CC BY
83
УДК 661.183.2
Е. В. Халимов, Т. В. Штеба, Ю. Л. Юрьев
ПОЛУЧЕНИЕ ДРЕВЕСНОУГОЛЬНЫХ БРИКЕТОВ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ ГОРЕЛЬНИКОВ
Ключевые слова: горельники; древесный уголь; брикетирование; парогазовая смесь; смола пиролиза древесины.
В статье затронуты проблемы, касающиеся утилизации древесины, поврежденной пожаром. Показана возможность получения древесного угля стандартного качества из древесины горельников. Предложен вариант повышения эффективности переработки древесины горельников путем организации производства брикетов с применением собственной смолы пролиза древесины в качестве связующего материала.
Keywords: burnt wood; charcoal; briquettes; gas-vapor mixture; resin pyrolysis of wood.
The article deals with problems related to fire danger burnt wood and waste wood, damaged by fires. The principal possibility of obtaining coal from wood burnt wood, investigated the possibility of improving the quality of the solid pyrolysis products by briquetting of charcoal. Article affected by problems relating to the disposal of timber damaged by fire. It is shown the possibility of quality standard charcoal from burnt wood. Offered the option of increasing the efficiency of processingburnt wood by organizing the production of briquettes using a private wood pyrolysis resins as Binder.
Введение
На территории лесного фонда России ежегодно регистрируется от 10 до 35 тыс. лесных пожаров, охватывающих площади от 0,5 до 2,5 млн. га. Пожары - основная причина гибели лесов. За период 1994-2005 гг. в Российской Федерации погибло 5308 тыс. га лесных насаждений [1].
Обгоревшая древесина постепенно теряет свою ценность вследствие развития гнили, повреждений насекомыми и тому подобных явлений.
Актуальность темы нашего исследования обусловлена не только проблемой утилизации древесины, поврежденной пожаром, но и повышенной пожарной опасностью горельников.
В них со временем накапливается большое количество всевозможных мелких горючих остатков, достаточных для того, чтобы в случае возгорания поддерживать быстрое распространение огня. Кроме того, часть деревьев, стоящих на корню, и лишь в незначительной степени подвергшихся воздействию пожара, способны достаточно быстро повторно возгораться ввиду пониженной влажности древесины. В итоге повторное возгорание может вызвать крупный и очень интенсивный пожар, способный причинить значительный экономический и экологический ущерб.
Методические аспекты
По нашему мнению, наиболее реальным вариантом переработки древесины нестандартного качества является пиролиз [2, 3, 4].
Проведенные нами исследования показали принципиальную возможность использования древесины горельников в качестве сырья для получения угля. Анализ полученного угля показал, что он в целом удовлетворяет требованиям стандарта.
Одним из путей решения проблемы повышения качества продукции, по нашему мнению, может служить получение древесноугольных брикетов.
Брикетированный уголь имеет достаточную прочность, высокую истинную и насыпную плотность, что снимает основные препятствия для логи-
стики его транспортировки на значительные расстояния и последующего его использования [5].
Проблемам производства брикетов были посвящены исследовательские работы Цейтлина [56], Кулагина [7] и других исследователей [8, 9, 10]. В частности, показано, что прочность брикетов увеличивается с увеличением степениизмельчения.
Технологические брикеты применяются как заменитель стандартного древесного угля, но вотли-чие от него имеют регулируемые размеры, прочность и пористость.
Бытовые брикеты применяются в качестве экологически чистого бытового топлива. Они не должны пачкать рук, что достигается нанесением защитного слоя на наружную поверхность. Брикеты не должны выделять при сжигании дурнопахнущих и токсичных веществ. Обычно такие вещества образуются при сжигании оставшихся в исходном угле компонентов парогазовой смеси пиролиза, в основном пиролизной смолы.
Другим немаловажным фактором, и в первую очередь для древесно-угольных брикетов промышленного назначения, является их зольность, котора-язависит от зольности исходного угля и, главным образом, зольности связующего материала [2].
Проведенные нами исследования показали, что зольность древесины горельников незначительно отличается от промышленных образцов древесины.
Зольность брикетов увеличивается в случае использования в качестве связующих неорганических веществ, поэтому при подборе связующих доминирующая роль принадлежит веществам органического происхождения.
Для получениябытовых брикетов в основном предпочитают использовать технический крахмал и крахмалсодержащие материалы.
Перспективным представляется использование в качестве связующего смолы, образующейся при пиролизе [10, 11].
Экспериментальная часть
Угольное сырье измельчалось до фракции размером менее 1 мм и тщательно смешивалось сосвя-зующим. Брикетирование осуществлялось с помо-
щью гидравлического пресса с регулируемым давлением прессования.
После изготовления брикеты, в которых в качестве связующего использовались крахмал и каолин, сушились до постоянной массы при температуре 105 °С. Брикеты с пиролизной смолой прокаливались при температуре 650 °С.
Результаты испытаний представлены на диаграмме (рис. 1 и 2).
нологии. Смола, используемая в качестве связующего, отделялась от пироконденсата путем декантации и затем тщательно перемешивалась с углем.
Рис. 1 - Прочность брикетов на раздавливание
Как видно из диаграммы, представленной на рис.1, наибольшую прочность на раздавливание имеют брикеты, полученные на основе крахмала, прочность брикетов на основе смолы имеет промежуточное значение. Наименьшей прочностью характеризуются брикеты на основе каолина.
Рис. 2 - Плотность брикетов
Наибольшей плотностью обладают брикеты, полученные на основе смолы (рис. 2).
Применение брикетов с каолином нежелательно во многих технологиях. В процессах горения каолин выступает замедлителем. К каолину для брикетирования предъявляются повышенные требования: он не должен содержать посторонних включений и вредных веществ, должен быть однородным, при горении брикета не должен выделять вредных веществ. Брикеты с крахмалом также находят ограниченное применение в промышленности, так как при высоких температурах крахмал разрушается, вследствие чего брикет способен рассыпаться. При горении брикеты с крахмалом выделяют специфический запах.
Изучив преимущества и недостатки данных связующих, мы пришли к выводу, что наиболее эффективным связующим является пиролизная смола.
На рис. 3 представлена блок-схема основных технологических операций разработанной нами тех-
Рис. 3 - Блок-схема получения брикетированного угля с использованием пиролизной смолы
На рис. 3: А - древесина; В - парогазовая смесь; С - пиролизная смола; D - древесный уголь; Е -угольная пыль; F - брикетная шихта; G - сырые брикеты; Н - товарные брикеты. Операции: 1 - пиролиз древесины, 2 - конденсация парогазовой смеси, 3 -размол угля, 4 -приготовление шихты, 5 -прессование, 6 - термообработка сырых брикетов.
Механическая прочность брикетов, полученных на основе смолы, достаточно высока и вполне удовлетворяет требованиям технологий, использующих древесный уголь.
Пиролизная смола в процессе прокалки брикетов при температуре выше 600°С образует углеродную структуру и газообразные продукты, удаляемые с зоны прокалки. Прокаливание продукта позволяет достичь содержания нелетучего углерода в брикетах на уровне 90% и выше. При этом ни брикеты, ни продукты их горения не имеют постороннего запаха.
Вместо полной конденсации парогазовой смеси нами предложено [11] проводить сорбцию её капельной фазы («смоляного тумана») на поверхности древесного угля с последующим приготовлением шихты для брикетирования.
Качественные показатели таких брикетов позволяют применять их в качестве бытового топлива, так и в промышленности - для производства активных углей [12, 13, 14].
Выводы и рекомендации
1. Из древесины горельников возможно получение древесного угля стандартного качества.
2. Организация производства древесноугольных брикетов повышает эффективность переработки древесины горельников.
3. В производстве брикетов рекомендуется применение собственной смолы пролиза древесины в качестве связующего материала.
Литература
1. https://www.lesdozor.ru
2. Юрьев Ю.Л. Технология лесохимических производств. Часть 1. Пиролиз древесины. Екатеринбург, 99 с. (1997).
3. Юрьев Ю.Л., Солдатов А.В. Термохимическая переработка древесины в условиях лесопромышленного предприятия. Лесной журнал. № 3. С. 113-118. (2005).
4. Исхаков Т.Д., Грачев А.Н., Башкиров В.Н., Сафин Р.Г. Энерго- и ресурсосбережение при утилизации отработанных деревянных шпал методом пиролиза Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. № 11-12. С. 16. (2008).
5. Пономарев О.С., Юрьев Ю.Л. Экономическая эффективность производства древесноугольных брикетов. В сб. Деревообработка: технологии, оборудование, менеджмент XXI века. Труды V Международного евразийского симпозиума. Уральский государственный лесотехнический университет, С. 154-157.(2010).
6. Цейтлин Л. И. Древесноугольные брикеты. М.: Госле-сбумиздат, 1960. -34 с.
7. Кулагин Е.П. Технологии использования отходов и малоценных продуктов химической переработки древе-сины:дисс ... доктора технических наук / Кулагин, Евгений Павлович: - Нижний Новгород, - 361 с. (2001).
8. Ю.Л. Юрьев, И.И. Марков, Р.Б. Шагеев. Зависимость свойств древесноугольных брикетов от породы древесины и условий брикетирования. Гидролизная и лесохимическая промышленность, М., №4, С.11-12 (1985).
9. Брикетирование некондиционного древесного угля. Пономарев О.С., Гиндулин И.К., Юрьев Ю.Л. Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. № 2. С. 103-105 (2012)..
10. Пономарев О.С., Гиндулин И.К., Юрьев Ю.Л. Варианты производства древесноугольных брикетов. Известия высших учебных заведений. Лесной журнал, № 1 (331), С. 107-111 (2013).
11. Пономарев О.С., Юрьев Ю.Л.; Устройство для производства древесного угля и шихты. Пат. РФ 118960. (2012)
12. Панюта С.А., Юрьев Ю.Л., Стахровская Т.Е., ТТТиттт-ко И.И. Способ активации карбонизованных материалов. Пат. РФ 2051097 (1995).
13. Штеба, Т.В. Получение активных углей из березовой щепы различного качества: дис. ... канд. техн. наук / Штеба Татьяна Валерьевна. - Екатеринбург,. - 168 с.(2004).
14. Дроздова Н.А., Юрьев Ю.Л. Активация березового и осинового угля Вестник КНИТУ, Т. 15. № 13. С. 147-148.(2012).
© Е. В. Халимов - преподаватель кафедры пожарной безопасности в строительстве Уральского института гос. противопожарной службы МЧС России, khalimov1964@mail.ru; Т. В. Штеба - к.т.н., доцент кафедры пожарной безопасности технологических процессов Уральского института гос. противопожарной службы МЧС России, shtebatv@yandex.ru; Ю. Л. Юрьев -д.т.н., профессор, зав. кафедрой химической технологии древесины, биотехнологии и наноматериалов Уральского гос. лесотехнического университета, bluestones@mail.ru.
© E. V. Halimov - Lecturer, Department of fire safety in building branch, Ural institute of the state fire-prevention service, Ministry for the extraordinary situations, Russia; T. V. Shteba - candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of fire safety of technological processes, Ural institute of the state fire-prevention service, Ministry for the extraordinary situations, Russia, shtebatv@yandex.ru; Y. L. Yuryev - doctor of engineering sciences, Professor, Head of the Department of chemical technology of wood, biotechnology and nanomaterials USFEU, bluestones@mail.ru.
