Разработка технологии делигнификации активированной древесины

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

Федеральное государственное бюджетное 

образовательное учреждение высшего образования 

«Казанский национальный исследовательский 

технологический университет» 

 
 
 
 
 

Д. Б. Просвирников, Д. Ш. Гайнуллина, Р. Г. Сафин 

 
 
 
 

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ 

ДЕЛИГНИФИКАЦИИ 

АКТИВИРОВАННОЙ ДРЕВЕСИНЫ 

 

Монография 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Казань 

Издательство КНИТУ 

2018 

УДК 674
ББК 37.1

П82

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета  

Казанского национального исследовательского технологического университета 

 

Рецензенты: 

директор ООО «БиоЭнерджи» канд. техн. наук 

А. Р. Садртдинов 

директор ООО НПО «Политехнологии» канд. техн. наук 

В. А. Салдаев 

 
 

П82

Просвирников Д. Б.
Разработка технологии делигнификации активированной древесины : 
монография / Д. Б. Просвирников, Д. Ш. Гайнуллина, Р. Г. Сафин; 
Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : 
Изд-во КНИТУ, 2018. – 140 с.

ISBN 978-5-7882-2485-5
 
Представлены результаты исследования процесса делигнификации 

активированной древесины, приведены научно обоснованные технические и 
технологические решения, направленные на эффективную переработку 
активированной древесины и получение целлюлозы высокого качества, 
предложены способы переработки древесных частиц и аппаратурного 
оформления процесса их делигнификации. 

Предназначена для бакалавров и магистров очной и очно-заочной 

форм обучения, обучающихся по лесотехническим направлениям подготовки, 
а также для научных работников, аспирантов и специалистов лесной 
промышленности, 
интересующихся 
проблемами 
рационального 

использования и переработки древесного сырья. 

Подготовлена на кафедре «Переработка древесных материалов». 
 

 
 

ISBN 978-5-7882-2485-5
© Просвирников Д. Б., Гайнуллина Д. Ш., 

Сафин Р. Г., 2018

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2018

УДК 674
ББК 37.1

ВВЕДЕНИЕ 

В  современном мире с каждым годом растет  спрос  на  новые 
экологически  безопасные  технологии  комплексной  переработки 
древесного  сырья в связи с ужесточением  требований  к 
экологичности 
производства 
высококачественных 
волокнистых 

полуфабрикатов и картонно-бумажных изделий. Повышенный спрос  
на  такие  технологии  напрямую  связан  не  только  с увеличением  
негативного  воздействия  промышленности  на окружающую среду, 
но и с резким ростом количества образующихся   отходов,  особенно  
органических.  Среди  методов комплексной переработки древесины 
ведущее 
место 
отводится 
процессам 
получения 
целлюлозы. 

Существующие   в области экологии  и  промышленной  безопасности 
проблемы 
 
стимулируют 
поиски 
альтернативных 
путей 

делигнификации древесины  с  целью получения целлюлозы наиболее 
безвредным по отношению к окружающей среде способом. Наряду  с  
фактором  экологичности ставится задача повышения устойчивости 
позиционирования отечественных технологий на мировом рынке 
лесохимической промышленности, что способствует развитию новых 
высокопроизводительных 
технологий 
и 
оборудования 
для 

целлюлозно-бумажной   промышленности.  
Одним из перспективных и альтернативных способов разделения 
древесной биомассы на компоненты с получением целлюлозы  
является 
 
делигнификация 
 
древесины, 
 
предварительно 

активированной паровзрывной обработкой. Результирующий продукт 
паровзрывной обработки  высоковлажного  древесного сырья – 
освобожденное от гемицеллюлоз  лигноцеллюлозное волокно с  
высокой  удельной  поверхностью,  реакционной способностью.   
Предварительная  активация  древесного  сырья перед  этапом  
делигнификации  способствует  ускорению  процесса варки, 
сокращению  расхода  реагентов  и  энергозатрат, выбору  более 
экологичных реагентов, получению целлюлозы более высокого 
качества, расширению номенклатуры пород древесины,  используемых  
в  процессе   делигнификации.         

 

Глава 1  

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ  

И ТЕХНОЛОГИИ ДЕЛИГНИФИКАЦИИ АКТИВИРОВАННОЙ 

ДРЕВЕСИНЫ 

 
 

В современном мире возобновляемые природные растительные 

ресурсы все чаще вовлекаются в производство важных для общества 
продуктов. 
Наибольший 
интерес 
для 
науки 
и 
производства 

представляет древесная биомасса ввиду ее широкой доступности и 
наличия огромного потенциала к ее технологической переработке в 
товарные продукты. Помимо деловой древесины, предназначенной 
для изготовления пилопродукции, в производстве используются 
древесные отходы, образующиеся на лесопильно-деревообрабатывающих предприятиях. Количество таких древесных отходов на 
различных стадиях технологических процессов весьма впечатляюще, 
однако доля перерабатываемых в производстве отходов относительно 
низкая. Проблема утилизации и переработки древесных отходов 
является одной из актуальных, поскольку имеющиеся на данный 
момент 
отечественные 
технологии 
позволяют 
рационально 

использовать этот вид сырья лишь наполовину. Ежегодно в нашей 
стране образуется около 55 – 60 млн м3 древесных отходов, из которых 
более 45 млн м3  в лесопильных производствах [2]. До 40 % от 
перерабатываемой 
доли 
отходов 
используется 
в 
гидролизной 

промышленности, еще 40 % – в целлюлозно-бумажной, остальная 
часть – в производстве плит, пластиков и т.д. 

Наибольшая часть отходов используется в лесохимической 

отрасли в виде технологической щепы. Таким образом, одним из 
ключевых направлений переработки древесных отходов в России 
является 
целлюлозно-бумажная 
промышленность, 
которая 

характеризуется средней конкурентоспособностью на внутреннем 
рынке и низкой – на мировом, что обусловливается главной проблемой 
лесопромышленной отрасли – высоким износом технологического 
оборудования и использованием устаревших технологий. 

В современном мире с каждым годом растет спрос на новые 

экологически безопасные технологии комплексной переработки 
древесного сырья, обусловленный в связи с  ужесточением требований 
к экологичности производства высококачественных волокнистых 

полуфабрикатов и картонно-бумажных изделий [14].  Новые 
развивающиеся 
технологии 
делигнификации 
древесного 
сырья, 

отвечающие экономическим и экологическим требованиям, пока не 
имеют промышленного применения, однако обладают высоким 
потенциалом 
развития 
как 
новые 
альтернативные 
технологии 

химической переработки древесины, к одним из которых относится 
делигнификация 
древесины, 
предварительно 
активированной 

паровзрывной обработкой. 

На 
основании 
изложенного 
выявим 
основные 
вопросы, 

рассматриваемые на данном этапе работы: 

1.  Анализ современного состояния технологий и техники 

делигнификации и активации древесины. 

2.  Анализ технологии паровзрывной обработки как метода 

предварительной активации древесины перед делигнификацией. 

3. Анализ характеристик активированной древесины как сырья 

для процесса делигнификации. 

 

1.1. Анализ современного состояния техники и технологии 

делигнификации и активации древесины 

 
В 
состав 
целлюлозно-бумажных 
производств 
входят 

производства таких волокнистых полуфабрикатов, как целлюлоза, 
древесная масса, из которых производят различные виды картона и 
бумаги. При взаимодействии варочного раствора (растворенных 
активных химических реагентов) и частиц древесины в условиях 
повышенных температур и давления происходит растворение лигнина 
(делигнификация), разъединение клеток древесины, образование 
технической целлюлозы [61, 88]. Перед рассмотрением современных 
технологий и техники делигнификации активированной древесины 
необходимо проанализировать традиционные способы, наиболее 
широко 
применяемые 
в 
мировой 
целлюлозно-бумажной 

промышленности. 

 Одним из основных методов разделения древесины на 

компоненты с получением целлюлозных полуфабрикатов является 
сульфатная 
варка 
– 
щелочной 
термохимический 

процесс делигнификации древесины. Для производства сульфатной 
целлюлозы применяются два способа варки – периодический и 
непрерывный. Периодическая варка осуществляется в стационарных 
варочных котлах с циркуляцией варочного щёлока и непрямым 

нагревом [29]. Установка для периодической сульфатной варки 
состоит 
из 
вертикального 
варочного 
котла 
1, 
устройства 

принудительной циркуляции варочного раствора (включающего в себя 
внутреннее кольцевое сито 2 для отбора щёлока, циркуляционный 
насос 3 с системой трубопроводов и арматуры), двухходового 
трубчатого теплообменника 4 с системой отвода конденсата, а также 
системы автоматического управления. В общем виде эти элементы 
варочного 
производства 
представлены 
на 
принципиальной 

технологической схеме (рис. 1.1).  

 

Рис. 1.1. Схема традиционной периодической

сульфатной варки целлюлозы:

1 – варочный котел; 4 – теплообменник; 9 – уловитель щелока, 11 – фильтр;
14 – флорентина; 17 – выдувной резервуар; 24 – конденсатор; 29 – абсорбер

Сульфитный варочный процесс заключается во взаимодействии 

древесины с сульфитной кислотой с образованием целлюлозы. 
Сущность этого термохимического процесса состоит в том, что 
древесина обрабатывается варочным раствором, который содержит 
диоксид серы и соли сернистой кислоты. Этот процесс после 
сульфатной делигнификации стоит на втором месте в мировой 
практике целлюлозного производства. 

Технологическая схема организации процесса сульфитной варки 

представлена на рис. 1.2. 

Рис. 1.2. Технологическая схема процесса непрерывной 

сульфитной варки целлюлозы:

1 – бункер для щепы; 2 – дозатор щепы; 4 – пропарочная камера; 

8 – наклонный шнек; 9 – варочный котел; 10 – подогреватель кислоты

 
После сульфатной или сульфитной варки образуется целлюлоза, 

не всегда пригодная для дальнейшей химической переработки. Она 
обладает повышенным содержанием остаточных пентозанов и 
невысокой реакционной способностью. Как правило, для получения 
целлюлозы со свойствами, достаточными для дальнейшей химической 
переработки, применяют предварительный гидролиз щепы, т.е. 
осуществляется так называемая двухступенчатая комбинированная 
варка. Благодаря предварительному гидролизу производится удаление 
из древесины легкогидролизуемых гемицеллюлоз, а также понижение 
числа связей между целлюлозой и пентозанами, результатом чего 
является частичное разрыхление структуры клеточных стенок, 
облегчающее удаление устойчивых пентозанов во время последующей 
делигнификации [146]. Также повышается реакционная способность 
целлюлозы, 
предназначенной 
для 
дальнейшей 
химической 

переработки на искусственное волокно и другие продукты. 

Предварительную 
активацию 
древесины 
гидролизом 

(предгидролиз)  реализуют в  присутствии разбавленных минеральных 
кислот, перегретой воды либо посредством пропаривания. В 
последнем случае  гидролиз  полисахаридов  гемицеллюлоз  
ускоряется за счет катализатора,  образующегося  при  водной варке.  

Основными катализаторами в данном случае являются органические 
кислоты, такие как муравьиная и уксусная.  

При проведении предгидролиза в растворе накапливаются 

моносахариды, которые образуются при деструкции гемицеллюлоз, 
часть экстрактивных веществ и низкомолекулярного лигнина. 
Суммарные потери древесины составляют около 13–25 % в 
зависимости от условий предгидролиза. 

Главными факторами процесса делигнификации активированной 

древесины, которые влияют на качественные параметры целлюлозы, 
ее выход, скорость делигнификации, являются температура, состав 
щелочи (учитывая концентрацию активных компонентов в ней), 
гидромодуль варки. 

Кислотный предгидролиз проводится в присутствии серной 

кислоты, имеющей концентрацию 0,3–0,6 %, или соляной кислоты 
концентрацией 0,5–1,5 %. При комнатной температуре эти растворы 
кислот имеют кислотность около 1–1,5. Температура кислотного 
предгидролиза, 
как 
правило, 
составляет 
100 – 170 
°С, 

продолжительность обработки 0,5 – 5,0 ч в зависимости от 
температуры.  В работе [57] определены оптимальные условия 
предгидролиза еловой древесины в присутствии серной кислоты: 
концентрация кислоты 0,5 – 0,75 %, температура 20–23 °С, время 
обработки 2 ч. Для предгидролиза лиственных пород эти условия 
также являются наиболее благоприятными.  

Кислотный 
предгидролиз 
можно 
организовать 
[50] 
в 

непрерывном реакторе с последующим дефибрированием в рафинере 
(рис. 1.3). Щепа загружается в бункер загрузки и шнеком подается в 
винтовой питатель, где смешивается с раствором кислоты.  Шнек 
имеет коническую форму, на выходе закрывается периодически 
работающим клапаном. Пропитанное сырье поступает в шнековый 
реактор, в который подается водяной пар, имеющий температуру до 
180 °С, и выдерживается в течение 40 – 45 мин. Гидролизованное 
древесное 
сырье 
выгружается 
через 
выходной 
питатель 
в 

двухступенчатый дисковый рафинер, где измельчается на отдельные 
волокна, которые отправляются на дальнейшую обработку 

Повышение 
температуры 
и 
концентрации 
кислоты 
при 

кислотном предгидролизе приводит к повышенному выходу альфацеллюлозы в сульфатной целлюлозе и одновременному повышению в 
ней остаточного лигнина, наличие которого затрудняет дальнейшую 
отбелку целлюлозы.  Применение при предгидролизе жестких условий 

Рис. 1.3. Технологическая схема процесса кислотного предгидролиза 

древесного сырья

(высокая температура, большой расход активных компонентов 
варочного раствора) способствует развитию реакций кислотной 
конденсации остатков лигнина. 

С 
целью 
снижения 
жесткости 
условий 
предварительной 

обработки наиболее часто используется водный предгидролиз [75]. 
Совмещением сульфатной варки и водного предгидролиза сырья при 
наличии 
нескольких 
ступеней 
последующей 
отбелки 
и 

облагораживания производят целлюлозу, пригодную для создания 
искусственных вискозных, кордных и других волокон. Режимные 
параметры водного предгидролиза следующие: температура обработки 
140-180 °С, продолжительность 0,3–3,0 ч. 

В работе [134] Н. А. Розенбергер показал, что содержание 

пентозанов и альфа-целлюлозы в сульфатной целлюлозе зависит от 
температуры водного предгидролиза. 14–17 % органических веществ 
от исходной древесины, содержащихся в водном гидролизате, может 
быть 
использовано 
при 
культивации 
дрожжей. 
Поскольку 
в 

гидролизате содержатся в основном пентозные сахара и совсем малое 
количество гекзоз, получить этиловый спирт из такого гидролизата не 
удастся. 

Наряду с периодически действующими варочными котлами для 

выработки вискозной целлюлозы как из лиственных, так и из хвойных 
пород путем сульфатной варки с предварительным гидролизом на 
некоторых 
предприятиях 
применяются 
варочные 
установки 

непрерывного действия типа Камюр [52]. На рис. 1.4 представлена 
технологическая схема такой установки для сульфатной варки с 
предварительным водным предгидролизом.  

 

Рис. 1.4. Схема непрерывной варочной установки типа Камюр с 

наклонным сепаратором для варки вискозной целлюлозы:
1 — бункер для щепы; 2 — дозатор; 3 — питатель низкого давления;
4 — пропарочная камера; 5 — питатель высокого давления; 6 — насос 

транспортирующей жидкости; 7 — насос для возврата жидкости в 
питательную трубу; 8 — бак постоянного уровня; 9 — возвратный 
трубопровод транспортирующей жидкости; 10 — транспортный 
трубопровод;11 — наклонный сепаратор; 12 — подогреватели зон 

нейтрализации и подогрева; 13 —теплообменник зоны диффузионной 

промывки; 14 — верхний расширительный циклон; 15 — нижний 

расширительный циклон; 16 — регулятор выдувки; 17 — насос для возврата 

гидролизата в котел; 18 — насос высокого давления для подачи в котел 

белого щелока; 19 — шаровой выдувной клапан; А — граница зоны 

нейтрализации; В — ситовая зона нейтрализации; С — ситовая зона отбора 

щелока, D — сита промывной зоны

 
В 
верхней 
части 
варочного 
котла 
проводится 
водный 

предгидролиз, в средней части – сульфатная варка при противотоке 
щелока 
и 
щепы, 
нижняя 
часть 
предназначена 
для 
горячей 

диффузионной промывки массы. Для водного предгидролиза вода