Виробництво деревного вугілля. Частина 2
Абсолютно сухої деревини практично не буває. Волога деревина повинна висохнути, перш ніж почнеться її розкладання. Поки в її поверхневих прошарках є волога, температура деревини не може перевищувати 100 °С, тобто температури кипіння води. Тільки коли зовнішні шари висохнуть повністю, температура деревини починає підвищуватися. Деревина складається з декількох компонентів, що мають різний хімічний склад. Спочатку при температурі на поверхні шматка приблизно 180-200 °С починають розкладатися геміцелюлози, потім целюлоза і потім лігнін. При температурі на поверхні до 280-290 ° С йде тільки відщеплення невеликих ланок, що утворюють гази та легкі рідкі продукти. Ближче до 300 °С починається більш бурхливий процес розпаду, супроводжуваний виділенням тепла (екзотермії). При цьому температура деревини зростає мимовільно, поки не виділиться все тепло екзотермії. Наступний етап вимагає знову підведення зовнішнього тепла. Це прогартовує вугілля. Розглянемо головні етапи докладніше.
ЗАСОБИ НАГРІВАННЯ МАТЕРІАЛУ
Нагрівання – це підведення тепла до матеріалу. Існує багато способів нагріти матеріал (індукція, теплова радіація і т. д.), але при вуглевипалюванні зазвичай застосовується або прямий нагрів гарячим газовим потоком, що протікає через шар і омиває поверхню окремих шматків, або непрямий нагрів через стінку апарату. В останньому випадку теплопередача менш ефективна.
Прямий нагрів. Сам по собі цей спосіб підведення тепла більш ефективний ніж інші, однак пов’язаний з деякими технологічними проблемами, про які поговоримо пізніше. Рух газу через шар не буває рівномірним по перерізу. При вертикальному русі вгору потік під стінами завжди більше, ніж через шар. Біля стін завжди більше порожнеч і тому менше опір потоку. Тепло від гарячого газу – теплоносія – холодним дровам передається через поверхню шматків. Чим дрібніше завантажений матеріал, тим більше питома поверхня. Але тим менше і розміри каналів – пустот між окремими шматками. Якщо ми завантажимо в апарат тирсу шаром, то фільтрація потоку через них буде незначна. Потік піде уздовж стінок і відкриє канали в цьому прошарку. Основна маса частинок омиватися не буде. Наявність замкнутих порожнин між частинками робить тирсу поганим провідником тепла (не випадково в сільській місцевості тирса часто підсипають на зиму до нижніх вінців будинків для утеплення). Теплопередача через прошарок через це утруднена. Тому сушка і піроліз тирси та інших дрібних матеріалів у пррошарку неефективні.
Є особливості в розподілі потоку через прошарок в залежності від орієнтації апарату, місць підведення і виведення теплоносія, відносини висоти апарату до довжини. Слід врахувати, що при невисокій швидкості потоку в просторі апарату утворюються застійні зони, що обігріваються гірше інших ділянок.
Технологічні проблеми, пов’язані з прямим нагрівом. Складно приготувати теплоносій, який не містить кисню. Навіть при спалюванні природного газу для забезпечення повного згоряння потрібен надлишок повітря. Решта видів палива вимагають для нормального горіння надлишок повітря більший, ніж для природного газу. Тому в теплоносії завжди є кисень. Можна поставити додаткову систему для уловлювання кисню з теплоносія, але вона ускладнює технологію і створює додатковий об’єкт, який підлягає контролю і обслуговування.
Коли теплоносій, що містить кисень, надходить в сушарку, виникає необхідність більш серйозного контролю, так як підсохла деревина в сушарці може спалахнути. Якщо теплоносій з киснем надходить всередину апаратів, де протікає піроліз, то окислення частини вугілля неминуче. Тому вихід вугілля в цьому випадку зменшується. Рідкі й газоподібні продукти розпаду деревини змішуються з негорючими димовими газами; утворюються гази мають низьку теплотворну здатність, і їх складно спалити. Якщо і вдасться спалити їх з підсвічуванням з більш калорійного палива, то тепловий ККД буде низьким, так як гази розбавлені. Для зворотної подачі продуктів горіння в піролізні камеру потрібно використовувати гарячий димотяг, він повинен бути зроблений з кислостойкого металу, так як можливе попадання в нього кислот з продуктів розпаду. Ще одна складність: у газотеплоносії залишаються речовини з неприємним запахом і вугілля має неприємний запах. Щоб позбутися від нього, потрібно зону охолодження вугілля виділити в самостійний цикл і охолодження здійснювати окремим газовим потоком, що не містить пахучих компонентів.
Нагрівання через стінку. У вуглевипалюванні поширений зовнішній обігрів вбудованих в нагрівальні пристрої (печі, топки) судин, де протікають сушка і піроліз. Тепло підводиться до стінок цих судин найчастіше газовим потоком теплоносія, іноді прямий радіацією від палаючого палива і розпечених стінок топки.
При цьому в першу чергу нагріваються стінки судини. Нагріті гази починають підніматися вгору попід стінами і, остигаючи за рахунок передачі тепла матеріалу, по внутрішній зоні опускаються вниз. Утворюються циклічні потоки, як показано на рис. 3. У горизонтально розташованому апараті такі потоки відіграють меншу роль.
ЩО ТАКЕ СУШКА
Перед пиролизом необхідно підсушити дрова. Процес сушіння будь-якого кускового матеріалу складається з декількох періодів (рис. 4).
Поки вологість висока, швидкість процесу визначається можливістю відвести вологу від поверхні і вивести з апарату. Це період постійної швидкості сушіння (I).
Швидкість залежить від стану газового середовища. Чим вище температура, а також чим швидше виноситься волога з поверхні матеріалу, тим вище швидкість сушіння. У міру зменшення вологості падає і швидкість руху вологи всередині шматка.
Настає момент, коли вологи до поверхні надходить менше, ніж середовище могла б відвести – починається період спадною швидкості сушіння (II). Вологи до поверхні в кожну наступну мить надходить все менше. Коли фронт вологи відступає всередину шматка, поверхня матеріалу починає нагріватися до температури вище температури кипіння води. Тим часом усередині шматка температура як і раніше не перевищує 100 °С. Тому нерідко на поверхні шматка йде піроліз, а всередині – ще сушка. Коли більша частина вільної вологи видалена, швидкість сушіння починає різко падати – це період видалення капілярної вологи (III). Волога в деревині розподіляється в великих і дрібних порах, в порожнинах клітин. Частина дрібних пір здатна перекриватися при зниженні вологості. Такий механізм захищає жива рослина від повного пересихання, а й ускладнює видалення залишкової вологи з деревини. Точка перегину між періодами I і II називається першою критичною точкою. І швидкість сушіння в періоді I, і час настання періоду II від початку сушіння залежать від температури і режиму руху газового теплоносія, навколишнього деревину. Якщо сушка здійснюється теплоносієм, що має температуру не вище 100 оС (як це робиться при сушінні пиломатеріалів), то має значення ще й влагосодержание теплоносія.
Але при сушінні дров зазвичай використовуються більш високі температури. Другий критичною точкою називають перехід від періоду II до періоду III. Практично сушка в періоді III протікає надзвичайно повільно. Для практичних цілей можна вважати, що вона припиняється. Не можна вказати точне положення критичних точок. Їх координати залежать від зовнішніх факторів і структурних особливостей деревини. Більшість дослідників знаходять в різних умовах становище першої критичної точки відповідним вологості від 25 до 35% отн., Другий критичної точки – від 8 до 12% отн.
Звідси випливає, що збільшення тривалості сушіння понад часу, необхідного для наближення до першої критичної точки, найчастіше економічно невигідно, так як видалення кожного наступного відсотка вологи вимагає більше часу, ніж видалення попереднього.
Розмір шматка грає велику роль при сушінні. Чим менше шматок, тим більше відкритих поверхонь доводиться на одиницю маси і тим швидше йде сушка. Але це за умови, що шар матеріалу рівномірно продувається потоком.
Тирса створюють потоку опір, утворюють закриті порожнечі між частками і тому в шарі сохнуть гірше, ніж великі шматки. Структурні особливості деревини обумовлюють неоднакові умови руху вологи зсередини до поверхні в напрямках уздовж і поперек стовбура: круглий стовбур навіть невеликого діаметру сохне набагато гірше, ніж більш товсте колоте поліно.
Перш була прийнята технологія, по якій колоті дрова, складені в дровітні, зберігалися на біржі протягом літніх місяців для природного просушування. Штабелювання велося вручну, за певними правилами, з прокладками, що забезпечувало гарне провітрювання. Зверху штабель накривався корьем. У суху погоду дрова досягали воздушносухого стану (25-28% вологи) за перші тижні. Такий спосіб в сучасних умовах збитковий, тому що на довгий термін виводяться з обороту кошти, витрачені на заготівлю і зберігання, потрібні великі площі. Від цієї практики відмовилися повсюдно. Ручне укладання не окупається. Є вдалий досвід сушіння в купах на ґратчастих підставках. У будь-якому випадку укладання дров на сушку, а потім відбір їх для подачі на переробку – це додаткове затратна ланка. До того ж зберігання дров в сучасних фінансових ситуаціях означає зниження темпів використання оборотних коштів. Тому оптимальна штучна сушка.
Як уже згадувалося, швидкість сушіння залежить від температури теплоносія. Але сушка – це процес видалення вологи. При сушінні змінюється і структура деревини. Якщо сушка інтенсивна (що буває при високій температурі теплоносія), одночасно утворюється багато пари. У шматку розвивається тиск тим більше, ніж він більший і вище температура нагріву. Цим тиском рве деревину.
Вугілля потім вийде невелике і з тріщинами. Навпаки, повільний нагрів, процес, що триває кілька діб з поступовим повільним підвищенням температури, дозволяє отримати відмінно випалений вугілля без тріщин. Саме тому деякі примітивні технології від кучного вуглевипалювання до використання печей, прийнятих в Південно-Східній Азії, дають вугілля хорошої якості. Дотримати ці умови можна в будь-яких печах, а не тільки в традиційних азіатських. У літературі зустрічаються посилання на якусь особливість азіатських печей, які є єдино можливими для отримання особливо якісного вугілля, однак не слід довіряти розповсюджувачам цих ідей. Вони або обмежені в уявленнях про процес або свідомо дезінформують читачів заради просування «своєї» технології.
Дані «екологічно брудні» і витратні печі дозволяють отримати хороше вугілля через затягуваність процесу. Але такі умови можна відтворити і в будь-яких інших апаратах. Тільки економічні причини (низька питома продуктивність) не просто не дозволяють поширювати подібний режим повсюдно.
Автор даної статті: Юрій Юдкевич, канд. техн. наук. Даний матеріал опубліковано з дозволу дочки автора.
