Сухая перегонка древесины – в чем суть пиролиза?

Содержание: [скрыть]

1. Суть процесса
2. Заготовка сырья
3. Оборудование
4. Процесс перегонки
5. Продукты пиролиза
6. Перегонка древесины в домашних условиях

Большую часть древесины составляют органические соединения. Под воздействием высоких температур в условиях вакуума или минимального притока воздуха они распадаются на твердые, полужидкие и газообразные составляющие. Этот процесс называют сухой перегонкой, смолокурением, пиролизом. Он отличается от горения большей сохранностью разлагаемых компонентов. Химические реакции проходят очень быстро и без образования пламени и дыма.

Технология перегонки появилась в XII веке. Тогда в качестве сырья использовались сосновые и другие хвойные породы. Из них добывали смолу для пропитки деревянных частей судов и канатов, древесный уголь. В XIX веке с помощью деструкции углеродсодержащей массы стали получать уксусную кислоту.

Суть процесса

Обычное горение древесины с участием кислорода приводит к воспламенению и испарению выделяющихся газов, полному разрушению твердых составляющих, превращению их в дым, копоть, золу и пепел. Температура пламени при этом достигает 1000°С. Пиролиз — тоже термодеструкция. Результат этого процесса — образование продуктов распада лигнина, целлюлозы и гемицеллюлозы. Сухая перегонка осуществляется в замкнутом пространстве при постоянной температуре в 250–450°С, образующиеся газы и жидкие выделяемые компоненты сразу отводятся и охлаждаются. Процесс сопровождается большой отдачей тепла, но дым и копоть не образуются. Полученные остатки затем можно использовать в промышленных целях или домашнем хозяйстве.

Заготовка сырья

В качестве исходного материала применяют малопригодную для других нужд древесину, отходы производства, в том числе опилки. Принято выделять несколько групп сырья:

• твердолиственные: бук, береза, ильм, дуб, граб, клен, ясень;
• мягколиственные: липа, ольха, осина, тополь;
• хвойные: лиственница, сосна, кедр, пихта, ель.

Существует строгий производственный регламент, согласно которому все поступающие на перерабатывающие заводы лесоматериалы распиливаются, нарезаются и собираются в кучи определенной ширины и высоты на специальных складах. Их размещают на ровных участках, обеспечивают доступ воздуха и освещения.

Подготовка к пиролизу предполагает предварительное высушивание. Этот процесс может быть затруднен, особенно в случае работы с массивом осины или тополя, которые при повышенной сырости склонны к поражению грибком и развитию гниения.

Сушка производится на проветриваемой территории складов естественным образом. Для ускорения процесса материал раскалывают на мелкие отрезки. Подходящей для дальнейшей обработки считается древесина воздушно-сухого состояния: около 12–15%.

Иногда применяют быструю сушку: массив измельчают, помещают в печи или обдают сухим горячим воздухом.

Оборудование

Разложение древесины осуществляется в ретортных печах. Корпуса — цилиндрические емкости, сваренные из металла. Толщина их стенок — около 15 мм. Наверху находится загрузочное отверстие, внутри — решетки для размещения сырья, система подачи теплоносителей, отведения и охлаждения выделяемых жидких продуктов, газов и древесного угля, внизу — порт выгрузки получаемых компонентов.

Промышленное оборудование имеет различные размеры. Чаще используют большие печи, камеры сгорания которых около 2–2,5 м в диаметре. Применяют следующие системы разогрева:

• наружная: металлические стенки реторты раскаляются, запуская процесс разложения древесины;
• внутренняя подача тепла: температура поддерживается смесью выделяемых газов, их КПД обычно в несколько раз ниже, чем у нагреваемых извне.

Оборудование бывает непрерывного, полунепрерывного и периодического действия. В первом случае все этапы цикла происходят одновременно. Когда очередная партия древесины поступает внутрь, из выходного отверстия выгружают готовый уголь. У полунепрерывных устройств процесс упорядочен. Сначала полную обработку проходит первая партия сырья, после выгрузки поступает следующая. Вид оборудования влияет на скорость, с которой происходит разложение древесины.

Существуют котлы, сходные с промышленными, но более компактные. Они предназначены для пиролиза в небольших масштабах.

На результат перегонки влияют условия, в которых происходит процесс, и состояние поступающего материала.

Процесс перегонки

Если загружаемая партия древесины недостаточно сухая, после измельчения ее сушат в закрытой камере при температуре 130°С. Этот этап самый энергоемкий, т. к. требует обязательного внешнего источника тепла. Испарение влаги сопровождается первичным распадом некоторых компонентов древесины.

Дальнейшее нагревание до 155–200°С приводит к началу выделения и испарения газообразных веществ.

Непосредственное разложение всей массы материала происходит при последующем нагреве до 280–420°С. При этом выделяются и отводятся смолы, уксусная кислота, карбонильные соединения. В это же время образуется древесный уголь.

Финальный этап — прокаливание. Температура внутри реторты поднимается до 500°С и выше. Из древесного остатка удаляются тяжелые смолы, углеродистые соединения. Затем продукты охлаждают и выгружают из камеры.

Количество получаемого материала, скорость процесса и затраты энергии зависят от вида и размера кусков древесины, систем оборудования. Быстрый пиролиз с использованием внешних источников тепла приводит к получению большего количества угля и высокой его чистоте при относительно небольших затратах энергии.

Продукты пиролиза

Главные составляющие, ради которых осуществляют перегонку древесины, — уголь и уксусная кислота.

Уголь

Количество получаемого твердого остатка зависит от породы дерева. У твердолиственных бука и березы выход составляет около 25% от первичного материала. У хвойных пород он несколько выше. Меньше всего угля дают мягколиственные растения. Пиролиз опилок позволяет получать угольную муку. При этом выше выход жидкого остатка.

Качественный уголь не имеет трещин, бурого или белесого налета, горит без дыма. Бракованный продукт получается при нарушении технологии пиролиза: недостаточная температура, проникновение воздуха в печи.

Древесный уголь — экологичный и доступный вид топлива, который используется для промышленных и бытовых печей, домашних каминов. Он выделяет большое количество тепла, при сгорании практически не образует побочных продуктов и запаха, имеет низкую себестоимость. Уголь применяют в металлургической отрасли, сельском хозяйстве, для производства фильтров, пластмассы, красителей, стекла, медицинских препаратов.

Конденсат

Жидкие продукты пиролиза, или конденсат, содержат смолистые соединения, называемые жижкой. Количество ее достигает 50% от всего остатка и зависит от породы и влажности древесины, вида пиролиза. В состав жижки входят кетоны, смолы, альдегиды, спирты, сложные эфиры, вода. В результате многоэтапных реакций из нее образуется уксусная кислота — соединение, используемое в химической, текстильной, фармацевтической, косметологической, пищевой отраслях.

Из жижки получают муравьиную и масляную кислоты, ацетон, метиловый и изопропиловый спирты, формальдегид, смолы.

Газы

Газообразные соединения, выделяющиеся в результате перегонки, образуются в количестве 20–25%. В состав пиролизных газов входят:

• CO: 40–50%;
• CO₂: 28–38%;
• CH₄: 8–20%;
• H₂: 1–2%;
• углеродные примеси: около 1%.

В среднем во время сухой перегонки 1м³ древесины выделяется около 70–80 м³ газообразных соединений.

Перегонка древесины в домашних условиях

Выполнить пиролиз древесины или ее отходов можно и в домашних условиях. При этом удастся получить только уголь.

В качестве реторты используют металлические бочки большого объема. Нельзя брать емкости из-под химикатов. Необходим чистый контейнер с несколькими маленькими отверстиями для выведения газов.

Вначале готовят платформу:

1. На землю кладут большой лист железа.
2. Устанавливают на ребро несколько огнеупорных кирпичей, между которыми раскладывают дрова.
3. Разводят костер.

Бочку наполняют высушенной нарубленной древесиной, герметично закрывают. После этого ее устанавливают на платформу с костром. Когда емкость раскалится и начнется окисление, из отверстий пойдет газ. Процесс может занять несколько часов.

Когда выход газа прекратится, бочку в течение 30 минут оставляют на костре. После остывания снимают крышку и достают готовый древесный уголь. Его можно использовать для растопки бань, домашних печек, каминов. После перегонки опилок полученную муку добавляют в садовый грунт, используют для обработки срезов растений.