Піроліз деревини - технологія, використання і застосування
Піроліз деревини ще називають сухою перегонкою. Цей процес являє собою розкладання деревини в умовах високої температури в межах 450 ° C без доступу кисню. Внаслідок такого процесу виходять газоподібні та рідкі (в тому числі деревна смола) продукти, а також твердий матеріал - деревне вугілля.
Технологія піролізу деревини
Піроліз є одним з перших технологічних хімічних процесів, які відомі людству. Ще в середині XII століття цією технологією активно користувалися для отримання соснової смоли, яку застосовували для просочення канатів і просмолкі дерев'яних кораблів. Цей процес тоді називали смолокуреніем.
З початком розвитку металургійної галузі, виник інший промисел, заснований на сухому піролізі лісоматеріалів, - обвуглення. У цьому процесі кінцевим матеріалом був деревне вугілля. Початком поширення промислового використання піролізу дерева можна називати XIX століття. Основним продуктом піролізу в ті часи була оцтова кислота. Сировиною служили лише лісоматеріали листяних сортів.
Процес піролізу ґрунтується на різних вільно-радикальних реакціях термодеструкції целюлози, лігніну і геміцелюлози. Ці реакції відбуваються в умовах температур від 200 до 400 ° C. Піроліз деревини є екзотермічним процесом, в ході якого виходить великий обсяг тепла (приблизно 1150кДж / кг).
Технологічна схема піролізу лісоматеріалів складається з таких етапів:
- подрібнення деревини
- висушування подрібненої деревини
- піроліз
- охолодження і стабілізація вугілля, щоб запобігти самозаймання
- процес конденсації пари летких продуктів.
Найбільш тривалою і енерговитратній стадією можна назвати сушку деревини до рівня вологості 15%. Сушка здійснюється в умовах температури 130-155 ° C за допомогою підведення зовнішнього тепла. При цьому з лісоматеріалів видаляється вода, а також змінюються деякі компоненти деревини.
Далі температура піднімається до позначки 280-455 ° С. У цих умовах починається випар і утворення основного обсягу продуктів розкладання лісоматеріалів. При цьому відбувається активне вивільнення тепла (екзотермічний процес) з виділенням великої кількості CO2, СО, CH4, ефірів, карбонільних сполук, вуглеводнів, оцтової кислоти, її гомологів і метанолу. В самому кінці видаляється смола.
Потім починається прожарювання деревного залишку. Температура піднімається понад 500 ° С. Під час цього процесу виділяється і видаляється важка смола, а також СО2, Н2, СО і вуглеводні. Це і є закінчення піролізу, а отриманий залишок є деревним вугіллям.
Обсяг отриманих продуктів піролізу деревини дуже різниться, все залежить від розміру шматків лісоматеріалів, температури процесу, його тривалості, а також рівня вологості сировини.
Пристрої для здійснення піролізу
Цей процес протікає в ретортах. Реторта - це суцільнозварний металевий посуд циліндричної форми. Всередині він має діаметр від 2,5 до 2,9 м, а товщина стінок становить 15 мм. Вгорі апарату є завантажувальний пристрій для сировини, а знизу розташовується конусна частина і розвантажувальної пристрій для вугілля. Реторта має висоту близько 25 м. Реторта обладнана чотирма патрубками. Через верхній патрубок виводиться парогазова суміш, через другий вводиться теплоносій, третій відводить нагріті гази з області охолодження вугілля, а по четвертому, самому нижньому, вводяться холодні гази, які охолоджують вугілля.
- безперервної дії
- періодичної дії
- полунепреривного дії.
Крім цього за принципом обігріву бувають:
- пристрою з внутрішнім обігрівом. У таких апаратах тепло подається до лісоматеріалів від теплоносія в ході прямого контакту. В якості теплоносія виступають гарячі топкові гази, які примусово завантажуються в пристрій. У такому випадку процес піролізу здійснюється більш м'яко, але обсяг продуктів розкладання приблизно в 7-10 разів менше
- пристрою з зовнішнім обігрівом. У таких апаратах тепло підводиться за допомогою металевих стінок реторт, які обігріваються гарячими димовими газами.
У пристроях безперервної дії всі стадії процесу відбуваються одночасно: у верхній частині відбувається сушка, далі - лісоматеріали прогріваються до температури розкладання, в середній частині деревина розкладається, а в нижній - прожарюється і охолоджується вугілля.
Швидкий піроліз деревини
Досить розповсюдженим різновидом піролізу можна назвати швидкий піроліз, в ході якого теплова енергія підводиться до вихідної суміші на високій швидкості. Весь процес протікає без доступу кисню.
Процес повільного піролізу порівняємо доведенням води до точки кипіння, а ось метод швидкого піролізу можна порівняти з попаданням в розпечене масло краплі води, яке інакше називається вибуховий закипання.
Головні особливості швидкого піролізу лісоматеріалів:
- можливість формування замкнутого безперервно поточного технологічного виробничого процесу
- значна «чистота» кінцевих продуктів піролізу, яка досягається внаслідок відсутності стадії осмоления
- низька енергоємність подібного процесу, в порівнянні з іншими видами піролізу
- в цій процесі виділяється велика кількість теплової енергії (екзотермічні реакції при швидкому піролізі перевершують ендотермічні).
Продукти піролізу деревини
Сьогодні для реалізації процесу піролізу лісоматеріалів найчастіше використовують листяні сорти, проте іноді, в ході комплексної переробки сировини, застосовується і деревина хвойних сортів. Кінцеві продукти піролізу і їх кількість залежить від виду деревини. Наприклад, з берези можна отримати:
- 24-25% деревного вугілля
- 50-55% рідких відходів (Жижки)
- 22-23% газоподібних продуктів.
Чим більше шматки лісоматеріалів, тим більше виходить твердого залишку.
В ході переробки Жижки, здійснюється відстоювання деревної смоли, її близько 7-10%. В цей же час відбуваються різноманітні перетворення компонентів. З смоли виділяють велику кількість цінних продуктів. Найчастіше, це оцтова кислота. Її отримують методом екстракції, з подальшою ректифікацією і ретельної хімічної очищенням. Після цих дій виходить харчовий продукт.
Серед газоподібних продуктів піролізу:
- 45-55% діоксиду вуглецю CO2
- 28-32% оксиду вуглецю CO
- 1-2% водню H2
- 8-21% метану CH4
- 1,5-3,0% інших вуглеводнів.
Технології піролізу деревини досить різноманітні. Проте, велика частина застосовуваних у світовій практиці апаратів повністю застаріла і не відповідає всім сучасним вимогам. Крім цього, необхідність в піролізі лісоматеріалів весь час знижується, тому що знищувати настільки екологічне сировину досить марнотратно. У той же час сьогодні набирає популярність технологія піролізу тирси.