Древесный уголь

Древесный уголь — это твёрдый пористый высоко-углеродистый продукт, получаемый из древесины нагреванием без доступа воздуха (или при незначительном доступе его) в ретортах, печах или кучах.

Древесный уголь обладает большой пористостью, что обусловливает его высокую сорбционную способность. Удельная поверхность 1 грамма угля составляет 160-400 м², отношение объёма пор к объёму куска берёзового угля 72%, елового — 80%. Плотность берёзового угля 0, 38, соснового 0, 29, елового 0, 26 г/см³; истинная плотность древесного угля 1, 3—1, 5 г/см³.

Вес одного кубического метра насыпного абсолютно сухого угля составляет:

- елового 100-120 кг.;

- соснового 130-140 кг.;

- берёзового 175-185 кг.;

- букового около 195 кг.

Теплоёмкость древесного угля зависит от его влажности и температуры. Средняя удельная теплоёмкость абсолютно сухого древесного угля 0, 2 ккал/кг. Теплотворная способность древесного угля, выжженного при 380-500° составляет 7500-8170 ккал/кг. Влажность угля при выгрузке из реторт и печей равна 2-4%. При хранении угля в закрытом складе влажность его повышается до 7-15%.

Зольность древесного угля должна быть не более 3%, содержание летучих не более 20%, вес 1 л. угля из древесины твёрдо-лиственных пород не менее 210 г.

В древесном угле различают нелетучий и летучий углерод, он может быть удалён при прокаливании в виде СО, СО₂, СН₄ и других углеводородов.

Элементарный состав древесного угля зависит главным образом от температуры обугливания: чем она выше, тем больше в угле углерода и меньше водорода, кислорода и азота. Например, в древесном угле, полученном при 450°С, содержится (в беззольной и сухой массе): 84, 9% С, 3, 1% Н и 12% (O + N). Содержание фосфора в древесном угле, полученном из неокоренной древесины, составляет: 0, 016% в сосновом, 0, 017% в еловом и 0, 037% в берёзовом. Древесный уголь способен при обычной температуре присоединять кислород, чем и объясняется его склонность к самовозгоранию.

Древесный уголь бывает из древесины твёрдо-лиственных пород и из древесины смешанных лиственных пород. Также древесный уголь подразделяют на мелкий (не менее 6-12мм.) и крупный (не менее 25 мм.).

Выход древесного угля составляет 30-40% от веса сухой древесины.

Древесный уголь широко применяется в народном хозяйстве. Основные области его применения чёрная (доменное производство) и особенно цветная (получение кремния, в производстве алюминия, рафинирование меди и другие) металлургия, производство CS₂, активированного угля, электроугольных изделий.

Для того, чтобы из древесины получился уголь, ей нужно пройти процесс пиролиза, разложения без доступа воздуха.
Древесина разлагается в газовой бескислородной атмосфере, в реторте, под воздействием нагрева. Реторта — это замкнутый сосуд, нагревание производят через ее стенки. Парогазы, которые образуются в процессе пиролиза, выводятся через патрубок в реторте. Далее в устройстве для конденсации газ отделяется от жидкости.
Технический процесс начинается с того, что древесину кладут в реторту, закрывают загрузочное отверстие и нагревают аппарат до 400-500°С. Пирометр, расположенный в рекреационном отверстии, помогает регулировать температуру.

Процесс пиролиза состоит из трех основных стадий, которые различаются между собой по контрольным замерам и внешним признакам.
Первый этап — это сушка древесины. При температуре до 150°С из сырья выделяется влага.
Второй этап — собственно пиролиз, сухая перегонка. При температуре 150-350°С выделяется газ, и в дистилляте образовываются органические продукты. На этом этапе протекает важный для всего процесса период, называемый экзотермическим. Он заключается в том, что пиролиз проходит энергично, выделяется реакционное тепло, это происходит при температуре около 280°С.
Третий этап, прокалка. Если на предыдущем этапе образовался уголь, то на этом происходит отделение от него смол в небольшом количестве и множества неконденсируемых газов. Температура на этом этапе начинается с 350°С и доходит до 550°С.
Процесс распада древесины очень сложный, так как она состоит из целого комплекса органических соединений. Они имеют различный молекулярный вес, поэтому протекающие между ними химические реакции тоже различны. Рассчитать или детально описать все эти реакции будет трудно. Однако, в общих чертах это возможно. Первым, при температуре 150°С, начинается распад ксилана, процесс продолжается при 250°С и более. В результате образуются такие вещества, как уксусная кислота, фурфулол и газы. При температуре 200°С начинается распад лигнина, что приводит к высвобождению летучих низкомолекулярных соединений. А при 300°С разлагается целлюлоза.
В процессе пиролиза протекают химические реакции, последовательные и параллельные, которые сопровождаются появлением новых и разрывом старых связей, которые существовали до термической обработки. Получившиеся в результате новые вещества начинают взаимные реакции. Годы лабораторных исследований и полученный на производстве опыт дали возможность установить связь между протекающими процессами, между химическими составляющими древесины и продуктами, получающимися в результате ее распада. А также установить факторы, которые влияют на эти процессы. Главные показатели, которые определяют ход процесса пиролиза, – это сырье и технические условия его обработки.

Обугливание горючих материалов — дерева, торфа ископаемых углей (коксование) имеет целью получение топлива с пирометрическим эффектом большим, чем взятый горючий материал. Процессом обугливания стараются удалить гигроскопическую воду, кислород, серу с возможно меньшею потерею водорода и углерода. Главное условие, отвечающее такой задаче — прекращение доступа воздуха или, по крайней мере, возможное его ограничение. При этом стремятся получить продукт (У.), состоящий только из углерода и водорода — горючих элементов топлива; в нем также остается зола, которая не может быть удалена процессом обугливания. Весьма важно, следовательно, точное знание количества и качества продукта обугливания в зависимости от условий процесса и, главное, от высоты температуры. В этом отношении, прежде всего, следует иметь в виду, что сродство углерода к кислороду возрастает с температурой и, следовательно, чем выше последняя, тем более кислорода удалится в виде СО и СО₂ и тем менее его будет в виде воды; У. разлагает воду при высокой температуре, образуя окись углерода и водород. Кроме того, CO₂переходит в СО также с тратою углерода; по всем этим причинам количество угля, оставшегося после прокаливания, будет тем более, чем ниже была температура; выход летучих продуктов, газов и паров увеличивается с температурой, причем каждой температуре отвечает некоторая система газов и паров, находящихся в состоянии химического равновесия; повышение температуры ведет к разложению уже полученных тел и перегруппировкам элементов, при чем, вообще говоря, уменьшается количество жидких (парообразных) и увеличивается количество газообразных продуктов; теоретически, при дальнейшем повышении получим только элементы С, Н, О. Ввиду этого, если желают получить преимущественно У., то накаливание ведут медленно при сравнительно низкой температуре; если же имеют в виду деготь и вообще летучие продукты, то температура должна быть повышена и процесс ускорен. Азот, если он был в топливе, подчиняется общему правилу: при низкой температуре он выделяется в соединения с Н, при высокой — в свободном состоянии. Процесс накаливания без доступа воздуха (огнем или перегретым паром) в закрытых сосудах носит название "сухой перегонки" (см. Дерево) и ведется, когда собирают не только У., но и жидкие продукты (деготь). Получение же собственно древесного угля чаще производится с участием воздуха (костровое, ямное, печное углежжение), но под условием такой регулировки его притока, чтобы полное горение было невозможно, а действие его сводилось лишь к развитию тепла в таком количестве, какое необходимо для обугливания. О влиянии температуры на количество и состав получаемого У., а также быстроты накаливания и пр. см. в ст. Дерево. Приведенная там таблица дает результаты для очень широких пределов температуры: от 160° до плавления платины (около 1775°). Из неё видно, что даже при максимальной температуре получаемый У. все-таки содержит еще водород и кислород (1,55% в сумме). При этом, от взятого количества дерева остается только 15% остатка (У.), а собственно углерода — только 14,47%.