На фанерных предприятиях, в процессе изготовления фанеры, образуется значительное количество твердых древесных отходов: торцовые отрезки, карандаши, шпон–рванина, обрезки фанеры и шпона. При переработке древесины березы эти отходы, после измельчения в шредере, могут быть использованы в качестве сырья для получения фурфурола. Такая переработка отходов древесины в фурфурол позволяет не только повысить рентабельность производства фанеры, но и обеспечить эффективную реализацию отходов древесины в виде востребованной продукции.

Фурфурол – непредельный гетероциклический альдегид фуранового ряда, представляющий собой маслянистую жидкость слегка желтоватого цвета с характерным запахом свежеиспеченного хлеба. Свойства фурфурола технического регламентированы ГОСТ Р 57252–2016. Эмпирическая формула С₅Н₄О₂, t_кип = 161,7°С при давлении 101325 Па, класс опасности по воздействию на человека – 3.

Фурфурол во всем мире получают гидролизом растительного пентозансодержащего сырья. Наиболее распространен прямой (парофазный) метод получения фурфурола из твердых отходов – пентозансодержащего сырья: отходов от переработки древесины лиственных пород и сельскохозяйственных растительных отходов, таких как солома, зерновые культуры, овсяная и хлопковая шелуха, стержни кукурузных початков и др.

Основной принцип прямого (парофазного) метода: в процессе каталитического гидролиза пентозанов, содержащихся в растительном сырье, и дегидратации образующихся пентоз и уроновых кислот – одновременно осуществляется отгонка фурфурола острым перегретым паром. По прямому способу получения фурфурола – концентрация фурфурола в фурфуролсодержащем конденсате (ФСК) на порядок выше, чем в конденсате из паров при его самоиспарении, что позволяет сократить затраты тепла и энергии в процессе выделения фурфурола из конденсата. Одноступенчатый метод прямого гидролиза в большинстве случаев непрерывный, а его основным преимуществом является повышение производительности гидролизных аппаратов по параметру загружаемого сырья.

При переработке лиственных пород древесины – выход фурфурола составляет 5–8% от массы абсолютно сухого сырья (а.с.с.) при разных способах его получения.

К непрерывному одностадийному прямому (парофазному) методу гидролиза относится метод «автогидролиза». Он обеспечивает выход фурфурола из измельченной древесины березы на уровне 5–6% от массы а.с.с. Основной недостаток метода автогидролиза – неполное использование сырья, так как на долю целлолигнина, в этом случае, приходится до 65–70% от массы исходного сырья. С другой стороны – это не является проблемой для фанерных предприятий, поскольку целлолигнин используется для выработки тепловой энергий путем его сжигания в котлах по стандартным схемам, принятым при сжигании биотоплива.

Производство фурфурола одностадийным прямым способом является экономически выгодным при условии утилизации всех образующихся в процессе гидролиза жидких и твердых отходов. В этом случае утилизация лютера, отбираемого из фурфурольных колонн, осуществляется путем его подачи в систему оборотного водоснабжения предприятия. Отбор лютера выполняется с одновременным получением пара в теплообменнике-парогенераторе, работающем на термомасле, в котельной предприятия или же после выделения органических кислот известными методами, преимущественно мембранными. В результате получается очищенный лютер, пригодный для использования здесь же на фанерном заводе.

Фурфурол применяется при изготовлении пластмасс, клеев, эластомеров, пленочных полимерных покрытий, антацидов, фунгицидов, удобрений, ароматизаторов и др.

Основное направление использования фурфурола – производство фурфурилового спирта, который на промышленном уровне изготавливается каталитическим гидрированием фурфурола под давлением. В среднесрочной перспективе, именно рост спроса на фурфуриловый спирт – может стать драйвером расширения объемов производства фурфурола. По экспертным данным, объем рынка фурфурола в ближайшие годы будет увеличиваться на 5% ежегодно.

Примерно половина объема мирового производства фурфурола используется для синтеза фурфурилового спирта. Фурфуриловый спирт является одним из наиболее хорошо изученных продуктов, которые могут быть изготовлены из фурфурола. В производстве фурановых смол используется примерно 15% фурфурола, такое же количество применяется для селективной очистки смазочных масел. Оставшиеся объемы фурфурола используются при синтезе в промышленном масштабе его многочисленных производных, к которым относятся: тетрагидрофурфуриловый спирт, сильван, фуран, тетрагидрафуран, а также различные препараты для сельскохозяйственного производства, медицины и других целей. Наиболее востребованные на практике производные фурфурола получают путем гидрирования и декарбонилирования.

Фурфуриловый спирт достаточно широко используется в производстве клеев, литейных смол и пластмасс. Фурановые смолы используют в качестве модифицирующих агентов других смол с целью получения клеев. Кроме основного назначения, эти смолы имеют широкое применение в производстве химически стойких цементов для облицовки емкостей, а также в качестве связующих абляционных теплозащитных материалов.

Азиатско-Тихоокеанский регион занимает основную долю рынка в потреблении и производстве фурфурилового спирта, с растущим населением и заботой о возобновляемых материалах. Таким образом, рынок фурфурола, с большой долей вероятности, будет расти во всем мире, при этом Азиатско-Тихоокеанский регион будет доминировать на рынке. Это связано с тем, что Китай, Индия и Япония являются растущими экономиками. Китай является центром производства химикатов, и там производится большинство химикатов, производимых в мире. На долю страны приходится более 35% мировых продаж химической продукции. Многие крупные компании на рынке имеют свои химические заводы в Китае. В связи с растущим спросом на различные химические вещества на биологической основе во всем мире, прогнозируется, что спрос на фурфурол в этом секторе будет расти в течение прогнозируемого периода. Ожидается, что химическая промышленность Индии также будет быстро расти, поскольку что растет потребность в химикатах и агрохимикатах. Правительство Индии прогнозирует, что к 2025 г. химическая промышленность достигнет $304 млрд, а возможности открываются благодаря ожидаемому увеличению спроса на фурфурол.

Следует отметить, что процесс получения фурфурола содержит технологические инновации и может дать существенную прибыль при реализации. Способ реализации – пилотная установка мощностью 3000 т фурфурола в год. При цене фурфурола на рынке $3-5/кг от крупнейшего производителя и потребителя фурфурола – Китая, реализация по году 3000 т при цене $3/кг может составить $9 млн или примерно 900 млн рублей при расчетной себестоимости 170 руб./кг.

Аппаратурная схема получения фурфурола

В советский период Научно-исследовательский и проектный институт биотехнологической индустрии «НИПИ БИОТИН» успешно проектировал производственные участки по выпуску фурфурола из паров самоиспарения гидролизатов на предприятиях гидролизной промышленности и планируемых объемов получаемого фурфурола было вполне достаточно для обеспечения нужд народного хозяйства. На рубеже 1980–1990 гг. было спроектировано производство фурфурола «прямым» методом, но проект не успели реализовать. В настоящее время проект может быть разработан «НИПИ БИОТИН» и в дальнейшем реализован при предварительном подборе и изготовлении оборудования, что необходимо вынести за рамки проекта как отдельную задачу – решение которой опережающими темпами позволит существенно повысить эффективность отраслевых предприятий.

Валерий Матанцев

Начальник Технологического отдела НИПИ «БИОТИН», эксперт ГУ РИНКЦЭ