Как делают древесный уголь: от пиролиза в яме до промышленных реторт
Как делают древесный уголь? Его получают методом пиролиза, то есть нагревом древесины без доступа кислорода при температуре от 350 до 500 градусов Цельсия. В этих условиях вода и летучие органические вещества испаряются, а в камере остаётся пористый углеродистый материал, который и есть древесный уголь. Выход готового продукта составляет 20–30 процентов от исходной массы сырья.
Сырьё и подготовка древесины
Лучший древесный уголь получают из твёрдых лиственных пород: дуба, бука, берёзы, граба. Эти породы плотные, поэтому конечный продукт получается тяжёлым и горит долго, не рассыпаясь в крошку. Хвойные породы дают уголь с более высоким содержанием смол и летучих веществ; он быстрее разгорается, но и быстрее прогорает. Для промышленного производства берут деловые отходы лесопиления: горбыль, рейки, некондиционные чурки.
Перед закладкой в печь дрова необходимо подсушить. Свежесрубленная древесина содержит 40–60 процентов влаги; если не просушить её хотя бы до 25–30 процентов, большая часть тепла в печи уйдёт на испарение воды, а не на пиролиз. Промышленные предприятия используют сушильные камеры с принудительной циркуляцией горячего воздуха. При кустарном производстве дрова просто укладывают под навес на несколько месяцев.
Три основных способа производства
Первый способ: ямный, или земляной. Дрова укладывают в яму или насыпают кучу, обкладывают дёрном и поджигают снизу. Когда огонь охватывает всю закладку, доступ воздуха перекрывают и оставляют тлеть. Процесс занимает двое-трое суток. Это самый древний метод, применявшийся тысячелетиями; потери от сгорания высоки, а качество угля нестабильно, но капиталовложений он не требует никаких.
Второй способ: металлические бочки или кирпичные углевыжигательные печи периодического действия. Дрова загружают, разжигают, затем закрывают заслонки. Дымовые газы, выходящие из печи, можно сжигать повторно для обогрева камеры, что улучшает экономику процесса. Одна стандартная бочка даёт 10–15 кг угля за цикл; небольшая печь выдаёт от 50 до 300 кг. Именно этот метод преобладает среди малых производств, ориентированных на продажу угля для мангалов.
Третий и наиболее современный способ — промышленные реторты. Используют установки непрерывного или полунепрерывного действия. Внутри реторты древесина движется по конвейеру через несколько температурных зон: сначала сушка при 150–200 градусах, затем начальный пиролиз при 250–300 градусах, затем основной при 400–500 градусах и наконец охлаждение. Летучие газы и смолы, выделяющиеся при пиролизе, сжигаются в отдельной горелке, давая тепло для самого процесса. Реторта практически не потребляет внешнего топлива после выхода на рабочий режим. Производительность крупных установок достигает нескольких тонн угля в сутки.
Что происходит с деревом при нагреве
При температуре до 150 градусов из древесины уходит свободная влага. Между 200 и 280 градусами начинается разложение гемицеллюлозы, короткоцепочечных углеводов; выделяются уксусная кислота, метанол и углекислый газ. При 280–380 градусах активно разрушается целлюлоза, выделяются горючие газы и смолы. Именно на этом этапе реакция становится экзотермической, то есть идёт с выделением тепла и уже не требует внешнего подогрева. Выше 380 градусов разлагается лигнин, и в остатке формируется финальная структура угля: пористый углеродный каркас с удельной поверхностью до 300 квадратных метров на грамм.
Применение и производство в России
Древесный уголь используют в металлургии (при выплавке кремния и ферросплавов), в активированных фильтрах для очистки воды и воздуха, в качестве топлива для барбекю и мангалов. Последний сегмент в розничных продажах самый массовый. Россия обладает значительными запасами берёзы и располагает развитой сетью производств: от небольших лесных цехов на Урале и в Сибири до крупных комплексов в Карелии и Архангельской области. Ежегодный внутренний объём производства составляет сотни тысяч тонн, часть которого идёт на экспорт в виде брикетированного угля и активированного угля для промышленных нужд.
