Производство древесного угля: из истории и практики вопроса
Когда деревья погибают по естественным причинам и их биомасса разлагается, углекислота вновь переходит в свободное состояние. Поэтому образование углекислоты при сжигании, а также при термических и химических превращениях древесины не включается в баланс общих выбросов и рассматривается как естественный фон. Эта ситуация сформировала мировую тенденцию к вытеснению каменного угля и нефтепродуктов, традиционно использовавшихся в энергетике и технике, древесиной, выступающей теперь и как топливо, и как сырье для химических превращений.
Белая Книга ЕС ставит целью утроить использование биоэнергии к 2010 году. Наши соседи поэтому проявляют большой интерес к возможностям экспорта из России древесных отходов и полученных из них товарных продуктов.
Получение продуктов из древесины путем воздействия высокой температуры относится к числу древнейших технологий человечества. Археологические раскопки показывают, что еще пещерные люди знали древесный уголь. Его собирали на пожарищах или делали специально, засыпая золой тлеющие головни, и, укрываясь в пещере от непогоды, использовали как топливо, не вызывающее угара. Наверное, первый металл был выплавлен случайно, когда камни, которыми обложили очаг с горящими углями, оказались рудой. С начала бронзового века древесный уголь стал одной из основ развивающейся цивилизации.
Сегодня в мире производится около 9 млн тонн в год древесного угля. Более 7,5 млн тонн из этого количества делает Бразилия. Многолесная Россия производит немногим более 100 000 тонн в год. В то же время в нашей стране наблюдается неудов-летворенный спрос на древесный уголь. В РФ ввозят уголь из Беларуси, Украины. Китай поставлял древесный уголь в Россию до самого последнего времени, теперь начал поставлять кристаллический кремний, который тоже делается на древесном угле.
Потребление древесного угля на душу населения в год в европейских странах превышает 20 кг, в скандинавских − 25 кг, в Японии − 60 кг. В России этот показатель менее 100 грамм.
Есть несколько разновидностей древесного угля, связанных с различной технологией изготовления и особенностями сырья. Например, в Японии очень велик спрос на так называемый «Белый уголь», выжигаемый из дальневосточного железного дуба. Некоторые зарубежные фирмы изготавливают в качестве топлива для каминов и грилей «Красный уголь», получаемый мягким углежжением при невысокой температуре. Предпочтительным сырьем для углежжения является твердолиственная древесина, поскольку из нее получается более прочный и плотный уголь. Между тем в новых условиях сырьем для углежжения чаще становятся отходы хвойных пород, осина, кустарниковые. Сделать из них качественный уголь можно, если производить его по отработанной технологии и брикетировать.
Технология производства древесного угля относительно проста, но все-таки требует определенной культуры производства. Иначе выход угля снижается, он получается более низкого качества. В настоящее время существует много аппаратов для углежжения. На нынешнем этапе развития наиболее приемлемы те технологические решения, которые могут быть использованы в условиях лесопромышленного предприятия и позволяют переработать отходы. При этом углевыжигательные аппараты должны отвечать следующим условиям:
- производительность по сырью должна соответствовать объему отходов на предприятии (как правило, 3000–20 000 м³ в год). Таким образом, исключаются дальние перевозки сырья, удорожающие производство
- при небольшой производительности нецелесообразно перерабатывать жидкие продукты. Они должны сжигаться, покрывая потребность процесса в тепле;
- установка должна быть экологически чистой. Необходимо исключить выбросы в окружающую среду и загрязнения;
- установка должна быть простой в изготовлении. Транспортабельный вариант должен иметь возможность перемещения при передислокации лесозаготовок;
- установка должна быть проста в управлении, взрыво- и пожаробезопасна.
Исторически наиболее ранними были ямное и кучное углежжение. Именно эти способы производства обеспечивали углем многочисленные кузницы, существовавшие почти в каждой деревне. Профессия углежога была очень распространенной и в России, и в европейских странах, и в Азии. У многих народов Африки до сих пор в очагах для приготовления пищи применяется только древесный уголь, и его заготавливают традиционными способами. Когда возникает разовая потребность в угле, ямное и кучное углежжение используют и в наше время. Эти виды углежжения не требуют вообще никаких материалов, кроме дров, дерна и воды.
В настоящее время завершены экспериментальные работы по созданию линии, включающей брикетирование опилок и производство угля из них. Такой уголь пользуется повышенным спросом и в Европе, и в ряде азиатских стран. Неиспользуемые опилки сделались бременем для многих лесопильных и деревообрабатывающих предприятий, и их превращение в товарную продукцию таким путем требует неизмеримо меньших капиталовложений по сравнению с производством пеллет. Вдвое меньше энергозатраты, т. к. исключается размол опилок в муку. При этом можно создать эффективное производство, перерабатывающее от 1 тонны опилок в сутки, что дает возможность вовлечь в производство отходы небольших пилорам. Брикеты имеют плотность 1100–1200 кг / м3 и могут напрямую использоваться как элитное топливо. Из брикетов, изготовленных на отечественном станке, выпущена опытная партия угля. Полученный уголь удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым ГОСТ 7657–94 к сорту марки, А, хотя изготовлен из хвойных опилок.
Древесный уголь широко применяется в промышленности как восстановитель. Его состав уникален: от любых других восстановителей древесный уголь отличается полным отсутствием серы и фосфора, присутствие которых меняет свойства восстановленных материалов. В этом качестве древесный уголь широко использовался еще в первой половине ХХ века. Однако такие потребители, как доменное производство, производство ферросплавов, нашли сейчас более дешевые восстановители. Вместе с тем в Бразилии чугун производится почти исключительно с использованием древесного угля. Расход угля составляет 0,5–0,7 тонны на тонну чугуна. Этот чугун, не содержащий фосфора, серы и других элементов, неизбежно попадающих в металл при использовании каменноугольного кокса, пользуется хорошим спросом и составляет важную экспортную статью доходов. Такой чугун имеет много преимуществ: он более ковок, менее хрупок, меньше поддается коррозии. Не случайно, что все чугунные решетки Петербурга ХVIII - XIX веков сделаны на уральских заводах Демидовых именно из чугуна, выплавленного на древесном угле. Эту технологию сохраняют 2 уральских завода в городах Куса и Касли. Там из этого чугуна отливают фигурные решетки, скульптуры, настольные фигурки и другие художественные изделия, требующие высокого качества поверхности и стойкости по отношению к атмосферным воздействиям.
Древесный уголь остался необходимым при выплавке лантанидов, редких и ценных металлов, например марганца. Его используют также и как покровный флюс при выплавке некоторых видов бронзы и латуни, никелевых сплавов (мельхиор, нейзильбер).
Исключительно древесный уголь применяется при производстве кристаллического кремния для радиоэлектронной промышленности. В этом случае восстановитель должен быть абсолютно чистым, чтобы обеспечить диэлектрические свойства кремния. Высокие требования по чистоте предъявляются и к кремнию, используемому при выплавке кремнистых сплавов. И в этом случае для производства кремния используется в основном древесный уголь.
Важную роль играет производство активированных углей. Активированный уголь − это продукт с развитой внутренней поверхностью. В качестве адсорбента древесный уголь используют в пищевой промышленности для очистки водки, сахара и некоторых других продуктов. Активированные угли применяют для улавливания паров многих растворителей из воздуха вентиляционных систем и промышленных помещений, для задержания находящихся в воздухе вредных и ядовитых примесей (в промышленных и боевых противогазах). На кораблях активированным углем заполняют фильтры для очистки загрязненных стоков. Его применяют для выделения солей металлов, в том числе драгоценных, из растворов низких концентраций, для очистки промстоков и газовых выбросов, для регенерации воды и воздуха в замкнутых циклах, например в космосе и в подводных лодках, для опреснения воды и в других целях.
Производство карбюризатора играло важную оборонную роль в годы Великой Отечественной войны. Затем интерес к этому направлению использования угля ослаб и вновь возродился лишь во второй половине ХХ века.
Древесные угли применяют также в медицине и в сельском хозяйстве. Сорбиционные свойства угля используются при лечении некоторых отравлений и желудочно-кишечных заболеваний. В медицинских целях из него изготавливают таблетки или порошки для приема внутрь. В сельском хозяйстве измельченный древесный уголь вводят в рацион птиц, свиней, молодняка крупного рогатого скота. Угольную пыль вводят в почву при посадке корнеплодов и луковичных. Это дешевый и высокоэффективный способ борьбы с болезнями растений.
Производство угля для бытовых целей в последние годы сильно возросло и имеет тенденцию к дальнейшему росту. Его применяют в барбекю, шашлычницах, грилях, каминах, камельках.
А использование такого возобновляемого источника энергии и сырья, как древесина и древесный уголь, способствует снижению выбросов парниковых газов в атмосферу, что и отмечалось в материалах Киотского протокола. И в России при наличии «зеленого золота» − лесов − есть большие шансы для сохранения экологического равновесия.
Алевтина ЛЕСНОВА
(по материалам к.т. н., главного
технолога ООО «Биоэнергия» Ю. Юдкевича)
