Производство древесного угля¶
Древесный уголь — твёрдое горючее вещество, получаемое из древесины в результате пиролиза (термического разложения без доступа воздуха). Широко применяется в качестве топлива для барбекю и шашлыка, в металлургии, сельском хозяйстве (для улучшения почвы), а также в промышленности для получения активированного угля. Процесс производства основан на нагреве древесины до температур 300–700 °C в среде с ограниченным содержанием кислорода, при котором древесина разлагается, теряет летучие компоненты и превращается в углеродистый остаток.
¶Сырьё
Основным сырьём для производства древесного угля служит древесина лиственных пород — берёзы, ольхи, дуба, ясеня, а также хвойных — сосны, ели. От породы зависит качество готового продукта: уголь из лиственных пород имеет более высокую плотность, жаропрочность и длительное время горения, поэтому считается более качественным. Хвойная древесина содержит больше смол, что сказывается на запахе и свойствах угля.
Для пиролиза используют как брёвна, так и ветки, щепу, кору. Влажность сырья должна составлять 10–20 %: слишком влажная древесина требует большего расхода энергии на испарение воды, а пересушенная может воспламениться.
¶Способы производства
¶Классический метод — яма
Наиболее древний способ — обжиг в яме. На подготовленной площадке выкапывают яму глубиной около 1–1,5 м, укладывают в неё древесину, поджигают и засыпают землёй или листьями, ограничивая доступ воздуха. Процесс занимает от нескольких суток до недели. Качество угля при этом методе низкое и неравномерное, выход — около 20–25 % от массы сырья. В промышленных масштабах этот способ не применяется.
¶Пиролизные печи (реторты)
Основной промышленный метод — пиролиз в закрытых ёмкостях (ретортах). Древесина загружается в герметичную камеру, из которой откачивается воздух или ограничивается его подача, и нагревается до 400–600 °C. При этом выделяются горючие газы (уксусная кислота, метанол, смолы), которые направляются на подогрев печи — процесс становится частично самоподдерживающимся.
Различают периодические и непрерывные печи. Периодические (шахтные) загружаются партиями, непрерывные (барабанные, тоннельные) обеспечивают постоянную подачу сырья и выгрузку готового угля.
¶Барабанные печи
Барабанная печь представляет собой вращающийся цилиндр, наклонённый к горизонту. Древесина поступает с одной стороны, медленно продвигается по печи, нагревается и на выходе превращается в уголь. Производительность таких печей высокая, качество угля — равномерное. Метод позволяет перерабатывать мелкую фракцию — щепу, ветки, кору.
¶Печи тоннельного типа
Представляют собой горизонтальный тоннель, в котором загруженные вагонетки с древесиной медленно проходят через зоны с разной температурой. Используются на крупных производствах.
¶Технологический процесс
Независимо от типа печи, процесс включает несколько стадий:
- Подготовка сырья — распиловка, сушка до влажности 10–20 %.
- Нагрев до 100–150 °C — испарение влаги.
- Пиролиз при 200–300 °C — начало разложения целлюлозы и гемицеллюлозы, выделение уксусной кислоты и метанола.
- Основной пиролиз при 300–500 °C — разложение лигнина, интенсивное выделение газов и смол, формирование углеродного каркаса.
- Охлаждение — в бескислородной среде, чтобы уголь не воспламенился.
Выход угля (углистый остаток) составляет 25–35 % от массы исходной древесины в зависимости от породы и режима обжига.
¶Качество и характеристики
Качественный древесный уголь отличается:
- высокой теплотой сгорания (27–35 МДж/кг);
- низким содержанием золы (обычно 2–5 %);
- длительным и ровным горением;
- малым содержанием влаги (3–7 %).
Бракованный уголь содержит много золы, влаги, неоднороден по размеру фракций.
¶Применение
Основные области применения:
- Топливо — барбекю, мангалы, кальяны, шахты для плавки металлов.
- Металлургия — восстановитель агент в производстве некоторых металлов.
- Сельское хозяйство — биоуголь (термообработанная древесная биомасса) улучшает структуру и плодородие почвы.
- Промышленность — сырьё для производства активированного угля.
¶Экологические аспекты
Производство древесного угля сопряжено с выбросами дыма и летучих веществ. На крупных предприятиях дымовые газы очищают, а летучие продукты пиролиза сжигают в качестве топлива. В ряде стран, включая Россию, добыча угля в самодельных печах и ямах регулируется нормами пожарной безопасности и охраны окружающей среды.
¶История
Производство древесного угля известно с глубокой древности — археологические находки указывают на его использование ещё в бронзовом веке для металлургии. В России в XVIII–XIX веках древесный уголь был основным топливом для доменных печей, а к началу XX века его вытеснил каменный кокс.
Источники:
- Большая энциклопедия топлива и горения
- ГОСТ 7657-84 «Уголь древесный. Технические условия»
- Справочник по пиролизу и газификации твёрдого топлива
- Материалы лесопромышленного комплекса России