Древесный уголь

Древесный уголь

ДРЕВЕСНЫЙ УГОЛЬ, продукт, получаемый из древесины путем ее нагревания до высоких температур (350—600°) без доступа или при незначительном доступе воздуха. Чем больше доступ воздуха при углежжении, тем ниже выход угля из древесины, тем рыхлее и легче самый уголь. Настоящий черный древесный уголь, вполне пригодный для употребления, получается при температуре 350° и выше. Содержание углерода в древесном угле зависит не от породы дерева, а исключительно от температуры переугливания. Влияние температуры на разложение древесины и химический состав получающегося угля представлены в табл. 1, по новейшим данным В. А. Коробкина.

Влияние температуры на разложение древесины и химический состав получающегося угля

Отсюда видно, что даже при 1500° нельзя нацело освободить уголь от газовых составных частей древесины - водорода и кислорода, в обычном же угле их содержание немногим меньше 25%. Из этой таблицы следует, что поднимать температуру углежжения выше 600° нерационально, т. к. последующие интервалы в 100° незначительно увеличивают содержание ценного углерода. Объемный удельный вес значительно колеблется в зависимости от способа, температуры и скорости обжига, составляя в среднем для угля из печей Шварца Нижнетагильского округа на Урале: елового 0,235, соснового 0,267, осинового 0,289 и березового 0,365 с колебаниями до 50%. Истинный удельный вес, определенный на мелкой столченном угле, дает для тех же углей величины около 1,3—1,4. Вычисленная пористость угля составила 70—80%. В табл. 2 приведены соотношения между содержанием углерода, пористостью и удельным весом угля из разных пород леса.

Соотношение между содержанием углерода, пористостью и удельным весом угля из разных пород леса

При прямом соприкосновении с водой уголь впитывает ее от 200 до 300%, считая по весу высушенного при 105° угля. Вес лежалого угля из печей Шварца составляет в среднем: елового 120 кг, соснового 140 кг, осинового 150 кг на один складочный м3. Механическая прочность угля (из печей Шварца) на сжатие приблизительно в четыре раза меньше первоначальной крепости соответственного дерева. Теплопроизводительность древесного угля вдвое выше теплопроизводительности древесины, из которой он получен, и для хороших сортов превышает 7000 Cal. Пирометрический эффект сжигания угля тоже значительно выше дров. В табл. 3 приведены химический состав и физические свойства печного угля.

Химический состав и физические свойства печного угля

На тепловых свойствах древесного угля и на его химическом составе (отсутствие примесей, вредящих качеству продукта, низкое содержание неспекающейся и не требующей флюса золы) основано употребление угля в доменных печах для выплавки чугуна из железных руд, для вагранок при чугунном литье, для производства цементной стали, для кузнечных горнов при горячей обработке и сварке железа. Лучшим углем для доменной плавки считается сметничный уголь - смесь березового, соснового и елового углей. Хороший древесный уголь по внешнему виду отличается блестящим черным цветом, плотностью, издает при падении звенящий звук, горит без пламени и дыма и не пачкает рук.

По способу получения различают: 1) ямный древесный уголь, 2) костровый, или кучной, 3) печной и 4) ретортный, или казанный. Эти угли значительно отличаются друг от друга по своим химическим, физическим и механическим свойствам.

Ямный способ. В сухом грунте вырывается круглая яма диаметром около 2 м и глубиной 1,5 м. На дно забрасывают мелкие сухие сучья и зажигают костер. Когда сучья разгорятся, на них наваливают обугливаемый материал и, постепенно подбавляя его, наполняют всю яму горящей древесиной. После этого сверху накидывают дерн и землю, уплотняют покрышку трамбованием и оставляют яму закрытой. Через сутки можно уже выгребать готовый уголь. Сохранившиеся очаги тлеющего угля заливают при выгребе водой. Уголь получается мелкий, рыхлый с низким удельным весом. Выходы по весу составляют 10—12%, а по объему 30—35%. Такой уголь употребляется для деревенских кузниц и для домашних надобностей. Кустари-углежоги в южных частях РСФСР употребляют для ямного способа только сучья и вершины деревьев. В Ленинградской области и в Центрально-промышленном районе на углежжение идут дрова, причем здесь ямный способ видоизменен: дрова укладывают плотными рядами в продолговатую яму, покрывают их ветвями и дерном и уже после этого зажигают через оставленное в покрышке отверстие. Под конец процесса отверстие засыпают, поверхность ямы утрамбовывают и, когда уголь остыл, выгребают его. При этом способе улучшается качество угля и увеличивается выход.

Костровый способ углежжения дает промышленный металлургический уголь лучших качеств. Тем не менее, на Урале костровый уголь в настоящее время выжигается только в размере 5%, тогда как в Швеции, где потребление древесного угля металлургией немногим уступает Уралу, до сих пор еще более двух третей всего угля производится костровым способом. Костры, или кучи, бывают стоячие, с вертикальным положением дров, или лежачие, с горизонтальным расположением. Наиболее распространенными и более совершенными являются стоячие костры. На Урале очень часто встречается тип костра, изображенный в разрезе на фиг. 1. На специально выбранном сухом участке выравнивают ток и в центре его забивают высокий кол. Если место сыровато, то необходимо обрыть место костра канавой, а под самый костер устроить настил из расколотых дров – мостовник (а) (фиг. 1 и 2), во избежание получения большого количества плохо обугленного копытника.

Костровый способ углежжения

В одну сторону от кола дрова укладывают так, чтобы образовался зажигательный канал (б). Дрова для костра берутся сухие, годовалые, длиной в 1 м. Самый верхний ярус (в) носит название чепца, но иногда его не делают, укладывая дрова третьего яруса с большим наклоном к центру костра. По укладке дров поверхность костра покрывают хвойными ветвями и на них укладывают еще земляную покрышку. Вверху слой покрышки тоньше, чем на боках. От состава покрышки зависит успех углежжения и наилучшим - считается суглинистая земля, смешанная с золой и мелким углем, оставшимися от предыдущего углежжения.

Глинистая земля растрескивается, а песчаная при высыхании осыпается с боков. Обычно уральский костер вмещает 100—120 м3 дров. Зажигание костра производится через канал (б). В первое время из дров обильно выделяется влага, которая частично оседает на покрышке (потение костра). Если высыхание дров совершается медленно, то углежог снимает часть земляной покрышки с чепца, а внизу у мостовника пробивает с подветренной стороны отверстия (подвалы, или пороги) для увеличения доступа воздуха. Когда желтый дым сменяется прозрачным, синеватым и вершина костра начинает оседать, процесс углежжения в вершине костра закончен; углежог увеличивает здесь слой покрышки, стремясь прекратить доступ воздуха к готовому углю. Огонь переводят во второй ярус дров, уменьшая здесь слой покрышки или пробивая в ней ряд мелких отверстий. Здесь тоже сначала получается желтый дым, который постепенно синеет, и тогда огонь переводят в нижний ярус, регулируя ход углежжения в последней стадии открыванием или засыпкой подвалов. В первой стадии процесса в разных частях костра могут образоваться взрывчатые смеси газов, и костер «стреляет», сбрасывая местами покрышку и выкидывая иногда дрова. При неправильной кладке костра или при недостатке надзора уголь в некоторых местах выгорает, и получаются провалы. Во всех таких случаях углежог должен тотчас же заполнить свежими дровами образовавшиеся пустоты (кормление костра) и возобновить полностью первоначальный слой покрышки. По окончании обжига засыпают все подвалы, дают куче охладиться, на что требуется 1—2 суток, и приступают к разборке кучи, начиная с чепца. Разборка производится только в сухую погоду, чтобы не испачкать готового угля. Когда уголь окончательно охладится, на грохоте отсеивают мелочь (патья) и укладывают уголь либо в рогожные кули, либо в плетеные из прутьев короба для отвозки на чугуноплавильные заводы. Короб на Урале служит учетной единицей, вмещая 2 м3 угля. Углежжение продолжается, в зависимости от погоды, 8—10 дней, да еще столько же уходит на устройство кучи, ломку и уборку угля. Всего для костра в 120 м3 требуется до 50 человеко-дней.

В 3ападной Европе стоячие костры устраиваются немного иначе (фиг. 3). Ток делается на искусственном возвышении с подъемом к центру, причем мостовник (а) устраивается при всяком грунте.

Стоячий костер

Зажигательный канал (б) делают вертикальный из четырех вбитых на некотором расстоянии кольев. В центре костра складывается значительное количество зажигательного материала (в), для того чтобы сразу дать энергичный ход углежжению. Чепец (г) выкладывается с особой тщательностью, т. к. его правильная форма способствует нормальному ходу процесса. Вместимость такого костра вдвое больше уральского (250 м3). Ведение углежжения, в общем, аналогично уральскому, но, благодаря особенностям устройства костра, распространение процесса образования угля идет по параболоиду (фиг. 4).

Drevesn ugol 6

Надзор за ходом «немецкого» костра ведется более внимательно, и особенно часто практикуется кормление костра. Выход угля в уральских стоячих кострах составляет 20—22% по весу и 50—55% по объему от воздушно-сухих годовалых дров; выход в немецких кострах выше, составляя 24% по весу и 60—65% по объему. Хвойные породы, особенно ель, дают более высокие выходы; береза же дает около 18% по весу и 45% по объему. Температура углежжения в кострах 500—600°, и в соответствии с этим костровый уголь содержит около 90% углерода по элементарному составу, причем количество нелетучего углерода составляет 82—84%. Последняя цифра особенно важна для доменного процесса, т. к. именно содержание нелетучего углерода обусловливает количественный выход чугуна, летучий же углерод способствует увеличению выхода и улучшению состава лишь колошниковых газов. Если эти последние не находят использования, то выход чугуна является единственным критерием для оценки качеств угля, и в этом отношении костровый уголь имеет наилучшие показатели. Объемный удельный вес кострового угля и механические свойства его выше, чем у других сортов древесного угля.

Лежачий костер

Лежачие костры (фиг. 5) устраивают между вбитыми по краям кольями. Ширина костра немного более длины поленьев, а длина м. б. произвольной (в 3—5 раз больше ширины); высота около 2 м. К кольям прислоняют доски и одновременно с укладкой поленьев между досками и торцами поленьев делают земляную засыпку. К одному концу костра дрова укладывают выше, чтобы создать направление тяги. Зажигание костра начинают с низкого края (а), который носит название подошвы, и направляют огонь к высокому краю (б) - парусу, путем пробивания отверстий в верхней покрышке костра. При ведении процесса руководствуются теми же признаками, что и в стоячих кострах. Выходы угля получаются немногим меньше, чем в стоячих кострах, но самый уголь оказывается более измельченным, т. к. крепость его в направлении, перпендикулярном волокнам, приблизительно в 5 раз меньше по сравнению с крепостью в направлении, параллельном волокнам, и при горизонтальном расположении поленьев много готового угля раздавливается в нижних рядах.

Трудность управления ходом процесса при костровом углежжении, зависимость от погоды, краткость углевыжигательного сезона, необходимость каждый раз устраивать покрышку для костра, поддерживать ее в исправности во время углежжения и разбирать по окончании побудили техников ввести углевыжигательные печи. Примером такой печи может служить печь Шварца (фиг. 6), которая представляет собою прямоугольную продолговатую камеру с топкой, расположенной под серединой продольной стенки.

Печь Шварца

Топка без колосников находится под кирпичным подом печи, и топочные газы поступают в углевыжигательную камеру через отверстие в центре пода. Против топки в другой продольной стенке имеется загрузочное отверстие, вместо которого для ускорения загрузки иногда устраивают два отверстия в поперечных стенках печи. По углам печи имеются 4 вытяжных деревянных трубы. Печь перекрыта легкой крышей на деревянных столбах, которые вместе с тем служат и для связи печи. Плотно загрузив печь дровами, расположенными внизу вертикально (став), а под сводом горизонтально (забойка), закрывают загрузочное отверстие железной заслонкой и швы промазывают глиной. В топке разводят огонь, и горячие топочные газы, проникнув в печь, постепенно повышают температуру углевыжигательной камеры. Через вытяжные трубы сначала идет белый дым, потом желтый, а появление синеватого прозрачного дыма служит признаком окончания процесса, после чего топочные и вытяжные отверстия плотно закрываются, и печь стынет несколько дней. После выгрузки угля печь готова для новой загрузки. При емкости печи в 50 м3 дров она делает З,5 оборота в месяц; печь в 70 м3 делает 3 оборота и печь в 100—120 м3 – 2,5 оборота. Производительность выше у печей малого объема, но обслуживание и затрата топлива на печах большого объема дают более экономичные результаты, почему наиболее выгодными в среднем являются печи в 60—80 м3. Для топлива можно употреблять самые плохие дрова, сучья, щепу и т. п. Расход топлива составляет 6—10% от объема загружаемых дров, и выходы угля, включая подтопочные дрова, достигают в печах Шварца для ели 88% по объему и 26% по весу, для сосны соответственно - 80 и 25% и для березы - 58 и 23%. Учет объемного выхода производится коробами, в которых, однако, между кусками угля остается много пустот. Содержание общего углерода - 76—80% при 67% нелетучего углерода. Такое низкое содержание углерода в угле всецело обусловливается, как впервые указал Юон, низкой температурой в печах Шварца, составляющей только 350—400°, против 500—600°, достигаемых в кострах.

Для повышения температуры обжига в печах и улучшения качества угля прибегают к газовому топливу, имеющему более высокий пирометрический эффект, при помощи газовиков, направляющих газообразные продукты разложения в топку, или устраивая газогенераторные топки. Ф. Н. Суханов усовершенствовал топку Шварца и ввел приспособление для дутья воздуха, благодаря чему газообразные продукты разложения древесины сгорают на месте их образования и тем сильно поднимают температуру процесса; температура под сводом в этих печах превышает 700°, уголь получается качеством не ниже хорошего кострового, но объемные и весовые выходы значительно ниже, чем в печах Шварца.

Тот же принцип утилизации образующихся горючих газов на нагрев древесины осуществлен в ретортных печах (см. Дерево, сухая перегонка).

Для увеличения массового выхода угля и удешевления его вводятся печи непрерывного действия с утилизацией жидких продуктов. На Урале стоимость угля из печей непрерывного действия превысила вдвое стоимость угля из печей Шварца, а утилизация спирта и уксусной кислоты была бы рентабельной только при березовых дровах. До 1914 г. Урал расходовал для выжигания древесного угля почти 12 млн. м3 древесины, и в 1928/29 г. потребление металлургического угля составит уже около 85% этого количества. Если учесть, что сухая перегонка дерева лиственных пород по всей РСФСР потребляет только 400000 м3 древесины, то становится понятным все значение древесного угля в народном хозяйстве Союза. Древесноугольный чугун при переработке дает специальные сорта железа и стали, которые по качеству значительно превосходят таковые из коксового чугуна.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 7 - 1929 г.