Древесный уголь. Химические процессы

Древесный уголь — макропористый высокоуглеродистый продукт, получаемый пиролизом древесины без доступа воздуха.

Структура и свойства угля определяются температурой пиролиза. Промышленный древесный уголь, получаемый при конечной температуре 450-550°C, — аморфный высокомолекулярный продукт, включающий алифатические и ароматические структуры; состав: 80-92% C, 4,0-4,8% H, 5-15% O. древесный уголь содержит также 1-3% минеральных примесей, главным образом, карбонатов и оксидов K, Na, Ca, Mg, Si, Al, Fe.

Кажущаяся плотность елового угля составляет 0,26, осинового — 0,29, соснового — 0,30, березового — 0,38 г/см³; истинная плотность древесного угля — 1,43 г/см³; пористость 75-80%; уд. теплоемкость 0,69 и 1,21 кДж/(кг.К) соответственно при 24 и 560°C; теплопроводность 0,058 Вт/(м.К), теплота сгорания 31500-34000 кДж/кг, удельное электрическое сопротивление 0,8·108 - 0,5·102 Ом·см.

Древесный уголь обладает парамагнитными свойствами, обусловленными присутствием стабилизирующих макрорадикалов (парамагнитных центров ПМЦ) — высоко реакционноспособных концевых радикалов Rк* и менее реакционноспособных срединных радикалов Rcp*, максимальные концентрации которых достигаются соответственно при 550 и 325°C.

При термообработке древесный уголь (400-900°C) без доступа воздуха в результате реакций Rк + RH : RкH + Rcр*, Rср* : Rк + CO + CO2 + H2 + CmHn и R* + R* : R-R происходит уплотнение его структуры, сопровождаемое убылью массы (до 18%) и выделением смеси газов, содержащей (в % по объему) от 12,7 до 0,7 CO, от 8,5 до 4,5 CO2, от 36,5 до 67,5 H2, от 45,0 до 24,0 углеводородов (преимущественно, CH4). Снижаются доля алифатических структур, водорода (до 1,5%), кислорода (до 4,5%), концентрация ПМЦ (до 1,7.1018 спин/г), удельное электрическое сопротивление (до 0,5 Ом·см). Повышаются доля ароматических структур и углерода (до 95%), степень кристалличности, истинная плотность (до 1,97 г/см³).

Присутствие макрорадикалов обусловливает высокую реакционную способность древесного угля по отношению к кислороду.

Так, свежеприготовленный древесный уголь при 30-90°C за 1 ч хемосорбирует из воздуха 0,5-2% (от массы угля) кислорода; одновременно из угля выделяются низкомолекулярные продукты, главным образом, вода (0,3-1,5%). На воздухе развивается цепной разветвленный процесс автоокисления древесного угля : Rк* + O2 : RкOO*; RкOO* + RH : RкOOH + Rср*, Rср* + O2 : RсрOO*, RсрOO* + RH : RcpOOH + Rсp*, RcpOOH + RH : RO* + R* + H2O и R* + R* : R-R.

В результате может произойти самовозгорание древесного угля , если какой-либо из параметров процесса (концентрация ПМЦ, температура, концентрация O2 и геометрические размеры массы угля) превысит некоторую критическую величину. Чтобы избежать этого, древесный уголь стабилизируют, выдерживая слой угля высотой не более 60 мм при 50-80°C не менее 10 мин, т. е. в условиях, когда ни один из параметров не превышает критическую величину, древесный уголь получают пиролизом древесины в стальных вертикальных непрерывно действующих ретортах производительностью 100-2200 кг/ч, а также в различных печах. Выход древесного угля в пересчете на нелетучий углерод составляет 21-25% от безводной древесины.