Полезно

Пиролиз древесины

Для того, чтобы из древесины получился уголь, ей нужно пройти процесс пиролиза, разложения без доступа воздуха.
Древесина разлагается в газовой бескислородной атмосфере, в реторте, под воздействием нагрева. Реторта — это замкнутый сосуд, нагревание производят через ее стенки. Парогазы, которые образуются в процессе пиролиза, выводятся через патрубок в реторте. Далее в устройстве для конденсации газ отделяется от жидкости.
Технический процесс начинается с того, что древесину кладут в реторту, закрывают загрузочное отверстие и нагревают аппарат до 400-500°С. Пирометр, расположенный в рекреационном отверстии, помогает регулировать температуру.

Процесс пиролиза состоит из трех основных стадий, которые различаются между собой по контрольным замерам и внешним признакам.
Первый этап — это сушка древесины. При температуре до 150°С из сырья выделяется влага.
Второй этап — собственно пиролиз, сухая перегонка. При температуре 150-350°С выделяется газ, и в дистилляте образовываются органические продукты. На этом этапе протекает важный для всего процесса период, называемый экзотермическим. Он заключается в том, что пиролиз проходит энергично, выделяется реакционное тепло, это происходит при температуре около 280°С.
Третий этап, прокалка. Если на предыдущем этапе образовался уголь, то на этом происходит отделение от него смол в небольшом количестве и множества неконденсируемых газов. Температура на этом этапе начинается с 350°С и доходит до 550°С.
Процесс распада древесины очень сложный, так как она состоит из целого комплекса органических соединений. Они имеют различный молекулярный вес, поэтому протекающие между ними химические реакции тоже различны. Рассчитать или детально описать все эти реакции будет трудно. Однако, в общих чертах это возможно. Первым, при температуре 150°С, начинается распад ксилана, процесс продолжается при 250°С и более. В результате образуются такие вещества, как уксусная кислота, фурфулол и газы. При температуре 200°С начинается распад лигнина, что приводит к высвобождению летучих низкомолекулярных соединений. А при 300°С разлагается целлюлоза.
В процессе пиролиза протекают химические реакции, последовательные и параллельные, которые сопровождаются появлением новых и разрывом старых связей, которые существовали до термической обработки. Получившиеся в результате новые вещества начинают взаимные реакции. Годы лабораторных исследований и полученный на производстве опыт дали возможность установить связь между протекающими процессами, между химическими составляющими древесины и продуктами, получающимися в результате ее распада. А также установить факторы, которые влияют на эти процессы. Главные показатели, которые определяют ход процесса пиролиза, — это сырье и технические условия его обработки.

Требования к аппаратам для пиролиза древесины

Существует множество аппаратов для термического разложения древесины. Некоторые из них пользовались популярностью в прошлом, но теперь утратили свою актуальность. Другие функционируют и сейчас. Есть категория аппаратов, которые не были воплощены в жизнь и остались на бумаге, на уровне конструкторских разработок.

На сегодняшний день стало возможным построить аппарат, основываясь на знаниях, накопленных в течение нескольких поколений, не изобретая новых технологий. Можно исходить исключительно из пожеланий заказчика и особенностей спроса и сырья, его количества и состава. Самые оптимальные решения углевыжигания в условиях производства сегодня — это те, которые могут быть использованы на территории лесопромышленного предприятия и в состоянии переработать отходы. Необходимые условия для подобного оборудования:
1. Жидкие продукты переработки должны сжигаться, потому что отсутствует необходимость их использования в других целях.
2. Объем производительности оборудования по сырью должен соответствовать объему предприятия по отходам. В таком случае перевозка сырья исключается по ненадобности, на транспортировке экономятся деньги.
3. Простота конструкции установки. В случае перемещения лесозаготовок, она должна быть транспортабельной и удобной в перемещении
4. Экологичность оборудования нужна для того, чтобы свести к минимуму загрязнения окружающей среды
5. Простота в управлении, соответствие нормам пожаробезопасности.
Долгие годы углежжение было экологически небезопасным. А с учетом того, что потребление угля постоянно росло, чистота окружающей среды оказалась под вопросом. И промышленность, и население пользовались результатами работы углевыжигательных ям и бочек. Рос спрос на продукцию и товары, которые изготавливали при помощи угля. Немного позже изобрели печи для производства угля, они нуждались в огромных трудозатратах и вложениях сырья. При этом они производили много выбросов в атмосферу. Не имея изоляции, эти печи нагреваются до 300°С, что является нарушением норм техники безопасности и ставит под угрозу здоровье и жизни людей, обслуживающих оборудование.
В 1992 году была изобретена печь, в которой одновременно в разных секциях происходят процессы сушки, пиролиза и прокалки угля. Парогазы, образующиеся в процессе, выгорают внутри печки. В результате удовлетворяется потребность в дополнительном тепле в том случае, если у дров пониженная влажность. Данная установка в состоянии переработать не только сырье из древесины, но и различные отходы, сельскохозяйственные остатки. Эффективность этой печи заключается в том, что в ней снижены теплопотери. Для охлаждения угля не нужно охлаждать всю установку, достаточно всего лишь вынуть реторту, в которой уже завершился процесс.
Наряду с этими революционными печами, спросом также пользуются компактные, способные к транспортировке к месту производства или скопления сырья. Например, они могут использоваться для переработки отходов лесхозов, при прокладке дорог в многолесных районах. Опилки — это неиспользуемое сырье на многих лесопилках. Для их обработки требуются большие энергозатраты, несоизмеримые с прибылью. Для этих целей можно использовать метод изготовления угля из опилок, спрессованных в брикеты.

Изготовление древесного угля

Одна из древнейших технологий производства в истории человечества — это изготовление продуктов горения древесины. Судя по результатам археологических раскопок, пещерные люди уже знали, что такое древесный уголь. Его могли делать специально или собирать на местах пожаров. В бронзовом веке древесный уголь стал одним из столпов развивающейся культуры. Его изготавливали из тлеющих головней и использовали как топливо, которое не вызывает угара.
В каждой русской деревне в старину была своя кузница. Только в кузне можно было изготовить множество предметов, таких как подковы, соха, коса. И кузницы работали на древесном угле. Ковкий и пластичный чугун великолепного качества можно изготовить исключительно на древесном угле.
Еще одно исторически сложившееся применение древесины — это производство сосновой смолы и дегтя как продукта термической переработки дерева.
Древесный уголь — один из важных продуктов промышленности. Он экологичен, потому что не содержит серы, фосфора, тяжелых металлов. Изготовление сорбентов — еще один вариант применения угля.
На сегодняшний день во всем мире производят около 9 млн тонн древесного угля в год. Львиная доля производства приходится на Бразилию, около 7,5 млн тонн. Россия, несмотря на большое количество леса, производит около 350 тысяч тонн в год. Предложение не покрывает спрос, поэтому в Россию импортируют уголь из Украины, Китая, Белоруссии.
Потребление древесного угля на душу населения в России составляет менее 100 грамм в год. В то же время, среднестатистический европеец расходует более 20 кг угля в год, японец — более 60 кг в год.
При изготовлении древесного угля предпочтение отдается сырью из твердолиственных пород деревьев. Уголь из них получается плотный и прочный. Однако, в современных условиях уголь также изготавливают из отходов хвойных пород, из кустарниковых и осины. Из них тоже можно сделать хороший качественный уголь, если не отклоняться от отработанной технологии и брикетировать продукцию.
Из-за того, что существуют различное сырье и технологии изготовления, в результате обработки получается несколько разновидностей древесного угля. Например, существует сорт топлива для грилей и каминов, называемый «красный уголь». Его производят путем мягкого углежжения при невысокой температуре. В Японии популярен «белый уголь», его выжигают из дальневосточного белого дуба.
Во время термической обработки древесины при ее распаде образуется древесный уголь и другие продукты — жидкие и газообразные.
Жидкие продукты сгорания выходят в капельной фазе, и частично — в парообразном виде. Вместе с неконденсирующимися газами они образуют парогазовую смесь. Эти продукты были так же востребованы, как и уголь, до середины ХХ века. Позже их вытеснили продукты нового поколения, более дешевые, изготовленные из природного газа и нефтепродуктов.
Важным условием получения качественного древесного угля является соблюдение тонкостей технологии производства. Она довольно проста, но если пренебречь ее условиями, то уголь получится мелким, трещиноватым, недожженным, на выходе его будет меньше.

Польза от древесного угля

Сегодня становится очевидным, что с каждым годом масштабы использования древесного угля растут. Это неудивительно, древесный уголь – наиболее экологически чистый вид топлива, соответствует самым высоким требованиям в отличие от дров, торфа и каменного угля. Главные преимущества древесного угля заключаются в следующем:
— готовое топливо высокого качества, экологически чистое и безопасное;
— при горении не образует дыма и пламени, давая при этом требуемую температуру;
— высокая теплоотдача – 31000кДж/кг;
— отсутствие каких-либо вредных веществ;
— неспособность к самовозгоранию;
— хорошая поджарка продуктов благодаря ровному горению и длительному сохранению жара;
— возможность использования для гриля, барбекю, каминов и открытых костров.
Если уголь спрессовать в брикеты, то это придает ему удобную форму, в результате чего при горении выделяется в 1,5 раза больше тепла, а само горение длиться намного дольше, что дает возможность приготовить большее количество пищи.

Преимущество использования древесного угля для приготовления мяса состоит в том, что оно обдается не открытым огнем, а жаром, что делает такое приготовление наиболее безопасным и безвредным для здоровья. В качестве сырья для такого угля лучше всего подходит березовая или дубовая древесина
Древесный уголь относится к малозольным материалам из-за отсутствия в нем посторонних химических примесей. Он обладает высокой теплоустойчивостью и удельным электрическим сопротивлением. Если уголь проколоть, то его электропроводность повыситься и за счет этого можно получать продукты с установленными диэлектрическими свойствами. Для изготовления второстепенных изделий часто используют такие отходы древесноугольного производства как угольная пыль и угольная мелочь, которым не везде можно найти применение.
Сегодня в Европе и азиатских странах все более популярным становится производство угля с использованием брикетных опилок. Таких опилок на любом производстве образуется большое количество, и превращение их в товарную продукцию дает возможность предприятию получить дополнительную прибыль. Плотность брикетов достигает 1100-1200 кг/м, что дает возможность использовать их как высококачественное топливо.
Недавно японские ученые сделали еще одно открытие в пользу древесного угля. Оказывается, он способен поглощать неприятные запахи и вредные элементы в помещении, улучшая тем самым самочувствие человека.

Древесный уголь в промышленном производстве

Древесный уголь – это топливо, которым люди пользовались с древних времен. Позже его начали использовать в кузнях, плавильных печах и медицине. В настоящее время уголь все больше находит свое применение в промышленности и других сферах производства.
В промышленности древесному углю отведена роль восстановителя. Из-за уникального состава его начали применять в этой сфере еще в начале двадцатого века. Например, в Бразилии благодаря древесному углю производят чугун. Такой чугун не содержит элементы фосфора и серы, которые попадают в него при использовании каменноугольного кокса, а расход угля составляет всего 0,5 тонны на одну тонну чугуна. Чугун, полученный при помощи древесного угля, более крепкий и не поддается разрушению. Эти преимущества сегодня широко используют в России, где из чугуна делают решетки, скульптуры и настольные фигуры.
Древесный уголь широко популярен как покровный флюс для выплавки бронзы, латуни, никелевых сплавов, марганца и других ценных металлов. В радиоэлектронной промышленности древесный уголь незаменим при создании кристаллического кремния и выплавки кремнистых сплавов.
Удачно применяют древесный уголь из мягколиственных пород древесины в приборостроении и полиграфическом производстве для шлифовки и полировки деталей. За счет низкого содержания в нем золы и загрязнений, уголь используют для производства твердой смазки, в которой сильно нуждаются предприятия машиностроения.
Уголь из древесины ольхи нашел свое применение в производстве дымных порохов. Содержание углерода в таком угле составляет от 72 до 80 процентов, что дает высокую скорость горения в отличие от угля, основанного на других породах древесины, который слишком долго возгорается.
В наше время во многих отраслях народного хозяйства нашли применение электороугольные изделия. Их производят из чистых углеродных материалов, таких как древесный уголь, нефтяной и пековый кокс. Такие изделия действуют в электрооборудовании разнообразных двигателей, в электромашинах и т.д.
В пластмассовом производстве древесный уголь позволяет заменить дорогой и дефицитный гранит. Здесь его используют в качестве наполнителя пластмасс.
В Западной Европе древесный уголь можно найти в продаже практически в любом магазине. Постепенно данное новшество приходит и к нам. Приобретают его чаще всего дачники, любители загородного отдыха, шашлычные, рестораны. Приготовленное на угле блюдо обладает приятным ароматом дымка и поджаристой корочкой, что делает его вкус незабываемым.

Переработка отходов

Проблема утилизации двервесных отходов была и остается одной из самых насущных для предприятий по лесозаготовке и переработке. Только при заготовке древесины теряется до 25% биомассы, которая остается в лесу. При дальнейшей переработке отходов образуется не меньше: опилки стружки, срезки, горбыли.
Одной из главных тенденций в этом направлении сейчас является сжигание для получения тепловой и электрической энергии. Однако неудобства транспортировки и складирования ряда отходов делают этот процесс довольно затратным. Но все возрастающее использование древесного угля в качестве альтернативы традиционным видам топлива, побуждает людей к поискам новых направлений борьбы с лесными отходами. Последним достижением в этой сфере является получение так называемого древесного угля-сырца. При этом методе происходит переработка отходов от вырубки и ведется зачистка леса, а главное – утилизируется древесина мягколиственных пород деревьев.
По требованиям ГОСТа существует несколько марок древесного угля: «А», «Б» и «В». Отличаются они типом древесины, разлагаемой без доступа воздуха в специальных аппаратах. Так, марку «А» получают из твердолиственной древесины, «Б» — из смеси твердо- и мягколиственной древесины, «В» — из смеси твердо-, мягколиственной и хвойной древесины.
Именно уголь марки «Б» и «В» позволяет изготавливать древесноугольные брикеты, которые относятся к одним из самых действенных методов подготовки угля к утилизации. На предприятиях, занятых производством древесного угля, образуется довольно большое количество мелких отходов, у которых нет дальнейшего применения, но которые можно образовывать в брикеты. Такие древесноугольные брикеты являются довольно качественным сортом топлива, они обладают высокой механической прочностью и плотностью. Топливные брикеты представляют собой идеальный вид биотоплива, произведенный из чистых древесных отходов без использования каких-либо химических добавок. В Европе такие брикеты стали обыденным делом и одним из наиболее дешевых и экологически чистых видов топлива. Их применяют в домашних условиях для печей и каминов, а также на котельных и ТЭЦ. В топливных брикетах отсутствует сера, из-за этого при сгорании не образуется ее окислов, а содержание углерода является минимальным.
Утилизация отходов – дело не из дешевых и требует высоких капиталовложений на вывоз отходов в качестве мусора, к тому же наносит большой урон окружающей среде. Поэтому оптимальный вариант – это переработка отходов. Она приносит предприятию дополнительную прибыль и не несет загрязнений для окружающей среды.

Область применения древесного угля

Древе ный уголь является углеродной массой, состоящей из большого количества каменноугольных материалов. Древесный уголь производился на протяжении многих тысячелетий, а сегодня он является основным источником энергии во всем мире. Производят его из таких естественных материалов, как дуб, клен и фруктовые деревья. Они дают лучший сорт древесного угля.
Сейчас область применения древесного угля увеличивается. Он используется при фильтрации органических составов хлора, бензина, пестицидов и других ядовитых химикатов, как топливо его можно применять для приготовления стейков, гамбургеров и вообще для любого пикника древесный уголь будет весьма кстати. Древесный уголь полностью безопасен для приготовления пищи на открытом огне. При этом только 30% температуры, выделяемой при сгорании, идет непосредственно на приготовление пищи, остальные же 70% оказываются непригодными. В странах с холодным климатом для максимизации использования выделяемого при сгорании тепла, эти непригодные 70% направляют на обогрев помещения.
Однако использовать его надо весьма рационально, тогда древесный уголь сохранит свою ценность на долгие столетия. Эффективность применения древесного угля состоит в передаче как можно большего количества высокой температуры объекту, который надо нагреть и зависит от того, насколько рационально используется уголь.
Качество древесного угля устанавливают разными методами и способами. Для получения древесного угля высокого качества иногда приходится поднимать цену. Сжигание древесного угля в быту дает очень высокие результаты, что позволяет говорить о его рациональном применении в домашних условиях. Поэтому, считается, что внутренний рынок менее требователен к качеству угля, чем внешний. На внешний рынок уголь экспортируют для использования в сталелитейной и химической промышленности. Следует учесть, что еще уголь применяется в кулинарии и барбекю.
Благодаря своим полезным физическим и химическим свойствам уголь стали применять в сталеплавильной промышленности. Он является самым дорогим сырьем для доменных печей и поэтому должен быть сильно спрессованным.
Полезные свойства имеет не только сам древесный уголь, но и пепел, который образуется после его сжигания. Пепел является таким же минералом, как глина, кварц и окиси кальция, поэтому он нашел свое применение в лесном и сельском хозяйстве в качестве удобрения.

Углевыжигательные аппараты

В настоящее время известно несколько видов древесного угля, который связаны с различной технологией производства и особенностями сырья. Так в Японии большой популярностью пользуется так называемый «белый» уголь. Его выжигают из дальневосточного дуба. Для каминов и грилей за рубежом используют «красный» уголь, изготавливаемый мягким углежжением на низкой температуре.
В качестве сырья для углежжения основное преимущество отдается твердолиственной древесине. Уголь из нее выходит прочный и плотный. В последнее время много внимания уделяют использованию отходов хвойных пород для производства древесного угля, однако чтобы произвести из них качественный уголь его необходимо брикетировать.
На сегодняшний день создано огромное количество аппаратов для термического разложения древесины. Данные углевыжигательные аппараты должны соответствовать следующим условиям:
— продуктивность по сырью равна объему отходов на предприятии, обычно это 3-20 тыс. м3 в год, что позволяет исключить дальние перевозки сырья, которые удорожают производство;
— при низкой производительности жидкие продукты необходимо сжигать, а не перерабатывать. Таким образом, покрываются потребности процесса в тепле;
— аппарат должен быть экологически чистым и не производить выбросы в атмосферу;
— аппарат должен быть простым в изготовлении и транспортабельным;
— аппарат должен быть прост в управлении, взрыво- и пожаробезопасен.
Исторически сложилось так, что углежжение всегда являлось экологически грязным процессом. И то, что за последние сто лет вырос спрос на товары, для изготовления которых нужен древесный уголь, оказывает все большее влияние на экологию, ставя под угрозу выживание самой природы. Но спрос на древесный уголь продолжает увеличиваться. Предпринимателей интересует только прибыль, поэтому в поле их зрения попали дешевые печи УВП-5. Они не требуют много ручного труда, но выбрасывают в атмосферу слишком много паров газов. У печей нет изоляции, поэтому несутся огромные потери тепла. Температура на поверхности печи при экзотерме достигает 300 0С, что нарушает нормативы техники безопасности. Из одного кубометра дров угля выходит в два раза меньше, чем у рационально спроектированных установок, но благодаря плотной укладке дров данные печи являются высокоэффективными по выходу угля на единицу объема установки и на тонну затраченного металла. Использование печи УВП-5 восходит к советской системе, в которой уничтожение природы оправдывалось производственными потребностями.
Альтернативой стала разработанная в 1992 году печь. В 1997 году она получила патент России №2115689. В этой печи реторты установлены таким образом, что если в одной идет сушка, то в другой происходит пиролиз, а в третьей – прокалка угля. Пары газов выводятся через специальные каналы в топочный объем и там догорают. Потребность в тепле покрывается при влажности дров меньше 50%, если влажность больше, то в топку добавляют еще дров. Топка работает без перерыва, а при окончании процесса реторты вынимаются и ставятся на охлаждение в специальные подставки. В свободное отверстие вставляется следующая реторта, заполненная новыми дровами. В итоге топочное пространство не охлаждается, а потери тепла уменьшаются.

Производство древесного угля традиционными и индустриальными методами

Производить и использовать древесный уголь люди начали еще в каменном веке. Тогда он использовался в сельском хозяйстве, а также как топливо для приготовления пищи. В развивающихся странах и сегодня в использовании древесного угля ничего не поменялось. Его все еще продолжают использовать для приготовления пищи, поскольку как топливо он имеет высокую теплотворную способность. В развитых странах направление использования древесного угля несколько поменялось. В настоящее время его применяют в медном и цинковом производстве, а также как топливо для барбекю.
Получают древесный уголь при помощи нагревания древесины, при котором происходит выделение смолы и смеси газов. Важным показателем для качества древесины является уровень содержания влаги. Чем ее больше, тем меньше угля можно произвести. Все известные на сегодня способы производства древесного угля делятся на традиционные и индустриальные.

Традиционными способами производили уголь до начала двадцатого века. Древесину слаживали в ямы, которые выкапывали в виде лодок. В земляных ямах делали отверстия, через которые поджигали древесину. Из-за своей дешевизны, такой способ используют и до сегодняшнего дня в развивающихся странах, однако производительность выходит очень низкая: всего 1 кг древесного угля из 10-12 кг леса. В 70-х годах прошлого века люди начали улучшать традиционные методы производства. Первым шагом в этом направлении стало оборудование земляных печей дымоходами, которые делали из нефтяных барабанов. Благодаря этому происходит частичное сгорание деревянной окантовки для обеспечения высокой температуры, требуемой для коксования. В итоге 1 кг древесного угля удается получить из 8 кг леса.
В конце двадцатого века открываются индустриальные технологии, позволяющие повысить результат и качество производства древесного угля, которых невозможно достигнуть при традиционных методах. Были созданы новые типы печей с автоматическим и полуавтоматическим управлением, что подняло производительность до 1 кг древесного угля с 5-7 кг леса. Однако заводы с данным способом производства выбрасывают в окружающую среду слишком много дыма, сажи и грязного воздуха, что является небезопасным для здоровья человека. Поэтому последней тенденцией в индустриальном производстве древесного угля является усовершенствование оборудования для минимизации влияния его работы на экологию, сохраняя при этом качество и количество древесного угля на высоком уровне. Для этого стальные емкости заполняют высушенным лесом и помещают в выложенную кирпичом печь, которая предварительно нагрета до 900 0С. Нагретые вместе с лесом смолы и газ поступают в специальную высокотемпературную камеру сгорания. Газ в этой камере применяется для нагрева печей коксования и предварительной сушки леса. При правильном управлении температурой, в таком современном оборудовании 1 кг древесного угля можно получить из 3-4 кг леса.