Теоретическая часть – углежжение

1. Общее положение

Древесный уголь – макропористый высокоуглеродистый продукт, получаемый пиролизом древесины без доступа воздуха. Структура и свойства  угля определяются т-рой пиролиза. Промышленный  древесный уголь, получают при конечной температуре пиролиза 450-550 °С.

Пиролиз древесины (сухая перегонка древесины) — разложение древесины при нагревании без доступа воздуха с образованием газообразных и жидких  продуктов, а также твердого остатка — древесного угля.

На свойства древесного угля и скорость процесса влияют:

1. Порода и качество древесины
2. Размеры частиц сырья
3. Начальная влажность сырья
4. Температура и скорость нагрева древесины во время сушки
5. Скорость и температура пиролиза
6. Количество воздуха присутствующего в процессе пиролиза

Основные характеристики древесного угля по ГОСТ7657-84:

Показатели	Марка угля					Метод контроля
	А		Б		В, ОКП 24 5571 0150
	Высший сорт, ОКП 24 5571 0132	1 сорт, ОКП 24 5571 0133	1 сорт, ОКП 24 5571 0143	2 сорт, ОКП 24 5571 0144
Кажущаяся плотность, г / см 3 , не менее	0,37	0,37	Не нормируется			ГОСТ 7657–94, п. 4,6
Зола, масс. %, не более	2,5	3,0	2,5	3,0	4,0	ГОСТ 7657–94, п. 4.7 и ГОСТ 12596–67
Нелетучий углерод, масс. %, не менее	90	78	88	77	67	ГОСТ 7657–94, п. 4,8
Вода, масс. %, не более	6	6	6	6	6	ГОСТ 16399–70, разд. 2
Уголь с зернами в местах погрузки, масс. %, не более:						ГОСТ 7657–94, п. 4,9
размером менее 25 мм	5	5	Не нормируется
размером менее 12 мм	5	5	7	7	7
Головни, масс. %, не более	Отсутствие	2	Отсутствие	2	2	ГОСТ 7657–94, п. 4,10
Масса 1 дм 3  угля, г, не менее	210	210	Не нормируется			ГОСТ 7657–94, п. 4,11

Классификация установок для производства древесного угля Ю.Д. Юдкевич

2. Физические свойства древесины

Различают твердые и мягкие породы древесины. К мягким относят: сосна, ель, пихта, осина тополь и другие. К твердым лиственным породам: береза, лиственница, дуб, бук, граб, клен, ясень, фруктовые породы и другие.

Все, что нужно для заготовки, хранения и пиролизации древесины:

• Пористость
• Удельный или объемный вес (плотность)
• Влажность
• Способность к высыханию
• Теплоемкость

2.1. Пористость древесины

Древесина состоит из клеток и поэтому обладает большой пористостью. Пористость сказывается на удельном весе, гигроскопичности, теплопроводности и на других физических свойствах древесины и может быть вычислена на основании объемного веса. Степень пористости сказывается и на продукте пиролиза древесины — древесном угле, который имеет значительно большую пористость по сравнению с древесиной, из которой он получен.

 2.2. Удельный или объемный вес

Различают удельный вес древесинного вещества и удельный или объемный вес древесины, как физического тела.

Удельный вес древесинного вещества разных пород в среднем составляет около 1,55.

Под удельным или объемным весом древесины подразумевают вес в граммах 1 см3 древесины (выражаемый обычно в г/см3). В основном он зависит от пористости и влажности древесины. Пористость меняется в связи с породой и возрастом дерева, с условиями произрастания его и другими условиями.

Вследствие зависимости объемного веса древесины от влажности, его обычно определяют для абсолютно сухой, воздушно-сухой и свежесрубленной древесины. Средний удельный вес древесины в абсолютно сухом* состоянии приведен в табл. 1.

Таблица 1

Порода	Плотность, г / см 3
	Пределы колебаний	Средняя
Пихта	0,31-0,50	0,38
Ель	0,30-0,56	0,42
Сосна	0,31-0,65	0,47
Лиственница	0,43-0,82	0,63
Осина	0,32-0,61	0,47
Липа	0,33-0,62	0,47
Ольха	0,33-0,64	0,49
Береза	0,42-0,79	0,60
Бук	0,45-0,79	0,64
Клен	0,48-0,74	0.65
Дуб	0,46-0,88	0,68

Плотность наиболее распространенных пород древесины  в абсолютно сухом состоянии *

* Древесина, высушенная допостоянной массы при температуре 103 ± 2 ° С

Между пористостью и объемным весом древесины в абсолютно сухом состоянии существует следующая зависимость:

         С = (1 / х) yd

где:

С – плотность древесины;

х – пористость в%;

 Y – объемный вес древесины;

d – удельный вес древесинного вещества.

Объемный вес древесины одной и той же породы значительно колеблется в зависимости от условий произрастания и возраста дерева, смолистости и других условий. Так, у березы он колеблется от 0,51 до 0,74, у сосны — от 0,31 до 0,71, у ели — от 0,35 до 0,60  (для абсолютно сухой древесины). Удельный вес древесины, взятой из разных частей одного и того же дерева неодинаков: у основания ветвей он наибольший, в комле больше, чем у вершины, а в ядре больше, чем в заболони.

Вес 1 скл. м³ дров при полнодревесности 68% и при пересчете на абсолютно сухую древесину равен: сосновых — 285, еловых — 253, пихтовых — 250, лиственничных — 385, осиновых — 265, березовых — 354 кг. Т.е. 1 скл. м³ дров равен 0,68 м³ плотной древесины.

2.3. Влажность древесины

Вода в древесине находится в полостях клеток и пропитывает клеточные стенки. В соответствии с этим в древесине различают свободную (или капиллярную) и связанную (или коллоидную) воду. Вода, находящаяся в древесине до содержания влаги 30%, является связанной водой; вода, содержащаяся в древесине сверх 30%, является свободной.

Граница, разделяющая связанную воду от свободной, называется точкой насыщения волокон; она лежит в зависимости от породы древесины в пределах 23—30%   абсолютной влажности.

В разных частях дерева вода распределена очень неравномерно. В заболони ее больше, чем в ядре; компиловая часть ствола содержит влаги больше, чем вершинная. В дереве, растущем на болотистой почве, содержится влага больше, чем в дереве, растущем на сухой почве. Зимой влаги в дереве немного больше, чем летом.

Для сухой перегонки (пиролиза) древесины содержание влаги имеет первостепенное значение, так как выход ценных продуктов обугливания тем меньше и расход тепла на технологический процесс тем больше, чем выше содержание воды в обугливаемых дровах.

2.3.1. Различают абсолютную и относительную влажность древесины.

Абсолютная влажность древесины — это отношение веса содержащейся в древесине влаги по отношению к массе абсолютно сухой древесины, выраженная в процентах. 

Пример: Если образец 300 г после сушки стал весить 200 г, то его абсолютная влажность (300—200)/200*100 % = 50 %)

Относительная влажность древесины — это отношение веса содержащейся в древесине влаги к весу сырой древесины, выраженное в процентах.

Пример: Если образец 300 г после сушки стал весить 200 г, то его относительная влажность (300—200)/300*100 % = 33 %

2.3.2. Степени абсолютной влажности древесины

Наименование	Абсолютная влажность в%	Условия образования
Мокрая древесина	более 100%	долговременное нахождение в воде
Свежесрубленная	50—100%	в зависимости от месяца рубки
Воздушно-сухая	15—20%	долговременное хранение на воздухе
Комнатно-сухая	6—10%
Абсолютно сухая	0%

2.4. Способность к высыханию в естественных условиях

При естественной сушке, при соприкосновении с наружным атмосферным воздухом, находящимся в движении, относительная влажность которого меньше 100%, происходит высыхание древесины. Скорость естественной сушки тем выше, чем выше температура воздуха, чем ниже его относительная влажность и чем быстрее его движение. В одну минуту с 1 см² разных поверхностей древесины  выделяется  неодинаковое количество  влаги: больше всего — с поперечного разреза древесины, меньше — с продольного раскола и всего меньше — с поверхности, покрытой корой.

Испарение из древесины идет с меньшей скоростью, чем испарение со свободной поверхности воды. Чем больше стенок клеток встречает вода при прохождении из внутренних частей куска древесины к наружной поверхности, тем этот процесс идет медленнее. На единице такого пути, параллельного оси ствола, стенок клеток меньше, чем на единице пути, перпендикулярного оси ствола. Поэтому через поперечный разрез древесины выделяется при сушке в единицу времени с единицы поверхности больше водяного пара, чем с боковой поверхности древесины.

На скорость сушки оказывает весьма большое влияние относительная влажность и температура воздуха. Установлено, что в условиях, например, Урала, наиболее интенсивная сушка древесины наблюдается в период апрель — июль; хвойные промышленные дрова в течение первого года сохнут не настолько полно, как дрова, очищенные от коры, но в осенние месяцы, вследствие большого поглощения влаги дровами без коры, влажность тех и других дров отличается незначительно; хвойные дрова, не очищенные от коры, в течение первого года высыхают незначительно, в течение второго года кора отпадает и древесина становится воздушно-сухой.

Береза сохнет медленнее, чем хвойные породы. Березовые дрова без коры или промышленные достигают наибольшей сухости лишь во второй год пребывания на складе, а остающиеся в коре высыхают незначительно.

Дрова с корой, но расколотые, сохнут так же быстро, как и дрова, очищенные от коры.

Среднее содержание влаги в свежесрубленной березе — 56,2% (от 54% до 59%), в сосне —49,9% (от 46% до 53%), в ели— 50,2%   (от 44%   до 55%)   (процент  относительной  влажности), в дубе – 55% . (от 52% до 58%)

При естественной сушке, как бы долго она ни продолжалась, древесина никогда не придет в абсолютно сухое состояние. Соответственно температуре и относительной влажности наружного воздуха будет достигнута лишь равновесная влажность.

Практически при естественной сушке в течение 1,5 лет после рубки относительная влажность воздушно-сухих дров равна 20%.

При лежании (в поленницах в лесу или на складе) дрова постепенно теряют влагу. Скорость этой естественной сушки зависит от породы древесины, ее первоначальной влажности, способа разделки, относительной влажности, температуры и скорости движения воздуха.

Как сохнут дрова длиной в  1 м, заготовленные в январе, при  хранении под навесом  показывает табл. 2.

Сушка куска древесины, вследствие малой ее теплопроводности, идет неравномерно. Наружные слои древесины сохнут значительно быстрее внутренних. При быстрой сушке толстых и сырых поленьев наружные слои оказываются сухими, в то время как внутренние стой еще только начинают терять влагу. Вследствие этого и усушка древесины идет неодинаково; это вызывает образование в ней трещин, идущих от наружной поверхности внутрь по радиусу. Трещины в древесине образуются также вследствие более быстрой сушки ядра по сравнению с заболонью.

2.5. Теплоемкость

Теплоемкость абсолютно сухой древесины всех пород равна 0,324 ккал / кг, а смолистых веществ – 0,5 ккал / кг.

При нагревании древесины на 1 ° (в пределах 0 ° – 100 °) линейный размер ее, равный 1 м, увеличивается на 0,040 мм в поперечном и на 0,005 мм – в продольном направлении.

Древесина — плохой проводник тепла. Ее теплопроводность зависит от условной плотности древесины (породы), направления потока тепла относительно оси древесного волокна, темпе­ратуры и влажности. Коэффициент теплопроводности сухой древесины колеблется в пределах 0,1—0,4 Вт/м². Увеличение плотности сухой древесины, т. е. повышение доли, занимаемой в единице объема древесинным веществом, приводит к возрастанию теплопроводности. Это происходит вследствие того, что древесинное вещество имеет в 20 раз больший коэффициент теплопроводности, чем воздух. Теплопроводность древесины вдоль волокон в 3 раза больше, чем поперек волокон. По радиальному и тангенциальному направлениям коэффициенты теплопроводности древесины могут несколько отличаться один от другого, так как в тангенциальном направлении вытянуты зоны поздней древесины годичных слоев. Поздняя древесина, особенно хвойных пород, более плотная, а следовательно, более теплопроводная. Увлажнение древесины, т. е. замещение содержащегося в ней воздуха водой, имеющей в 23 раза большую теплопроводность, приводит к возрастанию теплопроводности древесины. Повышение температуры влажной древесины приводит к еще большему увеличению теплопроводности.

3. Сырье для углежжения

 3.1. Дрова – дровяная древесина. кусковые древесные отходы лесозаготовок и деревообработки

Древесина должна проходить подготовку к сушке и пиролизу. Соотношение длинны чурки к максимальному диаметру – 1/3, т.е. если длинна древесины составляет 300 мм. ее диаметр не должен превышать 100 мм. В процессах сушки и пиролиза древесины действует основной принцип: чем короче чурка, тем быстрее и равномерней проходят процесс сушки и пиролиза. Следует учитывать, что гниль в древесине препятствует углеобразованию и влияет на охлаждение и стабилизацию древесного угля.

• Всевозможные топливные брикеты (pini-kay, ruff, nestro). Топливные брикеты обладают следующими преимуществами по сравнению с дровами:

• Высокая плотность – сказывается на длительности горения древесного угля
• Однородная фракция – равномерное распределение тепла в процессе горения древесного угля
• Высокая механическая прочность – минимальное кол-во отсева, при физическом воздействии на древесный уголь
• Низкая влажность (5-8%)
• Разрушенная структура древесины
• Низкая зольность

Вышеперечисленные свойства дают возможность утверждать, что древесный уголь, произведенный из топливных брикетов, обладает рядом преимуществ по сравнению с древесным углем, произведенным из дровяной древесины.

Наиболее распространенным является древесный уголь, произведенный из топливных брикетов типа Pini-kay, свое распространение данный тип угля берет из Азии.

• Скорлупа различных орехов (кокосовый, грецкий, лесной и т.д.).

Благодаря высокой плотности скорлупы различных орехов являются хорошим сырьем для пиролиза.

Скорлупа кокосовых орехов является важным сырьем для получения древесного угля в мире, особенно в развивающихся странах, таких как Индонезия, Малайзия, Индия. Уголь из скорлупы кокоса используется во многих отраслях благодаря своим преимуществам и важным свойствам. Более того кокосовый уголь можно измельчить и использовать для производства гранулированного активированного угля. Благодаря своему приятному запаху кокосовый уголь признан одним из лучших видов топлива для приготовления пищи.

• Сельскохозяйственные растительные отходы.

Мелкие и отходы с низкой плотностью растительного происхождения, подлежат переработке в BioChar – с каждым годом набирает новых оборотов. Предприниматели сельскохозяйственной индустрии все больше внимания стали уделять восстановлению состава почвы, а также они занимаются поиском безопасных решений проблемы ее истощения.

Биочар является качественным удобрением, которое:

• улучшает состав неплодородных глиноземных или песчаных почв;
• нейтрализует повышенную кислотность почвы;
• предотвращает возникновение вредителей;
• препятствует развитию гнойных процессов;
• обеспечивает ускоренный рост и развитие растений, так как почва постоянно прогревается;
• выводит из почвы остатки химических веществ (пестицидов, гербицидов и других ядохимикатов);
• способствует функционированию в почве микроорганизмов, которые имеют положительное влияние на урожайность;
• придает почве пористости, тем самым обеспечивая корням растений доступ кислорода и циркуляцию воздуха;
• является противопаразитным и антибактериальным средством;
• сохраняет и поддерживает насыщенность почв необходимыми микроэлементами и питательными веществам, а также устраняет проблему их вымывания.

4. Краткие сведения о термических методах переработки древесного сырья.

Смолокурение — процесс получения сосновой смолы при термическом разложении соснового пневого осмола. Возникновение смолокурения на Руси относится к XII в. Долгое время сосновая смола была одним из основных предметов русского экспорта. К настоящему времени смолокурение почти исчезло.

Дёгтекурение—процесс получения дегтя при термическом разложении бересты. Дегтекурение — также весьма старинный русский промысел. Бере­стовый деготь, как и сосновая смола, в больших объемах вывозился за границу. Производство дегтя сохранилось до сих пор.

Газификация древесины — это процесс получения из древесины газообразного топлива. В России газификация древесины в газогенераторах прямого процесса появилась в середине XIX в. для обеспечения горючим генераторным газом печей в черной металлургии и в стекольном производстве. Крупные газогенераторные станции, например Ижевская, оборудованные газогенераторами производительностью 30 тыс. пл. м3 перерабатываемой древесины в год, работали до конца 50-х годов текущего столетия.

Углежжение — одно из типичных лесохимических производств прошлого. Уже в глубокой древности древесный уголь применяли для выплавки металлов и в качестве топлива. Единственным продуктом углежжения является уголь. Объем выработки угля в России был весьма значителен, максимум производства — около 1 млн. т в год — был достигнут перед первой мировой войной. Подавляющая часть угля использовалась в металлургии для выплавки чугуна.. Однако затем древесный уголь в черной металлургии был заменен более дешевым коксом и выработка его резко сократилась. В настоящее время древесный уголь в этой промышленности практически не применяется. По мере общего развития техники менялся и сам процесс углежжения: ямное и кучное углежжение постепенно заменялось углежжением в разного рода печах, вначале периодического, а затем и полунепрерывного действия.

Процесс термической переработки древесины, при котором наряду с дре­весным углем утилизируют жидкие продукты, в русской литературе назы­вался сухой перегонкой древесины. Сейчас это название считается устарев­шим и заменено пиролизом древесины, а название сухоперегонного произ­водства — пиролизным производством.

5. Пиролиз древесины

5.1. Основные стадии пиролиза.

Процесс обычно включает четыре стадии. Которые можно разделить на экзотермические и эндотермические реакции. Экзотермическая реакция — химическая реакция, сопровождающаяся выделением теплоты.

Эндотермическая реакция – происходит с поглощением тепла.

На состав и свойства продуктов термолиза влияют порода и качество древесины, размеры частиц сырья и начальная его влажность, скорость нагрева, продолжительность пребывания сырья при той или иной температуре, конечная температура нагрева, скорость циркуляции газового потока через слой древесины и другие факторы.

5.1.1. Сушка древесины: температура не выше 150 °С; процесс эндотермический, характерен поглощением тепла; состав древесины почти не изменяется.

5.1.2. Начальная стадия распада древесины: температура от 150 до 270–275 °С; процесс эндотермический; начинается разложение гемицеллюлоз и отдельных фрагментов лигнина; образуются низкомолекулярные продукты (вода, оксиды углерода, метанол, уксусная кислота и др.).

5.1.3. Стадия собственно пиролиза: температура от 270–275 °С до 450 °С; процесс экзотермический; происходит интенсивный распад целлюлозы и лигнина с образованием основной массы продуктов распада и формирование структуры угольного остатка.

5.1.4. Прокалка угля: температура лежит в диапазоне 450–550 °С; происходит отщепление остаточных функциональных групп от углеродного скелета; эндотермические и экзотермические реакции идут параллельно, суммарный баланс стадии — эндотермический.

5.1.5. Охлаждение и стабилизация древесного угля. Выгруженный из углевыжигательной печи горячий древесный уголь поглощает кислород из воздуха, при этом он еще более разогревается, в результате чего может произойти самовозгорание. Наибольшую способность к самовозгоранию имеют угли, выжженные при низких температурах и содержащие до 30 % летучих веществ; температура самовозгорания таких углей ниже 150 °С. Древесный уголь с небольшим содержанием летучих веществ может самовозгораться при температуре выше 250 °С. Выгруженный уголь при 30-90°C за 1 час хемосорбирует из воздуха 0,5-2% кислорода от массы угля; одновременно из угля выделяются низкомолекулярные продукты, в первую очередь, вода (0,3-1,5%). 

5.2. Влияние условий процесса на выход и свойства продуктов

Состав и выход конечных продуктов во многом зависит от продолжительности пребывания образовавшейся при первичном распаде парогазовой смеси в горячей зоне. Если рассматривать общие тенденции термораспада, то можно утверждать, что относительно низкая температура (200–400 °С) и большая длительность процесса способствует образованию угля, тогда как газы преимущественно образуются при температуре выше 600 °С. Смолы будут преобладать при более умеренной температуре (400–600 °С), высокой скорости нагрева и малом времени пребывания.

В процессе пиролиза выделяются оксид и диоксид углерода, газообразные предельные и непредельные углеводороды, водород, вода (не только влага древесины, но и продукт химического распада ее компонентов), кислоты (муравьиная, уксусная и др.), метанол, кетоны, эфиры. Все перечисленные вещества удаляются в виде парогазовой смеси.

Чтобы начался процесс распада целлюлозы, температура должна быть порядка 270–280 °С. После этого процесс в сухой древесине идет автомодельно с выделением тепла и нарастанием температуры. Но если следующие слои содержат влагу, то образуются пары, снижающие температуру и в наружных слоях. При температуре около 300 °С распадается и лигнин. Процесс термолиза осложняется тем, что продукты термораспада из глубинных слоев проходят через наружные, более раскаленные слои и подвергаются дополнительным превращениям.

Поскольку древесина обладает низкой теплопроводностью, тепло распространяется в ней медленно, и до достижения экзотермической стадии необходим постоянный источник тепла для поддержания процесса.

На рис. 1 показано, как при подводе тепла через стенку реторты (вагонетки) идет подъем температуры внутри вагонетки. Здесь отчетливо прослеживаются стадии сушки древесины, отщепления химически связанной влаги и метоксилов, бурного экзотермического распада древесины и прокалки угля с отщеплением, главным образом, газообразных веществ. Свободная теплота экзотермики составляет 1000–1150 кДж. Этого тепла достаточно, чтобы при отсутствии теплопотерь процесс пиролиза воздушно-сухой древесины шел без внешних источников тепла, не затухая.

Изменение температуры в процессе пиролиза: Рис. 1

1 — температура вне реторты (вагонетки); 2 — температура внутри реторты (вагонетки); 
I — период нагрева; II — период сушки; III — 1-я стадия пиролиза; 
IV — стадия экзотермы; V — период прокалки угля.

Скорость нагрева древесины в целом с внешним обогревом определяется скоростью лучеиспускания и теплопередачи от теплоносителя через стенку за счет теплопроводности, а внутри вагонетки — естественной тепловой конвекцией от стенки к древесине. Суммарно определяющим является самый медленный из процессов — теплопроводность через стенку вагонетки. При внутреннем обогреве циркулирующим теплоносителем подвод тепла более быстрый, но тоже определяется теплоотдачей от газового потока к древесине и внутренней теплопроводностью в древесине.

Уголь, прокаленный до 500 °С, не является чистым углеродом. Если прокалку продолжать, то и при 600 °С будут образовываться углеводороды (метан, этан, этилен и др.), а при 700–950 °С в основном выделяется водород. В табл. 4 показано, как по мере возрастания температуры и удаления летучих возрастает содержание нелетучего углерода в угле и падает его выход

Таблица 4

Зависимость выхода угля и легколетучих компонентов от t карбонизации

Конечная температура, °С	Вых. летуч. вещ. масс. %	Древесный уголь
		выход, масс. %	содержание углерода, масс. %
370	9,0	40,1	75,5
380	10,0	39,1	77,5
390	10,5	38,6	78,5
400	11,0	38,1	79,5
410	11,5	37,6	80,6
420	12,0	37,1	81,7
430	12,5	36,6	82,8
440	13,0	36,1	83,9
450	13,5	35,6	85,1
470	14,0	35,1	86,3
500	14,5	34,6	87,6
530	15,5	33,6	90,2
800	22,0	27,1	96,0

На рисунке 2 показана зависимость содержания углерода в угле от температуры прокалки.

Рис. 2

Однако вполне пригодным для большинства направлений потребления считается уголь, прокалка которого завершена при 450–550 °С. При скоростном пиролизе выход угля на 30–50 % меньше, чем при большем времени пребывания в горячей зоне. Окислительный пиролиз (в присутствии дозируемых количеств кислорода) также снижает выход угля. В промышленном производстве выход угля часто бывает заметно меньше, чем приведенный выше. Самые распространенные причины — это попадание кислорода воздуха в аппарат, вследствие чего происходит выгорание части угля, а также особенности режима и потери при перегрузках.

6. Технические требования к древесному углю, его физические и химические свойства

            В хорошем древесном угле сохраняется структура древесины, в торцах кусков угля, особенно хвойного, должны быть отчетливо видны годичные слои.

            Хороший древесный уголь должен быть прочным, блестящего черного цвета, иметь мало радиальных трещин и издавать при постукивании звонкий звук, гореть без запаха и дыма.

            Древесный уголь гидроскопичен, он легко набирает влагу из воздуха, особенно быстро во время дождя и при хранении в низких влажных и затопляемых местах без настила. Поэтому древесный уголь должен храниться в крытых помещениях или под навесом на настиле или поддонах, на возвышенном сухом участке.

            К основным качествам угля относится прочность, снижающая потери при погрузо-разгрузочных работах с ним и перевозке. Значительное влияние на прочность оказывает порода древесины. Например, наиболее прочным является березовый уголь, менее прочным – сосновый и осиновый; наиболее прочный из стволовой части крупных деревьев и менее прочным из сучков.

Химический состав древесного угля включает в себя

№п/п	Наименование химического элемента	Показатель
1	Углерод	72-95% (средний показатель 85%)
2	Кислород	5-15%
3	Фосфор	0,016-0,037%
4	Водород	4-4,8%
5	Летучие вещества	3-20%
6	Зола	не более 3%
7	Влага	от 4%-15%
8	Удельная теплота сгорания (калорийность)	7000..8100 Ккал/кг

Физический состав и свойства древесного угля

№п/п	Наименование показателя	Показатель
1	Плотность (кажущаяся плотность)	260-380 кг/м³
2	Истинная плотность	130-150 кг/м³ (в среднем 143 кг/м³)
3	Удельная поверхность	160-400 м²/г
4	Вес	Около 210 г – 1 л., От 100 до 500 кг – 1 м³
5	Отношение объема пор к объему куска (пористость)	72-80 %
6	Средняя удельная теплоемкость	0,69-1,21 кДж/(кг.К) при 24 и 560°С
7	Теплопроводность	0,058 Вт/(м.К)
8	Удельное электрическое сопротивление	0,8·108 – 0,5·102 Ом·см

В странах СНГ для изготовления древесного угля используется ГОСТ 7657-84(94)

Древесный уголь склонен к самовозгоранию. Самовозгорание древесного угля — результат его авто-окисления, развивающегося стремительным темпом, 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 (концентрация ПМЦ, температура, концентрация O₂ и геометрические размеры массы угля) не будут превышены, то уголь не воспламенится. Предотвратить самовоспламенение ДУ возможно проведением его стабилизации.

7. Самовоспламенение древесного угля, его стабилизация. Меры безопасности при хранении и транспортировке древесного угля

Древесный уголь обладает парамагнитными свойствами, обусловленными присутствием стабилизирующих макрорадикалов (парамагнитных центров – ПМЦ). Присутствие макрорадикалов определяет высокую реакционную способность древесного угля по отношению к кислороду.

Выгруженный из углевыжигательной печи горячий древесный уголь поглощает кислород из воздуха, при этом он еще более разогревается, в результате чего может произойти самовозгорание. Наибольшую способность к самовозгоранию имеют угли, выжженные при низких температурах и содержащие до 30 % летучих веществ; температура самовозгорания таких углей ниже 150 °С. Древесный уголь с небольшим содержанием летучих веществ может самовозгораться при температуре выше 250 °С.

Остывший древесный уголь, также склонен к самовоспламенению. При обычной температуре древесный уголь может адсорбировать различные вещества из их растворов, а также различные газы, в том числе инертные. При этом, чем легче сжижается газ, тем лучше его адсорбирует древесный уголь. При нагревании адсорбировавший вещества древесный уголь выделяет их, вновь приобретая способность адсорбировать. Чтобы увеличить адсорбционную способность угля, его активируют. Однако древесный уголь, который хорошо прокален тоже имеет небольшую активность, примерно 30% от ДАК (древесный активированный уголь). Учитывая написанное выше, категорически недопустимо замерзание мокрого угля, во избежание разрывов его на мелкие куски. Также нужно помнить о том, что древесный уголь нельзя хранить как в открытых, так и в закрытых, но влажных помещениях. При поглощении небольшого количества влаги благодаря поверхностной активности происходит саморазогревание. В случае малейшего сквозняка этот процесс может перейти в возгорание.

Если в процессе остывания уголь получает небольшую порцию воздуха, или наоборот его подвергли интенсивному охлаждению мощным напором воздуха, то он (древесный уголь) менее склонен к самовозгоранию. Простой пример: на ветру костер разгорается, а лучина гаснет. Это зависит от интенсивности переноса тепла. Таким образом и древесный уголь, подвергнутый обдуванию в тонком слое, не загорится, а остынет. Ученый Бурмистров из Нижнего Новгорода изучил этот феномен и сделал тушильник – на сетчатом транспортере тонкий слой раскаленного угля двигался и продувался сильным воздушным потоком. Наклонный транспортер с поперечными скребками, одетый в кожух. Кожух-труба примерно полтора метра диаметром, наклонный. Воздух входит в верхнюю часть и, пройдя сквозь слой угля, отсасывается снизу.

Исходя из этого, можно сделать вывод, что стабилизация горячего древесного угля может быть осуществлена путем контролируемого охлаждения его атмосферным воздухом в тонком слое: на конвейере, также путем его перемешивания или охлаждение на хорошо проветриваемой площадке. Оптимальные условия этого процесса: температура угля в момент выгрузки из печи или вагонетки <200 °С, высота угля «в тонком слое» 60—100 мм, продолжительность охлаждения 15-20 мин, температура угля, после «стабилизации-охлаждения» 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 для охлаждения должен быть теплоизолирован, а площадка быть закрытой. Стоит отметить, что древесный уголь, остывший до температуры окружающей среды, требует гораздо большего времени для стабилизации, что обычно составляет более 10 часов.

8. Применение древесного угля

В качестве топлива для каминов, мангалов и других подобных устройств

Так как в отличие от обычного топлива (например – дров), древесный уголь не образует дыма и открытого пламени, если правильно производить розжиг, а дает только необходимую температуру – жар. Причем для приготовления различных блюд не требуется ждать, когда дрова перегорят – ведь древесный уголь — это уже готовое топливо. Древесный уголь, в частности, прекрасно подходит для приготовления блюд на гриле, мангале и т.д.

В качестве угля для кальяна

В промышленности

Древесный уголь применяется в цветной металлургии (например, для получения алюминия, бора и т.д.); в производстве чистого кремния, который используется для получения полупроводников; в химической промышленности; как каминное топливо (за рубежом) и т.д. В металлургии, например, как восстановитель (в древесном угле большое содержание углерода). В производстве стекла, хрусталя, красок, электродов, пластмасс. При получении древесного угля образуются жидкие побочные продукты в виде древесной смолы (дегтя), из которой получают: скипидар, пищевую уксусную кислоту, канифоль, метиловый спирт, спиртовые растворители и т.д.

Как кормовая добавка в животноводстве

В строительстве

В качестве изоляционного материала при строительстве, так как древесный уголь очень гигроскопичен и хорошо поглощает запахи.

В качестве антикоррозионных порошков и смазок

Древесный уголь находит некоторое применение в приборостроении и в полиграфическом производстве, где он используется для шлифовки и полировки деталей и форм. Наиболее пригоден для этих целей уголь из мягколиственных пород древесины, получаемый по специальному технологическому режиму. В машиностроении в ряде случаев употребляется твердая смазка, главным образом графитовая. Древесный уголь, вследствие малого содержания в нем золы и загрязнений, также может быть использован для производства указанной смазки. Для этого уголь смешивается с осадочной смолой, прокаливается при температуре 1400-1500°С, а затем обрабатывается кисло марганцовым калием, серной кислотой или танином.

В производстве дымного пороха

В производстве дымного пороха применяется уголь преимущественно из древесины ольхи или крушины с содержанием углерода 72-80%. Порох, приготовленный на основе углей из других пород древесины, труднее воспламеняется, поэтому использование иных видов угля не практикуется. На скорость горения пороха влияет количество угля и содержание в угле углерода. При увеличении количества углерода скорость горения пороха снижается, а при увеличении содержания углерода в угле – возрастает. В состав пороха древесный уголь входит в количестве от 12 до 20%. Так, охотничий порох содержит угля 14-16%, шнуровой порох – 12%, бессерный -20% и т.д.

В производстве электроугольных изделий

Электроугольные изделия изготовляют из чистых углеродистых материалов, таких, как нефтяной и пековый кокс, графит сажа, древесный уголь и т.п., смешением с каменноугольной смолой или пеком. Эти изделия применяются во многих отраслях народного хозяйства. Они используются в электрооборудовании различных двигателей, в электрических машинах, для термических целей, в электровакуумной технике и т.д. Сюда относятся все виды угольных сопротивлений, различные контакты, щетки, изделия для техники, связи и многие другие предметы.

В качестве наполнителя для пластмасс

Древесный уголь может быть использован в качестве наполнителя пластмасс. К пластикам такого типа, где наполнителем служит порошкообразный углеродистый материал, принадлежат, например, некоторые марки фаолита, прессовочные материалы специального назначения и др. В этих пластмассах уголь может заменить дорогостоящий и дефицитный графит. Древесный уголь, как уже отмечалось, является малозольным материалом, очень чистым по наличию посторонних примесей. Он устойчив в химически агрессивных средах и достаточно теплостоек. Уголь-сырец обладает высоким удельным электрическим сопротивлением. При прокаливании угля его электропроводность быстро возрастает, поэтому, прокаливая уголь до разных температур и используя некоторые добавки, можно получать изделия с заданными диэлектрическими свойствами. Прокаленный древесный уголь приобретает значительную адсорбционную активность, что усиливает его главную служебную функцию кок наполнителя — адсорбционное упрочение изделия. В основе этой функции лежит изменение механических свойств жидкостей вблизи твердых поверхностей. Молекулы растворенной смолы возле поверхности твердой частицы угля ориентируются под действием адсорбционных сил притяжения. Жидкость вокруг частицы приобретает упорядоченную структуру, ее механические свойства при этом сильно изменяются. При затвердевании эта структура сохраняется и физико—механические свойства образовавшегося твердого тела улучшаются. В производстве неответственных изделий могут быть использованы отходы древесно-угольного производства, т.е. угольная мелочь и пыль, не везде находившие эффективное применение. Угольная мелочь отличается от товарного угля несколько повышенной зольностью, но это обстоятельство может повлиять только на кислотоупорность изделий, не отражаясь на других свойствах. Связующим элементом для древесно-угольных пластиков могут служить такие смолы, как фенолформальдегидная, фурфуролальдегицная и др. В композицию пресс материалов может входить и древесно-смоляной пек, присутствие которого в небольших количествах улучшает пластичность изделий.

В качестве сырья для производства активированных углей

Активные угли – пористые углеродные тела, создающие при контакте с газообразной или жидкой средой значительную площадь поверхности для протекания сорбционного процесса.

Получить консультацию по выбору товаров и услуг можно на странице – контакты.