Углежжение

Развитие пирогенетической переработки древесины в зависимости от поставленных целей шло в основном по двум направлениям: получение древесного угля как главного продукта производства, то есть углежжения, и в направлении получения жидких продуктов обугливания, то есть сухой перегонки дерева.

В соответствии с этими двумя направлениями и шло в основном развитие конструкций аппаратов для обугливания древесины.

В области углежжения нашли применение углевыжигательные печи периодического и непрерывного действия, а в области сухой перегонки дерева – главным образом реторты различной емкости.

Углежжение в углевыжигательных печах происходит при ограниченном доступе воздуха внутрь печи, в отличие от сухой перегонки древесины, которая предполагает полное отсутствие воздуха внутри аппарата.

Количественные выходы продуктов пирогенетической переработки древесины зависят от условий обугливания – способа нагрева древесины, прокаливания угля – и типа аппарата, в котором производится обугливание древесины.

Весь процесс обугливания древесины можно укрупнено подразделить на три стадии:

  • предварительная сушка древесины
  • термического разложения
  • охлаждения угля

В углевыжигательных печах периодического, как в нашем случае, действия все три стадии совмещены в одной камере, что является их особенностью и, одновременно недостатком.

Для того, чтобы режимы сушки и обугливания древесины в печах данного типа были разделены, что очень важно для качества дров, разница в размерах отдельных поленьев должна быть минимальной (и близка к расчетной) и распределение температуры по высоте и в различных пунктах внутри аппарата должно быть равномерным.

Сырье для производства древесного угля

Древесина представляет собой конгломерат сложных химических соединений, в состав которых входят вещества с высоким молекулярным весом, как то: целлюлоза, лигнин, гемицеллюлоза и др.

Для углежжения дерева крайне важно иметь возможно сухой материал, так как при переработке сырой древесины идет больше топлива и требуются аппараты боль-шей емкости. Поэтому до углежжения дерево подвергается сушке (как правило воз-душной – на открытом воздухе).

Наивыгоднейшее содержание влаги (имеется в виду относительная влажность) в древесине, поступающей для обугливания в периодически, как в нашем случае, действующие печи, считается от 15% до 20%.

Для получения древесины с наименьшим содержанием влаги деревья следует рубить зимой.

Скорость, с которой свежесрубленное дерево достигает состояния равновесия и делается воздушно-сухим, зависит от породы, размеров и формы кусков, времени года и способа укладки:

Название дерева Количество месяцев после рубки
6 12 18 24
Дуб 29,63 23,75 20,74 19,16
Бук 23,24 19,14 18,40 17,74
Береза 23,28 18,10 15,98 17,17
Ольха 24,08 20,18 18,77 17,94
Пихта 28,56 16,65 14,78 17,22
Ель 29,31 28,54 19,81 17,76
Сосна 29,30 18,50 15,80 17,76

Практически при естественной сушке в течении 1,5 лет после рубки относительная влажность воздушно-сухих дров равна 20%. Таким образом на выжиг угля древесина пускается только после воздушной просушки через 1,5 года и не раньше как через год после рубки.

Средняя масса 1 м3 плотной древесины различной относительной влажности, в кГ:

Влажность, % Ель Осина Сосна Береза
0 420 470 470 600
9 440 490 500 630
20 470 530 540 670
33 560 620 640 790
43 655 730 740 915
50 750 830 850 1050

Для получения качественного угля лиственные породы переугливаются отдельно от хвойных.

Выход угля из древесины хвойных пород немного выше, чем из лиственных, но качество угля из лиственных пород выше.

Технология процесса углежжения

В самом общем виде процесс углежжения в камерной печи периодического действия с внутренним обогревом древесины горячими дымовыми газами происходит следующим образом.

При нагревании в печи древесины теплом, подводимым извне, внутренняя энергия молекул веществ, входящих в ее состав, увеличивается до тех пор, пока температура не достигнет 280… 300°C. По достижении этой температуры тепло, сообщенное древесине, превращается в химическую работу, сопровождающуюся значительным выделением тепла (экзотермическая).

Количество тепла, требующегося для процесса обугливания древесины в разных стадиях процесса, неодинаково. В первый период требуется подвод тепла для удаления содержащейся в древесине влаги (процесс сушки) и для повышения температуры до начала экзотермической реакции. В период экзотермической реакции (то есть собственно пиролиза) не требуется подвод тепла для нагревания древесины, так как этот период, как уже было сказано выше, характеризуется большим положительным тепловым эффектом.

Поэтому при рационально поставленном процессе пирогепации древесины необходимы такие условия, при которых была бы исключена возможность повышения температуры в период экзотермической реакции разложения древесины.

Такими условиями являются:

  • способ нагрева древесины
  • тип углевыжигательного аппарата
  • определенное содержание в дровах влаги

Весовой же выход древесного угля и его физико-химические свойства, кроме вышеперечисленных условий, зависит также и от:

  • породы и качества обугливаемой древесины
  • величины отдельных поленьев дров
  • конечной температуры обугливания и темпов ее повышения, в особенности (как было сказано выше) в период экзотермической реакции

Изменение хотя бы одного из указанных условий вызывает изменение весового выхода угля и его механической прочности.

По окончании выжига уголь должен быть охлажден до температуры, при которой он, при выходе из печи наружу, не загорелся бы (то есть ниже температуры самовозгорания). При естественном (как в нашем случае) охлаждении древесный уголь выдерживается в камере пиролизной до тех пор, пока его температура, как показывает практика, не будет превышать 40°C (при этой и ниже температуре уголь, как правило, не возгарается, если выжжен из здоровой древесины, если же в камере присутствовала подгнившая древесина, то уголь, полученный из нее, может самовозгореться и при более низкой температуре).

Использование пиролизных газов в процессе углежжения

В течении всего процесса углежжения древесного сырья в камере печи углевыжигательной из него выделяются газы различного состава.

В самом общем виде для камерных печей периодического действия с внутренним нагревом этот процесс выглядит следующим образом.

Дымовые газы (от сгорания в топке углевыжигательной печи) входят внутрь камеры пиролизной через дымогарную (либо, как в нашем случае, жаровую) трубу, идут прямо под свод камеры печи (в верхнюю ее часть), подсасывают с боков газы и пары – продукты сушки и обугливания дров, затем идут под сводом до концов печи; на всем этом пути они дают ответвления, идущие вниз по промежуткам между дровами, присоединяют к себе на этом пути газы и пары – продукты сушки и обугливания древесины, уходят по нижней части камеры (в нашем случае под трапами) в заднюю часть печи, а отсюда по борову (у нас – кожуху дымовой трубы) – в дымовую трубу, а из нее – наружу.

В периодически действующей печи камерного типа, где одновременно идут суш-ка и обугливание в разных частях печи (как правило, когда в верхней части камеры в следствии малой теплопроводности древесины и неодинаковости ее в разных направлениях куска, а также неравномерности движения дымовых газов в пространстве камеры, уже начинается обугливание, то в нижней ее части еще происходит сушка), смесь газов и паров, продуктов обугливания древесины и дымовых газов в первый период (в течении приблизительно суток) работы печи, вследствие чрезмерного разбавления парогазов парами воды от сушки древесины, не может быть использована в качестве дополнительного топлива.

При дальнейшем процессе обугливания, когда значительная часть древесины высохнет и обугливание охватит бóльшую массу древесины, парогазы могут быть вполне использованы, как горючее в топках этих же (либо рядом стоящих, что может быть более эффективно) печей.

Поэтому для того, чтобы сжигать в топке периодически действующей камерной печи горючие газы и пары – продукты обугливания древесины, и снижать таким образом расход твердого топлива, применяют различной конструкции устройства для дожига этих газов (так называемые узлы газификации, как в нашем случае), при помощи которых можно сэкономить около 20% твердого топлива.

Замечания по загрузке сырья в печь для переугливания

Одновременно в печь для выжигания могут закладываться дрова либо одной породы, либо в следующем сочетании пород:

  • береза, бук, ясень, граб, ильм, вяз, клен, дуб
  • сосна, ель, кедр, пихта, лиственница
  • осина, ольха, липа, тополь, ива

Сырье, загружаемое в печь для переугливания, должно иметь определенные размеры и качество.

Размеры дров. Кругляк толщиной 3…14 см не раскалывается; толщиной 15…25 см раскалывается на две части и толщиной 40 см раскалывается на столько частей, чтобы наибольшая линия раскола не превышала 20 см.

Качество дров. По влажности дрова разделяются (согласно ГОСТ-а) на сухие (или воздушно-сухие) с содержанием до 20% влаги, на полусухие – с 21…33% влаги и сырые с содержанием влаги более 33%.

Дрова для углежжения могут быть заготовлены из растущего леса, сухостоя, бурелома, валежника, деревьев, поврежденных огнем и насекомыми. Гнилая древесина не допускается (из-за повышенной склонности к самовозгоранию).

При загрузке печи дрова надо укладывать плотно, одно полено к другому, не загружать в печь гнилых дров. Дрова должны быть рассортированы по породам.

Древесный уголь

Древесный уголь имеет весьма широкое применение в доменном производстве, в кузнечном деле, при выплавке цветных металлов, в медицине как противоядие при отравлении солями металлов, при производстве фармацевтических препаратов как катализатор в контактных процессах и как сырье для производства активного угля.

Весовой выход древесного угля и его основные физико-химические свойства зависят (как уже было сказано выше):

  • от породы и качества обугливаемой древесины
  • от величины отдельных поленьев
  • от способа обугливания и типа углевыжигательного аппарата
  • от конечной температуры обугливания и темпов ее повышения, в особенности в период экзотермической реакции

Изменение хотя бы одного из указанных условий вызывает изменение весового выхода угля и его механической прочности.

Выход древесного угля по весу в % при температуре выжига угля в °C:

  • 280°C — 78,5
  • 300°C — 53,6
  • 350°C — 46,8
  • 400°C — 39,2
  • 450°C — 35,6

Собственно «углем» считается только уголь, полученный при температурах, начиная с 300°C (хотя теоретически считается температурой начала пиролиза древесины 280°C).

Наиболее подходящая температура выжига угля в печах периодического действия равна 350°C (наиболее оптимальна). В частности, уголь, выжженный при такой температуре, имеет наиболее оптимальные:

  • содержание углерода
  • теплотворную способность
  • менее подвержен самовозгоранию

Теплотворная способность древесного угля зависит от температуры выжига угля и от содержания в нем сухой органической массы. Чем выше температура выжига угля, тем выше теплотворная способность 1 кГ древесного угля.

С увеличением в древесном угле влажности уменьшается теплотворная способность его.

Температура выжига угля, °C Выход угля по весу, % Теплотворная способность угля, ккал
280 78,50 5850
300 53,60 6890
350 46,80 7450
400 39,20 7820
450 35,60 7910
500 33,20 8172

Пористость и удельный вес древесного угля зависят от породы и качества обугливаемой древесины, от скорости обугливания и конечной температуры прокаливания.

Удельный вес древесного угля, полученного при одной и той же температуре обугливания, для различных пород бывает различен и колеблется около следующих величин:

  • березового угля - 0,38
  • соснового угля - 0,30
  • елового угля - 0,26

Вес 1 м3 (складской меры) сухого древесного угля в среднем (в кГ):

  • для березового - 160...170
  • для елового - 110...120
  • для соснового - 130...140

Основные технические данные печи углевыжигательной «Клен-Э»

Предприятие ООО «ЛОЗМЕТАКОН» производит металлоконструкции прогрессивной углевыжигательной печи «Клен-Э» с рабочим объемом 10, 12 и 15 м3. Причем базовой в этом ряду является печь с объемом 15 м3, как наиболее оптимальная практически по всем основным параметрам.

Конструкция печи представляет собой горизонтально расположенную, цилиндрическую металлическую «бочку» на двух опорах (с изначально заложенным углом уклона около 3°), наружным диаметром (по обшивке) 2162 мм и длиной 4500 мм, с встроенной в ее переднюю нижнюю часть, топкой.

Корпус печи, топка, дверь люка и короб трубы изготовлены из категорийной низкоуглеродистой листовой стали толщиной 3,0 мм. Снаружи печь обшита листовой сталью толщиной 1,0 мм. Обечайки корпуса соединены между собой двусторонними сварными швами, по верх которых установлены усиливающие бандажи (обручи из трубы прямоугольной сечением 40х20х2 мм), придающие дополнительную прочность и жесткость конструкции корпуса и позволяющие обезопасить от повреждений в случае непредвиденного возрастания давления внутри емкости. Торцевые стенки также усилены ребрами из прямоугольной трубы такого же сечения.

Между корпусом камеры пиролизной и наружной обшивкой проложен специальный экранирующий термоизоляционный материал («КNAUF», Германия) для снижения теплопотерь через стенки в окружающую среду что позволяет значительно уменьшить продолжительность рабочего цикла.

Стенки топки печи изнутри выложены огнеупорным кирпичом.

По желанию Заказчика углевыжигательная печь «Клен-Э» комплектуется узлом газификации (УГ), предназначенном для дожига смеси пиролизных газов, выделяющихся в результате процесса пиролиза древесины внутри камеры печи. Это позволяет не только снизить уровень вредного воздействия выделяемых угарных газов на экологию окружающей среды, но и, сжигая с помощью специальной инжекционной горелки в топке печи отходящих пиролизных газов, снизить расход твердого топлива (экономия, в общем случае, может составить до 20% топочных дров.

№ п/п Наименование характеристики Размерность Величина Примечание
1 Объем камеры пиролизной (расчетный) м3 15,00 Базовая модель
2 Фактически загружаемый объем дров (условного диаметра 100…150 мм, длины 350…600 мм, влажности 25%) м3 9,04 При соблюдении правил укладки
3 Продолжительность основного рабочего цикла (без вспомогательных операций, при использовании сырья нормативных габаритов и влажности) часы около 70
4 Количество дров (расчетное), загружаемое в камеру пиролизную (дрова березовые) кГ 5668 Вес 1 м3 - 627 кГ (береза, влага 25%)
5 Количество (теоретическое) древесного угля (березового), получаемое из одной загрузки (на условиях п.4) кГ 1460 При соблюдении техпроцесса
6 Габаритные размеры базовой модели печи:
  • длина общая
  • длина без кожуха трубы
  • высота общая (с учетом трубы)
  • высота без учета трубы
  • ширина печи
  • ширина с учетом узла газификации
     
  • мм
  • мм
  • мм
  • мм
  • мм
  • мм
     
  • 5076
  • 4590
  • 6420
  • 2737
  • 2175
  • 2546
См. рисунок
7 Вес конструкции печи (без узла газиф.) кГ 2650 Расчетный

Цена* на печь углевыжигательную «Клен-Э»:

№ п/п Объем, м3 Вес, кГ Цена, грн. с НДС
1 15 2650 39 954,00
2 12 2420 37 338,00
3 10 2360 36 618,00
4 Узел газификации (УГ) 3 420,00

Условия оплаты: 65…70% предоплата; остальная сумма – после подписания акта приема-передачи.

Срок изготовления первой (из заказанной партии) печи – 17 рабочих дней (после получения предоплаты); каждая следующая – 7 рабочих дней.

Примечания: *

  1. Цены приведены по состоянию на 07.05.2014г.

Основные узлы и комплектность печи углевыжигательной «Клен-Э»*

№ п/п Наименование конструктивного элемента печи Кол-во, шт
1 Камера пиролизная 1
2 Узел газификации (дожига пиролизных газов)* 1
3 Топка печи углевыжигательной 1
4 Короб трубы дымовой (съемный при транспортировке) 1
5 Нижняя секция трубы дымовой 1
6 Верхняя (съемная) секция трубы дымовой 1
7 Трап для укладки дров в камере пиролизной 3
8 Крышка люка загрузочного 1
9 Опора печи передняя 1
10 Опора печи задняя 1
11 Дверца топки 1
12 Поддувало топки (дверца) 1
13 Крышка трубы дымоотводной 1
14 Труба для отвода пиролизных газов* 1
15 Труба для подачи пиролизных газов к узлу газификации* 1
16 Устройство строповое 2
17 Труба жаровая 1
18 Патрубок для отбора пиролизных газов 2
19 Отверстие для чистки трубы пиролизных газов* 2
20 Отверстие для слива жижки из короба трубы дымовой 1
21 Отверстие для слива жижки из узла газификации* 1
22 Отверстие для слива конденсата из узла газификации* 1
23 Крышка отверстия для слива жижки из корпуса трубы дымовой 1
24 Крышка отверстия для слива жижки из узла газификации* 1
25 Крышка отверстия для чистки трубы пиролизных газов 2
26 Горелка инжекционная узла газификации* 1
27 Крышка отверстия для контроля готовности угля 4
28 Утеплитель

Примечания: *

  1. * относится к дополнительным конструкционным элементам.
  2. Под каждую крышку уложена прокладка из паронита ПОН-4.
  3. Если печь не комплектуется узлом газификации и, соответственно, системой газоотводных труб, патрубки для отбора пиролизных газов закрыты крышками отверстий для чистки труб (по. 25).
  4. Номера по порядку таблицы соответствуют номерам позиций рисунка.