пиролиз древесины

ПИРОЛИЗ ДРЕВЕСИНЫ (сухая перегонка древесины)

разложение древесины при нагр. до 450 °C без доступа воздуха с образованием газообразных и жидких (в т. ч. древесной смолы) продуктов, а также твердого остатка -древесного угля.

Сухая перегонка древесины — один из первых процессов хим. технологии. Начиная с 12 в. ее широко использовали в России для выработки сосновой смолы (служит для просмолки деревянных судов и пропитки канатов); этот промысел носил назв. смолокурение. С развитием металлургии возник другой промысел, также основанный на сухой перегонке древесины, — углежжение с получением древесного угля. Начало пром. применения П. д. относится к 19 в.; сырьем являлась только древесина лиственных пород, гл. продуктом — уксусная кислота.

Для осуществления процесса в настоящее время обычно применяют древесину лиственных пород (напр., березы), реже (гл. обр. при комплексной переработке сырья)-древесину хвойных пород. При пиролизе древесины березы (влажность 10–15%) получают 24–25% древесного угля, 50–55% жидких (т. наз. жижка) и 22–23% газообразных продуктов. Чем больше размер кусков древесины, взятой для пиролиза, тем крупнее твердый остаток, хотя в результате неравномерной усадки сырья и бурного выделения летучих продуктов происходит растрескивание обугливающегося материала и образуется до 20% мелкого угля с размером частиц менее 12 мм. Полученный древесный уголь после сортировки по размеру кусков направляют непосредственно потребителю или на переработку.

При хранении и переработке жижки отстаивается древесная смола (7–10%) и одновременно протекают многочисл. превращения ее компонентов; из смолы выделяют широкий ассортимент ценных продуктов. Отстоявшаяся жижка имеет плотн. 1,025–1,050 г/см³ и содержит 6–9% по массе уксусной кислоты и ее гомологов, 2,5–4,5% метанола, 5–6% соед. разных классов (альдегидов, кетонов, сложных эфиров и т. д.), 4,5–14% растворимой древесной смолы и 67–81% воды. Уксусную кислоту извлекают из жижки чаще всего экстракцией и путем ректификации и хим. очистки перерабатывают в пищ. продукт.

Газообразные продукты (неконденсирующиеся газы) включают диоксид (45–55% по объему) и оксид (28–32%) углерода, водород (1–2%), метан (8–21%) и др. углеводороды (1,5–3,0%). Состав неконденсирующихся газов зависит от конечной температуры пиролиза, скорости и способа нагрева (с внутр. или наружной циркуляцией теплоносителя — обычно топочных газов, получаемых при сжигании топлива и неконденсирующихся газов); теплота их сгорания колеблется от 3,05 до 15,2 МДж/м³. Перечисл. факторы, а также порода, качество и влажность древесины определяют выход продуктов ее пиролиза. С повышением температуры возрастают выходы древесной смолы и неконденсирующихся газов, но снижаются выходы древесного угля, уксусной кислоты и спиртовых продуктов; уголь образуется с более высоким содержанием углерода. Средний выход осн. продуктов П. д. составляет (в расчете на сухую древесину): уксусная кислота 5–7%, древесная смола 10–14%, древесный уголь (в расчете на нелетучий углерод) 23–24%.

В основе П. д. лежат свободнорадикальные реакции термодеструкции гемицеллюлоз, целлюлозы и лигнина, протекающие соотв. при 200–260, 240–350 и 250–400 °C; соотношение констант скоростей при 320 °C составляет 10:1:0,25. Кине-тич. характеристики пиролиза древесины и ее компонентов, найденные разными авторами, заметно различаются. Реакции распада древесины, гемицеллюлоз, целлюлозы и лигнина имеют первый порядок, а энергии активации этих реакций изменяются в значит. пределах; для упомянутых компонентов древесины соотв. 70–80, 135–210 и 55–110 кДж/моль. Константа скорости П. д. выше, чем у целлюлозы, и, напр., при 350 °C для разл. пород находится в диапазоне (2,8–8,3)∙10⁻³с⁻¹. П. д. — экзотермич. процесс, при котором выделяется большое количество теплоты (1150кДж/кг).

Хим. добавки (в расчете на сухую древесину) уменьшают энергии активации реакций пиролиза древесины и ее компонентов, снижают температуру начала их разложения и могут направлять процесс в сторону преимуществ. образования к.-л. продукта. Так, при пропитке древесины березы одновременно H₂SO₄ (2%-ной) и H₂O₂ (0,1%-ной) температура начала разложения снижается с 250 до 120 °C, скорость термодеструкции увеличивается более чем в 10 раз, энергия активации уменьшается примерно со 160 до 40 кДж/моль, выход древесного угля возрастает на 35%. В присутствии минеральных кислот, Fe₂(SO₄)₃. Al₂(SO₄)₃, NaHSO₄ и др. при 220 °C (предпиролиз) преим. образуется фурфурол с выходом до 8–10%; те же реагенты, а также MnCl₂, йодноватая и хлоруксусная кислоты при 320 °C способствуют образованию левоглюкозана с выходом до 10–12%. Повышение выхода древесной смолы достигается в присутствии щелочей и аммиака, а древесного угля — при пропитке древесины антипиренами.

Принципиальная технол. схема П. д.: разделка сырья на куски (тюльку); сушка разделанной древесины; собственно пиролиз в спец. печах или ретортах; охлаждение угля и его стабилизация (для предотвращения самовозгорания); конденсация паров летучих продуктов. Наиб. продолжительная и энергоемкая стадия-сушка древесины с влажностью 45% до влажности 15%.

Техника П. д. разнообразна, но большинство применяемых в мировой практике печей и реторт устарело и не отвечает совр. требованиям. Наиб. совершенна технология П. д. с использованием непрерывно действующего оборудования — шахтных сушил и стальных вертикальных реторт. В последние порциями загружают древесину сверху, а уголь выводят снизу.

^{Лит.: Гордон Л. В., Скворцов С. О., Лисов В. И., Технология и оборудование лесохимических производств, 5 изд., М., 1988.}

_{А. Н. Завьялов}