Оборудования для термического разложения древесины

Кафедра «МиМТ»

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Машины и оборудования»

Тема: «Оборудования для термического разложения древесины»

Пиролиз. Термическое разложение древесины

Термическое разложение (пиролиз) древесины — это разложение древесины без доступа воздуха под действием высокой температуры. В результате этого процесса получаются твердые, жидкие и газообразные продукты. Твердые продукты остаются в виде древесного угля в аппарате, в котором ведется пиролиз, а жидкие и газообразные продукты выделяются совместно в виде парогазовой смеси. Парогазовую смесь разделяют путем охлаждения на конденсат (жижку) и неконденсирующиеся газы. Жижку перерабатывают на уксусную кислоту, метиловый спирт, смолу и другие продукты, а неконденсирующиеся газы сжигают как топливо.

Пиролиз древесины. Процесс разложения древесины при пиролизе можно подразделить на четыре стадии: 1) сушку; 2) начало разложения; 3) образование, испарение и возгонку основного количества продуктов разложения древесины, протекающие при 270—450 °С с бурным выделением тепла (экзотермический процесс); 4) прокаливание угля до конечной темпера­туры обычно не выше 550—600 °С и удаление остатков летучих веществ. Кроме третьей стадии, все стадии процесса требуют подвода тепла извне.

Тепловой эффект процесса термораспада древесины зависит от условий проведения пиролиза и мало зависит от типа и конструкции аппарата. Величина низшего теплового эффекта составляет 1000—1250 кДж/кг, или 5—6 % от теплоты сгорания исходной древесины.

В аппаратах периодического действия стадии процесса протекают последовательно во времени, тогда как в непрерывно- действующем аппарате в одно и то же время в верхней зоне происходит сушка, ниже — нагревание древесины до температуры экзотермической реакции, в средней зоне — разло­жение древесины и прокаливание угля и в нижней — охлаждение угля перед выгрузкой. Поэтому при работе периодически действующего аппарата состав парогазовой смеси по ходу процесса изменяется, а при непрерывном процессе остается во времени практически постоянным.

Первым из компонентов древесины, уже при температуре несколько ниже 150 °С, начинает распадаться ксилан, но в основном его распад идет при 250—260 °С с образованием фурфурола, уксусной кислоты и газов. Распад лигнина начинается

Схема пиролиза древесины в непрерывнодействующем аппарате:

1 — зона сушки; 2 — зона нагревания до температуры экзотермической реакции; 3 — зона пиролиза и прокалки угля; 4 — промежуточная зона; 5 — зона охлаждения угля при температуре около 200 °С; этот процесс вследствие гетеро- и гемолитической диссоциации химических связей между структурными единицами лигнина и внутри их приводит к образованию низкомолекулярных летучих соединений и полной перестройке первичной структуры лигнина. Процесс деполимеризации целлюлозы протекает при температуре выше 300 °С. Как целлюлоза, так и лигнин при пиролизе дают уголь, газы и смолу. Однако из целлюлозы выход угля равен 35%, а из лигнина— около 50%. Газы, полученные при разложении лигнина, содержат около 50 % СО, 35—40 % СН4 и лишь немного С02, тогда как целлюлоза дает низкокалорийный газ, содержащий более 60 % СОг. Образование метана (СН4) происходит в основном за счет метоксильных групп лигнина.

Ароматические соединения, содержащиеся в древесных смолах (фенолы и др.), образуются при термическом разложении лигнина, алифатические соединения — в основном из целлюлозы и других полисахаридов.

Уксусная кислота получается из целлюлозы в количестве 2—3 %, из лигнина — около 1 %. Основным ее источником являются ацетильные группы древесины, содержание которых больше в древесине лиственных пород, поэтому выход уксусной кислоты из пород лиственной древесины выше, чем из хвойной. Древесина лиственных пород особенно береза и бук, предпочтительна для пиролиза, так как из нее получают более хороший уголь.

Метиловый спирт образуется в основном из метоксильных групп метилглюкуроновой кислоты, входящей в состав гемицеллюлоз. Немного метилового спирта образуется из лигнина.

Фурфурол целиком получается в результате деструкции пентозанов и дегидратации образующихся при этом пентоз. Если древесину перед пиролизом пропитать разбавленной серной кислотой, то выход фурфурола в несколько раз увеличится.

Проводя термическое разложение древесины с одновременным ее окислением, например путем обработки в водной среде кислородом под давлением и при высокой температуре, можно получить из нее уксусную кислоту с выходом около 15 %„ а также муравьиную кислоту.

Рис. 1. Схема прямого процесса газификации древесины:

1 —зона подсушки: 2 — зона пиролиза; 3 — зона горения; 4 — зона восстановления; 5 — зольннк

Газификация древесины. К области термического разложения древесины относится также и ее газификация, т. е. безостаточное (если не считать золы) разложение древесины в газогенераторах. Различают два основных процесса газификации— прямой и обратный. При прямом процессе  поток газов направлен снизу вверх, воздух вводится ниже колосниковой решетки (на которой располагается древесное сырье — поленья, чурки или щепа), а образовавшийся генераторный газ отводится сверху. При прямом  процессе (рис. 1.) движение газов происходит сверху вниз, воздух подводится немного выше колосниковой решетки, а генераторный газ отводится снизу.

Основная горючая часть генераторного газа — окись углерода образуется при неполном окислении раскаленного угля кислородом воздуха:

2С + О2 = 2СО +246,4 кДж.

Воздух подается в газогенератор в ограниченном количестве, иначе уголь полностью сгорит до С02. Вместе с воздухом можно вводить водяной пар; он реагирует с раскаленным углем, образуя окись углерода и водород, что повышает калорийность газа.

Сырой газ, получаемый при прямом процессе, содержит древесную смолу и уксусную кислоту, которые могут быть выделены в процессе очистки газа. При обращенном процессе в газе очень мало лесохимических продуктов, очищенный газ ранее применялся взамен бензина в лесовозных автомобилях, для чего на них устанавливали небольшие газогенераторы с упрощенной системой очистки газа.

В связи с ростом цен на нефтяное топливо в некоторых странах возобновился интерес к газификации древесины с целью получения газа для отопления жилищ и для других целей. Ведутся также работы по каталитическому ожижению древесины для получения нефтеподобных продуктов.

Основными экстрактивными веществами древесины являются смолистые вещества, дубильные вещества и камеди. При экстракции из древесины этих веществ строение и состав клеточных стенок не претерпевают существенных изменений, вследствие чего проэкстрагированную древесину можно использовать для последующей переработки, как и натуральную.

Смолистые вещества. Находящиеся в смоляных ходах древесины хвойных пород смолистые вещества извлекаются из растущего дерева путем подсочки в виде живицы  или же из срубленной древесины (преимущественно из сосновых пней) путем экстракции органическими растворителями или щелочами.

Вытекающая при ранениях соснового дерева живица представляет прозрачную смолистую жидкость с приятным сосновым запахом. В ее состав входят смоляные кислоты, нейтральные вещества, терпеновые углеводороды. Вследствие испарения скипидара и кристаллизации смоляных кислот живица густеет, становится мутной, непрозрачной и вязкой, по внешнему виду напоминает засахарившийся мед. Она всегда содержит примеси— сор и воду; при этом вода извлекает из сора водорастворимые танниды, красящие и другие вещества, которые смешиваются со смолистыми веществами и загрязняют их. Очистка живицы и ее переработка на канифоль и скипидар осуществляется в канифольно-терпентинном производстве (см. главу 9).

В древесине срубленных деревьев, особенно в пневом осмоле (в пнях, простоявших в земле несколько лет после рубки деревьев), состав смолистых веществ существенно отличается от состава живицы. Кроме смоляных кислот и терпеновых углеводородов, они содержат продукты их окисления (окисленные смоляные кислоты и терпеновые спирты), а также жирные кислоты. Извлечение смолистых веществ из осмола органическими растворителями (обычно бензином) и их переработка на канифоль и скипидар проходят в канифольно-экстракционном производстве.

Извлечение смолистых веществ из осмола может быть произведено также разбавленным раствором едкого натра. При этом смоляные кислоты омыляются щелочью и переходят в щелок в виде канифольного мыла, которое затем высаливается из раствора поваренной солью. Такой способ очень прост, не огнеопасен и ранее испытывался на некоторых заводах, но себя не оправдал вследствие крайне низкого качества продукции.

Омыление смолистых веществ щелочью происходит также в сульфатцеллюлозном производстве. Получаемое сульфатное мыло перерабатывается в цехах талловых продуктов целлюлозно-бумажных предприятий.

Дубильные вещества. Многие древесные растения содержат дубильные вещества в древесине или в коре; из них на ду- бильно-экстрактовых заводах получают водные вытяжки — дубильные экстракты.

Древесина дуба содержит 4—6 % дубильных веществ (тан- нидов), кора дуба и ивы 8—14, ели 7—12, лиственницы 8— 16 % - Кроме таннидов, в воде растворяются и недубильные вещества (нетанниды). Содержание таннидов в экстракте, выраженное в процентах от массы сухого экстракта, называют его доброкачественностью. Доброкачественность дубового и лиственничного экстракта равна 60—70 °/о, ивового и елового 50—60 %.

Для получения дубильных экстрактов сырье измельчают и экстрагируют горячей водой в батарее диффузоров (экстракторов) по принципу противотока. Полученный разбавленный сок очищают и упаривают под разрежением. Дубильные экстракты могут выпускаться трех видов — жидкие, тестообр а з н ы е и твердые. Их используют в кожевенном производстве для превращения необработанной шкуры животного в кожу, т. е. для придания ей гибкости, мягкости, стойкости против загнивания и против набухания в воде.

При экстракции дубовой древесины остается одубина с влажностью около 60%; ее используют для производства фурфурола или для переработки на картон. Еще более высокую влажность имеет проэкстрагированная кора. На ряде заводов ее отжимают на прессах и используют в качестве топлива.

Камеди. Камедями называют полисахариды древесины, растворимые в воде. Лиственничная камедь имеет клеящие свойства и применима в текстильной, спичечной и полиграфической промышленности. Она может быть извлечена из древесины лиственницы, измельченной в мелкую щепу, горячей водой при 80 °С или же 0,2%-ным раствором уксусной кислоты при 30 °С в батарее экстракторов. Выход камеди в зависимости от возраста деревьев и других условий, составляет 8—20%, в среднем 12 % от абсолютно сухой древесины.

ПИРОЛИЗНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Пиролиз древесины ведется либо на крупных предприятиях, где, как правило, вырабатывают древесный уголь, уксусную кислоту, ее производные, древесно-смоляиые и другие продукты, либо на небольших установках, где древесный уголь чаще всего является единственным продуктом. Применяемые для пиролиза древесины аппараты подразделяются на периодически действующие, полунепрерывного действия и непрерывнодействующие.

В периодически действующих аппаратах цикл работы — загрузка древесины, ее сушка, пиролиз, охлаждение угля и его выгрузка — периодически повторяется. Чтобы предприятие работало непрерывно, устанавливают несколько аппаратов, стадии процесса в которых не совпадают во времени: пока в одних аппаратах ведется загрузка древесины, в других идет сушка, в третьих — пиролиз и т. д.

В аппаратах полунепрерывного действия загрузку древесины и выгрузку угля производят периодически, через определенные промежутки времени, небольшими порциями, а отбор парогазовой смеси — непрерывно. К таким аппаратам относятся угле- выжигательные печи системы В. Н. Козлова, вертикальные непрерывнодействующие шахтные реторты и др. В промышлен­ной практике их обычно называют непрерывнодействующими аппаратами.

При использовании измельченной древесины (щепы, опилок) можно осуществить полностью непрерывный процесс, как, например, в топках-генераторах.

По способу обогрева аппараты для пиролиза древесины подразделяют на аппараты с наружным и с внутренним обогревом.

В аппаратах с наружным обогревом теплоноситель (горячие дымовые газы) нагревает металлические стенки реторт, а от них тепло передается древесине лучистым тепловым потоком, а также в результате естественной циркуляции парогазовой смеси внутри реторт, т. е. путем конвекции. Разложение древесины начинается в первую очередь около нагретых стенок реторты и из-за малой теплопроводности древесины идет неравномерно.

В аппаратах с внутренним обогревом древесина соприкасается с теплоносителем, принудительно подаваемым внутрь аппарата, что создает искусственную циркуляцию, обеспечивающую конвективный перенос тепла от теплоносителя непосредственно древесине. Теплоноситель можно применять твердый, жидкий и газообразный. На практике используют газообразный теплоноситель. Внутренний обогрев позволяет поддерживать стабильный температурный режим в аппарате. Продукты разложения быстро выводятся током теплоносителя, поэтому выход их, в частности уксусной кислоты, выше, чем в аппаратах с наружным обогревом, где часть продуктов разлагается при соприкосновении с перегретыми стенками аппарата. Однако концентрация продуктов разложения древесины в парогазовой смеси вследствие ее разбавления циркулирующим теплоносителем в аппаратах с внутренним обогревом меньше, чем в аппаратах с наружным обогревом.

Сырье для пиролизного производства

Сырьем для термической переработки чаще всего является специально заготовляемая технологическая древесина, которая доставляется на лесной склад предприятия. Для устройства склада выбирается ровная, сухая площадка возможно ближе к заводу, но с соблюдением расстояний, требующихся по нор­мам противопожарной безопасности.