Пиролиз древесины

Пиролиз древесины — процесс её терморазложения при температурном воздействии 450 °C и нехватке кислорода. Его ещё принято назвать сухой перегонкой. В результате возникают газы и жидкие отходы, а также около 24–25% полноценного древесного угля. Рассмотрим, как конкретно и в каких установках проходит этот процесс, что получают при пиролизе древесины и где эти продукты получили наибольшее распространение.

Технология пиролиза древесины 

Это один из первых основанных на химии процессов, применяемых человеком. С середины XII века он широко популяризирован — таким способом получали древесную смолу для кораблестроения, а назвали раньше данный процесс смолокурением. За почти X столетий кардинальных изменений в пиролитическом терморазложении не произошло — только лишь была модернизирована технология с учётом технических возможностей современного мира.

Метод основан на принципе термодеструкции древесных составляющих: целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Эта реакция протекает в температурном диапазоне 200–400 °C и является экзотермической, то есть при ней высвобождается огромное количество тепла (порядка 1150 кДж/г).

Пиролиз древесины делится на следующие технологические этапы:

1. Измельчение и просушка сырья.
2. Пиролиз.
3. Охлаждение древесного угля и его стабилизация, чтобы исключить вероятность самовозгорания.
4. Конденсация летучих продуктов, появляющихся в процессе пиролиза.

Терморазложение древесины проходит в несколько этапов:

1. Нагрев древесины до температуры 130–150 °C, при которой происходит её сушка до уровня влажности 15% с изменением отдельных компонентов древесного сырья.
2. Пиролитическое разложение. Температура пиролиза древесины на этом этапе в пределах 155–280 °C — этого достаточно, чтобы распались наименее стойкие компоненты и освободились летучие газы (CO2, CO) и уксусная кислота.
3. Затем температуру поднимают до 280–455 °C, что приводит к ускоренному распаду сырья и выделению продуктов с одновременным выделением тепла.
4. Древесный остаток прокаливается более чем при 500 °C, что приводит к окончательному удалению тяжёлой смолы и летучих газов. В остатке получаем чистый древесный уголь.

На то, как быстро проходит пиролиз древесины и виды продуктов, получаемые при этом, напрямую влияет сорт сырья, уровень его подготовки, тип устройства пиролитического разложения и применяемая технология. Для начала рассмотрим, что представляют собой пиролизные установки.ь текст...

Устройства для осуществления пиролиза 

Существует множество видов оборудования для пиролиза, хоть в их основе и лежит единый принцип термохимической деструкции сырья. Процесс проходит в ретортах — сосудах из металла цилиндрической формы цельносварной конструкции. 

По типу работы реторты делятся на устройства непрерывного, периодического и полунепрерывного действия.

Пиролизные установки полунепрерывного действия являются наиболее распространёнными. В них загрузка сырья осуществляется порционно через равные периоды, как и выгрузка готового древесного угля. При этом отбор продуктов осуществляется непрерывно.

Быстрый пиролиз древесины 

Быстрый пиролиз является одним из самых популярных методов пиролитического разложения древесного сырья, основанном на его ускоренном нагревании. В процессе терморазложения отсутствует доступ кислорода.

Основные особенности этого процесса следующие:

• такой метод позволяет проводить замкнутый непрерывный пиролиз древесины;
• конечные продукты отличаются «чистотой», поскольку этап осмоления не используется;
• такой процесс менее энергоёмкий;
• в процесс терморазложения выделяется тепло в огромном количестве.

Стоит отметить, что количество и виды пиролизных продуктов напрямую зависят от типа сырья и способа его подготовки. Поэтому данному этапу важно уделить особое внимание.

Сырьё в промышленном пиролизе древесины 

В роли сырья выступает как техническая древесина специальной заготовки, так и отходы деревообрабатывающего производства. В РФ действуют стандарты, которые делят сырьё на две основные группы:

1. В первую группу включён дуб, берёза, граб, клён, бук, ильм, ясень.
2. Во вторую группу включён тополь, липа, осина, ива, ольха.

Здесь всё зависит от эндемических особенностей — например, в тех регионах мира, где указанных древесных пород не произрастает или слишком мало, используются местные сорта деревьев. Например, в Бразилии пользуется широкой популярностью древесный уголь из эвкалипта.

Оптимальный показатель влажности древесного сырья составляет 15–20% — чем он выше, тем меньше образуется древесного угля, что важно учитывать при подготовке древесины к пиролизу. Кроме того, крайне важно не смешивать древесину разных групп при пиролизе, иначе процесс термического распада будет нестабильным, а конечный продукт будет разнородным.

Подготовка сырья 

Этот этап один из наиболее важных, так как от качества подготовки напрямую зависит стабильность протекания пиролизных процессов и объёмы получаемых продуктов. Условно его можно разделить на несколько шагов:

1. Получение исходного сырья. Источником древесины являются деревообрабатывающие и лесопильные предприятия, от которых древесина транспортируется железнодорожными вагонами или лесовозами. При небольших размерах сырья может осуществляться доставка любым бортовым грузовиком.
2. Сортировка сырья. Она производится с целью недопущения попадания в одну закладку древесины разных групп и кардинально отличающихся между собой сортов (например, лиственных пород с хвойными), а также отбраковки подверженных гниению или ветхих экземпляров. Также сырьё сортируется на три группы по влажности: сырая (от 50%), полусухая (25–59%), сухая (до 25%).
3. Подготовка к хранению. Заготовки распиливаются на многопильных станках (слешерах), а распиленные на чурки определённой длины брёвна раскалываются. Для подготовки сырья используется лесопильное оборудование, оснащённое специальными механизмами для сбора стружки и опилок — в дальнейшем они также будут применены при пиролизной обработке.

На последнем этапе перед загрузкой в пиролизную установку сырьё отправляют на хранение. Хранится оно в защищённом от атмосферных осадков месте при соблюдении условий пожарной безопасности. Для исключения влаги и гниения древесина укладывается на основания таким образом, чтобы сохранить возможность естественного проветривания.

Продукты пиролиза древесины 

Газ при пиролизе древесины, как и получаемый уголь, широко используется в разных сферах. В целом при пиролизе образуется целый ряд простых и сложных соединений, использующихся в различных областях химической, фармацевтической, топливной промышленности и на производстве. Условно все продукты подразделяются на следующие группы:

• Паро- и газообразные фракции. Это CO и CO2, а также горючий газ, который выделяется на начальной стадии пиролиза и далее используется в процессе, позволяя также применять пиролизные установки в качестве источников тепла.
• Жидкие фракции (смолы). Они состоят из циклических, легколетучих и труднолетучих соединений, которые представлены в широком спектре: от метиловых эфиров до органических спиртов, кислот, фенола и прочих соединений.
• Твёрдые фракции — сам древесный уголь.

В промышленных пиролизных установках процесс разделения продуктов на фракции автоматизирован, что позволяет добиться максимальной эффективности и минимизировать отходы.

Применение вторичных продуктов пиролиза 

С получаемым в результате пиролиза древесины углем всё понятно: его используют в качестве топлива, удобрений, в системах фильтрации, в металлургии, металлообработке и в химическом производстве. Другие побочные продукты делятся на разные виды в зависимости от области использования:

• метанол, также называемый древесным спиртом, используют в химической промышленности;
• уксусная кислота используется в фармацевтике, химической и пищевой промышленности;
• горючие газы используют на котельных в качестве источника энергии для поддержания пиролиза.