Одним из наиболее распространенных лесохимических производств в лесозаготовительных предприятиях является углежжение. Ос­новным продуктом углежжения является древесный уголь, который широко используется в различных отраслях промышленности, в сель­ском хозяйстве, медицине и быту.

Сырьем для получения угля, как правило, являются круглые и колотые поленья, чураки, кряжи длиной от 0,5 до 4,0 м или чурки. Из такого сырья получают кусковой уголь. Кусковой уголь в процессе

Погрузочно-разгрузочных и транспортных работ в значительной сте­пени измельчается. В подавляющембольшинстве производств, исполь­зующих уголь в качестве сырья или вспомогательных материалов, в процессе производства уголь измельчается до дисперсного порошка. Исследованиями ряда институтов и организаций (УЛТИ, JITA, КГТУ и др.) доказана возможность получения дисперсного древесного угля из дисперсной древесной массы — опилок, щепы, коры |25 J.

Суть углежжения состоит в термическом разложении древесины (пиролизе) без доступа воздуха. В процессе пиролиза наряду с нелетучим углеродом — древесным углем получаются парогазы. Парогазы представ­ляют собой летучие фракции сушки и разложения древесины — пары воды, смол, эфирных масел, генераторного газа и пр.

Качество угля определяется содержанием в нем нелетучего угле­рода. Содержание углерода зависит от температуры пиролиза. При температуре пиролиза 600° и более содержание углерода в угле превы­шает 90% [26 ]. Такой уголь называют карбонизированным.

Процесс пиролиза древесины можно разбить на стадии (рис 3.1): стадию сушки, стадию предпиролиза и стадию карбонизации.

Т, °С

T, мин

Рис.3 1. Температурная характеристика процесса пиролиза

Древесных опилок

На стадии сушки происходит разогрев древесной массы и ее суш­ка. При достижении древесной массой температуры 125 ± 15°С наблю­дается период интенсивного расхода тепла на испарение свободной влаги. Вторая стадия быстротечна. На этой стадии поглощение тепла незначительное. Эту стадию называют иногда стадией предпиролиза. На третьей стадии происходит термическое разложение древесины, сопровождающееся сложными химическими процессами. При этом из древесины удаляются связанные с ней влага, кислород, смола, эфирные масла и пр. Третий этап называют этапом карбонизации. На этапе карбонизации выделяется большое количество тепла за счет химиче­ских реакций в процессе пиролиза.

Основную роль в термической деструкции древесины играет лиг­нин, затем водорастворяющие вещества и, наконец, целлюлоза.

В табл. 3.1 приведены данные, характеризующие элементный состав угля в зависимости от температуры выжига [26,271.

Из данных табл. 3.1 видно, что максимальный прирост содержа­ния углерода в угле наблюдается при температуре пиролиза до 600°С.

При температуре 600°С отмечается и максимальная величина теплового эффекта от экзотермических реакций в процессе пиролиза.

Существует несколько способов выжига древесного угля. Издрев­ле применялось кучное углежжение. Достоинство этого способа состо­ит в том, что для его реализации не требуется капитальных затрат и сведены до минимума работы, связанныесо сбором и транспортировкой сырья. Суть кучного углежжения состоит в следующем.

Непосредственно на лесосеке снимается гумусный слой и делается незначительное углубление в виде траншеи. В углубление укладыва­ются лесосечные отходы в плотный костер. Костер сверху закрывают лапником и засыпают землей, оставляя дымоход и шахту для разжига­ния костра. После того, как костер прогреется, дымоход и шахту зава­ливают землей. Без доступа воздуха в костре идет пиролиз древесины. После остывания костра его вскрывают. Выход угля при этом способе по объему составляет 60-65% из полусухих хвойных дров, 45-50% из полусухих березовых дров.

В настоящее время для получения угля применяют стационарные и передвижные углевыжигательные установки — печи. Стационарные печи подразделяются на печи периодического и непрерывного дейст­вия. Непрерывнодействующие установки предпочтительней, т. к. они ускоряют процесс пиролиза, экономят тепловую энергию, в них легче механизировать и автоматизировать отдельные операции производст­ва, осуществлять контроль за режимом пиролиза.

По принципу обогрева углсвыжигательные устройства различают на устройства с наружным и внутренним обогревом (28 ]. В устройствах первого типа нагреваются стенки камеры (реторты), в которую загру­жена древесина. Тепло от стенок передается в основном конвекцией и лучевым тепловым потоком. В устройствах с внутренним обогревом тепло от теплоносителя передается непосредственно древесине за счет поступления в камеру горячих топочных газов и конвективного тепло - переноса.

Широкое распространение в углежжении получили горизонталь­ные реторты и печи: туннельные стальные и кирпичные вагонные ре­торты, печь В. Н.Козлова, печь Шварца, печь "Свердлеспром-4" и передвижные печи УВП-4А и УВП-5.

К вертикальным непрерывнодействующим углевыжигательным устройствам относится Бельгийская установка "Ламбиот", предназна­ченная для переработки в уголь чурок длиной 0,3 м. Она представляет собой вертикальную реторту, верхняя часть которой цилиндрическая, а нижняя переходит в конус. Чурки поступают в верхнюю часть ретор­ты и, опускаясь по ней, проходят стадии сушки, пиролиза, карбониза­ции и охлаждения готового угля. Для начального разогрева установки используется топочный газ, а затем парогазы пиролиза. Для пиролиза дисперсного древесного сырья (опилок, шепы измельченной коры, стружки) выше рассмотренные устройства не пригодны. Здесь можно применить устройства, близкие по принципу действия к печи Геррес - гофа. В этой печи сырье загружается сверху и, постепенно пересыпаясь с верхних ярусов на нижние, проходит все стадии пиролиза. Причем, на каждом ярусе сырье последовательно скребками перемешается то от периферии печи к центру, то наоборот. Недостатком таких конструк­ций является большая их металлоемкость и наличие значительного количества движущихся в агрессивной среде деталей.

В табл.3.2 приведены показатели, характеризующие работу угле - выжигательных установок на березовой древесине.

Годовая производительность установки "Свердлеспром-4" состав­ляет по сырью 17 тыс. кбм березовых дров с выходом 10,7 тыс. кбм (1980 тонн) угля. К передвижным углевыжигательным печам относятся печи УВП-4 и УВП-5, разработанные ЦНИИМЭ. ПечьУВП-4 представляет собой загруженный барабан емкостью 7,5 скл. кбм (диаметр барабана 2 и длина 3,1 м) дров толщинои до 15 см и длиной 0,5-0,6 м. Дрова плотно укладываются в барабан, после чего в топке, расположенной под барабаном, разводят огонь. Тягу регулируют крышками поддувала и вытяжной трубы. После переугливания дров печь герметизируется и охлаждается. Уголь выгружается из барабана через люки путем пово­рота барабана вокруг оси на 180 градусов. Оборот печи — 35 часов; производительность — 100-120 тонн угля в год.

Таблица 3.2

Характеристика углевы*игательных установок

Промышленных установок по выжигу угля из дисперсной древе­сины (опилок, дробленки) пока нет. В то же время внжиг угля из дисперс ной древесной массы позволит использовать кусковые отходы на производство бумаги, целлюлозы, картона.

Кафедрой лесоичженерного дела КГТУ проводятся исследования по обоснованию параметров выжига угля из опилок. Исследованиями доказана возможность получения карбонизированного дисперсного древесного угля из опилок при скоростном режиме пиролиза.

Средний выход угля из опилок (по массе) составил 20-25% от воздушно-сухих опилок, а насыпная плотность оказалась равной для угля из хройной древесины — 82-107 кг/кбм, для угля из березы — 104-210 кг/кбм. Угол внутреннего трения дисперсного сырья колеблет­ся от 30 до 42° и п среднем равен 35 .

В табл.3.3 приведен фракционный состав опилок от лесопиления и дисперсного угля, полученного из этих опилок.

Таблица 3.3