимущества также очень высоки



Обработка бревен

  • Было продемонстрировано, что микроволновая обработка бревен является эффективной и может рассматриваться в качестве варианта для использования на целлюлозных предприятиях при определенных условиях
  • На следующих фотографиях представлено проникновение раствора в Дугласову пихту после микроволновой обработки.




Контроль (без микроволновой обработки)

После микроволновой обработки




Механическое производство целлюлозы
Использование микроволновой технологии для механического производства целлюлозы обеспечивает ряд преимуществ: экономия энергии до 15%, повышение производительности, повышение качества целлюлозы. Но данные преимущества несравнимы спреимуществами, которое даёт технология микроволновой обработки прихимическом производстве целлюлозы.


группа 12ЗАКЛЮЧЕНИЕ





  1. Технология микроволновой модификации древесины окажетсущественное влияние на целлюлозное производство:

  • увеличение производительности

  • сокращение расхода химических веществ

  • уменьшение расхода энергии

  • увеличение выхода целлюлозы

  • снижение потерь сырья

  • уменьшение воздействия на окружающую среду




  1. Технология микроволновой обработки обладает значительным потенциалом для существенногоуменьшения стоимости и увеличения химического производства целлюлозы при минимальных изменениях на существующих целлюлозныхзаводах




  1. Технология микроволновой обработки древесины готова для первого этапа коммерциализации




  1. Технология микроволновой обработки древесины может применяться для производства целлюлозы с использованием всех известных химических процессов. Рынок для данной технологии может составлять до 75% предприятий с химическим производством целлюлозы


группа 10ССЫЛКИ


Университет Мельбурна

Torgovnikov G. and P. Vinden. 2009. High intensity microwave wood modification for increasing permeability. Forest Prod. J. 59(4):84-92.

Torgovnikov G.and P. Vinden.2010. Microwave wood modification technology and its applications. Forest Products Journal Vol. 60, No 2, pp 173-182.

Vinden P., Torgovnikov G., HannJ..2011. Microwave modification of Radiata pine railway sleepers for preservative treatment. European Journal of Wood and Wood Products Vol. 69 ,pp 271-279. (Online) DOI 10.1007 -010-0428-8


Patents

Vinden P., Romero J., G. Torgovnikov. 2003.(Priority date 09.06.1998).A method for increasing the permeability of wood. US Patent No 6,596,975.

Torgovnikov G.and VindenP.2003.(Priority date 27.06.2001). Method of microwavetreatment of wood. US Patent No 7,089,685.
Окриджская национальная лаборатория США

Compere A. L. et al.2006. Increasing yield and quality of low-temperature, low-alkali kraftcooks with microwave pretreatment. US Department of Energy.Industrial Technologies Program.FY06 ITPForest Products Portfolio Peer Review.April.5-6, 2006.Atlanta, Georgia, USA.Presentation.19 pp.

Oak Ridge National Laboratory.Industrial Technologies Program.

Completed R&D.2007.Increasing Yield and Quality of Low-Temperature, Low- Alkali Kraft Cooks with Microwave Pretreatment, http://www.ornl.gov/sci/ees/itp/CompletedRD.shtml


Compere A. L. et al. 2007 Microwave Pretreatment to Decrease Pulping Energy and Chemicals. TAPPI Pulping Conference, 7pp.www.tappi.org/Downloads/unsorted/UNTITLED---PS0442pdf.aspx
US Department of Energy.Industrial Technologies Program.Forest Products. 2006. Microwave pretreatment increases yield and quality of kraft pulp mills. Project Fact Sheet. pp. 1-2.

US Department of Energy.Industrial Technologies Program.Forest Products.2007. Increasing yield and quality of low-temperature, low-alkali kraft cooks with microwave pretreatment. Project Fact Sheet. pp. 1-2.





Смотрите также:
MicrowavesforChemicalPulping микроволны для химического производствацеллюлозы Применение инновационной технологии обработки древесины с использованием микроволн в целлюлозной промышленности Обоснование процесса
156.57kb.
1 стр.
Инструменты и приспособления для ручной обработки древесины
41.65kb.
1 стр.
История развития обр аботки древесины, начиная с древних времен до настоящего времени
252.42kb.
1 стр.
Научное обоснование и разработка новой технологии получения биоэтанола 05. 18. 01 Технология обработки, хранения и переработки злаковых, бобовых культур, крупяных продуктов, плодоовощной продукции и виноградарства
299.1kb.
1 стр.
Программа «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности на период до 2020 года»
201.28kb.
1 стр.
Применение цифровой голографии для изучения
45.22kb.
1 стр.
Влияние термической обработки на механические свойства
277.87kb.
1 стр.
Применение программного комплекса гтимк для повышения эффективности процесса подземного выщелачивания урана
24.34kb.
1 стр.
Учебно-тематический план программы краткосрочного повышения квалификации
79.91kb.
1 стр.
Нейрокомпьютеры и их применение
110.75kb.
1 стр.
И алкогольной промышленности
57.14kb.
1 стр.
Технология Лазерного упрочнения
73.1kb.
1 стр.