Разработка комплексной технологии переработки лигноцеллюлозных отходов лесопромышленного комплекса термохимическим методом

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования 
«Казанский национальный исследовательский 
технологический университет» 
 
 
 
 
 
 
Д. В. Тунцев  
 
 
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОЙ 
ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ 
ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ ОТХОДОВ 
ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА 
ТЕРМОХИМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2018 

 

- 2 - 
 

УДК 676:541.11
ББК 35.77:24.53

Т84

 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
 
Рецензенты: 
директор ООО «НТЦ ГринТекс»  
канд. техн. наук Д. Б. Просвирников 
директор ООО «БиоЭнерджи» 
канд. техн. наук А. Р. Садртдинов 
 
 
 
 

Т84

Тунцев Д. В.
Разработка комплексной технологии переработки лигноцеллюлозных 
отходов лесопромышленного комплекса термохимическим методом : 
монография / Д. В. Тунцев; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. 
технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2018. – 256 с.

ISBN 978-5-7882-2454-1
 
Рассмотрены технологии быстрого пиролиза растительной биомассы и 
газификации жидких топлив. Описана обобщенная математическая модель 
переработки лигноцеллюлозных отходов лесопромышленного комплекса. 
Приведены 
результаты 
исследования 
термохимической 
переработки 
различных видов растительной биомассы с последующей газификацией 
жидкой 
части, 
а 
также 
промышленной 
реализации 
разработанных 
технологий. 
Предназначена для студентов и аспирантов направления подготовки 
35.03.02, 
35.04.02 
«Технология 
лесозаготовительных 
и 
деревообрабатывающих производств». 
 

 
 

ISBN 978-5-7882-2454-1
© Тунцев Д. В., 2018
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2018

УДК 676:541.11
ББК 35.77:24.53

 

- 3 - 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 

 
Существенной проблемой лесопромышленного комплекса 

является низкая эффективность использования сырьевых ресурсов. 
При уровне заготовки древесины 178 млн м3 ежегодное количество 
только отходов деревообработки составляет более 70 млн м3. 
Постоянное недоиспользование расчетной лесосеки приводит к 
накоплению 
невостребованной 
низкокачественной 
древесины, 

большая часть которой отрицательно воздействует на экологическую 
обстановку, приводит к деградации лесных насаждений и повышает 
пожарную опасность. С другой стороны, мировые запасы нефти и газа 
постоянно уменьшаются, вследствие чего переход к возобновляемым 
ресурсам является одним из наиболее актуальных вопросов экономики 
и промышленности.  

Растительная биомасса представляет собой перспективный, 

экологически безопасный и альтернативный источник возобновляемой 
энергии. Основная задача, стоящая перед лесной промышленностью и 
лесным хозяйством, – полное и рациональное использование отходов 
лесозаготовок 
и 
деревообработки. 
Отходы 
растительного 

происхождения могут успешно служить сырьем для термохимической 
переработки.  

Один из перспективных способов переработки растительной 

биомассы среди процессов термохимической конверсии – это быстрый 
пиролиз. Данный метод термического разложения имеет низкие 
инвестиционные затраты и высокую энергетическую эффективность 
по сравнению с другими процессами переработки, особенно при 
производстве в малых масштабах. В процессе быстрого пиролиза 
древесных отходов доминирующим продуктом является пиролизная 
жидкость 
(пиротопливо), 
обладающая 
существенными 

преимуществами по сравнению с твердой биомассой, такими как 
высокая 
энергетическая 
плотность, 
стабильность 
состава 
при 

хранении, 
удобство 
в 
использовании 
и 
транспортировке. 

Пиротопливо, 
получаемое 
по 
технологии 
быстрого 
пиролиза, 

используется для прямого сжигания в котлах, при этом заменяя 
традиционные виды топлива. Однако его качества недостаточно для 
его использования в двигателях внутреннего сгорания и газовых 
турбинах. 

 

- 4 - 
 

С применением технологии газификации жидкого продукта 

пиролиза 
растительного 
сырья 
можно 
будет 
получать 

высококалорийный генераторный газ, используемый для производства 
электрической энергии и химических продуктов. Таким образом, 
разрабатываемая комплексная технология переработки растительных 
отходов лесопромышленной отрасли термохимическими методами 
позволит перерабатывать биомассу в местах ее возникновения в 
пиротопливо или древесный уголь, накапливать и перевозить ее в 
централизованный пункт сбора с целью дальнейшего использования 
для получения ценных химических продуктов, электрической и 
тепловой энергий. 

На сегодняшний день вопросы, связанные с быстрым 

пиролизом растительного сырья с целью получения жидких продуктов 
высокой энергетической плотности и газификации пиротоплива для 
производства высококалорийного газа, изучены мало и требуют 
проведения научно-исследовательских работ. 
 
 

 

- 5 - 
 

Глава I  
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ НАУКИ И ТЕХНИКИ 
ПРОЦЕССОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ 
РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ 
 
1.1. Классификация и характеристика растительных 
отходов лесопромышленного комплекса 
 
В любом производственном процессе, направленном на 
получение 
продукции, 
из-за 
несовершенства 
технологии 
и 
организации производства неизбежно образуются остатки сырья и 
материалов в виде отходов. Согласно ГОСТ 25916-83 «Ресурсы 
материальные вторичные. Термины и определения» отходами 
производства являются остатки сырья, утратившие полностью или 
частично потребительские свойства [202]. В условиях рыночной 
экономики отходами следует считать только то, что не обеспечивает 
дополнительной прибыли предприятию. 
Отходы 
классифицируются 
как 
используемые 
и 
неиспользуемые. Эта классификация, будучи весьма относительной, 
зависит от многих факторов:  

 от технологии производства (заготовки, переработки);  
  применяемых машин и механизмов (оборудования);  
  состояния инструмента (своевременной замены, заточки);  
  организации производства;  
  климатической зоны расположения производства;  
  наличия вблизи возможных потребителей;  
  дорожно-транспортных условий и т.д [202].  
Отходы, для которых в настоящее время отсутствуют условия 
переработки, 
называются 
неиспользуемыми, 
а 
те, 
которые 
используются, – вторичным сырьём. В комплексном использовании 
древесины вторичные материальные ресурсы отождествляются с 
понятием «дополнительное сырьё» [202]. 
Наличие огромной сырьевой базы вторичного сырья (отходов) 
порождает важную проблему глубокого изучения рационального 
комплексного и экономически выгодного использования отходов на 
нужды народного хозяйства. При решении проблемы по переработке 
древесины существует два направления:  

 

- 6 - 
 

1) доведение всех образующихся отходов до минимума за счёт 
повышения выхода готовой продукции из полноценной натуральной 
древесины;  
2) использование неизбежно образующихся отходов на 
различные виды эффективной продукции.  
Отходы лесопиления и деревообработки по степени их 
измельчения можно классифицировать на две основные группы [3,13]:  
– твёрдые кусковые отходы – горбыли, рейки, отрезки и 
вырезки дефектных мест, отрезки досок, фанеры и плит;  
– мелкие (сыпучие) отходы – опилки, стружка, отсев от щепы, 
древесная пыль.  
Отходы можно также классифицировать [202]:  

 по исходному сырью (лесосечные отходы, к примеру ветви, 
сучья, обломки стволов, пни, тонкомер и др., отходы 
древесных плит и отходы пиломатериалов);  

 породам (лиственные и хвойные);  
 влажности (влажные и сухие);  
 стадиям обработки (первичные и вторичные);  
 качеству (деловые и топливные).  
При механической переработке древесины на долю твердых 
кусковых отходов приходится примерно 55 – 60 %, а на долю мелких – 
40 – 45 % [202]. 
Отходы 
лесозаготовок. 
Отходы 
лесозаготовок 
– 
это 
неиспользованная биомасса лесного древостоя, остающаяся после 
проведения лесосечных работ. На лесосеке объём отходов составляет 
20 – 22 %, иногда достигает 35 %.  
Отходы лесозаготовок разделяют:  
 по отходам кроны деревьев (ветви, сучья, вершины, 
древесная зелень);  
 отходам ствола дерева (пни, корни);  
 малоценной 
древесине 
(валежник, 
обломки 
стволов, 
бурелом, сухостойные, фаутные и тонкомерные деревья). 
Сучья – ветви кроны срубленных деревьев, имеющие в отрубе 
или отпиле толщину более 4 см. Характеристика сучьев: их число, 
размеры и размещение по стволу – определяются в основном 
породами и размерами деревьев, а также зависят от бонитета и 
полноты насаждений [202].  

 

- 7 - 
 

Ветви – это небольшие отростки и побеги, которые идут от 
ствола и сучьев. Их размеры и объем зависят от возраста и породы 
дерева, запаса леса на 1 га, а также от типа и бонитета леса.  
Вся разветвлённая часть дерева вместе с древесной зеленью 
(хвоя и листья) образует крону.  
Наряду с древесиной дополнительным источником сырья для 
переработки может служить древесная зелень, к которой относятся 
листья, почки, хвоя, побеги с диаметром среза менее 6 мм [202].  
Вершина – верхняя часть ствола дерева. Наименьший диаметр 
вершин должен быть не более 6 см с учётом по стандартам 
минимально допустимого диаметра балансов. Средняя длина вершин 
равна 3 – 4 м.  
Использование корней и пней позволяет увеличить выход 
древесины на 15 – 20 % с единицы поверхности лесных насаждений. 
Пень – оставшаяся нижняя часть ствола срубленного, спиленного или 
сломанного дерева. Для определения объёмов сырья необходимо знать 
высоту и диаметр пня. Высотой пня является расстояние от шейки 
корня до спила дерева. Диаметр пня измеряется на его срезе. Пни 
составляют 2 – 3 % объёма заготовляемой древесины. При уменьшении 
высоты пня на 5 см возможно повысить объем заготовляемой 
древесины на 1%. Корни составляют 11 % от объёма ствола дерева.  
Потребителями 
пнево-корневой 
древесины 
являются 
предприятия деревопереработки химической направленности.  
Недостатками древесины пней и корней являются:  
 разнообразие формы и размеров; 
 сложность окорки;  
 пороки строения; 
 засорённость минеральными примесями и камнями.  
Среди неиспользуемых деревьев, оставленных на лесосеке, 
следует выделить нежелательные и тонкомерные.  
Нежелательными являются деревья, которые по состоянию, 
форме и качеству ствола не подходят для хозяйственных целей. К ним 
относятся деревья низкой товарной ценности – дровяные, лиственные 
и сухостойные.  
Тонкомерные деревья – это деревья, диаметр ствола которых 
ниже минимального размера заготавливаемой древесины (менее  
14 см). Большие объёмы древесного сырья в виде тонкомерной 
древесины образуются при проведении рубок ухода за лесом и 

 

- 8 - 
 

реконструкции насаждений. Количество тонкомерной древесины при 
рубках, связанных с заготовкой древесины, зависит от состава лесов, 
места расположения и активности проводимых рубок ухода. Если 
длина ствола более 3 м, а диаметр вершинного конца не менее 6-8 см, 
ствол пригоден для выработки пиловочника и балансов, а также для 
заготовки измельчаемого в щепу технологического сырья. К 
недостаткам тонкомерной древесины относятся низкая плотность и 
сравнительно высокое содержание коры в молодых стволах. Кроме 
того, она труднее поддаётся окорке. Преимущество – отсутствие 
гнили.  
К фаутной (повреждённой) древесине относится древесина с 
гнилью, кривизной, механическими повреждениями. Наибольшее 
количество искривлённых хлыстов отмечено у берёзы. В наибольшей 
степени поражены гнилью осиновые хлысты.  
Низкокачественная 
древесина 
– 
обобщающий 
термин, 
охватывающий лиственные и хвойные круглые лесоматериалы, в том 
числе хлысты, которые по своим качественным показателям или 
размерной характеристике не соответствуют требованиям стандартов 
или технических условий на деловую древесину, но могут 
использоваться 
для 
получения 
деловых 
сортиментов 
путём 
дополнительной 
обработки 
или 
переработки, 
например, 
на 
короткомерные 
пиломатериалы, 
черновые 
заготовки, 
технологическую щепу и другую продукцию [202]. К наиболее 
распространённым порокам древесины, переводящим древесное сырьё 
в разряд древесины низкого качества, относятся внутренняя гниль    
(85 %), пороки формы ствола, такие как кривизна, овальность, 
закомелистость, двухвершинность, сучковатость и др. (15 %). 
Отходы деревообработки. От качества поставляемого сырья, 
типа и размера изготавливаемой продукции, технического уровня и 
состояния 
оборудования 
зависит 
количество 
отходов 
деревообрабатывающих производств.  
Откомлёвка – это комлевая часть бревна, образующаяся при 
торцовке. Откомлёвка образуется в случае сбежистости, ребристой 
или округлой закомелистости и дефектов ствола, возникших при валке 
леса. Длина откомлёвки не превышает 1 м.  
Горбыль – боковая часть бревна, имеющая одну пропиленную, 
а другую непропиленную или пропиленную не на всю длину 
поверхность с нормируемой толщиной и шириной тонкого конца. 

 

- 9 - 
 

Объем горбылей составляет от 
6 
до 10 % от исходного 
перерабатываемого сырья и зависит от сбега брёвен, метода раскроя, 
правильности подобранного постава раскроя сырья.  
Рейки 
формируются 
в 
результате 
раскроя 
и 
обрезки 
пиломатериалов по ширине. Объём реек значителен и составляет        
7–14 % от исходного сырья.  
Торцовые отрезки и вырезки уступают по качеству горбылям и 
рейкам, имеют небольшую длину и составляют 2–4 % объема 
исходного сырья.  
Опилки образуются в процессе лесопиления в объёме 9–16 % 
от распиливаемого сырья. Традиционно опилки используются в 
гидролизном производстве (около 30 %) для изготовления древесных 
пластиков и древесной муки, в качестве топлива в котельных (44 %); 
вывозятся в отвал (25 %).  
Наружная поверхность ствола, сучьев, ветвей и корней 
деревьев покрыта слоем коры. Отходы окорки составляют 10–15 % от 
объёма стволовой древесины. Количество коры, получаемой при 
окорке брёвен, зависит от их диаметра, породы, возраста дерева, места 
произрастания. 
Наибольшее 
количество 
коры 
содержится 
у 
лиственницы – до 25 % объёма ствола [202].  
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 %; 
 
Учёт отходов ведётся в кубических метрах плотной древесины, 
поэтому для пересчёта кладочной или насыпной меры в объём 
плотной древесины используются коэффициенты [202] плотности 
(заполнения). Для некоторых видов отходов величина коэффициента 
заполнения (полнодревесности) составляет: для рейки – 0,5–0,6; для 
короткомера – 0,6–0,7; для горбыля – 0,43–0,56; для опилок – 0,21. 
 

 

- 10 - 
 

1.2. Кинетические модели термического разложения 
растительного сырья 
 
Существующие 
кинетические 
механизмы 
реакций 
термического разложения сырья растительного происхождения можно 
разделить на одно-, двух- и многостадийные. На начальной стадии 
моделирования термического разложения использовались формальные 
одностадийные кинетические модели (рис. 1.1). Данные модели 
рассматривают термическое разложение как реакцию из одного шага, 
первого порядка. Модель не зависит от свойств перерабатываемого 
сырья, способов подвода тепла и макрокинетической ситуации. 
Растительное сырье разлагается на парогазовую смесь и уголь с 
постоянным выходом.  
 

БИОМАССА

ГАЗ

УГОЛЬ

Kg1

 
 
Рис. 1.1. Механизм одностадийного термического разложения 
 
Выход 
продуктов 
термического 
разложения 
[163] 
растительного сырья в представленной модели задаётся исходя из 
экспериментальных данных. Редкое использование одностадийных 
глобальных 
моделей 
обусловливается 
в 
большинстве 
случаев 
неосуществимостью описания реальной ситуации. 
Описание первичных и вторичных реакций по одностадийному 
механизму происходит с помощью трёх конкурирующих реакций 
посредством модели Тёрнера с конкурирующими реакциями (рис 1.2). 
Несмотря на максимальную простоту и возможность учета выхода 
продуктов в зависимости от условий пиролиза, данная модель не 
учитывает 
качественного 
изменения 
продуктов 
термического 
разложения.