CC BY
66
УДК 547.916
ПОВЫШЕНИЕ РЕНТАБЕЛЬНОСТИ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ СИБИРИ
1*1 2 © Р.А. Степень , С.М. Репях, В.В. Шелепков
1 Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира, 82, Красноярск, 660049 (Россия) e-mail: [email protected]
2ЗАО «Новоенисейский лесохимический комплекс»
Рассмотрены основные направления комплексной переработки лесосечных отходов пихтовых древостоев среднеенисейской тайги, повышения рентабельности лесозаготовительных предприятий Сибири.
При существующих способах заготовки и переработки древесного сырья в целом по России полезно используется около половины, а в Сибири - треть биомассы дерева. Значительная часть приходится на лесосечные отходы - при сплошных рубках на лесосеке остается 20-30%, а при рубках ухода - до 100% [1]. Вместе с тем лесосечные отходы, прежде всего древесная зелень, являются кладовой большого количества биологически активных и энергетических соединений [2, 3]. По своему составу древесная зелень намного богаче самой древесины и ее переработка позволяет существенно расширить ассортимент товарной продукции.
Проведенные технико-экономические исследования показывают, что прибыль от продажи деловой древесины составляет лишь 10-30% стоимости продукции, получаемой при переработке древесной зелени с той же лесосеки [2]. Величина прибыли зависит преимущественно от глубины утилизации сырья и востребованности вырабатываемой продукции. Наиболее эффективными в этом плане являются экстракционные производства, товарные продукты которых - хлорофиллин натрия, провитаминный концентрат, политерпеновые препараты и др. [4]. Однако для их организации необходимо сравнительно сложное оборудование, большие запасы органических растворителей, квалифицированные кадры, что для отдаленных лесных районов представляет определенные сложности. Кроме того, такие производства эффективны при утилизации ограниченных объемов сырья. Для сибирских лесозаготовительных предприятий с их огромными ресурсными возможностями необходима организация многотоннажных производств. К ним можно отнести пихтоварение - переработку древесной зелени пихты с получением эфирного масла.
Нами рассматривается возможность повышения рентабельности Ново-Енисейского лесохимического комбината путем организации пихтоваренного производства с утилизацией образующихся при этом вторичных отходов.
Считается, что в настоящий период переработка древесных отходов, особенно на Алтае и в Сибири, является одной из перспективных отраслей лесохимической промышленности [5]. Она рассматривается в качестве рычага для подъема отрасли. Лесосека Ново-Енисейского ЛХК располагает значительными массивами спелых и перестойных пихтарников, которые относятся к эксплуатируемым лесам. Стоимость материалов, получаемых при переработке их древесины, заметно уступает продукции из сосны. Однако она может серьезно возрасти при организации пихтоварения, существенно превысив прибыль от традиционного лесопиления светлохвойных пород.
Автор, с которым следует вести переписку.
Наряду с организационными вопросами для оптимизации пихтоварения необходимо проведение исследований по запасам сырья, изменчивости в нем содержания и состава эфирного масла и других компонентов, а также образующихся при этом отходов.
Изменчивость выхода и компонентного состава основного товарного продукта - пихтового масла -преимущественно определяется совокупностью биоценотических и технологических факторов. Анализ литературных сведений показывает, что эти показатели существенным образом изменяются в зависимости от места произрастания пихтарников. В связи с этим выявленные закономерности для других лесных территорий не адекватны. Учитывая специфичность природно-климатических условий региона, важно изучить действие биоценотических факторов в насаждениях среднеенисейской тайги.
Влияние внутривидовой изменчивости древесных растений наиболее полно изучено С. А. Мамаевым [6]. Им выделены географическая, индивидуальная, временная и эндогенная изменчивость видов.
Географическая изменчивость при проведении исследований в одном регионе определяется варьированием вклада компонента на его отдельных участках, величиной коэффициентов индивидуальной изменчивости. Результаты анализов свидетельствуют о сравнительно высоком содержании эфирного масла в древесной зелени - 4,04% от абс. сухой массы в случае молодняков. Они указывают на эффективность организации пихтоварения. Вместе с тем насыщенность образцов терпеноидами различается в 1,5 раза и для получения данных на 95%-ном доверительном уровне их необходимо отбирать с 20-25 деревьев. Внутрипопуляционная изменчивость в одновозрастных древостоях среднеенисейской тайги несущественна.
Из трех видов временной изменчивости наибольшее влияние на выход и состав пихтового масла оказывает возрастная. Если в древесной зелени молодняка содержание масла и вклада в него борнилацетата составляет 4,06 и 35,3%, то в случае перестойных деревьев - 1,82 и 20,7%. Такие различия объясняются серьезной перестройкой систем организма в процессе онтогенеза. Отсюда следует, что для улучшения качественно-количественных показателей товарной продукции нужно к традиционному сырью добавлять древесную зелень молодняков. В меньшей мере сказывается влияние вегетационного развития растений. Максимум масла и содержания в нем борнилацетата отмечается осенью, минимум - в декабре-январе. Ухудшение этих показателей усугубляется спецификой заготовки сырья зимой. Она состоит в том, что при падении деревьев в этот период древесная зелень теряет наиболее ценную часть - хвою. Исходя из данных по сезонной динамике оптимальной является переработка древесной зелени, заготавливаемой в августе-октябре. При эксплуатации пихтоваренных установок в зимнее время целесообразна предварительная заготовка сырья в сравнительно теплое время, что позволяет заметно снизить опад хвои.
Суточная динамика не играет существенной роли в накоплении и качественном составе пихтового масла. Тем не менее предпочтительнее заготовка сырья в интервале 10-18 ч, когда оно богаче терпеноидами, включая борнилацетат.
При оценке сырья для пихтоварения значимой является эндогенная изменчивость, определяющая варьирование его качества по высоте ствола дерева. Минимальное количество масла находится в нижней части кроны. В среднем ярусе оно возрастает на 22%, в верхнем - на 40%. В этом же направлении улучшается и его качество. Изменение концентрации борнилацетата в образцах имеет ту же тенденцию (соответственно на 18 и 47% отн.). При значительных объемах сырья, как это имеет место в среднеенисейской тайге, для пихтоварения целесообразно использовать древесную зелень средней и верхней или только верхней части кроны, что заметно улучшает экономические показатели производства.
Не менее важную роль при пихтоварении играют технологические факторы, прежде всего температура отгонки эфирного масла. При всех ее значениях в начале процесса с небольшим объемом флорентинной воды выделяется значительная часть масла. Так, его количество, отгоняемое при 100°С с 1% флорентинной воды, составляет пятую часть всех запасов. Это указывает на важность герметизации чана в этот период. Цементирование крышки для каждого цикла ненадежно и неудобно. Использование каучуковых шнуров, эффективнее, но для их размещения чан и крышка должны иметь соответствующие выемки.
При дальнейшей отгонке интенсивность выделения терпеноидов постоянно снижается. С последней третью объема флорентинной воды выделяется всего около 5% пихтового масла. Скорость его извлечения на завершающей стадии на два с лишним порядка ниже, чем в начале процесса. Однако конечные фракции весьма богаты борнилацетатом, и несмотря на малый объем, они представляют практический интерес. В
связи с этим актуальна задача о прекращении или продолжении отгонки, которая определяется как объемом продукции, так и ее составом.
Компонентный состав отгоняемых фракций существенно изменяется в процессе выделения. В соответствии с летучестью они обедняются монотерпеновыми углеводородами (с 85 до 40% и ниже), прежде всего а-пиненом, камфеном и Д3-кареном, обогащаются кислородсодержащими (с 15 до 45%) и сесквитерпеновыми (с 3 до 15%) соединениями. Учет фракционирования может улучшить перспективу практического использования масла, поскольку без дополнительных усилий возможно его разделение на монотерпеноидную и кислородсодержашую части с дальнейшим выделением из последней сесквитерпеноидной фракции. Целесообразность такого фракционирования вытекает из специфичности свойств и областей потребления этих терпеноидов. Малотоксичные монотерпены рациональнее использовать для парфюмерно-косметических изделий, товаров бытовой химии, оздоровления атмосферы помещений; кислородсодержащие - как основу для синтеза медицинской камфоры; токсичные сесквитерпеноиды - в качестве ингредиентов в инсектицидных препаратах. В связи этим приоритет вида продукции определяет регламент процесса. При востребованности монотерпенов цикл сокращается в 3-4 раза, что позволяет при одной и той же мощности намного увеличить выпуск товарных продуктов. При заказе на высококачественное пихтовое масло его начальные стадии отделяются и используются для других целей.
При одинаковом характере динамики выделения эфирного масла повышение температуры рабочего пара увеличивает выход и существенно скорость отгонки. Экспериментально найдено, что его максимальное количество выделяется при 120°С. Оно в 1,3 и 3 раза выше, чем при проведении процесса при 100 и 150°С. Причина снижения выхода терпеноидов при температуре ниже 120°С состоит в неполной отгонке, частичной потере их кислородсодержащих и сесквитерпеноидных соединений. Увеличение вклада этой фракции в масле при повышении температуры пара подтверждает такое представление. Уменьшение выхода масла при температуре рабочей среды выше 120°С, по-видимому, обусловлено окислительными и поликонденсационными превращениями терпеноидов.
Интенсивность подачи (образования) пара в определенном объемном интервале практически не отражается на выходе и качестве пихтового масла. В лабораторных условиях оптимум наблюдается при скорости от 30 до 100 мл/мин на 1 кг абс. сухого сырья, на промышленных установках - от 2 до 4%/ч объема чана. Отклонение от этих значений снижает извлечение на 7-10% отн. При меньшей скорости усиливаются химические превращения терпеноидов, при большей - возрастает гидродинамическая неустойчивость слоя древесной зелени. Кроме того, интенсивность образования пара существенно влияет на продолжительность процесса. Если при 30-40 мл/мин масло отгоняется за 3 ч, то при 50-60 мл/мин -2,4 ч, а при 90-100 мл/мин - 1,95 ч.
Измельчение древесной зелени также служит важным технологическим фактором при оптимизации пихтоварения. Оно ведет к увеличению поверхности массообмена, сокращает путь от объема частицы к границе фаз, способствует разрушению микроструктуры тканей. Большую роль играет то, что при измельчении возрастает количество перерезанных хвоинок. Горизонтально расположенные в них смолоносные каналы практически закупориваются коркой побега, что весьма затрудняет удаление терпеноидов в целой хвое. Совокупность таких изменений обеспечивает повышение выхода масла и сокращает продолжительность отгонки. Компонентный состав в меньшей мере зависит от измельчения, хотя при уменьшении размера частиц вклад монотерпеноидов в масле возрастает, а кислородсодержащих соединений сокращается.
При атмосферных условиях измельчение обеспечивает повышение выхода масла на 15-25% и снижение продолжительности отгонки на 25-40%. При повышении температуры размеры сырья в меньшей мере влияют на выход масла, хотя и эффективно ускоряют процесс его выделения. При отгонке терпеноидов из измельченной и неизмельченной древесной зелени пихты их объем при 120°С является одинаковым, а при 130°С в первом из вариантов даже несколько уменьшается. В промышленных условиях при температуре рабочего пара 115-120°С оптимальный размер частиц - 15-20 см.
Комплексная переработка древесной зелени предусматривает утилизацию образовавшихся жидких отходов (флорентинной воды и кубового остатка) и отработанного твердого сырья. Наиболее объемным жидким отходом является флорентинная вода. Ее хвойный запах обусловлен наличием растворенного эфирного масла (0,2 г/л). Его состав в связи с неодинаковой растворимостью в воде разных терпеновых соединений обогащен борнеолом и борнилацетатом. Особенностью такой воды является и низкое содержание минеральных веществ, в 30-50 раз меньшее по сравнению с речной водой. Отсюда обосновано
предложение об ее использовании для генерации пара в котле пихтоваренной установки. Помимо снижения расхода свежей воды, это увеличивает на 1,0-1,5% выход товарного продукта и улучшает его качество, поскольку обеспечивает переход терпеноидов из флорентинной воды в эфирное масло. В связи с низким содержанием минеральных веществ ее применение сокращает образование накипи на стенках и трубках котла и удлиняет срок его эксплуатации. Названные преимущества флорентинной воды указывают на целесообразность ее многократного использования, т.е. замыкания цикла по воде. Модернизация установки, обеспечивающая реализацию цикла, не требует больших затрат.
Кубовый остаток скапливается на дне перегонных чанов и является основным загрязнителем естественных водоемов. Результаты анализов показывают, что он богат биологически активными и энергетическими продуктами. При этом установлено, что при повышении температуры пихтоварения концентрация большинства продуктов возрастает. При упаривании кубового остатка до плотности 1,2 г/см3 он превращается в хвойный экстракт, который по своим потребительским свойствам не уступает лечебному экстракту. Его использование эффективно и для приготовления хвойных ванн.
Твердый остаток пихтоваренного производства составляет около 90% от исходного сырья, что указывает на важность его утилизации. Происходящие при гидротермической обработке изменения в основном связаны с деструктурированием гемицеллюлозных, целлюлозных и лигнин-целлюлозных комплексов. Они улучшают питательные свойства остатка и приближают его по перевариваемости к злаковому сену. Полученные продукты могут служить хорошей заменой грубых кормов. Кроме того, отработанная древесная зелень может успешно применяться как субстрат при выращивании овощей и служить основой при компостировании.
Производительность двухчановой установки в условиях Красноярской лесостепи составляет около 7 т. С учетом большей насыщенностью сырья терпеноидами и сокращением эксплуатируемого периода обоснованно полагать, что близким будет и объем масла при пихтоварении в среднеенисейской тайге. Рентабельность установки в начале 90-х гг. в среднем оценивалась в 160%, срок окупаемости - около 1 года. Выработка хвойного экстракта, равная удвоенному выходу основного продукта, улучшает эти показатели соответственно до 210% и 0,8 года и повышает прибыль производства на 30%. При этом модернизация легко осуществляется собственными силами, не требует привлечения дополнительной рабочей силы и затраты на нее весьма незначительны. При переработке твердого остатка с каждой тонны сырья получают по 450-500 кг кормовой муки, что увеличивает стоимость товарной продукции на 65-75%. Однако реализация такого производства нуждается в серьезных капиталовложениях, что в связи с обеспеченностью грубыми кормами в данном регионе может оказаться малорентабельным. Возможно, более успешна будет утилизация отработанной древесной зелени для компостирования. Для этой цели она закладывается в траншеи и обрабатывается соответствующим образом. Для компостирования не нужны большие затраты, а стоимость компоста выше кормовой муки [7].
При этом не учитывается положительный эффект, обусловленный экологическими и социальными причинами. В отсутствии переработки жидкие отходы сбрасываются, загрязняя естественные водоемы и угнетая флору и фауну. За загрязнения нарушители нередко штрафуются, что повышает себестоимость производства. Для транспортировки твердых отходов также необходимы дополнительные затраты. Их складирование требует аренды территории, создает пожароопасные ситуации. Социальная значимость производства заключается в организации новых рабочих мест и повышении благосостояния населения.
Список литературы
1. Черняева Г.Н., Долгодворова С.Я., Степень Р.А. Утилизация древесной биомассы. Красноярск, 1987. 166 с.
2. Репях С.М., Рубчевская Л.П. Химия и технология переработки древесной зелени. Красноярск, 1994. 320 с.
3. Ягодин В.И., Выродов В.А. Технология древесной зелени. СПб., 1996. 92 с.
4. Ягодин В.И., Евтюгин Д.В., Левенталь Ю.К. Промышленная технология переработки древесной зелени и пути ее дальнейшего развития // Производство кормовых и биологически активных продуктов из отходов и низкокачественного сырья. Красноярск, 1990. С. 42-47.
5. Этцель М.С. К вопросу о концепции перспективного развития лесохимии // Гидролизная и лесохимическая промышленность. 1991. №1. С. 1-3.
6. Мамаев С.А. Формы внутривидовой изменчивости древесных растений. М., 1972. 284 с.
7. Манаков В.А., Ляндрес Г.В. Производство кормовых и биологически активных продуктов на основе низкосортной древесины и отходов лесного комплекса // Производство кормовых и биологически активных продуктов из отходов и низкокачественного сырья. Красноярск, 1990. С. 3-6.
Поступило в редакцию 21 марта 2002 г.
