ПРОИЗВОДСТВО ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ
В последние годы во всем мире получила признание концепция, основанная на новом понимании глобальных энергетических и сырьевых проблем. В обиход вошли такие понятия как биоэнергетика, биотопливо, биосырье, биотехнология. При этом имеются в виду возобновляемые источники энергии и сырья и, в первую очередь, древесина и древесные отходы.Необходимость внедрения биоэнергетики и биотехнологий стала особо актуальной для мирового сообщества вследствие опасности глобального изменения климата из-за выбросов в окружающую среду так называемых парниковых газов - продуктов сжигания и химических превращений ископаемых топлив (уголь, нефть, газ). Россия является и субъектом и объектом Киотского Протокола. В его рамках страны-участники обязуются обеспечить снижение выбросов парниковых газов в атмосферу.
Когда деревья погибают по естественным причинам и их биомасса разлагается, углекислота вновь переходит в свободное состояние. Поэтому, образование углекислоты при сжигании, а также при термических и химических превращениях древесины не включается в баланс общих выбросов и рассматривается как естественный фон.
Эта ситуация сформировала мировую тенденцию к вытеснению каменного угля и нефтепродуктов, традиционно использовавшихся в энергетике и технологии, древесиной и как топливом, и как сырьем для химических превращений.
Белая Книга ЕС ставит цель – утроить использование биоэнергии к 2010 году. Наши Европейские соседи проявляют, поэтому, особый интерес к возможностям экспорта из России древесных отходов и полученных из них товарных продуктов.
Использование древесного сырья позволит значительно сэкономить средства, а также получить экономические выгоды от улучшения ухода за лесом, от оздоровления окружающей среды, от создания новых рабочих мест.
Получение продуктов из древесины путем воздействия высокой температурой относится к числу древнейших технологий в истории человечества. Археологические раскопки свидетельствуют, что еще пещерные люди знали древесный уголь. Его собирали на пожарищах или делали специально, засыпая золой тлеющие головни, а укрываясь в пещерах от непогоды, использовали как топливо, не вызывающее угара. Наверное, первый металл был выплавлен случайно, когда камни, которыми обложили очаг с горящими углями оказались рудой. С начала бронзового века древесный уголь стал одной из основ развивающейся цивилизации.
Немыслимо представить русскую деревню без кузницы. Оковать соху, выковать подковы, изготовить множество предметов быта было возможно только в кузне, работающей на древесном угле. С именем династии Демидовых связано развитие не только металлургии на Урале, но и углежжение. Только на древесном угле получается высококачественный ковкий, пластичный чугун. Его особые свойства позволили создать все замечательные чугунные ограды и многие памятники Петербурга. До сих пор этот чугун варят на Урале для художественного литья.
Отсутствие вредных для многих технологий фосфора, серы, тяжелых металлов, возможность изготовления разнообразных сорбентов, позволяют древесному углю и сейчас оставаться одним из важных продуктов.
Далеко в историю уходят такие разновидности термической переработки древесины, как производство дегтя, сосновой смолы "икрянки".
В начале Великой Отечественной войны боеспособность авиации во многом зависела от выработки этилацетата – основы самолетного лака. Этилацетат делали из уксусной кислоты, полученной при газификации древесины. За разработку технологии улавливания этого соединения лесохимики А.А.Деревягин, А.А.Ливеровский и В.А.Лямин в разгар войны получили Сталинскую премию первой степени наравне с конструкторами оружия, создателями брони и взрывчатых веществ. Для того времени это была высшая мера признания заслуг и вклада в дело обороны.
Производство древесного угля. Сегодня в мире производится около 9 млн. т/год древесного угля. Более 7,5 млн. тонн из этого количества делает Бразилия. Многолесная Россия производит немногим больше 100 тыс. т/год (в канун перестройки производилось 350 тыс.т/год). Существует неудовлетворенный спрос на древесный уголь. В Россию ввозят уголь из Белоруссии и Украины, из Китая. Китай поставлял активированный уголь в Россию до самого последнего времени, теперь начал поставлять кристаллический кремний, который тоже делается на древесном угле. Потребление древесного угля на душу населения в год в Европейских странах превышает 20 кг, в скандинавских странах 25 кг, в Японии свыше 60 кг. В России этот показатель менее 100 грамм. Существует несколько разновидностей древесного угля, связанных с различной технологией изготовления и особенностями сырья. Например, в Японии очень велик спрос на так называемый «белый» уголь, выжигаемый из дальневосточного железного дуба. Некоторые зарубежные фирмы изготавливают в качестве топлива для каминов и грилей «красный уголь», получаемый мягким углежжением при невысокой температуре.
Предпочтительным сырьем для углежжения является твердолиственная древесина. Из нее получается более прочный и плотный уголь.
В новых условиях сырьем для углежжения чаще становятся отходы хвойных пород, осина, кустарниковые. Сделать из них качественный уголь можно, если производить уголь по отработанной технологии и брикетировать.
При термическом распаде древесины помимо древесного угля, образуются жидкие и газообразные продукты. Жидкие продукты выходят из горячей зоны частично в капельной фазе, частично в парах, образуя вместе с неконденсирующимися газами парогазовую смесь. До второй трети 20 века эти продукты были не менее востребованы, чем уголь. Но в конце века они были вытеснены более дешевыми, изготавливаемыми на основе синтеза из нефтепродуктов и природного газа. Это обстоятельство и изменение транспортных тарифов сделали существовавшие заводы нерентабельными, и они перепрофилировались или прекратили существование.
Режим пиролиза определяющим образом влияет на выход и состав продуктов, но при прочих равных условиях выход зависит от породы перерабатываемой древесины и части дерева, подверженной пиролизу.
В промышленном производстве выход угля часто бывает заметно меньше, чем расчетный. Самые распространенные причины – это попадание кислорода воздуха в аппарат, вследствие чего происходит выгорание части угля, а также особенности режима и потери при перегрузках, исключение из баланса отсеянной и сожженной на своем производстве угольной пыли.
Качественным считается для большинства направлений потребления уголь, прокалка которого завершена при 450...5500С.
Технология производства древесного угля относительно проста. Но, все-таки, требует определенной культуры производства. Иначе выход угля снижается, уголь получается трещиноватый, мелкий, пахнущий смолами, недожженный.
Аппараты для углежжения. Аппаратов для термического разложения древесины создано множество. Некоторые из них работают в настоящее время. Другие еще совсем недавно использовались в промышленности, но теперь потеряли свое значение. Еще больше таких, которые остались в патентах, конструкторских разработках, опытных установках.
На нынешнем этапе развития наиболее приемлемы те технологические решения, которые могут быть использованы в условиях лесопромышленного предприятия и позволяют переработать отходы. При этом углевыжигательные аппараты должны отвечать следующим условиям:
Производительность по сырью соответствует объему отходов на предприятии (как правило 3…20 тыс. м3/год). Таким образом, исключаются дальние перевозки сырья, удорожающие производство.
При небольшой производительности нецелесообразно перерабатывать жидкие продукты. Они должны сжигаться, покрывая потребности процесса в тепле.
Установка должна быть экологически чистой. Необходимо исключить выбросы в окружающую среду и загрязнения.
Установка должна быть простой в изготовлении. Транспортабельный вариант должен иметь возможность перемещения при передислокации лесозаготовок.
Установка должна быть проста в управлении, взрыво- и пожаробезопасна.
Исторически наиболее ранними были ямное и кучное углежжение. Именно эти способы производства обеспечивали углем многочисленные кузницы, существовавшие почти в каждой деревне. Профессия углежога была очень распространенной и в России, и в Европейских странах и в Азии. У многих народов в Африке до сих пор в очагах для приготовления пищи применяется только древесный уголь, и его заготавливают традиционными способами. Ямное и кучное углежжение используют и в наше время. Надо сказать, что в некоторых странах Африканского континента ямное углежжение превратилось в катастрофу – леса вокруг городов на большом расстоянии вырублены подчистую. Правительства преследуют углежогов, но традиции приготовления пищи на угле мешают прекратить этот промысел.
Кучное (костровое) углежжение не требует вообще никаких материалов, кроме дров, дерна и воды. По способу укладки различают стоячие и лежачие кучи. Первые, объемом 15…400 м3, выкладывают в форме стога с куполообразным суженным верхом. Лежачие, объемом до 1000 м3, имеют прямоугольное основание и скошенную поверхность.
На рис.1 представлена стоячая куча
1 – ток; 2 – канал; 3 – нижний ярус; 4 – верхний ярус; 5 – чепец; 6 –настил; 7 – дерн
Из опыта углежогов известно, что нельзя в одной куче перерабатывать древесину разной плотности. Куча в 300 м3 дров будет переугливаться 20...30 суток.
Обслуживание углевыжигательной кучи – это тяжелый ручной труд, при этом необходима высокая квалификация рабочего, ведущего процесс, т.к. работника подстерегают опасности – взрывы газа, провалы кучи, самовозгорание вынутого угля, а процесс ведется без приборов, только по внешним признакам.
Углевыжигательной куче «наследовали» аппараты, выполненные в металле, но по принципу работы мало отличающиеся от кучи. Это переносная углевыжигательная печь ЦНИИМЭ.
Переносная печь ЦНИИМЭ показана на рис.2
1 – нижнее кольцо; 2 – верхнее кольцо; 3 – купол; 4 – люк; 5 – воздуховоды; 6 – дымовые трубы; 7 – песчаные затворы
Эта печь состоит из двух стальных сварных колец в форме усеченных конусов и куполообразного навершия с люком и крышкой. Дешевизна и простота этой конструкции подвигли множество не слишком грамотных изобретателей создавать «упрощенные» и «улучшенные» свои варианты. «Потомками» печи ЦНИИМЭ являются бесчисленные аппараты в форме вертикальных бочек разной вместимости, часто с топкой внизу или сбоку. Все они, сохранив недостатки этой печи, усугубили их непропорциональностью размеров и несовершенством технологии.
Они не имеют главного достоинства печи ЦНИИМЭ – возможности плотной укладки дров. Поэтому, удельная их производительность ниже. К сожалению, некоторые предприниматели, не имеющие опыта углежжения, приобрели в последние годы под влиянием рекламы такие реторты у польских, украинских и отечественных изготовителей и несут связанные с этим потери.
Большое распространение получили передвижные углевыжигательные печи УВП, также разработанные ЦНИИМЭ. В настоящее время в эксплуатации находятся в основном варианты пятой модификации – печи УВП-5.
Углевыжигательная печь УВП-5 - рис.3.
1 камера углежжения; 2 топка; 3 дымовая труба; 4 колосник; 5 люки; 6 предохранительный клапан
Их обслуживание требует тяжелого ручного труда. Но печи дешевы в изготовлении. Главный их недостаток, как и предыдущих печей, состоит в том, что все парогазы выбрасываются в атмосферу, загрязняя окружающую среду. Печи не имеют изоляции и, поэтому, теплопотери велики. Температура поверхности печи в стадии экзотермы достигает 300 оС, что является грубым нарушением нормативов техники безопасности. Выход угля из кубометра дров вдвое ниже, чем у рационально организованных установок. Вместе с тем, благодаря плотной ручной укладке дров, они относятся к числу наиболее эффективных по выходу угля на единицу объема аппарата и на тонну израсходованного металла.
К числу достоинств УВП-5 можно отнести и ее транспортабельность.
Попытки создания аппарата, имеющего те же достоинства, что и УВП-5, но не имеющего его недостатков делались изобретателями неоднократно.
В 1992 году в ЛТА была разработана печь, которая должна была стать альтернативой экологически грязным установкам. Сущность технического решения состоит в том, что выемные реторты устанавливаются в отверстия в верхнем настиле топочного устройства
Реторты устанавливаются в печь со сдвигом во времени. Так что когда в одной идет сушка, в другой – пиролиз, а в третьей прокалка угля. Парогазы выходят через колосники и специальные каналы в топочный объем и там догорают. За счет этого удовлетворяется потребность в тепле, если исходная влажность дров ниже 50% отн. При более высокой влажности в топку добавляются дрова. Топка работает непрерывно, а реторты, в которых процесс завершился, извлекаются и устанавливаются для охлаждения в специальные подставки.
В освободившееся отверстие вставляется очередная реторта, заполненная свежими дровами. Таким образом, топочное пространство не охлаждается, и теплопотери уменьшаются. Охлаждение угля также протекает эффективно, поскольку отвод тепла идет только от угля, через одинарную стенку реторты. Отпадает необходимость заливать уголь водой. Установка «всеядна» – способна перерабатывать и дрова, и отходы различных размеров. Благодаря тому, что охлаждению подвергается только выемная реторта, а не вся установка, не только выигрывается тепло, но и оборот реторт существенно снижается.
Печь ЛТА, рис.4 Печь ЛТА в Индии, рис.5
1 топка; 2 пиролизная камера; 3 реторта; 4 ячейки
Эта конструкция в ее упрощенном виде была принята на вооружение в Индии. Там с ее помощью переугливают различные сельскохозяйственные остатки. Полученный уголь брикетируют. Сейчас в Индии работает около 400 таких установок.
Это устройство может быть построено простейшими подручными средствами. Стены могут быть и кирпичными и из природного камня, скрепленного глиной. В последнем случае важно подобрать термостойкую разновидность минералов подобно тому, как это делается для парных – каменок.
При переугливании мелких сучьев, кукурузных початков, стеблей и других растительных остатков время пребывания реторт в горячей зоне может быть сокращено. В топке сжигаются дрова, но основное тепло печь получает за счет сжигания собственных паров и газов. Это дает экономию тепла и делает печь экологически чистой.
Совершенствование этой технологии вылилось в создание семейства аппаратов с выемными ретортами, получивших общее название «ПОЛИКОР». В отличие от предыдущих конструкций установки этой серии имеют отдельно разнесенные зоны сушки и пиролиза. Это позволяет более рационально использовать тепло, направляя горячие дымовые газы сначала в зону пиролиза, а затем в сушилку. Сейчас в России работает 6 установок типа «Поликор».
Дальнейшее развитие этого направления позволило создать печи «ЭКОЛОН», в которых устранены выявленные пр
