Химические процессы древесного угля

  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  

Древесный уголь — это твёрдое пористое высокоуглеродистое вещество, которое образуется при нагревании древесины при низком уровне доступа (или вообще без доступа) воздуха в печах и ретортах . Теплота сгорания древесного угля равна 30000-35000 кдж/кг ( или 7000-8100 ккал/кг). Значительная пористость древесного угля определяет его высокие адсорбционные свойства.

Влажность древесного угля при выгрузке из печей и реторт составляет 1-3%, но при дальнейшем хранении этот коэффициент повышается до 5-10%.

Зольность д. у. должна составлять не более 3%, а содержание летучих соединений — не более 20%. Особенностью древесного угля является достаточно низкое содержание таких примесей, как сера и фосфор, что делает его необходимым для некоторых металлургических процессов.
Древесный уголь широко используют в производстве сероуглерода, кристаллического кремния, активного угля, электроугольных изделий и др., а также как топливо в быту.

В настоящее время активно развивается рынок древесного угля, который используется для приготовления пищи на мангалах в предприятиях общественного питания и на отдыхе. Это фактор обусловлен рядом неоспоримых преимуществ угля, перед другими, традиционными видами топлива, такими как высокая теплоотдача, экономичность, длительное время горения, компактность, высокий уровень пожаробезопасности и другие. По статистическим подсчетам за небольшой период с 1998 года, объем продаж древесного угля на внутреннем рынке стран СНГ ежегодно удваивается. Но возрастание спроса пока опережает скорость насыщения рынка, а посему в ближайшие годы тенденция к устойчивому росту сохранится.

Основным показателем качества древесного угля является содержание нелетучего углерода. Древесный уголь разделяют на уголь высшего и первого сорта (марки А и Б). Для угля, который используется в приготовлении пищи, большое значение имеет вид древесины, из которой он изготовлен. Дубовая или березовая древесина в этом случае являются оптимальными, так как имеют высокий и ровный жар, а также продолжительное горение. Другие виды древесины мало пригодны для получения качественного древесного угля.

OLYMPUS DIGITAL CAMERA

RM.WOOD-COAL

Древесный уголь — микропористый высокоуглеродистый продукт, получаемый пиролизом древесины без доступа воздуха. Структура и свойства угля определяются температурой пиролиза. Промышленный древесный уголь, получаемый при конечной температуре 450-550°C, — аморфный высокомолекулярный продукт, включающий алифатические и ароматические структуры; состав: 80-92% C, 4,0-4,8% H, 5-15%O. Древесный уголь содержит также 1-3% минеральных примесей, главным образом, карбонатов и оксидов K, Na, Ca, Mg, Si, Al, Fe.

Кажущаяся плотность елового угля составляет 0,26, осинового — 0,29, соснового — 0,30, березового — 0,38 г/см³; истинная плотность древесного угля — 1,43 г/см³; пористость 75-80%; уд. теплоемкость 0,69 и 1,21 кДж/(кг.К) соответственно при 24 и 560°C; теплопроводность 0,058 Вт/(м.К), теплота сгорания 31500-34000 кДж/кг, удельное электрическое сопротивление 0,8·108 — 0,5·102 Ом·см.
Древесный уголь обладает парамагнитными свойствами, обусловленными присутствием стабилизирующих макрорадикалов (парамагнитных центров ПМЦ) — высокореакционноспособных концевых радикалов Rк* и менее реакционноспособных срединных радикалов Rcp*, максимальные концентрации которых достигаются соответственно при 550 и 325°C.

При термообработке древесный уголь (400-900°C) без доступа воздуха в результате реакций Rк + RH : RкH + Rcр*, Rср* : Rк + CO + CO2 + H2 + CmHn и R* + R* : R-R происходит уплотнение его структуры, сопровождаемое убылью массы (до 18%) и выделением смеси газов, содержащей (в % по объему) от 12,7 до 0,7 CO, от 8,5 до 4,5 CO2, от 36,5 до 67,5 H2, от 45,0 до 24,0 углеводородов (преимущественно, CH4). Снижаются доля алифатических структур, водорода (до 1,5%), кислорода (до 4,5%), концентрация ПМЦ (до 1,7.1018 спин/г), удельное электрическое сопротивление (до 0,5 Ом·см). Повышаются доля ароматических структур и углерода (до 95%), степень кристалличности, истинная плотность (до 1,97 г/см³). Присутствие макрорадикалов обусловливает высокую реакционную способность древесного угля по отношению к кислороду.

​Так, свежеприготовленный древесный уголь при 30-90°C за 1 ч хемосорбирует из воздуха 0,5-2% (от массы угля) кислорода; одновременно из угля выделяются низкомолекулярные продукты, главным образом, вода (0,3-1,5%). На воздухе развивается цепной разветвленный процесс автоокисления древесного угля : Rк* + O2 : RкOO*; RкOO* + RH : RкOOH + Rср*, Rср* + O2 : RсрOO*, RсрOO* + RH : RcpOOH + Rсp*, RcpOOH + RH : RO* + R* + H2O и R* + R* : R-R. В результате может произойти самовозгорание древесного угля , если какой-либо из параметров процесса (концентрация ПМЦ, температура, концентрация O2 и геометрические размеры массы угля) превысит некоторую критическую величину. Чтобы избежать этого, древесный уголь стабилизируют, выдерживая слой угля высотой не более 60 мм при 50-80°C не менее 10 мин, т. е. в условиях, когда ни один из параметров не превышает критическую величину, древесный уголь получают пиролизом древесины в стальных вертикальных непрерывно действующих ретортах производительностью 100-2200 кг/ч, а также в различных углевыжигательных печах. Выход древесного угля в пересчете на нелетучий углерод составляет 21-25% от безводной древесины.