Производство древесного угля, пиролиз древесины

Пиролизом называется процесс разложения органических материалов под действием высоких температур. Важным условием процесса является ограничение доступа воздуха в камеру для предотвращения горения и окисления. Пиролиз – это основной процесс получения не только твердых углеродов, но и углеводородного сырья в целом.

Пиролиз древесины также называется сухой перегонкой или «варением угля». Основной целью этой процедуры является получение древесного угля в виде твердого сухого остатка, а также попутных продуктов в виде пиролизной жидкости (жижки) и парогазов. Выделяющийся при реакции газ прекрасно горит и может быть использован для получения тепловой энергии.

В результате переугливания березовой древесины на выходе получается в абсолютных цифрах около 25 процентов древесного угля, 50 процентов – жидкие продукты и еще 20-25 процентов газообразные вещества, в том числе неконденсируемые газы. В зависимости от породы и влажности исходного сырья эти данные могут незначительно отличаться.

Пиролизная жидкость содержит более 350 полезных химических компонентов, которые могут быть выделены путем различных преобразований. Это, в первую очередь, различные кислоты: уксусная, муравьиная, валерьяновая и т.д. Спиртовая группа представлена метанолом. Также присутствуют формальдегид, ацетон, вещества эфирной группы. По массе жижка содержит 60-80 процентов воды, 5-15 процентов древесных смол, до 10 процентов веществ кислотной группы, около 5 процентов метанола и примерно 5 процентов соединений остальных групп.

При соблюдении технологии производства уголь из всех пород имеет практически одинаковый состав органической массы, но разную плотность – это порядка 80-85 процентов углерод, а также водород и кислород 4-5 и 5-15 процентов соответственно. При этом содержание углерода можно повысить практически до 99 процентов за счет прокаливания древесного угля при более высоких температурах, однако при этом существенно уменьшается его выход. Зольность древесного угля регулируется ГОСТом и не должна превышать 3 процентов для углей марок А, Б, и 4 процентов для марки В. В состав золы входят минеральные примеси, состоящие главным образом из карбонатов и оксидов натрия, калия, кальция, железа, алюминия и т.д.

Процесс пиролиза древесины позволяет выделить несколько стадий, характеризующихся прохождением определенных физических и химических реакций. К первой стадии относится подсушивание древесины. На этой фазе необходим подвод теплоносителя, обеспечивающий равномерный прогрев всей массы сырья, с эффективным удалением воды. Процесс протекает при температурах 130-150 градусов и имеет важное влияние на результирующее качество древесного угля.

Термический распад древесины начинается после сушки и происходит в температурном режиме 150-275 градусов. Эта стадия пиролиза протекает также с внешним подводом тепла и сопровождается выделением из древесины наименее стойких компонентов. Выделяется углекислый газ, уксусная кислота и другие вещества. При температуре 275-290 градусов начинается экзотермический период, сопровождающийся энергичными реакциями и активным выделением тепла. Температуры на этой стадии возрастают до 350 градусов. Происходит распад основных элементов древесины, выходит большое количество газов, углеводородов, эфирных соединений, кислот, метанола. Стадия прокаливания древесного остатка начинается от 350 градусов. Ее окончание обычно не превышает 450-550 градусов, в зависимости от технологического процесса. Поднимать температуру выше имеет значение только для получения угля с более высоким содержанием углерода, однако при этом существенно снизится его выход. На этой стадии из угля удаляются тяжелые смолы, а также неконденсируемые газы.