Пиролиз древесины

Итак, друзья, сегодня хочется продолжить тему, которая была изложена в прошлой статье. Дело в том, что она заслуживает внимания. Пиролиз древесины имеет перспективу, и за рубежом ему уделен повышенный интерес. У нас же в стране, это довольно шаткое и медлительное внедрение, как в производство, так и в бизнес.

Знаю, что большинству лесорубов не понятен пиролиз и нет желания вникать в данную тему. Но, планы Бориса, по внедрению уникальных установок посредством утилизации порубочных остатков на лесосеках, заслуживают уважения, одобрения, внимания и целесообразности для лесного хозяйства и лесной промышленности. Представьте, например, сколько можно было бы сэкономить на очистке лесосек трудозатрат! Это самое не благодарное и нелюбимое занятие лесорубов! А лесное хозяйство? Проблема с лесными пожарами была бы значительно решена и с экологией, кстати, тоже.

Мне и самому было неинтересно и непонятно, да и технического образования у меня нет. Однако я понимаю, насколько внедрение пиролиза древесины в нашу лесную деятельность актуальна. В общем, читаем, анализируем и делимся своими доводами. Основную информацию взял из всемирной сети.

Пиролиз древесины

Процесс переработки древесины на всех стадиях сопровождается образованием огромной доли отходов. Во время сруба, очистки, подготовки к транспортировке образуются отходы в виде сучьев, корней, коры и щепы. Общий объем отходов в данном процессе составляет примерно 20% массы древесины. Переработка лесоматериала сопровождается более высоким уровнем потерь растительного сырья. В виде срезов, опилок, и других не используемых частей, древесина теряет еще 30-40% своей исходной массы. Основным видом утилизации отходов является сжигание или захоронение на свалке. В то время при применении различных химических и механических процессов из отходов можно извлечь ценное сырье для производства материалов, используемых в энергетической, металлургической, химической, строительной и других промышленностях.

Одним из эффективных методов утилизации древесных отходов является физико-химический процесс – пиролиз древесины.  Технология заключается в воздействии на древесный материал высоких температур без доступа воздуха. Для осуществления пиролиза древесины не требуется сложное дорогостоящее оборудование и больших энергетических затрат. Что дает большой экономический потенциал коммертизации данного процесса.

Термин «Пиролиз древесины», устаревшее название - сухая перегонка древесины – это химико-технологический процесс переработки древесных материалов. Проходит при помощи воздействия высокой температуры на древесину без доступа кислорода, предупреждающего возникновение открытого огня. В связи с этой особенностью древесина не сгорает, теряя ценнейшие органические соединения, а претерпевает ряд структурных и молекулярных изменений с образованием твердого, жидкого и газообразного продуктов распада.

История развития технологического процесса

Сам процесс пиролиза известен уже много тысяч лет своей простотой исполнения. Наскальные рисунки медного века из пещеры «Шове», возрастом около 7000 лет говорят о производстве древесного угля, используемого для выплавки металла. Документальные доказательства показывают, что с началом Бронзового века 5500 тысяч лет назад в Южной Европе и на Ближнем Востоке началось широкое распространение пиролиза для получения древесного угля, температура горения которого позволяла сплавить олово и медь с образованием более твердого металла – бронзы.

Пиролиз древесины, также известен как сухая перегонка древесины – процесс разложения древесного материала путем нагревания до 450-550 градусов цельсия в бескислородной среде, с образованием летучих низкоуглеродных соединений, жижки (древесной смолы) и древесного угля. Существует утверждение, что первое применение пиролиза древесины в промышленных масштабах началось в 16 веке в Швеции. Получаемую в результате процесса древесную смолу использовали для пропитки корабельных досок. Более высокая температура горения древесного угля в сравнении с каменным углем, его структурные особенности подтолкнули развитие металлургии.

В дальнейшем технология пиролиза нашла применение в нефтеперерабатывающей промышленности. В частности, импульсом к развитию послужили исследования российского химика А.А. Летнего. Его работы по изучению воздействия высоких температур на углеводород содержащие вещества заслужили всемирную признательность, а сама технология стала использоваться во многих областях промышленности. В военно-промышленном комплексе с помощью пиролиза добывали высокомолекулярное соединение толуол, используемый для изготовления тротила.

Процессуальные стадии пиролиза

Процесс пиролиза древесины подразумевает собой комплекс следующих мероприятий:

1. Лесозаготовительный процесс. После вырубки древесина отправляется на лесопильный завод для дальнейшего измельчения и сбора.
2. Далее получившееся сырье нуждается в отделении излишней влаги. Процесс осушки может занимать значительное количество времени, в зависимости от метода сушки материала.
3. Третья стадия заключается, по сути, в самом пиролизе в печи.
4. Конденсация паров и газов. Сбор сопутствующих процессу собирают и конденсируют под давлением.
5. Процесс охлаждения угля и прочих тяжелых продуктов реакции.

Из всех процессов наиболее ресурсозатратным предприятием является сушка. Обычно этот процесс при условии естественного осушения сырья занимает около одного года.

Физико-химический процесс пиролиза древесины

В настоящее время пиролиз представляет собой постоянно развивающийся крупномасштабный процесс переработки различного углеводородного сырья, на котором основывается весь органический и нефтехимический синтез.

Сам процесс пиролиза органических веществ до сих пор до конца не изучен и подвергается различным спорам в научной среде.

По сути, пиролиз - реакции разложения гемицеллюлозы, целлюлозы и лигнина, являющихся основными компонентами состава древесины, с образованием отличных от первоначального состояния органических веществ.  Углеродные связи под действием температур и отсутствии кислорода в начале процесса соединяются со свободными радикалами соседних молекул, освобождая атомы углерода, которые взаимодействуя с молекулами воды образуют окиси углерода и метан. Затем, с повышением температуры, вновь созданные связи разрываются, атомы углерода взаимодействуя друг с другом, образуют вторичные Бета-связи, соответственно структуре углеродной цепочке, присущей структуре угля, а также образуются тяжелые органические соединения, выпадающие в осадок в виде эмульсии – смолы (жижка). Составляющие состав древесины вещества имеют свой диапазон температурных влияний, соответственно:

• Гемицеллюлоза – 200-250 ℃;
• Целлюлоза – 220-300 ℃;
• Лигнин – 250-450 ℃;

Данные кинетической энергии и ее компонентов при пиролизе древесины, найденные разными исследователями, так же претерпевают разногласия. Процесс пиролиза древесины можно разделить на три последовательные стадии:

1. Эндотермическая реакция. Сопровождается поглощением энергии. При температурах 150-250℃ из древесины выделяется вода. Образуются оксиды и диоксиды углерода, метан и другие низкомолекулярные летучие соединения.
2. Экзотермическая реакция. в отличие от первой стадии процесса, данная реакция сопровождается выделением большого количества тепла, образующегося за счет разрыва молекулярных связей в органических веществах. Выделяются малорастворимые углеводородсодержащие вещества.
3. Прокалка угля. Температура процесса порядка 400-600℃

Различные химические добавки позволяют снизить температуру активации пиролиза, тем самым уменьшают расход топлива для осуществления процесса. Так, при пропитке древесины двухпроцентным раствором серной кислоты с небольшим добавлением перекиси водорода температура начала реакции снижается с 250 до 150 ℃, а потребляемая энергия со 160 до 40 кДж/моль. С уменьшением энергоемкости процесса увеличивается рентабельность производства и качество древесного угля.

Промышленное оборудование для сухой перегонки древесины

Для осуществления процесса пиролиз древесины применяется специальное оборудование – реторта – цилиндрический сосуд, изготовленный из листового металла толщиной 1,5-2 см. В зависимости от масштабов производства различаются габариты реторты. Загрузка сырья происходит сверху через специальный загрузочный механизм. Снизу комплекса располагается устройство для вывода древесного угля. Термоподача и вывод газов осуществляется через 4 линии трубопровода. Через первый вводится теплоноситель, второй осуществляет вывод паров воды и углекислых соединений. Посредством третьего трубопровода отводятся нагретые газы. Последний применяют для охлаждения полученного древесного угля.

Реторты бывают трех типов действия: непрерывного, периодического и смешанного типов. Наиболее распространенный тип устройства – полунепрерывный. В таких агрегатах процесс отличается периодичностью загрузки сырья и выгрузки угля во времени, а газы выводятся непрерывно. В ретортах непрерывного действия все процессы пиролиза древесины проходят одновременно.

Существует также различие реторт по принципу подогрева. В одних тепло подается непосредственно вовнутрь камеры с сырьем, а в других используются специальные карманы корпуса реторты, куда подводится трубопровод с теплоносителем. В случае с первым принципом пиролиз проходит мягче, но выход продуктов реакции в 8-9 раз меньше.

Сырье в промышленном пиролизе древесины

В качестве сырья для пиролиза используется в основном специально заготовленная техническая древесина и образующиеся отходы. В зависимости от размеров сырья, вида растений, влажности и других особенностей различается выход готового продукта. Так, для производства высококачественного каменного угля используют крупные куски древесины.

По общепринятым в России стандартам вся древесина, предназначенная для промышленного производства древесного угля посредством пиролиза, разделяется на 2 группы:

I	Дуб, ясень, бук, береза, ильм, граб, клен
II	Ива, тополь, ольха, липа, осина

Данный ГОСТ действует и поныне. Но данные, по которым принимают данную классификацию в настоящее время стали устаревшими и не поддерживаются современными требованиями.

Нынешние условия экономики требуют акцентироваться не на подборе сырья под технологию производства продуктов пиролиза, а совершенствовать методы процесса и находить технологии, позволяющие совершенствовать производство. Иначе высокие производственные издержки приведут к неконкурентной себестоимости древесного угля по отношению к другим видам промышленных восстановителей или импорту. Примечательно, что Бразилия, являющаяся лидером по производству древесного угля, перерабатывает деревья эвкалипта, выращиваемые на специальных плантациях

Оптимальный уровень влажности древесины должен находиться в диапазоне 15-20%. С увеличением коэффициента влажности увеличивается расход топлива, снижается выход и прочность угля. Поэтому перед переработкой древесину подвергают принудительной сушке в специальных заготовительных помещениях, с регулируемыми атмосферными условиями.

Подготовка сырья

В промышленности для переработки древесины путем пиролиза используют специально заготовленную технологическую древесину.

На заводы сырье поступает посредством железнодорожного или автомобильного транспорта. В зависимости от требований технологии и оборудования древесина разделывается на куски определенного размера. Отрезки бывают до 3-х метров.

Сбор и хранение сырья организуют в хорошо освещенных и благоустроенных помещениях, оборудованных системой регуляции температуры и влажности. Необходимым атрибутом подобных площадей является соблюдение правил противопожарной безопасности и наличие соответствующего оборудования. Хранят древесину в кучах объемом до 50 000 кубометров.

В древесине постоянно содержится влага. По содержанию воды она разделяется на три группы:

1. Сырая древесина – среднее содержание влаги свыше 50%;
2. Полусухая – 25-59%;
3. Воздушно-сухая – до 25% влаги.

По опыту видно, что для древесины лиственных пород наиболее подходящий способ хранения в расколотом виде. Под кучи устраивают соответствующие приспособления и основания для проветривания. В случае отсутствия циркуляции воздуха древесина может подвергнуться гниению и разложению. Береза и осина с возрастом более подвержена гниению, и при не соответствующем хранении процесс гниения увеличивается. В результате древесина теряет массу в объеме и снижается коэффициент выхода готовой продукции. Более того древесный уголь в итоге получается мелким и не прочным.

Еще одним наиболее важным циклом в подготовке сырья является процесс распиловки и расколки бревен, с целью получения чурок определенного размера, соответствующего требованиям технологического оборудования. Для распиловки используют так называемые слешеры – многопильные станки, позволяющие производить распил нескольких бревен одновременно. Станки такого типа являются необходимым оборудованием для лесохимического предприятия. В целях максимизации производства слешеры оборудованы устройством сбора опилок и стружек, так же используемых в виде сырья на производстве.

Чурки диаметром более 14см и длиной 1м подлежат расколке с помощью гидравлического станка, состоящего из станины и дров колющего механизма.

Готовая продукция пиролиза древесины.

Основной задачей промышленного пиролиза древесины является добыча древесного угля. Помимо этого, в ходе процесса образуются не менее востребованные в различных отраслях мира вещества и химические соединения. В зависимости от природы древесины, физических свойств сырья и условий проведения пиролиза усредненные данные выглядят следующим образом:

Выход продуктов пиролиза древесины

Порода древесины	Древесный уголь	Смола	Низкомолекулярные соединения	Газы	Вода
Ель	37,9%	15,3%	6,4%	18,2%	22,3%
Сосна	38%	16,7%	6,2%	17,7	21,4
Береза	33,6%	14,3%	12,3%	17%	22,8%
Осина	33%	16%	7,3%	20,4%	23,3%

Из приведенной таблицы видно, что наибольший процент выхода продукции занимает древесный уголь. В промышленности этот ценный ресурс применяется в качестве топлива, восстановительного реагента в металлургической отрасли, для производства кремния, сероуглеродов, применяемых в качестве катализатора в изготовлении каучука, в качестве сорбента в различных фильтрах для очистки газов, жидкостей, в фармацевтике для очистки лекарств и других областях экономики мира.

От вида древесины, используемой в производстве угля, зависят качественные и количественные свойства готового продукта. Так из древесины лиственных пород уголь получается более высокого качества, но в меньшем количестве, чем уголь, полученный от перегонки хвойных пород древесины. Образование уксусной кислоты так же зависит от разновидности пород древесины. У лиственных пород выход больше, чем у хвойных, и где-то посередине у мягколиственных. Кстати говоря, продукт пиролиза из коры деревьев обладает высокой зольностью, и было бы целесообразно добавлять ее к древесине. Однако в производственной практике окорку основного сырья не применяют.

Смола, также образующаяся как продукт пиролиза, представляет собой эмульсию из пироконденсатов полимерных органических соединений. По сути, это водный раствор малорастворимых высокомолекулярных углеводородов. Суммарно в жижке, как еще называют получившуюся смесь, содержатся следующие вещества:

• Циклические соединения: крезол, ксиленол, пирокатехин, пирогаллол, метиловые эфиры;
• Легколетучие: различные органические спирты, кислоты, эфиры, карбонильные соединения;
• Труднолетучие: гидроксикислоты, лактоны, ангидриды сахара, фенол, фурановые соединения.

Полезные соединения отделяются от общей массы путем последующей переработки жижки., посредством фракционного отбора компонентов и прочих химико-технологических процессов Наибольший полезный эффект дают лиственные породы деревьев. Так, вы­ход ук­сус­ной ки­сло­ты при пи­ро­ли­зе ли­ст­вен­ной дре­ве­си­ны со­став­ля­ет 4–7%, вы­ход ме­та­но­ла 1–2% от мас­сы су­хо­го сы­рья. При пи­ро­ли­зе хвой­ной дре­ве­си­ны вы­ход этих со­еди­не­ний в два раза ни­же.

Метан, выделяемый в процессе пиролиза, используется как возобновляемый источник энергии в производстве древесного угля.

Применение вторичных продуктов пиролиза

Помимо основного стратегического продукта пиролиза древесины – древесного угля, в процессе реакции получают ряд побочных веществ, нашедшие не меньшую потребность в промышленности. Из множества можно выделить следующие соединения:

• Метанол – используется в химической промышленности как ценный растворитель. Второе название данного соединения «древесный спирт». Используется в качестве топлива в некоторых разновидностях двигателей внутреннего сгорания. Широко применяется в авиации. Коэффициент содержания в готовом продукте пиролиза составляет 5-7% от общей массы сырья.
• Уксусная кислота - изначально уксусную кислоту добывали из продуктов брожения сахара. Со временем этот ценнейший компонент химической и пищевой промышленности стали получать из продуктов пиролиза древесины, что позволило немного сэкономить пищевое сырье. При пиролизе на выходе уксусная кислота составляет 6-10% от массы древесины.
• Горючие газы – смесь попутных газов включает в себя широкий набор химических соединений. Основные компоненты - оксид углерода, метан, ацетилен, этилен, этан, водород, диоксид углерода, находят использование в виде биотоплива. Успешно используется на котельных производственных предприятий, в том числе и на лесохимических заводах в роли возобновляемого энергоресурса. На выходе составляет 1-3,5% массы используемой в пиролизе древесины.

Помимо описанных продуктов пиролиза древесины на выходе продуктов реакции присутствует масса других полезных органических и минеральных соединений, находящие широкое применение в непрерывно развивающихся отраслях промышленности.

Пиролиз древесины в домашних условиях

Многие «умные» домохозяйства используют технологию пиролиза для уменьшения затрат на энергетические ресурсы, одновременно решая проблемы утилизации мусора. В действительности же процессу пиролиза можно подвергать любые материалы и отходы различного происхождения. И получать полезные продукты в виде газа, смазочных материалов и конечно угля и углесодержащих компонентов. Те, кто дома отапливает посредством сжигания дров, могут сократить расход топлива, используя метод сухой перегонки древесины. За счет увеличения коэффициента полезного действия в виде вырабатываемых горючих газов и угля, сокращается расход заготовленного энергетического материала. В качестве сырья подойдут любые отходы, получаемые от деревообработки. Стружка, опилки, срезы древесины, все это является отличной основой для получения полезных продуктов. Далее мы разберем, как организовать процесс пиролиза древесных материалов у себя дома.

Умелые ручки при Пиролизе древесины

В домашних условиях в качестве оборудования для пиролиз древесины подойдут различные приспособления, имеющиеся под рукой. В качестве емкости подойдет обыкновенная железная бочка с крышкой или металлический шкаф. Главное условие, чтобы емкость была чистая от каких-либо химических соединений. Вокруг заранее вырытой ямы выкладываем кирпичи, образуя небольшой котел с поддувалом для огня. Сверху ставим емкость с прорезями для выхода сопутствующих газов. В случае необходимости сбора попутных газов придется соорудить специальный газоприемник с подключением к самодельной реторте, компрессору и емкости, выдерживающей высокие давления. Безопаснее всего, из-за взрывоопасности попутных газов распада при пиролизе, заказать подобное оборудование и специалистов, занимающихся профессиональной сборкой газоконденсирующего оборудования.

Далее в емкость загружаем сырье и поджигаем котел. После прекращения выделения газа оставляем емкость на 2-3 часа остывать. В итоге внутри емкости получаем древесный уголь или в случае перегонки опилок песок, которые можно использовать в хозяйственных нуждах. А также сажу, используемую в качестве углеродсодержащего удобрения в огороде.

В заключении о пиролизе древесины

Друзья, комментируйте, добавляйте свои замечания, предложения, соображения на тему пиролиза древесины.