Деревне вугілля в енциклопедичному словнику Брокгауза та Ефрона

Обвуглювання горючих матеріалів – дерева, торфу копалин вугілля (коксування) має на меті одержання палива з пірометричним ефектом більшим, ніж взятий горючий матеріал.

Процесом обвуглювання намагаються видалити гігроскопічну воду, кисень, сірку з можливо меншими втратами водню та вуглецю. Головна умова, що відповідає такій задачі – припинення доступу повітря або, принаймні, можливе його обмеження. При цьому прагнуть отримати продукт (вугілля – В.), що складається тільки з вуглецю та водню – горючих елементів палива; в ньому також залишається зола, яка не може бути видалена процесом обвуглювання.

Вельми важливо, отже, точне знання кількості та якості продукту  обвуглювання залежно від умов процесу і, головне, від висоти температури. У цьому відношенні, перш за все, слід мати на увазі, що спорідненість вуглецю до кисню зростає з температурою і, отже, чим вище остання, тим більше кисню видалиться у вигляді СО та СО₂ і тим менш його буде у вигляді води; В. розкладає воду при високій температурі, утворюючи окис вуглецю та водень. Крім того, СО₂ переходить в СО також з витратою вуглецю; з усіх цих причин кількість вугілля, що залишилося після прогартовування, буде тим більше, чим нижче була температура; вихід летючих продуктів, газів та парів збільшується з температурою, причому кожній температурі відповідає деяка система газів та парів, що знаходяться в стані хімічної рівноваги; підвищення температури веде до розкладання вже отриманих тіл та перегрупуванням елементів, при чому, взагалі кажучи, зменшується кількість рідких (пароподібних) і збільшується кількість газоподібних продуктів; теоретично, при подальшому підвищенні отримаємо тільки елементи С, Н, О.

Зважаючи на це, якщо бажають отримати переважно В., то накалювання ведуть повільно при порівняно низькій температурі, коли ж мають на увазі дьоготь і взагалі леткі продукти, то температура повинна бути підвищена і процес прискорений. Азот, якщо він був у паливі, підпорядковується загальним правилам: при низькій температурі він виділяється в з'єднання з Н, при високій – у вільному стані. Процес розпалювання без доступу повітря (вогнем або перегрітою парою) у закритих посудинах носить назву "сухої перегонки" і ведеться, коли збирають не тільки В., але й рідкі продукти (дьоготь).

Отримання ж власне деревного вугілля частіше здійснюється за участю повітря (кострове, ямне, пічне вуглевипалювання), але під умовою такого регулювання його надходження, щоб повне горіння було неможливо, а дія його зводилася лише до розвитку тепла в такій кількості, яка необхідна для обвуглювання. Але навіть при максимальній температурі одержуване В. таки містить ще водень й кисень (1,55% у сумі). При цьому, від взятої кількості дерева залишається тільки 15 % залишку (В.), а власне вуглецю – тільки 14,47 %.

Нижченаведена таблиця показує, скільки вуглецю залишається в залишку і скільки переходить в продукти так зв. газенфікаціі В., тобто в газоподібні продукти розкладання. Незважаючи на деякі неправильності, наведені у цій таблиці цифри ясно дають той результат, що, по-перше, головна газенфікація В. йде до 400°, а потім майже припиняється, і по-друге, що вуглецю залишається (у вигляді твердого залишку) менше 1/3, а 2/3 йде у формі газоподібних продуктів; навіть при 350°, тобто при температурі, яку можна вважати початковою для здобуття В., вже залишається тільки 47,19 вуглецю, тобто менше половини кількості його, що було в дереві.

Отже, найбільший вихід В., тобто % його від дерева (крушини), становить 31,53%. Вихід В., крім температури, залежить також і від сорту дерева.

Перевуглювання дерева в великому вигляді тісно пов'язано з доставкою сирого матеріалу: якщо доставка забезпечена водним шляхом або залізницею (в Америці дороги для підвезення – переносні, вузькоколійні), то може розвинутися так зв. центральне вуглевипалювання в постійних печах або їм подібних приладах, подібно Дромаровському багаттю. В іншому випадку місце перевуглювання не може залишатися постійним, і тоді перевуглювання ведеться в багаттях різних форм, ямах та переносних печах (піч П'ятницького).

Доставка дров до печей, у разі центрального вуглевипалювання, вимагає великих витрат та складних пристроїв. У нас вона звичайно організується за посередництвом водних шляхів – сплавом [Напр., на Уралі для гірських заводів.].

Дрова рубаються на великих площах лісових дач, перевозяться до берегів річок і по ним доставляються до печей. Щоб під час шляху не були викинуті на берег, чи не застрягли на мілинах та інш., на річці влаштовуються так зв. "заплавні" (табл. ф. 1) – рід штучного русла, берега якого складаються з колод, пов'язаних ланцюгами й утримуваних на якорях; цими заплавнями дрова йдуть десятки верст від місця рубки до печей. Місцями, на шляху влаштовуються станції, для вивантаження, якщо воно потрібно, машинами (дров'яні елеватори) або вручну, на кінцевому ж пункті є "заплав" (фіг. 2), що складається з ряду дерев'яних биків, що перегороджують річку, а на деякій відстані за ними – з бар'єру, що складається з жердин. Дрова йдуть "розсипом", головна маса їх затримується биками, а решта – жердинами. Іноді силою течії дрова вивантажуються біля заплавів в такій мірі, що набиваються до самого дна, через що зрозуміла необхідність міцного устрою таких загороджень.

Від елеваторів до заводу дрова доставляються залізницею або на конях. Інший спосіб доставки, практикований в деяких гірських місцевостях (в Австрії), складається в побудові цілої системи похилих жолобів, за якими дрова спускаються взимку. Жолоби обморожуються, і по шару льоду дрова рухаються іноді з величезною швидкістю вниз. Тут на шляху дров також будуються свої "станції", розгалуження та інш. Зрозуміло, що цей спосіб доставки може мати тільки обмежене застосування. Нарешті, доставка по переносним залізн. дорогам, як в Америці, навіть там не викликає великого центрального вуглевипалювання, а зводиться до розкиданих груп печей, не більше 12-ти в групі, інакше вона, на далекі відстані, обійшлася б дуже дорого.

Перевуглювання в багаттях

Процес такого перевуглювання добре пояснюється прикладами горіння окремих кусків дерева, в тому випадку, коли вогонь поширюється зверху вниз, і в зворотному, тобто коли поширення полум'я направлено знизу вгору. В першому випадку В., що утворюється, піддається весь час дії повітря, у другому – його захищає від окислення струм газоподібних продуктів горіння. Зрозуміло, що в другому випадку В. вийде більше, ніж у першому. Звідси ж з’ясовуються і основні правила вуглевипалювання в багаттях:

Ці умови досить задовільно виконуються в багаттях (кучах), де повітря рухається знизу через дрова до палаючої частини, а продукти горіння виходять по поверхнях розділу між В. та дровами до віддушин. Останнє відбувається тому, що напівобвуглене дерево має більше проміжків, ніж В., вже спечене, з одного боку, і дрова, щільно укладені – з іншого. Багаття, за способом кладки дров, бувають стоячі, лежачі та середні, що суміщають обидва способи кладки. Місце кладки багаття (тік) не повинно бути ні дуже сирим, ні сухим; його перекопують для видалення каменів, коренів та дерну й вирівнюють. Краще, якщо грунт суглинний (пухкий суглинок), а ще краще, коли тік вже покритий вугільним сміттям (старий тік), тому що на новому току випал на 15-20% менше, ніж на старому. Іноді (Гарц) такий тік огороджують плетневим парканом.

Стояче багаття

У центрі майбутнього багаття (фіг. 3) ставлять кіл або три дошки з розпірками, що утворюють трубу. У першому випадку, від підошви колу ведуть горизонтальний канал, що служить для запалювання кучі, у другому (тірольський спосіб) – для цього служить труба. Поліна ставлять сторч, звичайно в два яруси, ретельно уникаючи пустот та великих проміжків; у верхній частині поліна горизонтальні (очіпок багаття); кладку закінчують, засинаючи порожнечі сміттям, закладаючи їх дрібними ополонками, прутами та інш., після чого роблять покришку багаття, що запобігає доступу повітря. Вона складається з хмизу та дерну, зверненого травою до дров. Біля основи багаття залишається непокрита дерном зона в 4-8 вершків. Поверх дерну робиться ще обкладка з піску, глинистої землі або, найчастіше, із суміші землі зі змоченою вугільною дрібницею (осипання, чорніння). Покришка на "очіпку" робиться товстішою для перепинення проходу повітря; на боках вона буває 3-5 врш. Багаття роблять від 11/2 до 8 саж. діаметром; у великих багаттях відношення поверхні до об'єму менше, ніж у малих, і, отже, менше і охолодження. Поліна беруть в 11/2-3 арш. довжиною при товщині близько 4 врш.; дрова повинні бути зимової рубки, як ті, що краще висихають; обсяг кучі буває від 2 до 30 куб. саж. Невигода великих багать та, В., що отримується, менш міцне і робота при них дуже важка. Найкраще багаття від 10 до 15 куб. саж. Багаття запалюється через трубу або через горизонтальний канал, але в обох випадках горіння йде від "очіпку" до підошви, тобто зверху вниз. Запалювання вогнища проводиться в безвітряний день, тому що в перший час нагляд за багаттям дуже важкий. Перша дія жару полягає у виділенні води з дров – вогнище "потіє", виділяє важкі жовтувато-сірі пари; іноді всередині багаття утворюється в цей період гримуча суміш і відбуваються вибухи; багаття сильно осідає, покришки розриваються, і щоб воно не спалахнуло, треба вирівняти, поповнити багаття (знявши покришку), осадити обгорілі місця і знову покрити. Цей період триває іноді більше тижня (при великих вогнищах). Нижня, відкрита зона багаття грає при цьому роль регулятору процесу. Коли пари, що  виходять тут, здобудуть пригорілий кислий запах та світлий колір, то закривають і нижню частину багаття й залишають його так на 3-4 дні: у тліючому багатті йде в цей період вуглеутворювання при порівняно незначному доступі повітря; обвуглюється вся середня частина купи; ця обвуглена середина має вигляд конуса, зверненого основою догори; тому, щоб викликати горіння, у поверхні купи пробивають по колу її отвори (свищі) спочатку біля основи, а потім на середині висоти купи (інший ряд). Іноді роблять і 3-й ряд отворів. Отвори закривають по мірі появи слабкого синюватого диму і, регулюючи таким чином горіння, доводять операцію до кінця. Купа в 9-15 куб. саж. потребує 10-16 днів; охолодження купи (після забивання дерном усіх отворів) триває 11/2-2 доби. Операція закінчується розбиранням купи, причому гарячі ще В. закидають землею і заливають водою.

Лежаче багаття (фіг. 4) робиться від 3 до 5 арш. шириною і від 3 до 6 саж. довжиною; висота змінюється від 1 арш. біля одного кінця ("підошва") до 6 арш. біля іншого ("парус"). При горизонтальній кладці полін вугілля виходить більш, але процес йде повільніше. Ширина багаття дорівнює довжині плах (колод), що обвуглюються, причому для щільності кладки останні повинні бути дуже хорощої якості і, отже, дуже цінні. Звертаючи на це, незважаючи на те, що вихід В. тут в 9/5 разів більше, ніж при стоячому багатті, спосіб цей придатний тільки там, де ліс не має ще високої ціни (Росія, Швеція, Штирія). Управління вогнем здійснюється і тут за допомогою отворів, що пробиваються поступово від "підошви" до "вітрила". У міру обвуглювання, нижній кінець (готове В.) розбирають, гасять і знову закривають, поки багаття не вийде кубічним, тоді вибирання В. припиняють і операцію закінчують звичайним способом, як для стоячих багать.

При дуже ретельній роботі багаття можуть дати до 26% В., але звичайно отримують 15-17 %; догляд за багаттям і погода представляють два головних чинника, що змінюють вихід В. При костровому вуглевипалюванні ні дьогтю, ні деревної кислоти не виходить, що здорожує В.; зважаючи на це були спроби збирати ці продукти шляхом удосконалення цього способу, але серйозного значення вони не мають і в кращих випадках представляють тільки перехідну форму до пічного вуглевипалювання. Так, для збирання дьогтю викладають тік цеглою зі скатами до середини, де роблять поглиблення, а від нього підземний канал до збірнику дьогтю; при смолистому дереві 1 куб. саж. його дає від 3 до 10 пд. дьогтю, або від 2 до 7%, при цьому вся деревна кислота таки втрачається. Щоб бачити ступінь невигідності такого способу, досить порівняти його з сухою перегонкою дерева в ретортах, причому виходить у % на дерево:

Практикувалися пристосування і для збирання деревної кислоти (у вигляді воронок, приставлених до купи широким кінцем, з відводом до холодильника з вузького), але в результаті виходило тільки близько 14 % деревної кислоти в 2°.

Обвуглювання в ямах передбачає дьоготь, а не В. (Швеція, Росія, Китай); вживається при цьому смолисте дерево. Яма конічна, з підземним відведенням дьогтю; дерево уміщується стійма, покришка дернова.

Прикладом кострових печей, може служити піч Соколовського, вельми поширена на Уралі (фіг. 5 та 6). Це цегляна чотирикутна піч з циліндричним зводом, місткістю на 2-3 куб. саж. Піч має два лази, вгорі та внизу (1 та 4), для завантаження і вигребу, і два ряди віддушин (5-5) біля основи зводу в самому низу для управління горінням. Перед піччю виривають рів (2), де поміщається робочий перед особливим отвором (3) для запалювання печі. Вся вона покрита дерев'яним навісом. З опису видно, що піч ця є не що інше, як постійна покришка багаття; перевуглювання ведеться так само, як у кострах, і за способом кладки, і за маніпуляцією з отворами. Піч розпалюють, після чого закривають заслінками всі отвори, замазують їх глиною і залишають відкритими лише віддушини. Через 36 годин закривають верхні віддушини, а ще через 36 год. і нижні. В якості прикладу 2-ї групи печей наведемо піч Шварца (шведська) з окремими топками (фіг. 7). Місткість її близько 17 куб. саж.; вона опалюється двома або чотирма топками, розташованими в самих стінах камери; продукти горіння надходять у піч по каналах с, c й обвуглюють дерево; продукти сухої перегонки по залізних трубах g та е йдуть в резервуар f (дьоготь) і в холодильник h, а ті, що не згустилися, йдуть далі в димову трубу.

Третій тип печей – ретортні – використовується тільки в тому випадку, коли головна мета переробки дерева – рідкі та газоподібні продукти його перегонки, або коли необхідно отримати В. спеціальних якостей (так зван. Піч Віолетта), напр., для приготування пороху. Зважаючи на це, численні типи ретортних печей з вертикальними і горизонтальними ретортами з чавуну, заліза і шамотної маси відносяться до сухої перегонки дерева, що ж стосується власне деревного В., одержуваного в ретортах, то слід зауважити, що за якостями воно не поступається кращому пічному, а за кількістю з кубічного сажня дров у вертикальних ретортах виходить близько 15 куб. арш. В. або 55 % обсягу; вихід його за вагою становить 20%- 22%.

Залишається згадати про спроби застосувати до вуглевипалювання шахтні печі з метою безперервного (періодичного) здобуття В. На дослідній станції з вуглевипалювання у Златоусті випробовувалася шахтна піч Попова. Нижня частина шахти, відокремлена заслоною від верхньої, призначалася для охолодження В.; завантаження дров проводилося зверху, управління вогнем – віддушинами, що перебували вище нижньої заслінки; сифонна тяга відводила продукти перегонки в холодильники, а ті, що не згущувалися, мали йти на опалення паровиків та інш. Відсуваючи заслінку, змушували В. падати в нижню камеру, де воно і охолоджувалося, а потім вигрібалося; в той же час зверху піч довантажували дровами. Піч, заснована на подібних же принципах, була поставлена ще на Сисертському заводі. Не можна не відзначити такого роду форму перевуглювання як найбільш раціональну, а разом з тим і найменш поширену.

В., отримане з печей і випалене в купах – кострове, на думку багатьох, які порівнюють їх для металургійних цілей (на Уральських гірських заводах), не тотожні. Одні знаходили перевагу в пічному, інші – в купчастому В.; безсумнівно тільки те, що пічне В. менш узвичаїлося і тому менш вивчене, але зручності, які представляє центральне вуглевипалювання (немислиме без печей), безсумнівно, дають багато шансів пічному В. перед костровим. Різниця в В. позначається не тільки від способу випалу його, але навіть просто від того, чи свіже В. або вже давно випалене; перевагу для доменної плавки дається влежаному В., що пояснюється, ймовірно, здатністю В. поглинати кисень у своїх порах (див. нижче).

Властивості деревного вугілля

Деревне В. представляє пористу масу з раковистим зламом, що зберігає структуру дерева. Хороші сорти його блискучого чорного кольору з синюватим відливом відрізняються дзвінкістю при ударі і пронизані по всіх напрямах, а переважно радіальними тріщинами. Цих тріщин в ньому звичайно тим більше, чим швидше велося обвуглювання, і таке В. менш щільне. Удавана щільність деревного В. (тобто вага одиниці об'єму В., як воно є – з усіма порами, що містяться в ньому, або так зв. іноді гравіметрична щільність) залежить від сорту дерева: щільні породи дають і щільне В., м'які – м'яке; удавана щільність першого – від 0,20 до 0,24, другого – від 0,16 до 0,17; так, напр., за Гассенфрацем, 1 куб. м березового В. важить 203 кг, липового – 160 кг, ялинового – 176 кг, букового – 183-187 кг. Що стосується істинної щільності деревного В., то вона зростає з температурою, як це видно з доданою таблички (Віолетт).

Температура обвуглювання	Щільність вугілля	Тепло-провідність, якщо Fe=100	100 ч. вугілля поглинає води	Займистість
160°	1,498	59,5	18,22	–
200°	1,464	60,1	10,02	–
250°	1,413	60,1	7,41	–
280°	1,404	–	7,88	–
300°	1,414	61,6	7,61	370°
340°	1,464	–	5,90	–
350°	1,500	–	5,89	–
432°	1,709	–	4,70	400°
1023°	1,841	64,2	4,68	від 600° до 800°
1250°	1,862	65,2	4,76
1300°	–	–	2,22
1500°	1,869	66,3	2,20
1775°	2,002	–	–	1250°

До температури 340° залишок розжарювання є тільки більш-менш змінене дерево, що видно вже з того, що щільність його не збільшується, а зменшується, тобто йде розкладання, яке не супроводжується ще спіканням – ущільненням залишку, яке й можна прийняти за характеристику залишку вже як В. Паралельно зі збільшенням щільності, а отже, і з температурою, зменшується здатність В. поглинати воду і його займистість і збільшується теплопровідність.

За дослідами Nau, В. з м'яких порід дерева відрізняється значно більшою гігроскопічністю, ніж В. листяних порід. Так, в повітрі, насиченому водяними парами, після 24 год. 100 частин свіжопрогартованого дубового В. поглинули 4,28 ч. води, березового – 4,40 ч., кленового – 4,80 ч., соснового – 5,14 ч., вербового – 8,20 ч., ялинового – 8, 90 ч., В. італійської тополі – 8,50 ч., а чорної тополі – 16,3 ч. Взагалі ж в середньому різні деревні В. (свіжі) поглинають 7-12% (за вагою) вологості й газів повітря. Завдяки своїй пористості деревне В. здатне поглинати також і гази, і деякі з них у вельми значній кількості. Так, воно, напр., поглинає майже рівний своїй вазі вагу хлору, або 490 його обсягів (Мельсан). В наступній табличці наведені об'ємні кількості інших газів, які поглинаються деревним В., на 1 його об'єм:

Кількість газу, що поглинається В., зростає з тиском (і йому приблизно пропорційно) і зменшується з підвищенням температури (цими обставинами, мабуть, і обумовлюються різниці між даними різних дослідників, наведеними в таблиці). Спад з температурою кількості газу, що поглинається, неоднаковий для різних газів, як це видно з наступного (Гунтер):

При поглинанні В. газів звільняється теплота в кількості, близькій до тієї, яка виділяється при зріджуванні або розчиненні їх. Свіжоотримане В., вийняте на повітря і подрібнене в порошок, через 24-30 год. так сильно розігрівається від швидкого поглинання кисню, що може само спалахнути. Після закінчення 3 днів цього, однак, вже не відбувається (Hargreaves). Деревне В. здатне також поглинати з розчинів фарбувальні, пахучі та багато інш. речовин, що обумовлює застосування його для очищення води, знебарвлення цукрових розчинів (бурякового соку) та різних інш. екстрактів, звільнення спирту від сивушного масла та інш. Однак у цьому відношенні деревне В. значно поступається кістяному та інш. видам тваринного В.