Древесный уголь: производство и применение
Одной из альтернатив «традиционного» угля сегодня является древесный уголь. Но в отличие от своего сородича, это экологически чистый и более безопасный в использовании продукт.
Как и его изготавливают и почему не применяют для выработки электроэнергии?
Производство древесного угля
Древесный уголь имеет общее происхождение с каменным углём. Они оба образуются из древесины, только каменный уголь формируется в результате разложения древесной породы, которое длится долгие века. А вот древесный уголь получают методом термического разложения древесины — пиролиза.
Предварительно высушенную древесную породу помещают в реторту — замкнутую стальную ёмкость, в которую не поступает воздух. Затем ёмкость устанавливается в специальную печь, где и происходит процесс нагревания. Под воздействием высоких температур материал в бескислородной среде разлагается, превращаясь в древесный уголь.
После пиролиза материал обязательно подвергается прокалке. Этот процесс также проводится в печи: его суть заключается в отделении от полученного угля лишних газов и смол. На заключительном этапе реторту достают из печи, а уголь отсеивают от мелких фракций и пыли.
В зависимости от выбора «исходного материала» производят разные виды древесного угля. Также они отличаются друг от друга разной степенью содержания нелетучего углерода.
Чёрный уголь (марка А) получают из мягких пород древесины – например, тополя, липы, осины. Он считается высшим сортом древесного угля: в материале содержится как минимум 90% нелетучего углерода и не более 2,5% золы.
Из берёз, дубов, ясеней и других твёрдых пород образуется так называемый белый уголь первого сорта (марка Б), а хвойные породы (сосна, ель или лиственница) дают красный древесный уголь (марка В).
Читайте также: «Зольность угля: методы определения».
Свойства биотоплива
В результате пиролиза древесины получают уголь с большим количеством микроскопических полостей, за счёт которых он приобретает высокую поглощающую способность.
Благодаря кислороду, попадающему в поры, топливо легко горит и выделяет много тепла. Даже небольшое количество биотоплива даёт длительный жар, причём при сжигании практически не выделяется дым. Ко всему прочему, древесный уголь не склонен к самовозгоранию.
Полученный древесный уголь состоит из углерода, водорода и кислорода. Их доля в материале зависит от температуры обугливания: чем она выше, тем выше содержание углерода и ниже – кислорода и водорода.
В среднем в древесном угле содержится около 80% углерода, причём как летучего, так и не летучего. Доля остальных веществ такова: кислорода – от 5 до 15%, водорода – порядка 4,5%.
Доля летучих веществ в продукте составляет не более 20%, золы – не более 3%, влаги – от 2-4% до 7-15% (если хранить материал в закрытых складах).
Калорийность или удельная теплота сгорания древесного угля варьируется в диапазоне от 7000 до 8000 Ккал/кг.
О характерных свойствах «классических» видов угля – бурого, каменного и антрацита – в нашем материале «Виды угля: какое топливо эффективней?».
Кому и зачем?
Древесный уголь применяют во многих сферах– к примеру, в пищевой промышленности, медицине, сельском хозяйстве. Также он используется для очистки промышленных стоков и газовых выбросов предприятий, а для выплавки ценных и редких металлов он просто необходим.
Помимо этого, древесный уголь используется в качестве топлива. Например, из угольной пыли, которая вырабатывается в процессе пиролиза, производят древесно-угольные брикеты.
Материал смешивают с каким-либо сырьём (как правило, это крахмальный клейстер), после чего отправляют на механический пресс, там их обжигают под высоким давлением и сжимают в бруски определённой формы и размеров.
Брикеты из древесного угля прогорают равномерно и полностью, при этом они превращаются в золу. Теплотворная способность такого топлива составляет свыше 8000 Ккал/кг.
В основном древесный уголь, как и брикеты, используется для отопления частных домов, а не ТЭС. Дело в том, что стоит биотопливо практически в два раза дороже, чем, например, каменный уголь.
технология производства, приготовление в домашних условиях своими руками в яме или бочке
Уголь, называемый древесным, – это продукт термического преобразования древесины, которое происходит без доступа воздуха, чтобы не было обычного горения.
Производственная технология предполагает использование специального оборудования. Для изготовления древесного угля своими руками нужна не только сноровка, но и полное понимание сути процесса, а также подходящие агрегаты и приспособления.
Не забудь поделиться с друзьями!
Содержание статьи
- Что такое древесный уголь
- Технология процесса
- Маркировка продукции
- Как сделать в домашних условиях
- В яме
- В бочке
- В печке
- Применение
Что такое древесный уголь
Уголь из древесины, так же как и любой другой, содержит преимущественно углерод. Главной характеристикой древесного угля, определяющей сферы его использования, является высокая пористость.
При термической реакции в среде без кислорода или с небольшим его содержанием образуется углеродный каркас, в большой мере похожий на природную структуру капилляров в стволе дерева.Наличие большого количества микроскопических полостей объясняет отличную поглощающую способность продукта. Если в порах присутствует кислород, то материал легко горит с выделением тепла.
Массовая доля углерода в схожих объектах составляет:
- древесный уголь – 50 %;
- торф – около 60 %;
- каменный уголь – чуть больше 80 %;
- антрацит – около 95 %.
В свежеполученном древесном угле суммарное содержание кислорода и азота достигает 44 %, что является максимальным показателем при сравнении с угольными ископаемыми.
При хранении в окружении теплого воздуха в течение одного часа уголь, только что полученный из древесины, может увеличиться в массе на 2 % за счет поглощения кислорода. Если объем порции изначально был большой, то нельзя исключить реакции самовозгорания. Поэтому продукт, сделанный из древесного сырья, сначала стабилизируют в специальном режиме, затем упаковывают и хранят в безопасных условиях.
Технология процесса
Получать угольную массу из древесины научились интуитивно в древнейшие времена, сначала закладывая дрова в ямы, затем в кучи на поверхностных площадках. Сверху собранную древесину засыпали землей, оставляя небольшие отверстия. Процесс называли углежжением. Название сохранилось до настоящего времени для обозначения полукустарной производственной технологии или кустарной, реализуемой в домашних условиях.
Со временем оснащение, автоматизация реакции карбонизации (углежжения) приобрели цивилизованный вид, позволяющий исключить доступ воздуха, обеспечить контролируемое нагревание реакционной массы до требуемых температур, поддерживать постоянство термического режима.
Обратите внимание! Процесс получения древесного угля с использованием современных технологий называется пиролизом.
При механизированной термодеструкции параллельно образующиеся газы и жидкости выводятся из рабочей зоны. Из них получают ценные продукты или сжигают, используя образующееся тепло для нагревания реактора.
В связи с отличиями в технологиях получения древесного угля методом пиролиза и углежжения стандартом оговорены особенности допускаемого к переработке сырья.
Для пиролиза позволительно две группы пород:
- первую составляет древесина березы, бука, ясеня, граба, вяза, дуба, клена;
- вторую – сырье из осины, ольхи, липы, тополя, ивы.
В углежжении применяют три группы пород, первая из которых такая же, как для пиролиза, вторая состоит из древесины хвойных деревьев, третью составляют исходные материалы из осины, ольхи, липы, тополя, ивы.
Маркировка продукции
Разница в подходах объясняется высоким содержанием в хвойном сырье смолоподобных веществ, которые при герметичности пиролизного реактора усложнят реализацию технологии.
Из пиролизной продукции первой группы получают уголь, маркирующийся буквой А, с максимальной концентрацией углерода, достигающей 90 %, и минимальным содержанием минеральных компонентов (2,5 %).
Если пиролизу подвергали смесь сырья первых двух групп, то максимальное содержание углерода в древесном угле, имеющем маркировочное обозначение Б, достигает 88 % при такой же зольности.
Если смесь всех пород подвергли углежжению, образуется угольный конгломерат, маркируемый буквой В. Концентрация скелетного углерода в нем достигает максимум 77 %, минеральных компонентов – 4 %, многие другие параметры не нормируются.
Обратите внимание! Наилучшими характеристиками обладает продукция марки А, поэтому ее применяют для последующей активации с целью получения сорбентов.
Хорошие качества демонстрирует уголь группы Б, его и продукцию марки А используют в промышленном органическом синтезе.
Приемлемыми свойствами для удовлетворения нужд большинства потребителей обладает результат воплощения технологии углежжения в том случае, если процесс проводится грамотно.
Как сделать в домашних условиях
Как же делают древесный уголь кустарным способом, располагая производство на приусадебном или дачном участке? Существует два самых распространенных способа.
В яме
Можно вырыть во дворе яму в месте, расположенном на отдалении от строений. Если нужно получить два мешка угля, глубина ямы должна достигать полуметра, ширина – 80 см. Дно следует хорошо утрамбовать ногами или специальным приспособлением. Когда углубление готово, в нем можно разжигать костер из мелких веток, постепенно забрасывая дрова средних размеров.
Важно! Нельзя допускать попадания коры с деревьев. Она при горении выделяет много дыма и ухудшает качество готовящегося древесного угля.
Новую порцию следует добавлять тогда, когда предыдущая часть прогорела и существенно уменьшилась в объеме. В течение нескольких часов нужно яму полностью загрузить дровами, периодически их уплотняя. Когда дрова прогорят по всей высоте ямы, сверху нужно закрыть ее свежей травой, слоем земли и опять утрамбовать. В таком виде самодельный «реактор» будет остывать пару дней, по окончании которых можно извлечь готовый уголь.
В бочке
Если в хозяйстве найдется металлическая бочка с толстыми стенками, не содержащая остатков химикатов или нефтепродуктов, можно обойтись без выкапывания ямы.
При большом объеме бочки на дне имеет смысл уложить слой из огнестойких кирпичей, затем между ними развести костер и постоянно подкладывать дрова, не забывая об уплотнении. Когда слой кирпичей будет полностью покрыт, сверху на дровяное скопление укладывают решетку, которая хорошо пропускает тепло и пламя. На решетку можно погружать в бочку очередную порцию дров до тех пор, пока емкость не заполнится.
Когда воспламенится верхний слой, конструкцию нужно закрыть почти плотно листовым металлом, оставив совсем небольшую щель сбоку. Полной герметичности добиваться не нужно, да и сделать это невозможно. Выделяющийся дым в какой-то момент начнет приобретать сероватый цвет, в это время лист нужно сдвинуть так, чтобы щель закрылась. Углежжение можно считать выполненным. Как только бочка совсем остынет, можно вынимать готовый продукт.
Другая технология приготовления древесного угля также предполагает использование бочки, кирпичей и металлической или любой другой термостойкой крышки.
Разница сводится к тому, что огонь разжигают не внутри, а на земле между кирпичами, на которых установлена емкость. Чтобы воспламенились дрова внутри, костер снаружи должен гореть интенсивно и долго. В нижней части бочки предварительно следует сделать отверстия для поступления некоторого объема воздуха. В течение всего времени бочку нужно держать плотно закрытой, только в конце углежжения крышку можно снять и вынуть образовавшийся уголь.
В печке
Если потребность в дровах не очень большая, вполне можно довольствоваться обычной печью. Заглядывая в топку, следует дождаться момента, когда дрова станут полностью красными, затем щипцами вытащить их и погрузить в металлическое ведро или керамическую емкость, которые нужно быстро и плотно закрыть крышкой. После остывания уголь будет готов.
Для увеличения получаемой порции древесного угля можно загрузить в топку большое количество дров, дождаться полного возгорания, а потом закрыть поддувало, двери, заслонки и подождать минут 10. По окончании этого времени можно открывать дверцы и аккуратно доставать угольные кусочки.
Применение
Древесный уголь производится в небольшом количестве в промышленных масштабах и домашних условиях.
Продукт, сделанный самостоятельно, чаще всего используют как топливо, которое выделяет при сгорании большое количество теплоты. Количество энергии в два раза превышает то, которое образуется из обычной древесины. Любители шашлыков кладут такой уголь в мангалы для получения стабильного пламени, равномерно горящего без выделения ядовитых газов. Дополнительное преимущество такого топлива заключается в том, что оно сгорает до конца, не оставляя золы.
Уголь из древесины, полученный промышленным образом, подвергают активированию с целью получения широко известного сорбента. Исходный уголь уже сам по себе демонстрирует большую поглощающую способность, что позволяет применять его в фильтрах, в качестве компонента кормов животных и как пищевую добавку в составе продуктов питания человека.
Значительная концентрация углерода делает продукт пиролиза сильным восстановителем, что позволяет применять его в металлургии, химической, стекольной, лакокрасочной и электротехнической промышленности.
Технология производства древесного угля Сваминатана Читрапутхира Пиллаи :: SSRN
Скачать эту статью
Открыть PDF в браузере
Добавить бумагу в мою библиотеку
Делиться:
2 страницы Опубликовано: 5 ноя 2019
Просмотреть все статьи Сваминатана Читрапутхира Пиллаи
Сельскохозяйственный университет Тамил Наду — Сельскохозяйственный колледж и научно-исследовательский институт (Мадурай)
Дата написания: 25 октября 2019 г.
Abstract
Древесный уголь из древесины деревьев получают путем нагревания древесины до высокой температуры в замкнутом пространстве без доступа кислорода, т.е. анаэробного нагрева. В этом процессе древесина становится сухой до костей при 100°C, а дальнейшее повышение температуры до 300°C инициирует пиролиз. При этом древесина расщепляется на водяной пар, газы, древесные кислоты и смолы с выделением тепла, что приводит к образованию древесного угля. Для производства древесного угля подходят деревья Prosopis juliflora и Casuarina equisetifolia. Производство древесного угля широко осуществляется в засушливых южных районах Тамил Наду, где просопис является основой многих средств к существованию.
Ключевые слова: Производство древесного угля, этапы, Prosopis
Классификация JEL: Q23
Рекомендуемое цитирование: Рекомендуемая ссылка
Пиллаи, Сваминатан Читрапутира, Технология производства древесного угля (25 октября 2019 г. ). Доступно на SSRN: https://ssrn.com/abstract=3475323 или http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.3475323
У вас есть вакансия, которую вы хотели бы рекламировать в SSRN?
Связанные электронные журналы
Обратная связь
Обратная связь с SSRN
Обратная связь (необходимый)
Электронная почта (необходимый)
Если вам нужна немедленная помощь, звоните по телефону 877-SSRNHelp (877 777 6435) в США или +1 212 448 2500 за пределами США с 8:30 до 18:00 по восточному поясу США с понедельника по пятницу.
Технология — CharcoTec — Производство древесного угля
Технология CharcoTec направлена на устранение недостатков традиционного производства древесного угля без создания «новых» недостатков для местной экономики в плане сокращения занятости, слишком высокой потребности в капитале и зависимости от импортных материалов. В то же время, однако, она дает преимущества современной технологии с точки зрения более высокой эффективности (больше древесного угля на кг вводимой биомассы), с точки зрения потенциального использования недревесных материалов в качестве источника и, следовательно, меньшего обезлесения. Это также предотвратит ущерб для окружающей среды и здоровья, улавливая неприятные пары, сжигая их и, таким образом, повторно используя потерянную энергию, содержащуюся в нем, тем самым снижая стоимость топлива в процессе производства автомобильного угля.
Печь CharcoTec, скорее всего, является единственной печью на рынке, которая может быть почти полностью произведена на месте, может быть изготовлена для широкого диапазона производительности и, следовательно, стоимости, проста в эксплуатации — почти как традиционные печи — и почти не требует любое техническое обслуживание, как это было в случае с традиционными печами.
Однако всегда требуются два отдельных реакторных резервуара (что следует понимать как сложное определение технологического пространства и выглядит как простой шкаф или грузовой автомобиль), куда помещаются дрова, сушатся и затем карбонизируются. Благодаря разделению этих двух подпроцессов повторное использование энергии оптимизируется и приводит к максимально возможной эффективности технологии, сохраняя при этом простоту концепции эксплуатации.
Экономические преимущества печи CharcoTec таковы, что предприниматели в области производства древесного угля по всему миру могут позволить себе эту технологию, поскольку вложенные деньги могут быть возвращены в течение одного года работы, а перспективы таковы, что финансирование может быть легко найдено.
CharcoTec разработала технологию путем тестирования первого прототипа на месте в Боснии, а затем в Нидерландах для улучшенной и фактически демонстрационной версии, которую все еще можно посетить сегодня.
На правом изображении ясно видно, что качество произведенного древесного угля ресторанное (хорошие большие куски).
На основе принципов процесса CharcoTec первая пилотная установка была спроектирована и построена еще в 2014 году с целью проверки рабочих функций и качества продукции, а также улучшения конструкции коммерческой установки.
Пилотная установка состояла из пропановой горелки и двух малых реакторных корпусов, помещенных в морской контейнер с внутренней изоляцией. Биомасса помещалась в два цилиндрических контейнера в виде клеток, которые помещались в реакторы сверху; в последующем реакторы закрывают крышкой с песчаным затвором. Реакторы запускаются путем пропускания горячих дымовых газов из пропановой горелки вдоль стенки реакторов. Отходящие газы обоих реакторов направляются в пропановую горелку по газопроводу для сжигания всех углеводородов (без выбросов вредных компонентов) и утилизации калорийности отходящего газа. В нескольких точках реакторов и контейнеров были измерены температуры.
Испытания проводились с бревнами, щепой и торфяными брикетами. Практические испытания были подтверждены лабораторным термогравиметрическим анализом для определения характеристик сушки и карбонизации использованной биомассы. Образцы анализировали на приборе ТГА от 30°С до 900°С. Результаты показаны ниже
Профили ТГА и ДТГ древесины
Результаты были такими, как и ожидалось, сначала биомасса высушивается около 100 o °С с последующей потерей веса из-за карбонизации, начиная с прибл. 250 o C Поведение опытной печи во время испытаний оказалось аналогичным.
Результаты были такими, как и ожидалось, сначала биомасса высушивается при температуре около 100 o C с последующей потерей веса из-за карбонизации, начиная с прибл. 250 o C Поведение опытной печи во время испытаний оказалось аналогичным.
Температуры на графиках были измерены в разных местах реактора. Из Т2 видно, что температура в центре реактора остается на уровне ок. 100 o C до тех пор, пока бревна не высохнут. После этого температура в реакторе относительно быстро повышается до температуры в контейнере. Из этих испытаний становится очевидным, что большая часть общего времени процесса уходит на сушку биомассы; в зависимости от размера частиц до нескольких часов. После начала процесса карбонизации калорийность выделяющихся газов достаточна для поддержания температуры процесса в реакторе; подача пропана была прекращена. Эффективность (от сухой биомассы до древесного угля) составляет ок. 35%. Было установлено, что качество древесного угля соответствует стандартам для древесного угля для барбекю.
Печь в Гронингене
Основываясь на этих результатах испытаний и подкрепленных теорией, CharcoTec построила вторую испытательную печь или, что еще лучше, первую демонстрационную печь, которая работает на участке недалеко от города Гронинген в Нидерландах. Установка состоит из двух газонепроницаемых контейнеров, двух топок и дровяной печи. При периодической работе один из двух контейнеров используется для сушки свежей древесины, тогда как другой контейнер используется для карбонизации высушенной древесины.
Работа печи сравнима с традиционными работами на древесном угле. Свежая, влажная древесина вручную загружается в контейнер, который затем закрывается и помещается в свободную печь, которая подключена к газопроводу для отвода газов, выходящих из процесса древесного угля во время работы: в начале водяной пар во время сушки горючие и опасные для здоровья отходящие газы при карбонизации. Отходящие газы используются для преобразования энергии сгорания в сушку и/или коксование, после чего выбрасываются при относительно низких температурах в окружающую среду через дымоход или дровяную печь.
Процесс начинается как в традиционной печи путем сжигания биомассы в дровяной печи. Поскольку эффективность печи выше, дров будет сжигаться меньше, чем в обычной печи. По окончании процесса емкость для карбонизации отсоединяют от линии отходящих газов и выносят наружу для охлаждения. Новый контейнер, наполненный влажной древесиной во время обработки первой партии, затем помещается в печь. При переключении нескольких клапанов две отдельные печи меняют свою работу, сушилка становится карбонизатором и наоборот, и производство полукокса продолжается, таким образом, делая процесс почти непрерывным, добавляя к процессу один дополнительный сосуд или печь.
В сентябре 2015 года демо-завод был введен в эксплуатацию на площадке Stainkoeln в городе Гронинген. Установка состоит из двух топок (утепленных 10 футовых контейнеров), дровяной печи, четырех реакторов по 3,5 м каждый 3 и дымовой трубы.
Во время работы одна печь используется для сушки свежей древесины, а другая печь работает как печь для карбонизации. Горячие дымовые газы дровяной печи используются для нагрева печи карбонизации. Реакторы в печи для карбонизации косвенно нагреваются за счет прохождения горячих дымовых газов вдоль закрытых деревянных шкафов, содержащих свежую высушенную древесину. Затем дымовые газы проходят через сушильную печь и дымоход.
Летучие вещества из реакторов карбонизации направляются в дровяную печь и сжигаются. Таким образом, не происходит выбросов вредных газов, и в то же время содержание энергии летучих веществ используется для поддержания процесса карбонизации при желаемой температуре.
Отходящие газы (водяной пар) от процесса сушки удаляются. Установка оснащена рядом термопар для контроля процесса.
Демонстрационная установка используется для создания и оптимизации рабочих условий для производства высококачественного древесного угля из биомассы различных типов и размеров.