CC BY
42
УДК 630.283:630.866
ПОЛУЧЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ОТХОДОВ СУХОЙ ОКОРКИ ЛИСТВЕННИЦЫ СИБИРСКОЙ. 2. ПРЕССОВАНИЕ ОТХОДОВ СУХОЙ ОКОРКИ И ПИРОГЕНЕТИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА ПОЛУЧЕННЫХ БРИКЕТОВ
© И.Н. Беседина', Ю.Я. Симкин, В.С. Петров
Сибирский государственный технологический университет, пр. Мира? 82, Красноярск, 660049 (Россия) e-mail: re@sibstu.kts.ru
В работе были изучены возможность получения брикетов из отходов сухой окорки лиственницы сибирской, углей из них, а также изучены механические свойства «сырых» и пиролизованных брикетов.
Введение
Ранее, в сообщении 1 [1]? было показано, что получение качественных углей из отходов окорки затрудняет большая разнородность их фракционного состава и слабая механическая прочность получаемых углей. Механическую прочность получаемых углей можно повысить увеличением содержания в структуре исходных отходов окорки прочных каменистых и лубяных клеток.
Для эффективного получения качественных древесно-угольных материалов необходимо использовать исходное древесное сырье одной крупности. Процессом, придающим отходам окорки одинаковую крупность, а также повышающим их механическую прочность, может быть прессование при получении брикетов.
Обсуждение результатов
Исходные образцы брикетов из отходов окорки были получены на прессе ГСМ-50 в одноместной пресс-форме без применения связующего материала, при комнатной температуре, давлении прессования от 60 до 300 МПа. Размеры брикетов составляли: высота - 20 мм, диаметр - 37,5 мм. Брикеты из отходов сухой окорки, полученные при давлении прессования соответственно 100, 200, 300 МПа, были пропиролизованы в лабораторной реторте со скоростью нагрева 2°С/мин до температуры 500°C и затем выдержаны при этой температуре в течение одного часа. Выход продуктов пиролиза брикетов сухой окорки при 12% влажности составляет: уголь-сырец - 29%, смола - 13%, пиролизная вода - 21%, газ и потери - 22%, физическая влага
- 12%. Угли, полученные из брикетов, сохраняют исходную форму. Их размеры: высота - 17 мм, диаметр -
32,5 мм, вполне соответствуют размерам отдельных кусков угля-сырца из древесины, используемого, например, в производстве кристаллического кремния и активных углей.
Автор, с которым следует вести переписку.
Рис. 1. Микрофотография поперечного среза брикета из отходов окорки лиственницы сибирской
На рисунке 1 представлен снимок среза брикета, выполненного на электронном микроскопе РЭМ-10У при увеличении в 500 раз, на снимке видно, что при прессовании происходят существенные нарушения анатомического строения (микроструктуры) отходов сухой окорки. Так видны сохранившиеся и частично разрушенные при прессовании каменистые клетки, а также сплошная масса, состоящая, скорее всего, из разрушенных стенок, механически непрочных пробковых и ситовидных клеток, а также, возможно, части разрушенных стенок крупных паренхимных клеток. Такие изменения структуры отходов окорки при прессовании существенным образом меняют их свойства: так, кажущаяся плотность коры лиственницы по литературным данным, составляет в среднем 380 кг/м3, брикетов, полученных нами из отходов окорки, -830-930 кг/м3, прочность коры лиственницы на сжатие составляет 3,9 МПа [2]. У полученных брикетов измерялась механическая прочность на сжатие и истирание. Механическую прочность брикетов определяли методом раздавливания образца на прессе с фиксируемой нагрузкой. Прочность на истирание (барабанная проба) определялась по общепринятой методике [3, 4]. В связи с тем, что отходы окорки имеют большую полидисперсность, которая может значительно изменять качество получаемых брикетов и товарных углей, было изучено влияние фракционного состава на прочность брикетов и углей из них.
Для брикетирования была отобрана технологичная фракция менее 20 мм. Фракции исходных отходов сухой окорки были разбиты на четыре группы: I (мелкая) - +0-5 мм, II (средняя) - +5-10 мм, III (крупная)
- +10-20 мм, IV - неразделенная смесь всех групп ММП (в соотношении 1 : 2 : 1 согласно результатам изучения фракционного состава, представленного в сообщении 1). Соотношение фракций выбрано по результатам таблицы 1. Результаты испытаний брикетов на прочность приведены в таблице 1.
Из таблицы видно, что «сырые» и пиролизованные брикеты, полученные из отходов окорки крупной фракции, имеют наибольшие прочностные характеристики на сжатие и истирание. Это, видимо, связано с тем, что большая поверхность отдельных крупных кусочков коры в сравнении с более мелкими способствует увеличению количества связей их с другими соприкасающимися с ними частицами, что упрочняет их положение в брикете. При брикетировании неразделенной смеси фракций, прочность брикетов оказывается сопоставимой с прочностью брикетов, полученных из средней и крупной фракций коры, низкая механическая прочность мелкой фракции в смеси на прочности углей из брикетов практически не сказывается. Кажущаяся плотность «сырых» брикетов, полученных из различных фракций отходов сухой окорки, различается: так, плотность полученных из крупной фракции - 920-940 кг/м3, для средней - 870-890 кг/м3 и мелкой - 830-845 кг/м3.
Таблица 1. Влияние фракционного состава отходов окорки на прочность «сырых» и пиролизованных
брикетов отходов окорки
Группа Прочность на сжатие, МПа. Прочность на истирание, %
«сырые» пиролизованные «сырые» пиролизованные
I 39 20,5 80 73
II 43 23,2 86 81
III 47 26,8 91 88
IV 46 25,6 87 83
Зависимость прочности полученных брикетов отходов окорки лиственницы на сжатие и истирание от давления прессования представлена в таблице 2.
Как следует из представленных результатов, брикеты из отходов окорки в сравнении с корой обладают прочностью на сжатие в 8-14 раз больше, хотя плотность брикетов больше плотности коры только в 2,2-
2,5 раза. Такой рост прочности относительно изменения плотности объясняется наряду с уменьшением количества непрочных клеток (разрушением их) проявляющимся под воздействием нагрузки прессования, действием в брикетах сил межмолекулярного сцепления и возникновением большого количества связей при пластификации лигнина [5]. Кроме того, необходимо учитывать влияние на механическую прочность мелких частиц и волокон древесины, распределенных в отходах окорки и способствующих структурированию и упрочнению брикетов. Снимки срезов брикетов показывают, что поля по всему объему брикетов сохранившихся клеток хаотично перемежаются со сплошными участками, состоящими из стенок разрушенных клеток, это свидетельствует о том, что структура брикета не ориентирована по направлениям в отличие от исходного сырья.
Изменение пористости, утрачивание анизотропных свойств, наличие новых более прочных связей, более высоких плотности и механической прочности позволяют говорить о полученных брикетах как о материале, имеющем принципиальные отличия по своим свойствам от исходных отходов окорки. Данные обстоятельства позволяют осуществлять новый подход к пирогенетической переработке такого сырья.
На рисунках 2а, 2в и 2г представлены снимки срезов, полученных при пиролизе брикетов углей, выполненных при увеличении в 500 раз, на рисунке 2б - при увеличении в 4000 раз.
Таблица 2. Зависимость прочности «сырых» и пиролизованных брикетов от давления прессования
Давление прессования, МПа Прочность брикетов на сжатие, МПа Прочность брикетов на истирание, %.
«сырых» пиролизованных «сырых» пиролизованных
60 31 20,6 80 87
! 00 47 26,5 83 88
150 50 28 85 86
200 52 29 89 82
250 53 30 91 78
300 54 30 91 73
Рис. 2. Микрофотографии срезов пиролизованных брикетов из отходов окорки лиственницы сибирской
На снимке 2а видна группа переугленных каменистых клеток коры. Толщина переугленных стенок клеток составляет в среднем 0,75 мкм (рис. 2б, увеличение в 4000 раз, участка среза из рис. 2а). Рисунок 2в показывает, что в структуре угольного брикета группы клеток пересечены в некоторых местах волокнами, перфорация которых частично забита отложениями аморфного углерода, продуктами пиролиза.
Было также изучено влияние давления при прессовании отходов сухой окорки на микроструктуру и механическую прочность получаемых из них углей. Из сравнения рисунков 2а, 2в и 2г видно, что количество мелких осколков в угольных брикетах возрастает с увеличением давления прессования. Так, на рисунке 2а на поверхности среза пиролизованного брикета, полученного при давлении прессования 100 Мпа, не наблюдается мелких угольных осколков, а на рисунке 2г пиролизованного брикета, полученного при давлении прессования 300 Мпа, практически вся поверхность среза покрыта множеством мелких угольных осколков размерами 20-100 мкм. На всех рисунках, особенно отчетливо на рисунке 2в, можно наблюдать образование аморфного углерода в виде овальных кусочков, шариков, образующихся из смолистых продуктов пиролиза.
Увеличение прочности пиролизованных брикетов на сжатие, видимо, связано с тем, что при увеличении давления прессования в брикете увеличивается количество мелких обломков стенок клеток (это видно на снимках), которые лучше заполняют свободное пространство и тем самым способствуют увеличению прочности на сжатие в сравнении с брикетами, полученными при меньшем давлении. Вместе с тем снижение прочности связей при пиролизе между отдельными составляющими брикета более всего сказывается на связях его мелких частиц, в связи с чем увеличение их количества в брикетах с повышением давления прессования приводит к снижению прочности на истирание пиролизованных брикетов за счет лучшего отрыва этих частиц от тела брикета.
Механическая прочность на сжатие пиролизованных брикетов составляет 20,5-25,6 МПа, она сравнима с прочностью древесного угля, что позволяет, полученные из брикетов сухой окорки угли направлять на дальнейшее использование в различные отрасли народного хозяйства, заменяя в некоторых случаях древесные.
Выводы
1. Брикеты из отходов сухой окорки обладают высокой прочностью и перспективны для промышленных процессов пирогенетической переработки растительного сырья.
2. Угли из брикетов сухой окорки сохраняют исходную форму и имеют достаточную прочность для дальнейшего использования их в качестве угольных материалов.
3. С увеличением давления прессования увеличивается плотность, прочность на сжатие и истирание «сырых» брикетов, а также доля мелких фракций в структуре пиролизованных брикетов.
4. Фракционный состав отходов окорки не оказывает заметного влияния на механические свойства «сырых» и пиролизованных брикетов.
Список литературы
1. Беседина И.Н., Симкин Ю.Я., Петров В.С. Получение углеродных материалов из отходов сухой окорки
лиственницы сибирской. 1. Особенности отходов сухой окорки как сырья для получения углеродных материалов
// Химия растительного сырья. 2002. №2. С. 63-66.
1. Веретенник Д.Г. Использование древесной коры в народном хозяйстве. М., 1976. 120 с.
2. Меньковская М.А., Каминский В.С., Петров Н.А. и др. Технический анализ углей. М.;Л., 1952. 159 с.
3. Родовская К.И., Рябина Л.Б., Новик Ю.Г. и др. Технический анализ. М., 1972.
4. Левин Э.Д. Теоретические основы производства древесного угля. М., 1980. 152 с.
Поступило в редакцию 11 февраля 2002 г.
