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 свидетельствуют о том, что еще пещерные люди знали древесный уголь.

Его собирали на пожарищах или делали специально, засыпая золой тлеющие головни, и, укрываясь в пеще­рах от непогоды, использовали затем как топливо, не вызывающее угара. Наверное, первый металл был выплав­лен случайно, когда камни, которыми обложили очаг с горящими углями, оказались рудой. С начала бронзового века древесный уголь стал одной из основ развивающейся цивилизации. Кузнецы умели получать уголь для своих нужд уже в XV-XVI веках. До середины XIX века металлургия раз­вивалась в значительной степени на основе древесного угля.

Фактически европейские страны, прежде всего Англия и Франция, лишились своих лесов, изведя их ради углежжения. На древесном угле подня­лась и металлургия нашего «каменного пояса» — Урала.

Сегодня Бразилия первенствует в производстве высококачественного чугуна, используя древесный уголь в качестве восстановителя. Он при­меняется в десятках технологий и в разных областях жизни. Уникаль­ная особенность древесного угля — отсутствие угарного газа в продуктах сгорания — сделала его предпочтитель­ным во многих случаях видом быто­вого топлива. В своей предыдущей публикации автор уже указывал на тот факт, что в развитых странах в последние годы интенсивно растет использование древесного угля в сель­ском хозяйстве. С его применением специалисты связывают новую «зеленую революцию» — очередной прорыв в интенсификации производства сель­скохозяйственной продукции.

КАК ДЕЛАЮТ ДРЕВЕСНЫЙ УГОЛЬ?

Выбор технологии производства древесного угля должен основы­ваться на прогнозировании конъюн­ктуры рынка и учете сырьевых фак­торов. Аппаратурное оформление раз­рабатывается на основе знания сущ­ности протекающих процессов и эко­номического сравнения вариантов обо­рудования. В разных экономических условиях востребованы разные тех­нологические решения. Здесь кроется ответ на вопрос: «Почему при таком обилии конструкций углевыжигательного оборудования надо создавать новые?» Важный момент — требования.

Предъявляемые потребителями к про­дукту. Прежде единственным крите­рием качества угля в нашей стране был ГОСТ 7657-84, который опреде­лял требования к различным сортам угля. Этот ГОСТ составлен во вре­мена, когда главными и почти един­ственными потребителями древесного угля были металлургия и производство активных углей. Сегодня более поло­вины этого продукта используется в быту (например, для жарки шашлы­ков на природе).

Высокое содержание нелету­чего углерода и низкая зольность древесного угля были необходимы потребляющей его промышленности. Основных потребителей устраивало высокое содержание мелкой фракции. Сейчас структура спроса и технологии изменились. Для бытовых целей нужен уголь более крупный и содержащий доста­точное количество летучих — он лучше разгорается.

Последним словом техники в углежжении на протяжении второй половины XX века была вертикаль­ная реторта. Это действительно один из наиболее совершенных аппаратов для углежжения. Но вертикальные реторты создавались под промыш­ленное потребление угля, и качество выпускаемой ими продукции не вполне соответствует бытовым требованиям. Можно привести и другие примеры, объясняющие необходимость разраба­тывать новые конструктивные реше­ния в меняющихся условиях. Предлагаем вниманию читателей разработанную автором схему (рис. 1), которая уже завоевала популярность в СМИ и Интернете. Задача этой схемы — показать, что накопленный поко­лениями углежогов опыт позволяет выбрать вариант технического реше­ния осознанно. Выбор перестает быть результатом озарения. Сегодня накоплено достаточно информации, чтобы иметь возможность грамотно рассчитать гидравлику и теплопере­дачу, массообменные процессы и разработать оборудование.

Отдельно следует рассмотреть про­блему экологичности аппаратов углеж­жения. В журналах и газетах иногда утверждается, что процесс углежже­ния вообще не может быть экологиче­ски чистым. Не владеющие вопросом журналисты получают такую инфор­мацию от малокомпетентных произ­водителей угля и распространяют через прессу. Владельцы и изгото­вители всевозможных «экологически грязных» аппаратов иногда приводят следующий довод: мол, испокон веку уголь делали в кучах, ямах, и ничего. Известно, однако, что мужики, обслу­живавшие те кучи во времена Деми­довых, умирали рано. Просто никто не выяснял, отчего умер тот или иной крепостной. Населенность террито­рий, где производился уголь, была в те времена несравнимо ниже нынеш­ней. И вред, наносимый природе, был менее заметен. К тому же еще не была осознана связь между работой угле­жогов и гибелью окружающих лесов.

ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ УГЛЯ

Образование древесного угля — это отщепление от веществ, составляющих древесину, более низкомолекулярных соединений. В твердом остатке уве­личивается концентрация углерода. С летучими компонентами удаляются кислород и водород, содержащиеся в веществах древесины. Но и углерод тоже. В составе летучей части содер­жание углерода ниже, чем в исхо­дной древесине. В итоге твердый оста­ток пиролиза составляет около трети массы исходных дров, но содержит около половины углерода дров. При­мер распределения элементов в исхо­дной древесине и продуктах распада приведен в табл. 1. Данные приведены в пересчете на абсолютно сухую дре­весину. Такой в природе не бывает, но для расчетов удобно пользоваться этим понятием. Для расчета по фак­тической влажности достаточно доба­вить известную долю воды.

Пример из табл. 1 относится к глубине прокалки, в результате кото­рой содержание нелетучего угле­рода в угле составляет 84% (27,2 х 100/32,4). Выход угля при этом — 32,4%. Уголь может содержать и 76, и 96% нелетучего углерода — это зави­сит от того, как долго и при какой тем­пературе его прокаливают.

В табл. 2 приведен выход и состав угля и парогазов при прокалке, кото­рая довела содержание нелетучего углерода в угле до 94%. Выход угля составляет при этом 24,7%.

При сопоставлении данных табл. 1 и 2 видно, как существенно (примерно на четверть) уменьшается выход угля при увеличении содержания нелету­чего углерода. Из этого можно сделать вывод, что прокаливать уголь нужно только до степени, требующейся заказ­чику. Прокалка, приводящая к получе­нию угля с более высоким содержа­нием нелетучего углерода, убыточна и из-за большей продолжительности процесса, и из-за снижения выхода угля. Выход угля немного повышается, если процесс протекает медленно. Однако встречающиеся иногда данные о выходе на уровне 60% — явное недо­разумение. Продолжительность про­цесса разложения древесины с отще­плением летучих соединений и обра­зованием углеродного остатка состав­ляет обычно от нескольких секунд до нескольких минут. Длительность тех­нологического процесса, исчисляюща­яся часами, зависит исключительно от условий передачи тепла. Образование угля под воздей­ствием тепла — сложный процесс. Его стадии схематически показаны на рис. 2

Автор данной статьи: Юрий Юдкевич, канд. техн. наук. Данный материал опубликован с разрешения дочери автора.