Переработка деревянных отходов: рациональное использование древесины методом пиролиза

Древесные отходы  можно перерабатывать во вторсырье. Такое рациональное использование позволяет защитить леса от вырубки. Существуют разные методы переработки древесных отходов, но одним из самых популярных является пиролиз.

Пиролизом называется процесс, при котором древесина разлагается при температурах до 450 градусов выше нуля без участия атмосферного кислорода. Результатом становится появление жидких, газообразных и твердых продуктов. Последние представляют собой древесный уголь.

Технология пиролиза

Процесс пиролиза уже давно известен человечеству. В середине двенадцатого столетия он помогал добывать из сосновой древесины смолу, употреблявшуюся для пропитывания корабельных канатов и деревянных корпусов. Тогда эта реакция называлась смолокурением. С развитием металлургии стало практиковаться углежжение, конечным продуктом которого являлся древесный уголь. А с девятнадцатого столетия начал распространяться пиролиз древесины в промышленных масштабах. Его главным продуктом тогда являлась уксусная кислота из сосновых лесоматериалов.

Современная технология пиролиза основана на реакциях свободнорадикального типа, которые протекают во время термического разрушения целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Они осуществляются при нагреве до 200–400 градусов выше нуля, из-за экзотермической природы процесса выделяя тепловую энергию объемом в 1150 килоджоулей на килограмм. По технологическим правилам древесина подвергается измельчению до фракций с подходящими размерами и высушиванию до оптимального показателя влажности. Появившийся после реакций уголь охлаждается и стабилизируется, чтобы не произошло его самостоятельное воспламенение.

Основные стадии

Пиролиз длится несколько стадий, запускающихся при определенных значениях температуры выше нуля:

• 130–155 градусов — просушивание лесоматериалов до 15 процентов в прогреваемой внешним источником тепловой энергии камере. Здесь испаряется вода, а также изменяются определенные ингредиенты древесины.
• 155–280 градусов — разложение сырья, при котором разрушаются слабые вещества, выделяется углекислый газ с окисью углерода и образуется уксусная кислота.
• 280–455 градусов — испарение и формирование главной массы продуктов, остающихся после разложения лесозаготовок с активным выделением тепловой энергии. Также выделяются огромные объемы диоксида и монооксида углерода, метана, метанола, углеводородов, карбонильных соединений, разнообразных эфиров. Дополнительно образуется уксусная кислота со своими гомологами. На последнем этапе устраняется смола.
• От 500 градусов — прокаливание древесного остатка. Здесь роль конечных продуктов играется твердой смолой, газообразной углекислотой, монооксидом углерода, водородом и углеводородом.

Точное количество полученных продуктов определяется размером и влажностью обрабатываемых кусков древесины, а также температурой рабочей среды и продолжительностью процесса.

Конструкция пиролизной реторты

Разложение древесины протекает в реторте высотой 25000 миллиметров. В основе этой конструкции лежит цельносварной сосуд в форме цилиндра. Его внутренний диаметр изменяется в промежутке 2500–2900 миллиметров, а значение толщины металлических стенок равняется 15 мм. Верхушка оборудована приспособлением для загрузки сырья. Внизу конусообразной части находится выгружающий уголь механизм. У реторты есть четыре экземпляра патрубков:

1. Первый располагается наверху для выведения испарений и газов.
2. Второй помогает закладывать транспортирующее тепло вещество.
3. Третий служит для удаления газов из камеры, где остывает уголь.
4. Четвертый находится внизу для подачи газов, уменьшающих температуру угля.

По принципу действия реторты разделяются на непрерывный, периодический и полунепрерывный тип. Наиболее широкое распространение получил последний вид устройств для пиролиза древесины. В них необходимо периодически загружать небольшие порции сырья через одинаковые промежутки времени. Образовавшиеся испарения и газообразные продукты выводятся непрерывно, а порции угля выгружаются с соблюдением некоторой паузы. В непрерывно действующих агрегатах:

• Наверху происходит просушивание сырья до 15-процентной влажности.
• Посередине осуществляется нагревание до запуска реакции разложения.
• Внизу выполняется прокаливание и остывание образовавшегося угля.

По принципу обогрева реторты бывают внутренними и наружными. В агрегатах первого типа лесоматериалы нагреваются тесным соприкосновением с принудительно нагнетаемыми из топочной камеры газами. Методом обеспечивается мягкий вариант пиролиза с уменьшенным в 7–10 раз объемом продуктов разложения. В аппаратах второго типа тепло излучается металлическими стенками. Необходимая для этого процесса энергия передается от имеющих высокую температуру газов.

Продукты пиролиза

Сегодня пиролизному разложению зачастую подвергаются лиственные сорта древесины, но при комплексном методе переработки можно использовать хвойные породы. А виды и количество выделяющихся продуктов определяется типом сырья. Например, из березы получается 24–25 процентов древесных углей, 50–55 процентов жижи, 22–23 процента газов. Когда перерабатываются жидкие отходы, необходимо настаивать 7 – 10 процентов древесной смолы.

В тот же период имеющиеся компоненты превращаются в другие вещества. Из смолы получается огромные объемы ценных соединений. Например, уксусная кислота образуется путем извлечения, ректификации и химической очистки. После упомянутых операций появляется пищевой продукт. В газообразных отходах пиролизного процесса содержится 45–55 процентов CO2, 28–32 процента CO, 8–21 процент CH4, 1,5–3 процента остальных углеводородов.