ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛЕСОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Термическое разложение древесины

Термическое разложение (пиролиз) древесины — это разло­жение древесины без доступа воздуха под действием высокой температуры. В результате этого процесса получаются твердые, жидкие и газообразные продукты. Твердые продукты остаются в виде древесного угля в аппарате, в котором ведется пиролиз, а жидкие и газообразные продукты выделяются совместно в виде парогазовой смеси (см. главу 3). Парогазовую смесь разделяют путем охлаждения на конденсат (жижку) и некон­денсирующиеся газы. Жижку перерабатывают на уксусную кис­лоту, метиловый спирт, смолу и другие продукты (см. главы 4—6), а неконденсирующиеся газы сжигают как топливо.

Пиролиз древесины. Процесс разложения древесины при пи­ролизе можно подразделить на четыре стадии: 1) сушку; 2) на­чало разложения; 3) образование, испарение и возгонку основ­ного количества продуктов разложения древесины, протекающие при 270—450 °С с бурным выделением тепла (экзотерми­ческий процесс); 4) прокаливание угля до конечной темпера­туры обычно не выше 550—600 °С и удаление остатков лету­чих веществ. Кроме третьей стадии, все стадии процесса тре­буют подвода тепла извне.

Тепловой эффект процесса термораспада древесины зависит от условий проведения пиролиза и мало зависит от типа и кон­струкции аппарата. Величина низшего теплового эффекта со­ставляет 1000—1250 кДж/кг, или 5—6 % от теплоты сгорания исходной древесины.

В аппаратах периодического действия стадии процесса про­текают последовательно во времени, тогда как в непрерывно - действующем аппарате (рис. 2.11) в одно и то же время в верх­ней зоне происходит сушка, ниже — нагревание древесины до температуры экзотермической реакции, в средней зоне — разло­жение древесины и прокаливание угля и в нижней — охлажде­ние угля перед выгрузкой. Поэтому при работе периодически действующего аппарата состав парогазовой смеси по ходу про­цесса изменяется, а при непрерывном процессе остается во вре­мени практически постоянным.

Первым из компонентов древесины, уже при температуре не­сколько ниже 150 °С, начинает распадаться ксилан, но в основ­ном его распад идет при 250—260 °С с образованием фурфу­рола, уксусной кислоты и газов. Распад лигнина начинается

Рис. 2.11. Схема пиролиза древесины в непре - рывнодействующем аппарате:

1 — зона сушки; 2 — зона нагревания до температу­ры экзотермической реакции; 3 — зона пиролиза и прокалки угля; 4 — промежуточная зона; 5 — зона охлаждения угля

При температуре около 200 °С; этот процесс вследствие гетеро - и гемоли­тической диссоциации химических связей между структурными едини­цами лигнина и внутри их приводит к образованию низкомолекулярных летучих соединений и полной пере­стройке первичной структуры лиг­нина. Процесс деполимеризации цел­люлозы протекает при температуре выше 300 °С. Как целлюлоза, так и лигнин при пиролизе дают уголь, газы и смолу. Однако из целлюлозы выход угля равен 35%, а из лигни­на— около 50%. Газы, полученные при разложении лигнина, содержат около 50 % СО, 35—40 % СН4 и лишь немного С02, тогда как целлю­лоза дает низкокалорийный газ, со­держащий более 60 % СОг. Образо­вание метана (СН4) происходит в ос­новном за счет метоксильных групп лигнина.

Ароматические соединения, содержащиеся в древесных смо­лах (фенолы и др.), образуются при термическом разложении лигнина, алифатические соединения — в основном из целлю­лозы и других полисахаридов.

Уксусная кислота получается из целлюлозы в количестве 2—3 %, из лигнина — около 1 %. Основным ее источником яв­ляются ацетильные группы древесины, содержание которых больше в древесине лиственных пород, поэтому выход уксусной кислоты из пород лиственной древесины выше, чем из хвой­ной. Древесина лиственных пород особенно береза и бук, пред­почтительна для пиролиза, так как из нее получают более хо­роший уголь.

Метиловый спирт образуется в основном из метоксильных групп метилглюкуроновой кислоты, входящей в состав гемицел - люлоз. Немного метилового спирта образуется из лигнина.

Фурфурол целиком получается в результате деструкции пен­тозанов и дегидратации образующихся при этом пентоз. Если древесину перед пиролизом пропитать разбавленной серной кислотой, то выход фурфурола в несколько раз увеличится.

Проводя термическое разложение древесины с одновремен­ным ее окислением, например путем обработки в водной среде

/ — зона подсушки (150—300 °С); 2 — зона пиролиза (300—900 °С); 3 — зона восстанов­ления (900—1100 °С); 4 — зона горения (1100—1300 °С); 5 — зольник

Рис. 2.13. Схема обратного процесса газификации древесины:

1 —зона подсушки: 2 ~ зона пиролиза; 3 — зона горения; 4 — зона восстановления; 5 — зольннк

Кислородом под давлением и при высокой температуре, можно> получить из нее уксусную кислоту с выходом около 15 %„ а также муравьиную кислоту.

Газификация древесины. К области термического разложе­ния древесины относится также и ее газификация, т. е. безос­таточное (если не считать золы) разложение древесины в га­зогенераторах. Различают два основных процесса газифика­ции— прямой и обратный. При прямом процессе (рис. 2.12) поток газов направлен снизу вверх, воздух вводится ниже ко­лосниковой решетки (на которой располагается древесное сырье — поленья, чурки или щепа), а образовавшийся генера­торный газ отводится сверху. При обратном (обращенном) про­цессе (рис. 2.13) движение газов происходит сверху вниз, воз­Дух подводится немного выше колосниковой решетки, а генера­торный газ отводится снизу.

Основная горючая часть генераторного газа — окись угле­рода образуется при неполном окислении раскаленного угля кислородом воздуха:

2С + Оа = 2СО +246,4 кДж.

Воздух подается в газогенератор в ограниченном количестве, иначе уголь полностью сгорит до С02. Вместе с воздухом можно вводить водяной пар; он реагирует с раскаленным уг­лем, образуя окись углерода и водород, что повышает калорий­ность газа.

Сырой газ, получаемый при прямом процессе, содержит дре­весную смолу и уксусную кислоту, которые могут быть выде­лены в процессе очистки газа. При обращенном процессе в газе очень мало лесохимических продуктов, очищенный газ ранее применялся взамен бензина в лесовозных автомобилях, для чего на них устанавливали небольшие газогенераторы с упрощен­ной системой очистки газа.

В связи с ростом цен на нефтяное топливо в некоторых стра­нах возобновился интерес к газификации древесины с целью получения газа для отопления жилищ и для других целей. Ве­дутся также работы по каталитическому ожижению древесины для получения нефтеподобных продуктов.