07.08.17

Производство древесного угля. Часть 2

Абсолютно сухой древесины практически не бывает. Влажная древесина должна высохнуть, прежде чем начнется ее разложение. Пока в ее поверхностных слоях имеется влага, температура древесины не может превышать 100 °С, то есть температуры кипения воды. Только когда наружные слои высохнут полностью, температура древесины начинает повышаться. Древесина состоит из нескольких компонентов, имеющих различный химический состав. Сначала, при температуре на поверхности куска примерно 180-200 °С, начинают разлагаться гемицеллюлозы, затем целлюлоза и потом лигнин. При температуре на поверхности до 280-290 °С идет только отщепление небольших звеньев, образующих газы и легкие жидкие продукты. Ближе к 300 °С начинается более бурный процесс распада, сопровождаемый выделением тепла (экзотерма). При этом температура древесины растет самопроизвольно, пока не выделится все тепло экзотермы. Следующий этап требует снова подвода внешнего тепла. Это прокалка угля. Рассмотрим главные этапы подробнее.

СПОСОБЫ НАГРЕВА МАТЕРИАЛА

Нагрев — это подвод тепла к материалу. Существует много способов нагреть материал (индукция, тепловая радиация и т. д.), но при углежжении обычно применяется либо прямой нагрев горячим газовым потоком, протекающим через слой и омывающим поверхность отдельных кусков, либо косвенный нагрев через стенку аппарата. В последнем случае теплопередача менее эффективна.

Прямой нагрев. Сам по себе этот способ подвода тепла более эффективен, чем другие, однако сопряжен с некоторыми технологическими проблемами, о которых поговорим позже. Движение газа через слой не бывает равномерным по сечению. При вертикальном движении вверх поток у стенок всегда больше, чем через слой. У стенок всегда больше пустот, и поэтому меньше сопротивление потоку. Тепло от горячего газа — теплоносителя — холодным дровам передается через поверхность кусков. Чем мельче загруженный материал, тем больше удельная поверхность. Но тем меньше и размеры каналов — пустот между отдельными кусками. Если мы загрузим в аппарат опилки слоем, то фильтрация потока через них будет ничтожна. Поток пойдет вдоль стенок и проделает каналы в слое. Основная масса частиц омываться не будет. Наличие замкнутых пустот между частицами делает опилки плохим проводником тепла (неслучайно в сельской местности опилки часто подсыпают на зиму к нижним венцам домов для утепления). Теплопередача через слой из-за этого затруднена. Поэтому сушка и пиролиз опилок и других мелких материалов в слое неэффективны.

Есть особенности в распределении потока через слой в зависимости от ориентации аппарата, мест подвода и вывода теплоносителя, отношения высоты аппарата к длине. Следует учесть, что при невысокой скорости потока в пространстве аппарата образуются застойные зоны, обогреваемые хуже других участков.

Технологические проблемы, связанные с прямым нагревом. Сложно приготовить теплоноситель, не содержащий кислорода. Даже при сжигании природного газа для обеспечения полного сгорания необходим избыток воздуха. Остальные виды топлива требуют для нормального горения избыток воздуха больший, чем для природного газа. Поэтому в теплоносителе всегда есть кислород. Можно поставить дополнительную систему для улавливания кислорода из теплоносителя, но она усложняет технологию и создает дополнительный объект, подлежащий контролю и обслуживанию.

Когда теплоноситель, содержащий кислород, поступает в сушилку, возникает необходимость более серьезного контроля, так как подсохшая древесина в сушилке может загореться. Если теплоноситель с кислородом поступает внутрь аппаратов, где протекает пиролиз, то окисление части угля неизбежно. Поэтому выход угля в этом случае уменьшается. Жидкие и газообразные продукты распада древесины смешиваются с негорючими дымовыми газами; образующиеся газы имеют низкую теплотворную способность, и их сложно сжечь. Если и удастся сжечь их с подсветкой из более калорийного топлива, то тепловой КПД будет низким, так как газы разбавлены. Для обратной подачи продуктов горения в пиролизную камеру нужно использовать горячий дымосос, он должен быть сделан из кислостойкого металла, так как возможно попадание в него кислот из продуктов распада. Еще одна сложность: в газетеплоносителе остаются дурнопахнущие вещества, и уголь имеет неприятный запах. Чтобы избавиться от него, нужно зону охлаждения угля выделить в самостоятельный цикл и охлаждение осуществлять отдельным газовым потоком, не содержащим пахучих компонентов.

Нагрев через стенку. В углежжении распространен наружный обогрев встроенных в нагревательные устройства (печи, топки) сосудов, где протекают сушка и пиролиз. Тепло подводится к стенкам этих сосудов чаще всего газовым потоком теплоносителя, иногда прямой радиацией от горящего топлива и раскаленных стенок топки.

При этом в первую очередь нагреваются стенки сосуда. Нагретые газы начинают подниматься вверх вдоль стенок и, остывая за счет передачи тепла материалу, по внутренней зоне опускаются вниз. Образуются циклические потоки, как показано на рис. 3. В горизонтально расположенном аппарате такие потоки играют меньшую роль.

ЧТО ТАКОЕ СУШКА

Перед пиролизом необходимо подсушить дрова. Процесс сушки любого кускового материала состоит из нескольких периодов (рис. 4).

Пока влажность высока, скорость процесса определяется возможностью отвести влагу от поверхности и вывести из аппарата. Это период постоянной скорости сушки (I).

Скорость зависит от состояния газовой среды. Чем выше температура, а также чем быстрее выносится влага с поверхности материала, тем выше скорость сушки. По мере уменьшения влажности падает и скорость движения влаги внутри куска.

Наступает момент, когда влаги к поверхности поступает меньше, чем среда могла бы отвести — начинается период убывающей скорости сушки (II). Влаги к поверхности в каждое следующее мгновение поступает все меньше. Когда фронт влаги отступает внутрь куска, поверхность матери­ала начинает нагреваться до температуры выше температуры кипения воды. Между тем внутри куска температура по-прежнему не превышает 100 °С. Поэтому нередко на поверхности куска идет пиролиз, а внутри — еще сушка. Когда большая часть свободной влаги удалена, скорость сушки начинает резко падать — это период удаления капиллярной влаги (III). Влага в древесине распределяется в крупных и мелких порах, в полостях клеток. Часть мелких пор способна перекрываться при понижении влажности. Такой механизм защищает живое растение от полного пересыхания, но и затрудняет удаление остаточной влаги из древесины. Точка перегиба между периодами I и II называется первой критической точкой. И скорость сушки в периоде I, и время наступления периода II от начала сушки зависят от температуры и режима движения газового теплоносителя, окружающего древесину. Если сушка осуществляется теплоносителем, имеющим температуру не выше 100 оС (как это дела­ется при сушке пиломатериалов), то имеет значение еще и влагосодержание теплоносителя.

Но при сушке дров обычно используются более высокие температуры. Второй критической точкой называют переход от периода II к периоду III. Практически сушка в периоде III протекает чрезвычайно медленно. Для практических целей можно считать, что она прекращается. Нельзя указать точное положение критических точек. Их координаты зависят от внешних факторов и структурных особенностей древесины. Большинство исследователей находят в разных условиях положение первой критической точки соответствующим влажности от 25 до 35% отн., второй критической точки — от 8 до 12% отн.

Отсюда следует, что увеличение продолжительности сушки сверх времени, необходимого для приближения к первой критической точке, чаще всего экономически невыгодно, так как удаление каждого следующего процента влаги требует больше времени, чем удаление предыдущего.

Размер куска играет большую роль при сушке. Чем меньше кусок, тем больше открытых поверхностей приходится на единицу массы и тем быстрее идет сушка. Но это при условии, что слой материала равномерно продувается потоком.

Опилки создают потоку сопротивление, образуют закрытые пустоты между частицами и потому в слое сохнут хуже, чем крупные куски. Структурные особенности древесины обуславливают неодинаковые условия движения влаги изнутри к поверхности в направлениях вдоль и поперек ствола: круглый ствол даже небольшого диаметра сохнет много хуже, чем более толстое колотое полено.

Прежде была принята технология, по которой колотые дрова, сложенные в поленницы, хранились на бирже в течение летних месяцев для естественной просушки. Штабелирование велось вручную, по определенным правилам, с прокладками, что обеспечивало хорошее проветривание. Сверху штабель накрывался корьем. В сухую погоду дрова достигали воздушносухого состояния (25-28% влаги) за первые недели. Такой способ в современных условиях убыточен, так как на долгий срок выводятся из оборота средства, потраченные на заготовку и хранение, требуются большие площади. От этой практики отказались повсеместно. Ручная укладка не окупается. Есть удачный опыт сушки в кучах на решетчатых подставках. В любом случае укладка дров на сушку, а затем отбор их для подачи на переработку — это дополнительное затратное звено. К тому же хранение дров в современных финансовых ситуациях означает снижение темпов использования оборотных средств. Поэтому оптимальна искусственная сушка.

Как уже упоминалось, скорость сушки зависит от температуры теплоносителя. Но сушка — это процесс удаления влаги. При сушке изменяется и структура древесины. Если сушка интенсивна (что бывает при высокой температуре теплоносителя), одновременно образуется много паров. В куске развивается давление тем большее, чем он крупнее и выше температура нагрева. Этим давлением рвет древесину.

Уголь потом получится мелкий и трещиноватый. Напротив, медленный нагрев, процесс, продолжающийся несколько суток с постепенным медленным повышением температуры, позволяет получить отлично выжженный уголь без трещин. Именно поэтому некоторые примитивные технологии от кучного углежжения до использования печей, принятых в Юго-Восточной Азии, дают уголь хорошего качества. Соблюсти эти условия можно в любых печах, а не только в традиционных азиатских. В литературе встречаются ссылки на некую особенность азиатских печей, являющихся единственно возможными для получения особо качественных углей, однако не следует доверять распространителям этих идей. Они либо ограничены в представлениях о процессе либо сознательно дезинформируют читателей ради продвижения «своей» технологии.

Эти «экологически грязные» и расходные печи позволяют получить хороший уголь из-за сильной затянутости процесса. Но такие условия можно воспроизвести и в любых других аппаратах. Только экономические причины (низкая удельная производительность) не просто не позволяют распространять подобный режим повсеместно.
Автор данной статьи: Юрий Юдкевич, канд. техн. наук. Данный материал опубликован с разрешения дочери автора.

Статьи
03.01.18
Основное сырье для производства древесного угля
Древесный уголь – твердое высокоуглеродистое биотопливо, которое производят из древесины путем ее нагревания без доступа кислорода, в результате процесса под
12.12.17
Производство белого древесного угля в Корее
В Корее древесный уголь условно делится на черный и белый уголь, однако такое различие вызвано не цветовыми различиями, и на
07.08.17
Производство древесного угля. Часть 2
Абсолютно сухой древесины практически не бывает. Влажная древесина должна высохнуть, прежде чем начнется ее разложение. Пока в ее поверхностных слоях
07.08.17
Производство древесного угля. Часть 1
Получение продуктов из древесины путем воздействия на нее высокой температуры относится к числу древнейших технологий в истории человечества. Археологические раскопки
21.07.17
Режимные факторы производства древесного угля
Рассматривая режимные факторы, мы имеем в виду зависимость процесса от скорости обугливания, давления в аппарате, конечной температуры и среды, окружающей
21.07.17
Влияние сырьевых факторов на производство древесного угля
В данной статье мы рассмотрим какие сырьевые факторы влияют на производство древесного угля Влажность древесины В производственных условиях для ретортного