Первичные продукты пиролиза древесины

Газообразные, жидкие и твердые продукты пиролиза древе­сины состоят, как и исходная древесина, из трех основных эле­ментов— углерода, водорода и кислорода, в них содержится также незначительное количество азотсодержащих веществ.

Газы. Состав газов, образующихся при пиролизе древесины, мало зависит от породы дерева.

Их состав при переугливании древесины при 400 °С (в объ­емных %) приведен ниже.

TOC o "1-5" h z Компоненты газов……………………………………………….. С02 СО СН4 С2Н4 Н2

Береза……………………………………………………………… 49,0 28,4 18,2 1,4 3,0

Сосна……………………………………………………………….. 49,5 28,5 18,0 1,0- 3,0

Ель…………………………………………………………………. 48,0 28,0 19,0 1,0 4,0

При пиролизе 1 м3 древесины образуется 75—90 м3 некон- денсирующихся газов.

Низшую (полезную) теплоту сгорания 1 м3 неконденсирую — щихся газов, кДж/м3, можно вычислить по формуле

<г„ = 127,5 СО + 108,1 Н2 + 358,8 СН4 + 604,4 С2Н4, где СО, Н2, СН4, С2Н4— объемное содержание этих газов в смеси, %.

Жидкие продукты. Конденсат, получаемый при охлаждении парогазовой смеси, образующейся при пиролизе древесины, на­зывается жижкой или сырой жижкой.

3.1. Состав жижки, полученной при пиролизе древесины в вертикальной реторте периодического действия, %

Компоненты

Береза

Ель

Влажностью, %

8,8

£3,7

7,2

33,0

Кислоты

9,8

5,6

6,4

2,9

МеТИЛОВЫЙ СПИрТ. .-.’ V-

4,0

2,3

2,6

1,0

Сложные эфиры

4,0

3,6

3,2

2,1

Альдегиды

0,9

0,6

0,5

0,2

Кетоиы л

1,9

1,1

1,2

0,8

Смола:

Отстойная

16,5

6,7

20,4

5,6

Растворимая

17,1

4,2

12,5

5,0

Другие соединения

0,3

0,2

0,2

0,1

Вода (по разности)

45,5

75,7

53,0

82,3

Сырая жижка имеет плотность 1,02—1,03 г/см3. Она содер­жит разнообразные органические вещества как растворимые, так и нерастворимые в воде. Некоторые из нерастворимых в воде веществ способны растворяться в жижке, другие же на­ходятся в ней в суспендированном состоянии, в виде мельчай­ших взвешенных капелек. При отстаивании они отделяются от водного слоя, образуя отстойную смолу, собирающуюся в ниж­ней части отстойника. Кроме того, при переугливании дров не­которых пород, в частности березы и осины, образуется неболь­шой слой легких масел, всплывающих на поверхность жижки и по составу близких к дегтю; эти масла образуются в основ­ном вследствие разложения коры. Кроме отстойной смолы в жижке содержится также растворимая смола, отделяющаяся только при перегонке жижки.

Состав жижки (табл. 3.1) зависит от породы переугливае — мой древесины, ее влажности и условий ведения процесса. В ней содержатся: кислоты муравьиная, уксусная, пропионо — вая, масляная, валериановая и др.; спирты метиловый, пропи — ловый, аллиловый и др.; кетоны ацетон, метплэтнлкетон, ме- тилпропилкетон, метилбутилкетон и др.; альдегиды формальде­гид, ацетальдегид, фурфурол и др.; метиловые эфиры уксусной и других кислот; фенолы, эфиры фенолов и многие другие сое­динения.

Чем лучше высушена древесина, тем меньше выход жижки, но тем соответственно больше концентрация полезных компо­нентов в ней. При переугливании березовой древесины, высу­шенной до влажности 8—10 %, выход жижки составляет 280— 295 кг/м3, из воздушносухой получается 350—380 кг/м3 жижки и т. д. Из 1 м3 древесины березы получается больше жижки, чем из осины, поскольку березовая древесина имеет более вы­сокую плотность.

Процесс разложения сухой и влажной древесины протекает различно. Сухая древесина, влажностью менее 10%, выделяет при разложении больше тепла в единицу времени, чем сырая; экзотермическая реакция начинается быстрее и идет более бурно, процесс ускоряется, выход угля снижается. При разло­жении влажной древесины процесс как бы саморегулируется: температура снижается из-за большого расхода тепла на испа­рение влаги, экзотермическая реакция растягивается и скорость обугливания уменьшается, в результате чего выход кислот и угля несколько повышается. Казалось бы, переугливание сырой древесины более целесообразно. Однако это не так: использо­вание реторт в качестве сушильных аппаратов нерационально, а переработка низкоконцентрированной жижки требует увели­чения размеров аппаратуры и повышенных тепловых затрат.

При искусственной сушке древесины происходит испарение влаги с ее поверхности, одновременно идет продвижение влаги от более влажных, внутренних слоев древесины к менее влаж­ным, наружным. Оба эти процесса ускоряются с повышением температуры, но второй из них протекает медленнее, что приво­дит к растрескиванию древесины и снижению физико-механи­ческих свойств получаемого из нее угля. Чтобы этого избежать, следует ограничивать температуру сушки и применять частично увлажненный теплоноситель. Важным фактором сушки является также циркуляция теплоносителя в сушильном устройстве, не­обходимая для подвода тепла к высушиваемому материалу и отвода испаренной влаги.

Значительное повышение температуры сушки допускается при высушивании чурок в непрерывнодействующей сушилке при параллельных потоках древесины и теплоносителя. В этом случае с нагретым до 300 °С теплоносителем соприкасается наи­более влажная древесина, а частично подсушенная древесина — со значительно охладившимся теплоносителем, что предохра­няет ее от загорания.

Значительное влияние на выход продуктов, в частности ук­сусной кислоты, оказывает величина кусков древесины. Так, из чурки получается на 8 % больше уксусной кислоты, чем из метровых отрезков.

Чтобы ускорить процесс пиролиза, получить достаточно кон­центрированную жижку и снизить затраты топлива на ее пере­работку, следует использовать чурку, высушенную до влаж­ности Ш—15%.

Твердые продукты (древесный уголь). При одинаковых ус­ловиях переугливания древесины различных пород уголь имеет почти одинаковый состав. С повышением температуры пере­угливания выход угля снижается, но одновременно повышается его качество (табл. 3.2); несколько снижается выход угля и при ускорении переугливания.

Уголь не должен быть пережженным или недожженным. Пережженный уголь получается при действии свободного кис-

Конечная

Выход

Абсолютно

Состав угля.

%

Теплота

Температура выжнга угля, С

Сухого угля

От абсолютно сухой древесины.

С

Н

O+N

Сгорания,

КДж/кг

400

39,2

76,1

4,9

19,0

32 740

450

35,0

82,2

4,2

13,6

33 120

500

33,2

87,7

3,9

8,4

34 210

550

29,5

90,1

3,2

6,7

34 420

600

28,6

93,8

2,6

3,6

34 500

650

28.1

94,9

2,3

2,8

34 710

700

27.1

95,1

2,2

2,7

34 880

Лорода на раскаленный уголь, он имеет много трещин, хрупок, иногда на нем виден белесый налет. Недожженный уголь полу­чается при недостаточной температуре или продолжительности выжига, он содержит головни, имеет бурый цвет, при сжигании горит пламенем. Трещины снижают прочность угля, поэтому наиболее прочный уголь получается из коротких отрезков, ко­торые меньше растрескиваются в процессе сушки и пиролиза. Объем хорошо прокаленного угля составляет примерно 60 % от объема исходной древесины.

Зольность древесного угля колеблется от 1 до 4 %; при этом зольность крупного угля из древесины сухопутной доставки обычно не превышает 1,5%. Уголь, выгруженный из реторты, не содержит влаги, но поглощает ее из воздуха до влажности 10—15%.

Уголь считается хорошим, если насыпная масса 1 м3 бере­зового угля нормальной влажности не менее 175 кг, осинового 140, соснового 135, елового 120 кг.

Важной характеристикой угля является содержание неле­тучего углерода. Под нелетучим (или твердым) углеродом по­нимают остаток от кратковременного прокаливания угля в строго определенных условиях, под летучим — углерод, содер­жащийся в летучих продуктах, выделяющихся при таком про­каливании. Чем выше температура выжига угля, тем больше в нем доля нелетучего углерода.

Древесный уголь обладает высокой пористостью, чем объ­ясняются его адсорбционные свойства. Пористость угля можно определить по его плотности с учетом плотности угольной массы, равной около 1,8 г/см3.

Уголь……………………………….. Еловый Сосновый Березовый Осиновый

Плотность, г/см3 …. 0,27 1 0,347 0,42 4 0,309

Пористость, % 85 81 77 83

Древесный уголь в настоящее время рассматривают как трехмерное полимерное вещество, состоящее из связанных между собой конденсированных ароматических структур с раз­личным числом колец; эти структуры алкилированы алифати­ческими цепями, которые могут содержать различные гетеро­атомы. Чем выше конечная температура пиролиза древесины, тем больше в полученном угле ароматических соединений и тем глубже идет процесс конденсации этих соединений в полиядер — ные системы.

Выход угля можно значительно повысить, если пиролиз ве­сти с катализаторами, для чего пропитать древесину их вод­ными растворами. Особенно эффективными являются кислотно — перекисный катализатор ЦНИЛХИ (2,5 % серной кислоты и 0,2 % перекиси водорода от массы древесины) и диаммоний — фосфат. Катализатор ЦНИЛХИ позволяет значительно снизить температуру термораспада древесины, в несколько раз повы­сить скорость этого процесса и увеличить в 1,3—1,5 раза выход угля.

Выгруженный из реторт горячий древесный уголь поглощает кислород из воздуха, при этом он еще более разогревается, в результате чего может произойти самовозгорание угля. Наи­большую способность к самовозгоранию имеют угли, выжжен­ные при низких температурах и содержащие до 30 % летучих веществ; температура самовозгорания таких углей ниже 150 °С. Угли с небольшим содержанием летучих веществ могут само­возгораться при температуре выше 250 °С. Самовозгорание дре­весного угля — результат его автоокисления, развивающегося лавинообразно, с быстрым повышением температуры под влия­нием имеющихся в угле парамагнитных центров. Это цепной разветвленный процесс, имеющий определенные критические параметры. Если при контакте угля с воздухом эти параметры не будут превышены, то уголь не воспламенится.

Исходя из этого, сделан вывод, что стабилизация горячего угля может быть осуществлена путем контролируемого охлаж­дения его воздухом на конвейере. Оптимальные условия этого процесса: температура угля в момент выгрузки из вертикаль­ной непрерывнодействующей реторты 170 °С, высота слоя угля на конвейере 60—100 мм, продолжительность охлаждения 7 мин, температура угля, сходящего с конвейера, 70—80 °С. В этих условиях уголь поглощает кислород из воздуха, не ра­зогреваясь, стабилизируется и теряет способность самовозго­раться. При низкой температуре окружающей среды уголь ох­лаждается слишком быстро и не успевает стабилизироваться, поэтому в зимнее время кожух конвейера должен быть тепло­изолирован.

Древесный уголь широко применяется в народном хозяйстве, в частности как металлургическое топливо и химический реа­гент в производстве ферросплавов и в цветной металлургии, для получения кристаллического кремния, для выработки се­роуглерода, для производства активных углей, для производ­ства электродов, как катализатор в контактных процессах, для изготовления карбюризатора и др. Мелкий уголь (фракция

Показатель

Марка А, сорт

Марка Б, сорт

Марка В

Высший

1-й

1-й

2-й

Кажущаяся плотность,

0,37

0,37

Не нормируется

Г/см:!, не менее

Массовая доля, % :

Золы не более

2,5

3,0

2,5

3.0

4.0

Нелетучего углерода не

90

78

88

77

67

Менее

Мелкого угля(с размером

5

5

7

7

7

Зерен в местах погрузки

Менее 12 мм) не более

4—12 мм) находит применение в качестве добавки к кормам животных, особенно поросят; он содержит значительное коли­чество микроэлементов, имеющих важное значение при кормле­нии молодняка.

Требования к качеству угля определены ГОСТ 7657—84 (табл. 3.3). Для производства активных углей предназначен древесный уголь только марки А, к которому в этом случае предъявляются дополнительные требования: фракция мелкого — угля считается с размером зерен менее 25 мм (вместо 12 мм), масса 1 дм3 угля (измеряется взвешиванием определенного объ­ема измельченного угля) не менее 210 г. Содержание воды во всех марках угля не более 6%, причем по согласованию с по­требителями допускается (кроме угля высшего сорта марки А) до 20% с пересчетом фактической массы на 6%-ную влаж­ность.

Предельно допустимая концентрация аэрозоля древесного — угля в воздухе рабочей зоны 6 мг/м3. Минимальная темпера­тура самовоспламенения 340 °С, нижний концентрационный предел воспламенения древесно-угольной пыли в воздухе 128 г/мэ.

Вы можете оставить комментарий, или ссылку на Ваш сайт.

Оставить отзыв