Деревне вугілля. Хімічні процеси

Деревне вугілля - макропористий високовуглецевий продукт, одержуваний піролізом деревини без доступу повітря.

Структура і властивості вугілля визначаються температурою піролізу. Промисловий деревне вугілля, одержуване при кінцевій температурі 450-550 ° C, - аморфний високомолекулярний продукт, що включає аліфатичні й ароматичні структури; склад: 80-92% C, 4,0-4,8% H, 5-15% O.  Деревне вугілля містить також 1-3% мінеральних домішок, головним чином, карбонатів та оксидів K, Na, Ca, Mg, Si, Al, Fe.

Удавана щільність ялинового вугілля становить 0,26, осикового - 0,29, соснового - 0,30, березового - 0,38 г / см ³; істинна густина деревного вугілля - 1,43 г / см³; пористість 75-80%; уд. теплоємність 0,69 і 1,21 кДж / (кг.К) відповідно при 24 і 560 ° C; теплопровідність 0,058 Вт / (м.К), теплота згоряння 31500-34000 кДж / кг, питомий електричний опір 0,8 · 108 - 0,5 · 102 Ом · см.

Деревне вугілля володіє парамагнітними властивостями, зумовленими присутністю стабілізуючих макрорадикалів (парамагнітних центрів ПМЦ) - високо реакційно здібних  кінцевих радикалів Rк * і менш реакційноздатних серединних радикалів Rcp *, максимальні концентрації яких досягаються відповідно при 550 і 325 ° C.

При термообробці деревне вугілля (400-900 ° C) без доступу повітря в результаті реакцій Rк + RH: RкH + Rcр *, Rср *: Rк + CO + CO2 + H2 + CmHn і R * + R *: RR відбувається ущільнення його структури , супроводжуване зменшенням маси (до 18%) і виділенням суміші газів, що містить (у % за об'ємом) від 12,7 до 0,7 CO, від 8,5 до 4,5 CO2, від 36,5 до 67,5 H2 , від 45,0 до 24,0 вуглеводнів (переважно, CH4). Знижуються частка аліфатичних структур, водню (до 1,5%), кисню (до 4,5%), концентрація ПМЦ (до 1,7.1018 спин / г), питомий електричний опір (до 0,5 Ом · см). Підвищуються частка ароматичних структур і вуглецю (до 95%), ступінь кристалічності, дійсна густина (до 1,97 г / см³). Присутність макрорадикалів обумовлює високу реакційну здатність деревного вугілля по відношенню до кисню.

Так, свіжо приготоване деревне вугілля при 30-90 ° C за 1 год хемосорбує з повітря 0,5-2% (від маси вугілля) кисню; одночасно з вугілля виділяються низькомолекулярні продукти, головним чином, вода (0,3-1,5% ). На повітрі розвивається ланцюгової розгалужений процес автоокисления деревного вугілля: Rк * + O2: RкOO *; RкOO * + RH: RкOOH + Rср *, Rср * + O2: RсрOO *, RсрOO * + RH: RcpOOH + Rсp *, RcpOOH + RH: RO * + R * + H2O і R * + R *: RR.

У результаті може статися самозаймання деревного вугілля, якщо який-небудь з параметрів процесу (концентрація ПМЦ, температура, концентрація O2 і геометричні розміри маси вугілля) перевищить деяку критичну величину. Щоб уникнути цього, деревне вугілля стабілізують, витримуючи шар вугілля висотою не більше 60 мм при 50-80 ° C не менше 10 хв, тобто в умовах, коли жоден з параметрів не перевищує критичну величину, деревне вугілля отримують піролізом деревини в сталевих вертикальних безперервно діючих ретортах продуктивністю 100-2200 кг / год, а також у різних печах. Вихід деревного вугілля в перерахунку на нелеткий вуглець становить 21-25% від безводної деревини.