СПОСОБ РАЗМЕЛЬЧЕНИЯ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗЫ НА ВОЛОКНА Российский патент 2012 года по МПК B21B1/12 B02C4/26 B30B11/22 

Настоящее изобретение относится к способу размельчения лигноцеллюлозных материалов на волокна и к способу дополнительной обработки этих волокон.

Перед переработкой лигноцеллюлозного сырья в конструкционные и изоляционные материалы, армирующие материалы или наполнители, картон или топлива, его размельчают либо на щепу, либо на волокна. Тонкие и обычно изогнутые волокна приобретают все возрастающее экономическое преимущество перед прямыми, жесткими и высокоупругими щепками, поскольку они имеют лучшие характеристики обрабатываемости, и полученные из них продукты имеют более высокую ценность.

Наиболее важными машинами для измельчения лигноцеллюлозного сырья на волокна являются дефибрерные камни, двухшнековые экструдеры, а также конические или дисковые рафинеры. В настоящее время преобладают двухдисковые рафинеры. В двухдисковом рафинере расщепление с разделением на волокна главным образом происходит в результате приложения сдвиговой нагрузки между двумя параллельными измельчающими дисками, внутренние поверхности которых профилированы с формированием ребер, и один из которых смонтирован стационарно, а второй вращается с высокой скоростью. В ходе процесса размельчения лигноцеллюлозные сырьевые материалы поступают в рафинер в радиальном направлении в виде обводненной текучей массы и выходят из него через все более сужающийся зазор между измельчающими дисками. В этом процессе лигноцеллюлозные материалы под действием сдвиговых нагрузок постепенно расщепляется с образованием волокон, имеющих тонкость от высокой до очень высокой.

Существенными недостатками упомянутых машин для дефибрирования являются низкие значения производительности и/или высокие уровни потребления электрической энергии. Более того, преобладающий в настоящее время способ с использованием рафинера имеет тот недостаток, что превращение в волокнистую массу (дефибрирование) сравнительно твердых сортов лигноцеллюлозы, например, таких как древесина, становится возможным только тогда, когда сырьевой материал был предварительно подвергнут гидротермическому размягчению в процессе варки при высоких давлениях до уровня от около 10 до 20 бар (1-2 МПа) и температурах от около 160 до 220°С. Для этого требуется дорогостоящее оборудование и огромное количество тепловой энергии. Кроме того, необходимо обезвоживание волокнистой пульпы, создающее большие количества загрязненных сточных вод.

Размельчение лигноцеллюлозных материалов с помощью рафинеров приводит к волокнам, которые внутри не очень облагорожены, поскольку процесс дефибрирования главным образом включает приложение сдвигового напряжения. Поэтому в большой степени сохраняется высокая пористость волокон. В дополнение, примешанные вещества, например, такие как связующие средства и/или гидрофобизирующие реагенты, главным образом становятся диспергированными на поверхности волокон. После испарения воды в поровом объеме волокон остаются газы. Поры в волокнах снижают прочность волокон, и они ухудшают характеристики сжатия волокна при производстве материалов на основе волокон, например, путем прессования, поскольку газы, заключенные в порах, повышают сопротивление сжатию и стимулируют повторное расширение после того, как приложенное к сжимаемому материалу давление было снято. Впоследствии это может вести даже к разрушению материала расширяющимися трещинами.

Поровый объем также способствует повреждению продукта в результате проникновения воды и/или микроорганизмов.

Цель настоящего изобретения, в контексте получения новых конструкционных материалов на основе лигноцеллюлозы, состоит в обеспечении способа размельчения этих лигноцеллюлозных материалов, имеющего улучшенные и также гибко приспосабливаемые характеристики, который также должен отличаться малым числом технологических стадий и также низким потреблением тепловой и электрической энергии, и который не создает каких-либо значительных загрязненных сточных вод из процесса варки.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что цель достигается согласно настоящему изобретению, когда лигноцеллюлозные материалы, находящиеся в состоянии поверхностного увлажнения, в смеси с модификаторами волокон подвергают обработке в плоскоматричном пресс-грануляторе с приложением регулируемого в широких пределах давления перекатывающимися валками катково-тарельчатого измельчителя, посредством чего - при стимулировании высокой влажностью внутри пор - модификаторы волокон проникают глубоко внутрь волокнистого материала и там реагируют самопроизвольно или с задержкой, причем размельченный и облагороженный материал затем последовательно продавливают через отверстия, просверленные в плоской тарельчатой матрице.

«Модификаторы волокон» здесь следует понимать как имеющие отношение к веществам, которые не только способствуют разрыхлению и измельчению материала, но представляют собой реакционно-способные вещества, которые придают волокнам новые, заметно улучшенные свойства в отношении их дальнейшего применения в качестве конструкционных материалов. Их действие проявляется в модифицировании, изменении, облагораживании. Облагораживание волокон происходит во время размельчения в пресс-грануляторе и отчасти также после этого во время высушивания и/или хранения.

«Состояние поверхностного увлажнения» следует понимать как имеющее отношение к состоянию, в котором содержание воды на величину приблизительно от 5 до 15% является более высоким, чем состояние насыщения водой. В свою очередь, это показывает влагосодержание сырьевого материала, когда объем его внутренних пор полностью заполнен водой, и отсутствует дополнительная поверхностная влажность. Все бурые угли из различных открытых карьеров или из разнообразных пластов внутри открытой карьерной выработки, каждая древесная порода или солома, и также одинаковые древесные породы различного возраста имеют собственные значения «водосодержания в состоянии насыщения», зависящие от структуры материала и структуры пор. Поэтому это количество является специфическим для сырьевого материала. Эти значения влагосодержания в состоянии насыщения представляют собой минимальное условие для формирования высококачественных волокон в пресс-грануляторе. Измельчение частично или в значительной степени предварительно высушенного лигноцеллюлозного сырья с использованием пресс-грануляторов всегда приводит главным образом к «щепкообразному» продукту измельчения.

Это справедливо также для ситуации с одним известным из уровня техники способом (ЕР 0143415). Это обусловлено тем, что измельченный продукт непосредственно после измельчения в первом пресс-грануляторе перерабатывают на гранулы в дополнительном пресс-грануляторе, и для этого материал может иметь только очень низкое влагосодержание с самого начала, поскольку в противном случае давление, необходимое для получения по меньшей мере полутвердых гранул, не может быть развито в высверленных в тарельчатой матрице отверстиях второго пресс-гранулятора. В дополнение, чрезмерное содержание воды приводило бы, вследствие нагревания во втором пресс-грануляторе, к взрывному испарению воды на выходе из прессовых каналов, которые находятся под высоким давлением, обусловливающему возникновение нежелательных трещин в гранулах и их легкое разрушение, и в особенности их растрескивание в ходе дальнейшей обработки. Цель этого известного способа также коренным образом отличается от способа согласно настоящему изобретению, посредством которого не производят ни измельчение грубо раздробленного длинноволокнистого материала, ни формирование гранул, но который имеет целью получение волокнистого конструкционного материала, имеющего новые свойства.

Есть еще один известный из уровня техники способ (DE 199 55844 А1), где, в противоположность способу согласно настоящему изобретению, из спрессованной биомассы получают гранулы. Для возможности получения этих гранул обязательным условием является влагосодержание древесины на уровне 11-14%. В отличие от этого, способ согласно настоящему изобретению действует при значительно более высоких уровнях влагосодержания, а именно в вышеупомянутом состоянии поверхностной влажности, то есть состоянии, где не только поры полностью заполнены водой - состояние, которое соответствовало бы влагосодержанию в вплоть до 50% по весу - но в дополнение имеет место избыточная влажность от 5 до 15% воды, присутствующей в форме поверхностной влаги. В данном известном способе используют не модифицирующие волокно добавки, имеющие вышеупомянутые свойства, а маисовый (кукурузный) крахмал для снижения давления при формовании, улучшения фрикционных характеристик и придания свойств связующего средства. Напротив, модификаторы волокон, используемые согласно настоящему изобретению, изменяют свойства волокон, поскольку модификаторы волокон проникают в волокна и тем самым модифицируют их. Это проникновение обеспечивается не только механическим воздействием, но также более высоким влагосодержанием, так что могут происходить химические реакции в водной среде, что невозможно для гранул известного способа вследствие низкого влагосодержания на уровне 11-14%. Кроме того, для получения гранул из древесины нужно использовать очень маленький прессовый зазор (расстояние от валков катково-тарельчатого измельчителя до тарельчатой матрицы), а именно до 0,2 мм. Напротив, способ согласно настоящему изобретению позволяет использовать увеличенные промежутки вплоть до 2 мм или даже до 5 мм, и тем самым снижать давление валков.

В процессе размельчения используют плоскоматричные пресс-грануляторы, в которых на нажимных валках может быть отрегулировано высокое и целенаправленно изменяемое предварительное давление. Например, это может быть выполнено с помощью регулируемых нажимных пружин, или применением гидравлической системы. Плоскоматричный пресс-гранулятор является очень полезным для процесса дефибрирования, поскольку сжимающее усилие оказывается сконцентрированным в самом узком зазоре между плоской матрицей и нажимным валком на очень малой прямолинейной площади, в так называемом пресс-контакте. Это делает возможным регулирование с помощью предварительного давления, усиленного, например, с использованием гидравлической системы, в особенности для высоких и также специально изменяемых удельных давлений формования в пресс-контакте. Высокое давление, прилагаемое к материалу внутри узкого пресс-контакта между плоской поверхностью и скругленной поверхностью нажимного валка, производит подобное сминанию в гармошку раздавливание лигноцеллюлозного сырья на отдельные пучки волокон, поскольку предел прочности на разрыв в лигноцеллюлозе в направлении, перпендикулярном направлению волокон, является значительно меньшим, чем в направлении волокон, и сдавливаемый материал может выскальзывать в те места в прессе, которые являются более широкими по обе стороны от пресс-контакта.

Применяемый сырьевой материал должен иметь состояние увлажненной на поверхности смеси твердых веществ, поскольку лигноцеллюлозные материалы размягчаются в результате высокого содержания воды, для обеспечения процесса расщепления на пучки волокон. Состояние поверхностной влажности также требуется потому, что лигноцеллюлозные материалы только в этом состоянии будут иметь необходимую пластичность при сжатии, которая требуется для поперечного выдавливания материала из прессового зазора, и тем самым обеспечивать разложение в первую очередь на отдельные пучки волокон. Когда лигноцеллюлозные материалы являются слишком сухими, они не могут выскальзывать, но полностью втягиваются в самый узкий зазор пресса, хрупко изламываются в нем с уплотнением при высоком давлении и выбрасываются в виде твердого листа или в форме материала, подобного щепкам. С другой стороны, подаваемый материал не должен быть слишком влажным, или в противном случае он под давлением приобретал бы свойства диспергированного в воде твердого материала и стал бы избегать любого уплотнительного формования в зазоре пресса между плоской матрицей и валками катково-тарельчатого измельчителя в результате преждевременного вытекания наружу. Тогда подводимый материал стал бы быстро проходить - без предварительного уплотнения и без расщепления на пучки волокон - наружу через отверстия в плоской матрице.

Плоскоматричный пресс-гранулятор также весьма полезен для получения высококачественных волокон из лигноцеллюлозных материалов, поскольку подаваемый материал не только уплотняют с использованием относительно высоких, но специально регулируемых удельных давлений формования в самом узком зазоре пресса, но проводят процесс размельчения созданием сжимающих напряжений от валков, многократно прокатываемых по материалу. Это обеспечивает возможность получения сильно уплотненных малопористых волокон без ослабления вследствие локального избыточного сжатия твердого материала, поскольку процесс уплотнения проводят многократным прокатыванием нажимных валков по материалу в постепенном и поэтому бережном режиме.

Многократное приложение давления валками к подаваемому материалу при высоких, но специально регулируемых удельных давлениях формования также обеспечивает, что примешанные модификаторы волокон постепенно вдавливаются во внутренние поровые объемы все более утончающихся пучков волокон в условиях образования влажной пастообразной массы, и происходит почти непрерывное смешение до центральной части волокон.

Плоскоматричный пресс-гранулятор здесь имеет преимущества перед пресс-грануляторами с кольцевой матрицей в том, что валки катково-тарельчатого измельчителя не могут перекатываться по плоской матрице без трения, поскольку относительное перемещение между поверхностью валков катково-тарельчатого измельчителя и плоской матрицей пресса вблизи оси происходит в направлении, которое противоположно направлению относительного перемещения в области внешнего края плоской матрицы пресса.

Тип модификаторов волокон зависит от области применения получаемых волокон и характеристик, которым они должны соответствовать. Применимые модификаторы волокон включают вещества, которые во время процесса размельчения в плоскоматричном пресс-грануляторе и/или после этого в конечном итоге придают волокнам желательные свойства в результате физических процессов и/или химических реакций, и также благодаря частичному заполнению внутреннего порового объема. Модификаторы волокон могут представлять собой растворы, жидкости и/или диспергированные твердые вещества. Обусловливающие качество реакции протекают между полученным волокном и модификаторами волокон, или некоторыми ингредиентами обоих материалов, и также до некоторой степени в самих модификаторах волокон. Необходимая интенсивность и действие реакций в глубину волокон достигаются только в результате согласованного размельчения лигноцеллюлозных материалов и воздействия модификаторов волокон в плоскоматричном пресс-грануляторе при условиях продолжительной интенсивной нагрузки под давлением валков и водной среды, необходимой для реакций.

Повышенные температуры продукта, не будучи абсолютно необходимыми, все же являются предпочтительными для практического исполнения процесса размельчения в плоскоматричном пресс-грануляторе. Повышенная температура продукта облегчает процессы размельчения и пропитывания волокон и интенсифицирует происходящие реакции.

Плоскоматричные пресс-грануляторы также весьма полезны для размельчения лигноцеллюлозных материалов до высококачественных волокон, имеющих гибко регулируемые свойства, поскольку активные размельчающие элементы частично состоят из плоской матрицы с большим числом отверстий, причем их размер, форма и расстояние между отверстиями могут быть выбраны в широких пределах. Большое число отверстий в плоском диске обеспечивает достижение высоких уровней пропускной способности. Кроме того, каналы отверстий исключают повреждение волокон вследствие механических перегрузок, поскольку волокна выходят через каналы отверстий, когда они достигли требуемой тонкости. Своевременное выведение обеспечивается высокой пластичностью размельчаемого сырьевого материала, имеющего влажную поверхность. Каналы отверстий скомпонованы так, что их сопротивление в прямом направлении препятствует слишком быстрому выведению продукта из зоны размельчения, в то же самое время избегая любого механического перенапряжения волокон вследствие чрезмерно медленного выведения. Расстояние между каналами, их очертания и величина отверстий, а также толщина матрицы позволяют регулировать интенсивность размельчения и реакционного процесса для достижения надлежащего качества волокон. Каналы в плоской матрице являются важным фактором того, почему размельчаемый сырьевой материал может быть измельчен без риска перенапряжения при высоких удельных давлениях формования в пресс-контактах. Размер их отверстий может варьировать сообразно желательному качеству волокон от около 2 до около 15 мм. Кроме того, длина и геометрическая форма каналов отверстий должны быть скомпонованы так, чтобы не возникали высокие сопротивления сдвигу, которые приводили бы к формированию гранул. Продукт размельчения выводится в виде влажной мелкокомковатой слипающейся массы.

Продукт размельчения всегда выводится преимущественно через отверстия в плоской матрице. Дальнейшее повышение степени производительности размельчающей машины возможно при дополнительной выгрузке части размельченного продукта через наклонный краевой водослив.

Плоскоматричные пресс-грануляторы также обеспечивают интенсивное размельчение лигноцеллюлозных материалов в сочетании с высокой степенью пропускной способности, поскольку нажимные валки или валки катково-тарельчатого измельчителя движутся с высокой скоростью около 2,1-2,6 м/сек вдоль центрального кругового пути, и прессы в зависимости от габаритов конструкции пресса оснащены нажимными валками числом от 2 до 5. Кроме того, самые крупногабаритные прессы имеют активную площадь матрицы около 6000 см².

Плоскоматричный пресс-гранулятор также очень полезен для процесса размельчения, так как он обеспечивает возможность прямого привода нажимных валков. Этим обеспечивается то, что подводимый материал становится размельченным благодаря приложению требуемого давления перекатывающимися валками. В случае нажимных валков без прямого привода, например, как в случае кольцевых матричных прессов, существует опасность того, что валок катково-тарельчатого измельчителя будет проскальзывать, без собственного вращения, подобно салазкам поверх влажного материала, не выполняя подлинное дефибрирующее действие.

Важнейшими факторами достижения высокого качества полученных волокон и гибко регулируемых свойств являются эффективное сокращение порового объема в волокнах и также модифицирующее действие модификаторов волокон. Тип модификаторов волокон зависит от области применения волокон. Соответственно этому очень широк ассортимент веществ, применимых в качестве модификаторов волокон. Пригодные модификаторы волокон включают, например, бурый уголь, черный торф, цементную суспензию в воде, гашеную известь, гипсовую и/или зольную пасту, кислоты, растворы солей, пеки, битумы, воски, смолы, клеи и также большое число натуральных продуктов, богатых крахмалом, сахаром и/или белком.

Размельченный материал выводят из плоскоматричного пресс-гранулятора в виде более или менее сильно слипшегося материала, имеющего высокое содержание воды. Выгруженный материал может быть использован непосредственно, например, в качестве волокна для получения силосов, в качестве предварительно размельченного сырья или для получения материалов на основе волокон с помощью способа мокрого горячего прессования. Другие варианты применения требуют дополнительной обработки высушиванием и/или разрыхлительным измельчением. Высушивание служит для регулирования конечного водосодержания, требуемого для дальнейшей обработки волокна. Кроме того, нагревание материала в ходе высушивания и также удаления воды инициирует или ускоряет или доводит до завершения многие важные реакции между волокном и модификаторами волокон и/или в модификаторе волокон. Разрыхлительное измельчение разрушает взаимное слипание, перемычки и механические сцепления между волокнами. Когда высушивают материал, обработанный согласно настоящему изобретению, наблюдается, что, например, древесина после механической обработки преимущественно высушивается быстрее, поскольку вода уже больше не заключена в клетках.

Для разрыхлительного дополнительного измельчения используют, например, механические вихревые мешалки, дисковые мельницы, штифтовые дробилки, мельницы с дробильной плитой или молотковые дробилки, имеющие один или два ротора. Высушивание наиболее подходящим образом выполняют с использованием, например, конвективных сушилок, имеющих механические разрыхляющие элементы.

Описываемый способ размельчения дает высококачественные волокна, имеющие гибко регулируемые свойства, например высокую связующую способность, высокую скорость высушивания, улучшенные характеристики переваривания, высокую водостойкость, избирательно высокую устойчивость к биологическому разложению или ускорение реакций микробиологического превращения, высокую стабильность при смешении, улучшенные характеристики прессования благодаря снижению сопротивления уплотнению и сокращению упругого последующего расширения после снятия формующего давления, преобразование гидрофильных веществ в гидрофобные, высокую структурную прочность, малый расход клеевых смол, повышение плодородия почвы и так далее. Сами волокна могут быть использованы, например, для получения материалов на основе высококачественных волокон, даже когда тонкость волокон является меньшей, чем при применении традиционных облагороженных волокон.

Новый способ размельчения для получения волокон из лигноцеллюлозных материалов, в дополнение к уже упомянутым преимуществам, по сравнению с другими способами дефибрирования отличается снижением расхода электрической энергии на ≤50%, низким потреблением тепловой энергии, малым числом технологических стадий и отсутствием загрязненных сточных вод благодаря исключению варки под давлением перед процессом размельчения.

Дополнительные преимущества способа состоят в устойчивости плоскоматричного пресс-гранулятора к твердым посторонним включениям. Износ оборудования является низким, поскольку подвергание материала воздействию катящимися нажимными валками сопровождается минимальным износом в результате трения. Посторонние включения либо расплющиваются, либо разрушаются нажимными валками, поскольку нажимные валки приподнимаются вверх в случае перегрузки. Способ применим для получения волокон из возобновляемых и/или ископаемых лигноцеллюлозных материалов в форме бурого угля или волокнистого материала.

Подходящие модификаторы волокон могут быть примешаны к лигноцеллюлозному сырью, или лигноцеллюлозным материалам, в форме растворов, жидкостей и/или диспергированных твердых веществ, в массовом соотношении, зависящем от предполагаемого применения волокон, и с добавлением воды в количестве, которое всецело может обеспечить формирование смешанного материала с поверхностной влажностью.

Облагораживающее действие модификаторов волокон может быть реализовано в результате физических процессов и/или химических реакций между вновь сформированными волокнами и модификаторами волокон, или между ингредиентами обоих сырьевых материалов, путем реакций в модификаторах волокон, а также в результате частичного заполнения поровых объемов в волокнах.

Гибкое регулирование условий размельчения и типа и уровня содержания модификаторов волокон дает высококачественные волокна, имеющие конкретные требуемые свойства, например улучшенные характеристики высушивания, и/или переваривания, и/или связывания, и/или спрессовывания, и/или с высокой стабильностью смесей и/или, при необходимости, с высокой устойчивостью к биодеградации, или с улучшенными свойствами для быстрых реакций микробиологического преобразования.

Применение пресс-гранулятора является преимущественным там, где валки катково-тарельчатого измельчителя не просто перекатываются по матрице, но оснащены своим собственным приводом. Это может быть выполнено передачей крутящего момента (вертикальным валом) или с помощью своих собственных приводных двигателей.

В преимущественном варианте исполнения размельченный материал выводят из плоскоматричного пресс-гранулятора не только через отверстия в матрице, но дополнительно через наружный край плоскоматричного пресса, который для этого преимущественно оснащен краевым водосливом.

Выбранная плоская матрица представляет собой тарельчатую матрицу, имеющую такую геометрическую форму отверстий, от которой зависит достигаемое качество волокон, в отношении формата, размера отверстий, расстояния между каналами и геометрической длины каналов отверстий, и также имеющую толщину матрицы, которая позволяет обеспечивать интенсивное уплотнение под сжимающим давлением без повреждения волокон, высокие уровни пропускной способности и выведение продукта в разрыхленном состоянии без образования плотных гранул.

Модификаторы волокон преимущественно выбирают по отдельности или в сочетании двух или более из следующих материалов:

а) от 5% до 60% по весу бурого угля, имеющего зависящие от пластовых условий уровни водосодержания в состоянии насыщения от 50 до 60%;

b) от 10% до 40% по весу цемента (сухого) после смачивания с образованием строительного раствора;

с) от 1% до 40% по весу гашеной извести (сухой) после смачивания с образованием строительного раствора;

d) от 5% до 40% по весу гипса (сухого) после смачивания с образованием строительного раствора;

е) от 5% до 50% по весу фильтровой золы электростанций (сухой) после мокрого измельчительного размалывания с образованием массы строительного раствора;

f) от 5% до 60% по весу обезжиренного творога или творога, обогащенного облагороженными продуктами;

g) от 5% до 25% по весу богатого белками шрота (сухого) от экстрагирования семян масличных культур после мокрого измельчительного размалывания с образованием тонкодисперсной массы и/или путем варки пастообразной массы;

h) от 3% до 15% по весу крахмала или богатых крахмалом сырьевых материалов (сухих) после размельчения в пастообразные клейстеры или после жидкокипящей обработки;

i) от 1% до 15% по весу сахара или богатых сахаром сырьевых материалов после растворения;

j) от 1% до 15% по весу натуральных или синтетических клеевых средств;

k) от 0,5% до 10% по весу парафинов и/или битумов, пеков, восков, смол после их разжижения;

l) мелкогранулированных или жидких питательных материалов, минеральных солей и/или витаминов типа и в количестве, требуемых для предполагаемого использования;

m) соли для получения волокон для силосов;

n) от 1% до 20% по весу кислот и/или солей, оказывающих консервирующее действие;

о) удобрений типа и в количестве, необходимых для области применения;

р) глины и глинистых минералов в количествах, зависящих от предполагаемого использования.

Увлажненные и слипшиеся между собой волокна, выведенные из плоскоматричного пресс-гранулятора, преимущественно подвергают дополнительной обработке в условиях хранения, и/или высушивания, и/или разрыхлительного измельчения с образованием волокна с ватообразной текстурой. Для разрыхлительного измельчения слипшегося между собой волокна с образованием волокна, имеющего ватообразную текстуру, после предварительного высушивания до влагосодержания w≤50% используют механические вихревые мешалки, дисковые мельницы, штифтовые дробилки, мельницы с облопаченным диском, мельницы с дробильной плитой или молотковые дробилки, имеющие один или два ротора. Высушивание и разрыхление могут быть проведены одновременно, например, с использованием сушилок, оснащенных механическими разрыхляющими устройствами.

Полученный таким образом материал может быть высушен в условиях низкого энергопотребления, поскольку начальное влагосодержание является меньшим, чем при использовании рафинеров. Затем волокно может быть подвергнуто прессованию, в частности, в гранулы, пряди, таблетки и тому подобные. Полученный таким образом продукт затем может быть использован различным образом в зависимости от его состава. Возможные варианты применения включают, например, конструкционные и изоляционные материалы, строительные материалы, армирующие материалы и наполнители, картон, порообразователи или топлива.

В зависимости от предполагаемого применения могут быть использованы пресс-грануляторы, имеющие гладкие и профилированные (рифленые) поверхности валков катково-тарельчатого измельчителя и/или матрицы.

Способ согласно настоящему изобретению обеспечивает возможность достижения/придания следующих свойств:

- возможности варьировать тонкость и длину волокна;

- интенсивности уплотнения внутреннего порового объема;

- более высокой или пониженной гигроскопичности (способности поглощать воду) волокон;

- устойчивости волокон к разложению микроорганизмами;

- возможности регулировать по желанию адгезионные свойства поверхностей волокон в отношении клеевых средств или других связующих материалов;

- в особенности хороших характеристик сжатия волокон, например, при уплотнении под давлением для получения конструкционных материалов (низкое сопротивление волокон в ходе уплотнения под давлением и отсутствие повторного расширения после уплотнения под давлением);

- высокой стабильности смесей (без расслоения в случае, например, использования волокон в качестве кормов). Прочное удерживание, например, витаминов, минералов, круп, муки, солей в волокнах;

- ускорения процессов силосования (дефибрирования лигноцеллюлозных материалов при добавлении соли и, возможно, других вспомогательных компонентов);

- явного улучшения характеристик высушивания сравнительно со щепками.

Теперь изобретение будет разъяснено на примере с привлечением сопроводительных чертежей, на которых:

Фиг.1 показывает принципиальную схему пресс-гранулятора, используемого согласно настоящему изобретению; и

Фиг.2 показывает вид горизонтальной проекции в направлении цилиндрической оси валка катково-тарельчатого измельчителя в пресс-грануляторе согласно фиг.1.

Фиг.1 показывает принцип действия пресс-гранулятора, в котором плоская матрица 1 имеет валки 2 катково-тарельчатого измельчителя, перекатывающиеся по ней, которые создают сжимающее усилие, прилагаемое к ним в направлении стрелки 3. Валки 2 катково-тарельчатого измельчителя перекатываются по матрице 1 в результате вращения вертикального вала 9 в направлении стрелки 4. Продукт 7 подается в направлении стрелок 6, продавливается через просверленные отверстия в матрице 1, выходит на ее нижней стороне и разрезается резаком 5. В отличие от обычной работы пресс-гранулятора, некоторая часть продукта выходит также в месте 8 через край матрицы 1 по краевому водостоку.

Фиг.2 показывает просверленные отверстия 10 в матрице 1, через которые продавливается материал 7. Пресс-контакт 12 обозначает место, где валок 2 катково-тарельчатого измельчителя соприкасается с матрицей 1 или вплотную приближается к ней. Здесь материал выскальзывает наружу из пресс-контакта 12 в направлении стрелок 11 в такой мере, насколько он не продавливается через просверленные отверстия 10, чем создается интенсивное сдвиговое усилие, прилагаемое к материалу.

Пример 1

Готовят сырьевой подаваемый материал для процесса размельчения смешением 60% по весу рубленых деревянных стружек из еловой древесины, имеющей водосодержание в состоянии насыщения w=58%, и 40% по весу бурого угля, имеющего размер частиц 0-20 мм и водосодержание в состоянии насыщения w=54%. Затем смесь сырьевых материалов в ходе смешения в смесителе АЙРИХ (EIRICH) увлажняют водой в количестве, достаточном для достижения состояния сильного увлажнения поверхности смешанного материала со значением w=62%. Проводят размельчение смешанного материала с использованием плоскоматричного пресс-гранулятора, оснащенного плоской матрицей, имеющей круглые отверстия с диаметром 4 мм и толщину 20 мм. Круглые отверстия в матрице отстоят друг от друга на равные расстояния по 4 мм. Цилиндрический канал отверстия имеет длину 5 мм в его верхней части. После этого канал расширяется до диаметра 6 мм. Круглые отверстия с верхней стороны не фрезерованы. Давление в гидравлической системе составляет до 200 бар (20 МПа). Процесс размельчения в плоскоматричном пресс-грануляторе приводит к волокну, которое выводят через отверстия в плоской матрице в виде слипшейся массы без образования гранул. Размельченный материал подвергают предварительному высушиванию до состояния поверхностной влажности с содержанием воды около w ≈ от 45 до 50%, и после этого измельчают с помощью молотковой мельницы, имеющей выпускной перфорированный металлический лист CONIDUR с размером ячеек 4 мм, с получением разрыхленного волокна с ватообразной текстурой. Затем проводят дополнительное высушивание волокна до водосодержания w=10%, и получают волокно в виде тонкого волокнистого материала, волокна которого состоят из комбинации древесины и бурого угля с постоянным составом. Новые древесно-угольные волокна отличаются очень хорошими характеристиками спрессовывания и сцепления, а также высокой устойчивостью к микро- и макроорганизмам. Волокна являются гидрофобными, в отличие от чисто древесных волокон. Древесно-угольное волокно плавает на поверхности воды в течение по меньшей мере 4 месяцев, в отличие от волокна из рафинера. Переработка в материалы на основе волокон дает прочные и водостойкие конечные продукты.

Пример 2

Смешивают 75% по весу древесных щепок, имеющих длины от 5 до 20 мм и водосодержание в состоянии насыщения w=54%, и 25% по весу цемента (сухого) после его смачивания с образованием строительного раствора, используя смеситель АЙРИХ при одновременном добавлении воды в количестве, достаточном для достижения состояния поверхностной влажности смешанного материала при w=61%. Размельчают смешанный материал с использованием плоскоматричного пресс-гранулятора в условиях, упомянутых в примере 1. В течение 7 дней хранят увлажненное волокно для затвердевания цемента в волокне. Слипшееся волокно разрыхляют с использованием молотковой мельницы с выпускным перфорированным металлическим листом CONIDUR с размером ячеек 4 мм, и проводят досушивание волокна до w=20% для получения материалов на основе склеенных смолой волокон.

Пример 3

Смешивают 70% по весу дробленых древесных стружек, имеющих водосодержание в состоянии насыщения w=57%, и 30% по весу нарубленной и увлажненной рапсовой соломы, имеющей водосодержание в состоянии насыщения w=68%. Сама рапсовая солома представляет собой лигноцеллюлозу, но здесь также действует как модификатор волокон. Размельчают смешанный материал с использованием плоскоматричного пресс-гранулятора в условиях, как в примере 1. Слегка слипающееся волокно разрыхляют с использованием механической вихревой мешалки. Влажное волокно обрабатывают мочевино-формальдегидной смолой в количестве только 4% по весу в условиях мокрого горячего прессования при температурах формования от 180 до 200°С с образованием особенно прочных конструкционных материалов, поскольку волокна приобрели высокую способность к сцеплению между собой благодаря модифицирующему действию рапсовой соломы.

Пример 4

Смешивают нарубленные маисовые (кукурузные) растения в различной степени спелости, имеющие содержание воды w=59%, и небольшое количество каменной соли (сухой) в растворенной форме. В то же время добавляют воду для доведения смешанного материала до состояния поверхностной влажности w=68%. Размельчение с использованием плоскоматричного пресс-гранулятора, оборудованного матрицей, которая имеет круглые отверстия с размером 15 мм, дает волокно, которое быстрее подвергается силосованию и которое благодаря интенсивному размельчению крупных кукурузных стеблей имеет более высокий коэффициент переваривания.

Пример 5

Смешивают 98% по весу дробленых древесных стружек, имеющих водосодержание w=45%, и 2% гашеной извести (сухой), предварительно растворенной и диспергированной в воде. Дополнительным увлажнением доводят до состояния поверхностной влажности w=61%. Раствор гашеной извести оказывает щелочное действие, которое усиливает размельчение древесины на волокна. Более того, ионы кальция реагируют с ингредиентами древесины во время размельчения. Размельчением древесных дробленых стружек, содержащих гашеную известь, с использованием плоскоматричного пресс-гранулятора, оборудованного матрицей, которая имеет круглые отверстия с размером 6 мм, получают волокно, которое быстро высыхает. Продолжительность высушивания сокращается на 40% по сравнению с древесными щепками с подобной длиной щепок. Волокно также отличается очень хорошими характеристиками гранулирования, и полученные из него гранулы сгорают с особенно малыми выбросами, поскольку гранулы имеют сравнительно высокую температуру огнестойкости, и гашеная известь становится эффективной в качестве добавки.

Пример 6

Смешивают 40% по весу нарубленной пшеничной соломы, имеющей водосодержание w=18%, и 60% по весу срезанной ботвы сахарной свеклы, имеющей содержание воды w=76%. Размельчение смешанного материала с использованием плоскоматричного пресс-гранулятора в условиях обработки, упомянутых в примере 1, дает дефибрированный размельченный материал с влажной поверхностью, полученный в результате продолжительного приложения нагрузки от давления катящихся валков. Пастообразная масса, которая состоит из ботвы сахарной свеклы, проникает в волокна соломы и полностью поглощается ими без отделения жидкости. В результате получают волокно, образованное из соломы и листьев сахарной свеклы, которое высыхает быстро и без содержащих воду участков и имеет хорошие характеристики гранулирования. Гранулы представляют собой высококачественный и непортящийся при хранении фураж.

Изобретение относится к размельчению лигноцеллюлозных материалов до волокон и к дополнительной обработке этих волокон для получения конструкционных, изоляционных и армирующих материалов и наполнителей. Лигноцеллюлозные материалы в состоянии поверхностной влажности в смеси с модификаторами волокон подвергают воздействию регулируемого давления валков катково-тарельчатого измельчителя в плоскоматричном пресс-грануляторе. При этом при стимулировании высокой влажностью внутри пор волокнистого материала модификаторы волокон проникают глубоко внутрь упомянутого материала и там реагируют. Размельченный и облагороженный материал затем продавливают через отверстия, просверленные в плоской тарельчатой матрице. В результате обеспечивается возможность изменения толщины и длины волокон, интенсивности уплотнения внутреннего порового объема, гигроскопичности волокон, их адгезионных свойств. 11 з.п. ф-лы, 2 ил., 6 пр.

1. Способ размельчения лигноцеллюлозных материалов до волокон для конструкционных, изоляционных и армирующих материалов и наполнителей, отличающийся тем, что лигноцеллюлозные материалы в состоянии поверхностной влажности в смеси с модификаторами волокон подвергают воздействию регулируемого давления перекатывающихся валков катково-тарельчатого измельчителя в плоскоматричном пресс-грануляторе, при этом при стимулировании высокой влажностью внутри пор волокнистого материала модификаторы волокон проникают глубоко внутрь упомянутого материала и там реагируют, причем размельченный и облагороженный материал затем последовательно продавливают через отверстия, просверленные в плоской тарельчатой матрице.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что размельчение лигноцеллюлозного материала в состоянии поверхностной влажности проводят в условиях нагрузки давлением перекатывающихся валков, которое специально регулируют в отношении интенсивности и продолжительности.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что валки катково-тарельчатого измельчителя и/или матрицу плоскоматричного пресса подвергают регулируемому воздействию усилия пружины.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что валки катково-тарельчатого измельчителя и/или матрицу плоскоматричного пресса-гранулятора подвергают регулируемому воздействию гидравлического давления.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что проводят предварительное измельчение выбранных возобновляемых и/или ископаемых лигноцеллюлозных материалов до частиц с размером ≤200 мм, предпочтительно ≤50 мм, и, при необходимости, увлажнение сырьевых материалов, достаточное для достижения водосодержания в состоянии насыщения, специфического для конкретного сырьевого материала.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют плоскоматричный пресс-гранулятор, имеющий валки катково-тарельчатого измельчителя, которые имеют привод.

7. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что размельченный материал выводят из плоскоматричного пресс-гранулятора через отверстия в плоской тарельчатой матрице и дополнительно через краевой водослив.

8. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что используют один или более модификаторов волокон, выбранных из следующей группы:
а. от 5% до 60% по весу бурого угля, имеющего зависящие от пластовых условий уровни водосодержания в состоянии насыщения от 50 до 60%;
b. от 10% до 40% по весу цемента сухого после смачивания с образованием строительного раствора;
с. от 1% до 40% по весу гашеной извести сухой после смачивания с образованием строительного раствора;
d. от 5% до 40% по весу гипса сухого после смачивания с образованием строительного раствора;
е. от 5% до 50% по весу фильтровой золы электростанций сухой после мокрого измельчительного размалывания с образованием массы строительного раствора;
f. от 5% до 60% по весу обезжиренного творога или творога, обогащенного облагороженными продуктами;
g. от 5% до 25% по весу богатого белками шрота сухого от экстрагирования семян масличных культур после мокрого измельчительного размалывания с образованием тонкодисперсной массы и/или путем варки пастообразной массы;
h. от 3% до 15% по весу крахмала или богатых крахмалом сырьевых материалов сухих после размельчения в пастообразные клейстеры или после жидкокипящей обработки;
i. от 1% до 15% по весу сахара или богатых сахаром сырьевых материалов после растворения;
j. от 1% до 15% по весу натуральных или синтетических клеевых средств;
k. от 0,5% до 10% по весу парафинов и/или битумов, пеков, восков, смол после их разжижения;

1. мелкогранулированные или жидкие питательные материалы, минеральные соли и/или витамины типа и в количестве, требуемых для предполагаемого использования;
m. соли для получения волокон для силосов;
n. от 1% до 20% по весу кислот и/или солей, оказывающих консервирующее действие;
о. удобрений типа и в количестве, необходимых для области применения;
р. глины и глинистые минералы в количествах, зависящих от предполагаемого использования.

9. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что проводят дополнительную обработку влажного и слипшегося волокна, выведенного из плоскоматричного пресса-гранулятора, в условиях хранения, и/или высушивания, и/или разрыхлительного измельчения с образованием волокна с ватообразной текстурой.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что для разрыхлительного измельчения слипшегося между собой волокна с образованием волокна, имеющего ватообразную текстуру, после предварительного высушивания до влагосодержания w≤50% используют механические вихревые мешалки, дисковые мельницы, штифтовые дробилки, мельницы с облопаченным диском, мельницы с дробильной плитой или молотковые дробилки, имеющие один или два ротора.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что высушивание и разрыхление волокна проводят одновременно, например, с использованием сушилок, оснащенных механическими разрыхляющими устройствами.

12. Способ по п.9, отличающийся тем, что волокно спрессовывают, в частности, в гранулы, пряди или таблетки.