Технологическая схема и основы теории пиролиза древесины

На рис. 33 показана принципиальная схема пиролизного производства и приведен примерный материальный баланс выхода основных продуктов пиролиза из 1 скл. м3 древесины.

ционную колонну 4, где разделяется на кислую воду и спиртовую фракцию. Затем кислая вода в испарителях 6 отделяется от растворимой (кубовой) смолы и поступает на извлечение из нее уксусной кислоты в экстрактор 5. Состав и количество продуктов термического разложения зависят от температуры, продолжительности процесса, метода нагрева древесины и породы древесины. Химизм и механизм процесса- пиролиза древесины до сих пор полностью не выяснен.

Процесс пиролиза древесины разделяют на четыре стадии:

сушка древесины до температуры 120—150 "С за счет подвода тепла из вне; сопровождается удалением из древесины воды и изменением ряда компонентов древесины, что существенно сказывается иа последующем процессе пиролиза;

начало разложения древесины происходит при температуре 150—275°С и сопровождается распадом менее стойких ее составных частей; на этой стадии, идущей с подводом тепла, образуются углекислый газ, окись углерода, уксусная кислота и ряд других веществ;

эфиров, карбонильных соединений, углеводородов, уксу с- • ной кислоты, ее гомологов и метанола, а под конец начинается удаление смолы;

и углеводороды; на этой стадии процесс пиролиза заканчивается," остаток после его завершения представляет собой древесный уголь.

В действительности указанные стадии резко не разграничиваются. Так, в стадии прокаливания угля и при более высоких температурах процесс разложения продолжается.

Продукты разложения древесины удаляются из реторты в виде сложной парогазовой смеси. При охлаждении парогазовой смеси в конденсаторах она разделяется на жидкий конденсат и неконденсируемые газы. Таким образом, в результате пиролиза древесины получают уголь, жидкий конденсат (жижку) и газы. Жижка при отстаивании разделяется на два слоя: верхний водный слой—отстоявшаяся жижка и нижний — отстойная смола.

Выход продуктов пиролиза значительно колеблется в зависимости от величины кусков древесины, ее влажности, темпер а- туры процесса, его продолжительности. В среднем для обычных пород древесины выход составляет, %: угля 30—35, жижки 45— 50, газов 15—20. При этом выход уксусной кислоты для хвойных пород равен 2,5—3 %, для лиственных от 4 до 7 %, выход метанола соответственно 0,7—0,9 и 1—2 % массы а. с . д. [10, 12].

Характеристика сырья и его подготовка к пиролизу

Сырьем для пиролиза чаще всего является специально заготовляемая технологическая древесина, или дрова, а также древесные отходы [12]. Заготовленную в лесу древесину доставляют на лесной склад предприятия, где осуществляют ее разделку на полеиья длиной 1 м и подготовку к пиролизу. При естественной сушке дров на складе следовало бы иметь 12-месячный их запас, тогда как при искусственной сушке, осуществляемой сейчас на всех предприятиях, достаточно 3—4-месячного запаса.

Разделка древесины ведется поточным методом па основе комплексной механизации все,х операций. При такой организации производства производительность труда увеличивается не менее чем в 2 раза. В последние годы почти все заводы перешли на хранение дров в кучах, что позволило уменьшить площадь, занимаемую складками, и механизировать погрузочно-разгрузочные работы. При хранении дров в кучах максимальный их объем равен 50 тыс. м3 плотной массы древесины при высоте до 14 м. Ширина прямоугольных куч или диаметр круглых куч не более 50 м.

Дрова для пиролиза разделяют по породам на две группы: твердолиственные (береза, бук, ясень, граб, ильм, вяз, ялен, дуб) и мягколиственные (осина, ольха, тополь, ива). Наиболее пригодны для пиролиза дрова первой группы. Опыт показал, что дрова лиственных пород лучше хранить в окоренном и расколотом виде, устраивая под кучи соответствующие основания и приспособления для проветривания..

Кроме дров, для термического разложения можно применять отходы деревообрабатывающей промышленности и лесозаготовок, которые по химическому составу мало отличаются от стволовой древесины и по существу представляют полноценное технологическое сырье. Наибольший выход уксусной кислоты дают твердолиственные породы (дуб, бук, клен, береза), меньше мягколиственные (осина, липа и др.) и еще меньше хвойные. В ук-суснокислотном производстве используются главным образом береза, бук, частично допускается осина и некоторые другие лиственные породы.

Техника пиролиза древесины

Пиролиз древесины осуществляют в ретортах. Применяемые для пиролиза аппараты подразделяют по принципу действия— периодического, непрерывного, полунепрерывного действия и по принципу обогрева—а ппараты с наружным и внутренним обогревом.

Наиболее распространены в промышленности аппараты полунепрерывного действия, в которые древесину загружают периодически, небольшими порциями через определенные промежутки времени. Отбор парогазовой смеси осуществляют непрерывно, а выгрузку угля — периодически, порциями. В промышленной практике такие аппараты называют непрерывно действующими.

Аппараты с наружным обогревом. Подвод тепла к древесине осуществляется через железные стенки реторт, обогреваемые горячими дымовыми газами. Тепло к древесине от стенок внутри аппарата передается лучистым тепловым потоком.

Аппараты с внутренним обогревом. В этих аппаратах, получивших наибольшее распространение, тепло передается к древесине от теплоносителя при непосредственном контакте. Теплоноситель (горячие топочные газы) принудительно подается внутрь аппарата. При таком методе обогрева пиролиз протекает в более мягких условиях, продукты разложения быстрее уносятся током теплоносителя из аппарата и лучше сохраняются от дальнейшего разрушения, однако концентрация продуктов разложения в парогазовой смеси в 6—10 раз меньше чем в аппаратах - с наружным обогревом. Это обстоятельство является одним из основных недостатков в их работе. В аппаратах непрерывного действия все четыре стадии процесса пиролиза протекают в одно и то же время: в верхней зоне аппарата — сушка, ниже — прогрев древесины до температуры разложения, в средней — разложение древесины, в нижней — прокаливание и охлаждение угля.

Пиролиз древесины в вертикальных непрерывнодействующих ретортах. Вертикальными ретортами в настоящее время оснащают как старые, так и вновь строящиеся заводы пиролиза древесины. В реторте процесс пиролиза идет непрерывно при полунепрерывной загрузке древесины небольшими порциями в верхнюю часть, полунепрерывной выгрузке охлажденного древесного угля небольшими порциями снизу реторты и непрерывной циркуляцией теплоносителя, обычно топочных газов, получаемых при сжигании в газовой топке нефтяного топлива и неконденсирующихся газов реторты.

Реторта представляет собой цельносварной стальной -ц илиндр с внутренним диаметром 2,6—2,9 м и толщиной стенок 14 мм; имеет вверху загрузочное устройство для древесины и внизу конусную часть и выгрузочное устройство для угля. Общая высота реторты 24 м. Реторта оснащена четырьмя патрубками: первый, верхний, для вывода парогазовой смеси, второй для ввода теплоносителей, третий для отвода нагретых газов из зоны охлаждения угля, четвертый, нижний, для ввода холодных газов, охлаждающих уголь. Для обеспечения равномерного распределения теплоносителя по сечению реторты, а также для равномерного охлаждения угля в реторте установлены два изготовленных из листовой стали усеченных конуса: один—в зоне подвода теплоносителя, другой — в зоне отвода нагретых газов, прошедших слой угля.

Для обеспечения равномерной усадки слоя древесины и угля в нижней части реторты установлен по ее центру подвесной или неподвижный конус. Этот конус задерживает движение столба древесины, угля и, кроме того, уменьшает давление на выгрузочное устройство. Снаружи реторта хорошо теплоизолирована. Технологический процесс ретортного цеха, оснащенного вертикальными ретортами, объединяет процессы сушки и пиролиза древесины, охлаждения и конденсации жидких продуктов, охлаждения газа и угля, получения теплоносителя.

Дрова с биржи сырья вагонетками подаются по узкоколейному железнодорожному пути в разделочное отделение. На вагонетках дрова уложены пачками, что позволяет механизировать их подачу в бункер-питатель слешерной установки. Из бункера-питателя поленья подаются на слешер, причем поленья предварительно раскалываются на цепном колуне. После слешера чурка длиной 290 мм подается ленточными транспортерами и скиповыми подъемниками в шахтные прямоточные сушилки объемом от 80 до 200 м3. Чурка загружается в сушилку через верхний тележечный гидравлический затвор, открываемый при движении скипа. Уровень чурки контролируется механическими уровнемерами.

Теплоноситель (дымовые газы котельной) подается при температуре 180—240 "С в верхнюю часть сушилки, а отработанный теплоноситель отводится снизу при температуре до 100°С (в случае малого содержания кислорода в дымовых газах их температуру можно повысить до 300 °С). Сухая чурка (влажностью 20—25 %) выгружается периодически через выгрузочное устройство и подается ленточным транспортером в ковш скипового подъемника реторты. В реторте древесина окончательно высушивается, пиролизуется, образовавшийся уголь прокаливается и охлаждается. Теплоноситель нагревается за счет тепла от сжигания в топке неконденсирующихся газов, дизельного топлива или генераторного газа. Если (при замедленном процессе в реторте) неконденсирующихся газов недостаточно, добавляют генераторный газ. Температура теплоносителя при входе в среднюю зону реторты составляет 500—600 °С.

Древесина по мере обугливания опускается сверху вниз в шахте реторты. Древесный уголь ниже зоны подвода теплоносителя охлаждается потоком холодных неконденсирующихся газов, подаваемых в низ реторты, после чего выгружается через шлюзовые затворы в ковш скипового подъемника. Нагретые неконденсирующиеся газы из-под второго конуса (считая сверху) отводятся газодувкой в топку реторты для получения теплоносителя; избыток газа сбрасывается в атмосферу. Таким образом, нижняя часть реторты является как бы экономайзером, позволяя утилизировать тепло раскаленного угля.

Парогазовая смесь вместе с поступившим в реторту теплоносителем выходит из реторты через верхний патрубок и подводится сначала в форконденсаторы, а затем последовательно проходит трубчатые конденсаторы. Выделяющаяся жижка поступает в сборник. Неконденсирующиеся газы после трубчатых конденсаторов нагнетаются газодувкой в пенный аппарат, где обрабатываются водой для извлечения низкокипящих веществ. После чего газы направляются в зону охлаждения угля.

В вертикальной реторте во избежание подсосов воздуха поддерживается небольшое избыточное давление: вверху 0,4—0,6 кПа, в середине 2—3; внизу 1,8—3, в нагревательном патрубке газодувок 5,5—19 кПа. Перед газодувкон находится зона разрежения, 4—5 кПа. Температурный режим реторты, °С , следующий: снизу 20—50, под вторым конусом 120—130, в зоне прокаливания угля 500—550, в зоне переуглнвания 280—450, в зоне подсушки дров 200—280. Парогазовая смесь по выходе из реторты имеет температуру 110—170"С. Суточная производительность реторты 150—165 м3 дров. Средний выход древесного (угля (безугольной мелочи) из 1 м3 пнролнзованных дров (по производственным данным) равен 137 кг, кислот в жижке (по общей кислотности в пересчете на уксусную кислоту) — 37, кислот в жижке (по летучим кислотам) — 33,- товарной уксусной кислоты — 26,&, смолы — 63 кг. При повышении температуры производительность реторты по количеству переугленной древесины повышается, а выход кислот нз 1 м3 древесины снижается. Кислотность жижкн 10—13%.

Все основные операции технологического процесса вертикальной реторты, начиная с загрузки древесины; в сушилки и кончая выгрузкой угля, механизированы, при этом механизмы оснащены электроприводами, что создает возможность автоматизации этих операций. Выгрузка угля из реторты производится. тремя специальными механизмами, образующими шлюзовой затвор и срабатывающими поочередно снизу вверх. Сначала открывается нижний выгрузочный затвор, и порция угля пересыпается из межзатворной емкости реторты в ковш скипового подъемника; затвор закрывается. Затем открывается второй выгрузочный затвор, н порция угля пересыпается из промежуточной емкости, имеющейся над этим затвором, в межзатворную емкость; затвор закрывается. Наконец, открывается игольчатый затвор, и порция холодного угля пересыпается из реторты в промежуточную емкость под выгрузочным затвором. Игольчатый затвор закрывается и отсекает порцию угля от реторты; на этом цикл выгрузки угля заканчивается.