RU2201952C2

RU2201952C2 - Charcoal production process

Info

Publication number: RU2201952C2
Application number: RU2001102535/04A
Authority: RU
Inventors: В.А. Стуков
Original assignee: Стуков Владимир Александрович
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2003-04-10

Abstract

FIELD: charcoal production. SUBSTANCE: wood is broken to give semiproducts 50 to 150 mm in size, which are preliminarily dried to moisture 10-25%, treated with solution of mineral oxygen-containing polybasic acid, and thermally treated in presence of gaseous heat carrier in a continuous process including consecutive stages: finish drying, pyrolysis, glowing, and cooling. Vapors and gases are withdrawn from charcoal glowing zone and introduced into wood pyrolysis zone into which cooled flue gas is fed in countercurrent mode. Quality of charcoal is improved owing to high carbon content and strength caused by optimization of process in preliminarily drying and subsequent heat treatment of wood. EFFECT: improved quality of product, reduced heat losses, and increased yield of product with no environmental harm. 1 dwg

Description

Область использования изобретения - производство древесного угля. The scope of the invention is the production of charcoal.

Изобретение может быть использовано для получения качественного древесного угля-сырца, необходимого в черной металлургии (при выплавке чугуна в доменной печи), в цветной металлургии (в производстве алюминия, при рафинировании меди), в производстве ферросплавов (сплавов железа с магнием, кремнием), в производстве особо чистого кристаллического кремния (для промышленности полупроводников), как экологически чистое топливо в быту. The invention can be used to produce high-quality raw charcoal, necessary in ferrous metallurgy (in the smelting of pig iron in a blast furnace), in non-ferrous metallurgy (in the production of aluminum, in the refining of copper), in the production of ferroalloys (alloys of iron with magnesium, silicon), in the production of highly pure crystalline silicon (for the semiconductor industry), as environmentally friendly fuel in everyday life.

Качественный древесный уголь - это прочный продукт, содержащий нелетучего углерода не менее 85%. High-quality charcoal is a durable product containing at least 85% non-volatile carbon.

Известны различные способы получения древесного угля, как отечественные, так и зарубежные. Известен способ (Франция, заявка 258342), включающий термическую обработку древесины в присутствии газообразного теплоносителя в непрерывном процессе с прохождением последовательно зон высушивания, пиролиза с образованием древесного угля, его прокалки и охлаждения в одной и той же внутренней емкости с древесиной, помещенными в наружную рубашку с крышкой, с источником газового тепла, с входным и выходным трубопроводами для подвода и вывода газового теплоносителя, средствами для перекрывания входного и выходного трубопроводов, штуцером для вывода парогазов пиролиза. Необходимое для высушивания тепло обеспечивается циркуляцией горячего газового потока снаружи закрытой емкости. Для увеличения прочности получаемого угля использовано сырье из эвкалипта - прочной древесной породы, обладающей большой плотностью (около 900 кг/м³, для сравнения: у дуба плотность составляет 640 кг/м³, а у березы - 580 кг/м³). В этом способе высушивание древесины производят в той же емкости, что и пиролиз, прокалку, охлаждение, а не в сушильной камере. Коренное отличие между ними состоит в том, что влага, испаренная в емкости, не выбрасывается в атмосферу, а поступает на дальнейшую переработку в составе жидких продуктов пиролиза. Эта влага является вредным балластом, от которого освобождаются за счет дополнительных затрат тепловой энергии, что является недостатком указанного способа. Кроме того, данный способ не обеспечивает повышения качества угля в части увеличения углеродности.There are various methods for producing charcoal, both domestic and foreign. A known method (France, application 258342), including heat treatment of wood in the presence of a gaseous coolant in a continuous process through successive drying, pyrolysis with the formation of charcoal, its calcination and cooling in the same inner container with wood placed in the outer jacket with a lid, with a source of gas heat, with inlet and outlet pipelines for supplying and leaving a gas coolant, means for blocking the inlet and outlet pipelines, fitting for O vapor gases of pyrolysis. The heat required for drying is provided by the circulation of the hot gas stream outside the closed container. To increase the strength of the obtained coal, raw materials from eucalyptus, a strong wood species with a high density (about 900 kg / m ³ , were used, for comparison: in oak, the density is 640 kg / m ³ , and in birch - 580 kg / m ³ ). In this method, the wood is dried in the same tank as pyrolysis, calcination, cooling, and not in the drying chamber. The fundamental difference between them is that the moisture evaporated in the tank is not emitted into the atmosphere, but enters for further processing as part of the liquid pyrolysis products. This moisture is harmful ballast, which is exempted from the additional costs of thermal energy, which is a disadvantage of this method. In addition, this method does not improve the quality of coal in terms of increasing carbon.

Известен другой способ пиролиза без выделения жидких продуктов (Выродов В.А., Кислицын А.Н., Глухарева М.И. "Технология лесохимических производств". -М.: Лесная промышленность, 1987, С.215). В этом случае парогазы от пиролиза древесины сжигают в выносной камере или в реторте. Сжигание парогазов осуществляют в две ступени. На первой ступени при температуре устойчивого горения (более 1100^oС) проводят неполное сжигание газов при недостатке воздуха и получают бескислородные газы, которые охлаждают водой до 700^oС, используя их затем в качестве теплоносителей для пиролиза. Часть газов после охлаждения до температуры 50^oС используют для охлаждения угля. На второй ступени проводят дожигание избытков ретортных газов. Полученные кислородосодержащие дымовые газы используют для сушки древесины.There is another method of pyrolysis without isolation of liquid products (Vyrodov V.A., Kislitsyn A.N., Glukhareva M.I. "Technology of chemical production". -M.: Forest industry, 1987, S. 215). In this case, combined cycle gas from wood pyrolysis is burned in a remote chamber or in a retort. Combustion is carried out in two stages. At the first stage, at a temperature of stable combustion (more than 1100 ^o С), incomplete combustion of gases is carried out with a lack of air and oxygen-free gases are obtained, which are cooled by water to 700 ^o С, then using them as heat carriers for pyrolysis. Part of the gases after cooling to a temperature of 50 ^o With used for cooling coal. In the second stage, the afterburning of excess retort gases is performed. The obtained oxygen-containing flue gases are used for drying wood.

Недостатками данного способа являются неэффективное использование тепловой энергии на стадии получения горячего теплоносителя (из-за охлаждения дымовых газов на 400^oС водой для возможности их транспортирования), отсутствие использования физического тепла от охлаждения древесного угля. Кроме того, данный способ не обеспечивает повышения качества угля в части его углеродности и прочности.The disadvantages of this method are the inefficient use of thermal energy at the stage of obtaining a hot heat carrier (due to the cooling of flue gases at 400 ^o With water for the possibility of transportation), the lack of use of physical heat from cooling charcoal. In addition, this method does not improve the quality of coal in terms of its carbon and strength.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ получения древесного угля (Патент РФ 2083633), включающий предварительную сушку древесины до влажности 10÷25% и ее последующую термическую обработку в присутствии газообразного теплоносителя в непрерывном процессе с прохождением последовательно зон досушивания, пиролиза с образованием древесного угля, его прокалки и охлаждения при противоточной подаче охлаждающего агента, в качестве которого использованы дымовые газы от полного сгорания топлива с содержанием в них кислорода 1,5÷7,0%, отобранные после предварительной сушки древесины, с использованием указанных газов после прохождения ими зоны охлаждения в качестве теплоносителя в зонах прокалки пиролиза и подсушки. Технологически сырую (влажностью до 50%) древесную чурку (размером 150÷350 мм) загружают в сушилку, которая обогревается теплоносителем по принципу прямотока. Высушенную древесину подают в реторту, где происходит термическая обработка древесины. Для сушки древесины используют дымовые газы с содержанием в них кислорода 1,5÷7,0%. Для охлаждения угля в зону его охлаждения в нижнюю часть реторты подают дымовые газы через холодильник при помощи вентилятора. В реторте указанные газы движутся противотоком к углю, охлаждая его и постепенно нагреваясь до 300^oС. Нагретый таким образом газ поступает в зону прокалки угля, где начинается выгорание кислорода при его контакте с горючими газами, выделяющимися при прокалке угля. За счет выделившегося тепла температура газов в зоне прокалки повышается до 550^oС. Далее парогазовые продукты, двигаясь противотоком к древесине, проходят зоны пиролиза и окончательной сушки древесины и с температурой 150^oС выводятся из реторты в топку, где полностью сгорают при избытке воздуха. В случае технологической необходимости из парогазов перед их сжиганием в циклоне может выделяться смола, которая находится в газах в виде аэрозоля. Полученные горячие дымовые газы разбавляются отработанными газами после сушилки до температуры, при которой возможна их транспортировка дымососом. Для этой цели отработанные газы подают в камеру смешения. Необходимая температура теплоносителя для процесса сушки обеспечивается в камере смешения за счет подачи рециркулирующего теплоносителя, отбираемого из сушилки дымососом. Для выхода реторты на режимные параметры работы предусмотрена топка реторты для сжигания топлива. Прототип упрощает технологический процесс получения древесного угля за счет использования на всех ступенях термической обработки древесины единого теплоносителя. Однако в прототипе, вследствие действия на уголь раскаленных продуктов пиролиза при температурах более 450^oС, древесный уголь получается иссеченным парогазами, трещинноватым и, следовательно, недостаточно прочным. Кроме того, прототип не предотвращает тепловые потери в процессе предварительной сушки древесины.The closest analogue of the invention is a method for producing charcoal (RF Patent 2083633), including pre-drying the wood to a moisture content of 10 ÷ 25% and its subsequent heat treatment in the presence of a gaseous coolant in a continuous process through successive zones of drying, pyrolysis with the formation of charcoal, calcination and cooling during countercurrent supply of a cooling agent, which uses flue gases from complete combustion of fuel with an oxygen content of 1.5 ÷ 7.0%, from taken after preliminary drying of wood, using these gases after passing through the cooling zone as a coolant in the zones of calcination of pyrolysis and drying. Technologically raw (with a humidity of up to 50%) wood chock (size 150 ÷ 350 mm) is loaded into the dryer, which is heated by the heat transfer agent according to the direct-flow principle. The dried wood is fed to a retort, where the wood is heat treated. For wood drying, flue gases with an oxygen content of 1.5–7.0% are used. To cool the coal, flue gases are fed to the bottom of the retort through the cooler using a fan. In the retort, these gases move countercurrently to coal, cooling it and gradually warming to 300 ^o C. Heated gas thus enters the calcination zone of the coal, where oxygen burns out when it comes in contact with combustible gases released during the calcination of coal. Due to the heat generated, the temperature of the gases in the calcination zone rises to 550 ^o C. Next, the vapor-gas products, moving countercurrent to the wood, pass through the pyrolysis and final drying zones of the wood and are removed from the retort to the furnace with a temperature of 150 ^o C, where they are completely burned with excess air. In case of technological need, tar may be released from combined-cycle gases before burning them in a cyclone, which is present in gases as an aerosol. The resulting hot flue gas is diluted with exhaust gas after the dryer to a temperature at which it can be transported by a smoke exhauster. For this purpose, the exhaust gases are fed into the mixing chamber. The necessary temperature of the coolant for the drying process is provided in the mixing chamber by supplying a recirculating coolant taken from the dryer with a smoke exhauster. To exit the retort to operating parameters, a retort furnace for burning fuel is provided. The prototype simplifies the process of producing charcoal by using a single heat carrier at all stages of heat treatment of wood. However, in the prototype, due to the action on the charcoal of the hot pyrolysis products at temperatures above 450 ^o C, the charcoal is obtained by excised steam and gas, fissured and, therefore, not strong enough. In addition, the prototype does not prevent heat loss during the preliminary drying of wood.

Поставленной задачей является повышение качества древесного угля в части увеличения его прочности и углеродности при сохранении выхода угля. The task is to improve the quality of charcoal in terms of increasing its strength and carbon while maintaining the yield of coal.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения древесного угля, включающем предварительную сушку древесины до влажности 10÷25% и ее последующую термическую обработку в присутствии газообразного теплоносителя в непрерывном процессе с прохождением последовательно зон досушивания, пиролиза с образованием древесного угля, его прокалки и охлаждения при противоточной подаче охлажденных дымовых газов с использованием указанных газов после прохождения ими зоны охлаждения в качестве теплоносителя в зонах прокалки, пиролиза и досушивания, согласно изобретению древесину перед предварительной сушкой дробят до получения заготовок, размеры которых удовлетворяют диапазону 50 - 150 мм, а после предварительной сушки обрабатывают 20-40%÷ным раствором неорганической кислородосодержащей полиосновной кислоты общей формулы
Н_nКⁿ, (1)
где n≥3 - показатель числа атомов водорода и валентность кислотного остатка;
Н - водород;
К - кислотный остаток,
а образующиеся при термической обработки древесины парогазы выводят из зоны прокалки угля и вводят их в зону пиролиза древесины, после чего из топки реторты в эту зону подают теплоноситель, представляющий собой дымовые газы от сгорания топлива.The problem is solved in that in the method of producing charcoal, including preliminary drying of wood to a moisture content of 10 ÷ 25% and its subsequent heat treatment in the presence of a gaseous coolant in a continuous process through successive zones of drying, pyrolysis with the formation of charcoal, calcining and cooling when countercurrent supply of chilled flue gases using these gases after they pass the cooling zone as a coolant in the calcination, pyrolysis and dry zones According to the invention, the wood is crushed before preliminary drying to obtain preforms whose sizes satisfy the range of 50-150 mm, and after preliminary drying they are treated with a 20-40% solution of an inorganic oxygen-containing polybasic acid of the general formula
H _n To ⁿ , (1)
where n≥3 is an indicator of the number of hydrogen atoms and the valency of the acid residue;
H is hydrogen;
K is the acid residue
and gas-vapor generated during heat treatment of wood is removed from the calcination zone of coal and introduced into the pyrolysis zone of wood, after which a coolant is supplied from the retort furnace to this zone, which is flue gas from fuel combustion.

Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение равномерного прогревания древесины и прокаливания угля, предотвращение воздействия раскаленных парогазов на уголь, обеспечение высокотемпературного режима в зоне пиролиза древесины. The technical result of the claimed invention is to ensure uniform heating of wood and calcination of coal, preventing the effects of incandescent steam and gas on coal, ensuring a high temperature regime in the zone of wood pyrolysis.

Технический результат достигается следующим. The technical result is achieved as follows.

Показатели физико-механических свойств древесины при любой температуре рассчитывают по формуле (Боровиков А.М. Уголев Б.Н. "Справочник по древесине". -М.: Лесная промышленность, 1989, С.228):
σ_t = σ₂₀-β(t-20), (2)
где σ_t - показатели при любой температуре;
σ₂₀ - показатели при температуре 20^oС;
β - поправочный коэффициент, зависящий от породы древесины.The indicators of the physicomechanical properties of wood at any temperature are calculated by the formula (Borovikov AM Ugolev BN "Handbook of wood". -M .: Forest industry, 1989, P.228):
σ _t = σ ₂₀ -β (t-20), (2)
where σ _t are indicators at any temperature;
σ ₂₀ - indicators at a temperature of 20 ^o C;
β - correction factor depending on the type of wood.

Для получения прочного угля древесина, из которой он выжжен, должна иметь высшие показатели таких физико-механических свойств как механическая прочность (кг/см²), плотность (кг/м³), твердость (н/мм²), но низшие показатели влажности (%). Древесину, подвергаемую термической переработке, выгодно отбирать с учетом удешевления работ на стадии подготовки древесины к предварительной сушке из вырезок, торцов, реек, горбылей и других кустовых отходов кольцесосудистых пород (например, дуба) и рассеянно-сосудистых пород (например, березы). При термической переработке раздробленного куска древесины (размером менее 150 мм) получается равномерное прогревание как наружной поверхности куска, так и внутренней сердцевины куска древесины, что обеспечивает недопущение трещин (так как трещины образуются вследствие напряжений, возникающих из-за неравномерного прогревания древесины). Однако, учитывая, что в результате термической переработки древесины теряется около 75% ее массы; учитывая, что в порах мелкого угля с размером частиц менее 10 мм за счет быстрого распада газов и паров отлагается паракристаллический углерод, ухудшающий реакционную способность угля; учитывая, что мелкий уголь с размером частиц менее 12 мм засоряет газопроводы при выплавке чугуна в доменной печи, что ухудшает ход домны, размер раздробленного куска древесины заготовки должен удовлетворять диапазону от 50 до 150мм.To obtain durable coal, the wood from which it is burned must have the highest indicators of such physical and mechanical properties as mechanical strength (kg / cm ² ), density (kg / m ³ ), hardness (n / mm ² ), but lower humidity (%). It is advantageous to select wood subjected to thermal processing, taking into account the reduction in the cost of work at the stage of preparing the wood for preliminary drying, from cuttings, end faces, slats, croakers and other bush waste from annular species (for example, oak) and disseminated vascular species (for example, birch). During thermal processing of a crushed piece of wood (less than 150 mm in size), uniform heating of both the outer surface of the piece and the inner core of the piece of wood is obtained, which ensures the prevention of cracks (since cracks are formed due to stresses arising from uneven heating of the wood). However, given that as a result of thermal processing of wood, about 75% of its mass is lost; Considering that paracrystalline carbon is deposited in the pores of fine coal with a particle size of less than 10 mm due to the rapid decomposition of gases and vapors, which impairs the reactivity of coal; Considering that fine coal with a particle size of less than 12 mm clogs gas pipelines during the smelting of cast iron in a blast furnace, which worsens the course of the blast furnace, the size of the fragmented piece of wood of the billet must satisfy a range of 50 to 150 mm.

Расход тепла, необходимого для термической переработки древесины, рассчитывается по уравнению (Козлов В.Н., Нимвицкий А.А. "Технология пирогенетической переработки древесины". -М.: Гослесбумиздат, 1954, С.223):

(3)
где W_k - влажность древесины (%);
t_n,t_T - температура парогазов и теплоносителя (^oС);
К - коэффициент теплопередачи (Дж•м²•К).The heat consumption required for thermal processing of wood is calculated according to the equation (Kozlov VN, Nimvitsky AA "Technology of pyrogenetic processing of wood". -M .: Goslesbumizdat, 1954, P.223):

(3)
where W _k is the moisture content of wood (%);
t _n , t _T - temperature of combined-cycle gases and coolant ( ^o С);
K is the heat transfer coefficient (J • m ² • K).

Анализ уравнения (3) показывает, что основной расход тепловой энергии происходит при испарении оставшейся в древесине влаги в процессе сушки. Большое влияние на сушку оказывает кора на древесине. У лиственных пород она составляет 12-15%. Вследствие плохой теплопроводности коры ухудшается теплопередача от поверхности куска древесины внутрь, т.е. происходит неравномерное нагревание древесины. Из-за неравномерного нагревания древесины, из которой выжжен уголь, возникают напряжения, вследствие которых образуются трещины. Трещины снижают сопротивление угля раздавливанию, т.е. уменьшают его прочность. Поэтому перед предварительно сушкой древесины предлагается производить окорку. An analysis of equation (3) shows that the main consumption of thermal energy occurs when the moisture remaining in the wood evaporates during the drying process. The bark on wood has a great influence on drying. In hardwoods, it is 12-15%. Due to the poor thermal conductivity of the bark, heat transfer from the surface of the piece of wood inward is deteriorating, i.e. uneven heating of wood occurs. Due to the uneven heating of the wood from which the coal is burned, stresses arise, as a result of which cracks form. Cracks reduce the resistance to crushing of coal, i.e. reduce its strength. Therefore, before pre-drying the wood, it is proposed to debark.

При обугливании раздробленной древесины увеличивается механическая прочность получаемого угля, но увеличивается и выход летучих продуктов. Это связано с большой потерей массы древесины в интервале 280÷345^oС при быстром распаде древесного каркаса, образуемого целлюлозой, на мономерные структурные единицы с образованием в большей степени низкомолекулярных летучих продуктов и в меньшей степени твердого полимерного остатка - древесного угля. Для уменьшения потерь массы древесины необходимо создание условий, при которых структурные единицы будут сшиваться более прочными связями в нелетучий остаток. Создание таких условий возможно путем химической обработки древесины специальным реагентом после ее предварительной сушки. Так как целлюлоза наиболее реакционноспособна только в кислой среде, то в качестве реагента рассмотрены кислоты. Поскольку одноосновные кислоты (например, НС1) и двухосновные кислоты (например, H₂S0₄) разрушают целлюлозу, в качестве реагента приняты полиосновные кислоты, не разрушающие целлюлозу, имеющие общую формулу (1)
Н_nКⁿ,
где n≥3 - показатель числа атомов водорода и валентность кислотного остатка;
Н - водород;
К - кислотный остаток (например, фосфорная кислота Н₃РO₄) 20÷40%-ного раствора.When charred wood is charred, the mechanical strength of the resulting coal increases, but the yield of volatile products also increases. This is due to the large loss of wood mass in the range 280 ÷ 345 ^o With the rapid decay of the wood frame formed by cellulose into monomeric structural units with the formation of more low molecular weight volatile products and, to a lesser extent, a solid polymer residue - charcoal. To reduce the loss of wood mass, it is necessary to create conditions under which structural units will be stitched together by stronger bonds into a non-volatile residue. The creation of such conditions is possible by chemical treatment of wood with a special reagent after its preliminary drying. Since cellulose is most reactive only in an acidic environment, acids are considered as a reagent. Since monobasic acids (e.g., HC1) and dibasic acids (e.g., H ₂ S0 ₄ ) destroy cellulose, polybasic acids that do not destroy cellulose, having the general formula (1), are used as a reagent.
H _n To ⁿ ,
where n≥3 is an indicator of the number of hydrogen atoms and the valency of the acid residue;
H is hydrogen;
K is an acid residue (for example, phosphoric acid H ₃ PO ₄ ) of a 20–40% solution.

Фосфорная кислота данного раствора (Н₃РO₄) взаимодействует со звеном целлюлозы (С₆Н₁₀O₅) при температуре свыше 200^oС с образованием угля (С), стекловидной пирофосфорной кислоты (H₄Р₂О₇) и воды (H₂O) по реакции
С₆Н₁₀O₅+2Н₃РO₄=6С + Н₄Р₂O₇ + +6Н₂O - (4)
Повышение качества древесного угля в части увеличения его прочности достигается в предлагаемом способе благодаря прекращению иссечения угля в зоне его прокалки раскаленным углекислым газом, входящим в состав парогазов, выделяющихся в процессе удаления из угля летучего углерода в виде углеводородов (углекислого газа CO₂, метана СH₄ и других), по реакции, идущей при температуре выше 450^oС:
С+СО₂=2СО

(5)
В результате действия на уголь (С) раскаленного углекислого газа (СO₂) древесный уголь получается иссеченным парогазами, трещиноватым и его механическая прочность ухудшается. Для недопущения реакции (5) в изобретении выводят горячие парогазы с температурой 600^oС из зоны прокалки угля и вдувают через патрубок винтилятором в верхнюю часть зоны пиролиза древесины, где температура 280^oС (т.е. намного ниже 450^oС), при которой реакция (5) не идет.The phosphoric acid of this solution (H ₃ PO ₄ ) interacts with a cellulose unit (C ₆ H ₁₀ O ₅ ) at temperatures above 200 ^o With the formation of coal (C), glassy pyrophosphoric acid (H ₄ P ₂ O ₇ ) and water (H ₂ O) by reaction
C ₆ H ₁₀ O ₅ + 2H ₃ PO ₄ = 6C + H ₄ P ₂ O ₇ + + 6H ₂ O - (4)
Improving the quality of charcoal in terms of increasing its strength is achieved in the proposed method due to the termination of the excision of coal in the zone of its calcination by hot carbon dioxide, which is part of the steam and gas released during the removal of volatile carbon from hydrocarbons in the form of hydrocarbons (carbon dioxide CO ₂ , methane CH ₄ and others), by reaction, proceeding at a temperature above 450 ^o C:
C + CO ₂ = 2CO

(5)
As a result of the action on the carbon (C) of hot carbon dioxide (CO ₂ ), charcoal is obtained by excised steam and gas, fractured and its mechanical strength is deteriorating. To prevent reaction (5) in the invention, hot steam gas with a temperature of 600 ^o C are removed from the zone of coal calcination and blown through the nozzle with a vintilator into the upper part of the wood pyrolysis zone, where the temperature is 280 ^o C (i.e. much lower than 450 ^o C), at which reaction (5) does not go.

Повышение качества древесного угля в части увеличения его углеродности достигается в предлагаемом способе благодаря повышению температуры в зоне пиролиза древесины следующим образом. Improving the quality of charcoal in terms of increasing its carbon content is achieved in the proposed method by increasing the temperature in the pyrolysis zone of wood as follows.

Как уже указывалось ранее, горячие парогазы с температурой 600^oС выводят из зоны прокалки угля и вдувают через патрубок вентилятором в верхнюю часть зоны пиролиза древесины, где температура 280^oС. В результате температура в зоне пиролиза древесины усредняется и становится равной 440^oС. Затем из топки реторты в зону пиролиза древесины подают теплоноситель (в качестве которого используют дымовые газы от сгорания топлива), после чего начинается выгорание кислорода О₂ (входящего в состав дымовых газов) при контакте с метаном СН₄ (входящим в состав парогазов) с выделением тепла (Q) по реакции
СН₄+2O₂=СO₂+2Н₂O+Q (6)
За счет выделившегося тепла (Q) температура в зоне пиролиза древесины повышается с 440 до 550^oС, увеличивая углеродность угля на 3% (с 89 до 92%).As previously mentioned, hot steam and gas with a temperature of 600 ^o With lead out of the zone of calcination of coal and blow through the nozzle with a fan into the upper part of the zone of pyrolysis of wood, where the temperature is 280 ^o C. As a result, the temperature in the zone of pyrolysis of wood is averaged and becomes equal to 440 ^o C. then, from the retort furnace in wood pyrolysis zone is fed coolant (which is used as the fuel combustion flue gases), and then starts zapping oxygen O ₂ (which is part of the flue gases) by contact with methane CH ₄ (within the coc aB steam and gas) to generate heat (Q) according to the reaction
CH ₄ + 2O ₂ = CO ₂ + 2H ₂ O + Q (6)
Due to the released heat (Q), the temperature in the wood pyrolysis zone rises from 440 to 550 ^o C, increasing the carbon carbon by 3% (from 89 to 92%).

При термической переработке древесины происходят тепловые потери на ступени предварительной сушки древесины в сушильной камере из-за потери части тепла через ее стенки наружу. Для защиты сушильной камеры от теплообмена с окружающей средой предлагается снабдить ее размещенным снаружи теплоизолирующим покрытием комбинированного типа из вяжущей обмазки, смешанной с минеральным волокном (например, вяжущей обмазки из диатомита, смешанной с волокном из асботермита). During thermal processing of wood, heat losses occur at the stage of preliminary drying of wood in the drying chamber due to the loss of part of the heat through its walls to the outside. To protect the drying chamber from heat exchange with the environment, it is proposed to provide it with an externally placed heat-insulating coating of a combined type from a cementitious binder mixed with mineral fiber (for example, a cementitious binder from diatomite mixed with asbothermite fiber).

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана принципиальная схема получения древесного угля. The invention is illustrated by the drawing, which shows a schematic diagram of the production of charcoal.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. The proposed method is as follows.

Запуск реторты 1 и выход ее на режимные параметры работы выполняют при помощи топки реторты 2, где сжигают топливо, от сгорания которого образуются дымовые газы, используемые в качестве теплоносителя. Теплоноситель поступает в реторту 1 через патрубок 4 при помощи вентилятора 3. Отработанные дымовые газы при открытой заслонке 5 уходят в дымопровод 6, откуда после прохождения газоочистки от примесей в электрофильтре 7, который не ухудшает тягу, выбрасываются в атмосферу за счет тяги дымовой трубы 8. The launch of the retort 1 and its output to the operating parameters is performed using the furnace of the retort 2, where fuel is burned, from the combustion of which flue gases are formed, which are used as a heat carrier. The coolant enters the retort 1 through the nozzle 4 by means of a fan 3. The exhaust flue gases with the open damper 5 go into the chimney 6, from where after passing the gas purification from impurities in the electrostatic precipitator 7, which does not impair the draft, they are emitted into the atmosphere due to the draft of the chimney 8.

Загрузку реторты 1 производят в такой последовательности. Из склада отходов лесопиления 9 кусковые отходы древесины (вырезки, торцы, рейки, горбыли и т. д. ) влажностью до 50% из кольцесосудистых (например, дуба) и рассеянно-сосудистых (например, березы) лиственных пород направляют в корообдирочный барабан 10 для окорки. Окорка производится потому, что кора имеет плохую теплопроводность, которая ухудшает теплопередачу от поверхности куска древесины внутрь. Затем окоренную древесину подвергают дроблению, так как при термической переработки раздробленных древесных кусков вследствие лучшего обугливания получается более прочный уголь, чем при термической переработки крупных кусков. Retort 1 is loaded in this order. From the sawmill waste storage 9, lumpy wood waste (cuttings, ends, slats, slabs, etc.) with a moisture content of up to 50% from ring-vascular (e.g. oak) and scattered-vascular (e.g. birch) hardwoods are sent to a stripping drum 10 for the ham. Debarking is done because the bark has poor thermal conductivity, which impairs heat transfer from the surface of the piece of wood inward. The barked wood is then crushed, since the thermal processing of crushed wood pieces results in a stronger coal than the thermal processing of large pieces due to better carbonization.

Дробление осуществляют в дробильной машине 11 до получения заготовок, размеры которых удовлетворяют диапазону от 50 до 150 мм. После этого окоренную и раздробленную древесину подают для предварительной сушки в сушильную камеру 12, которая обогревается теплоносителем по принципу прямотока. Для защиты сушильной камеры 12 от теплообмена с окружающей средой и предотвращения потерь тепла через ее стенки сушильная камера 12 снабжена размещенным снаружи теплоизолирующим покрытием 13 комбинированного типа из вяжущей обмазки, смешанной с минеральным волокном (например, вяжущей обмазки из диатомита, смешанной с волокном из асботермита). Окоренную, раздробленную и высушенную древесину влажностью 10÷25% направляют в камеру химической обработки 14, где для уменьшения потерь массы древесины (в процессе термической обработки) и обеспечения сшивания структурных единиц более прочными связями в твердый полимерный нелетучий остаток (древесный уголь) ее пропитывают 20÷40%-ным раствором неорганической полиосновной кислородосодержащей кислоты общей формулы (1)
Н_nКⁿ,
где n≥3 - показатель числа атомов водорода и валентность кислотного остатка;
Н - водорода;
К - кислотный остаток (например, фосфорная кислота Н₃РO₄).Crushing is carried out in a crushing machine 11 to obtain blanks, the sizes of which satisfy the range from 50 to 150 mm. After that, the barked and crushed wood is fed for preliminary drying to the drying chamber 12, which is heated by the heat transfer agent according to the principle of direct flow. To protect the drying chamber 12 from heat exchange with the environment and to prevent heat loss through its walls, the drying chamber 12 is provided with an externally insulated coating 13 of a combined type of cementitious binder mixed with mineral fiber (for example, a cementing binder of diatomite mixed with asbothermite fiber) . Barked, crushed, and dried wood with a moisture content of 10–25% is sent to a chemical treatment chamber 14, where it is impregnated with solid polymer non-volatile residue to reduce cross-linking of the wood mass (during heat treatment) and to ensure crosslinking of structural units with stronger bonds (charcoal) 20 ÷ 40% solution of inorganic polybasic oxygen-containing acid of the general formula (1)
H _n To ⁿ ,
where n≥3 is an indicator of the number of hydrogen atoms and the valency of the acid residue;
H is hydrogen;
K is an acid residue (for example, phosphoric acid H ₃ PO ₄ ).

Из камеры химической обработки 14 при помощи ленточного конвеера 15 древесину доставляют в бункер-накопитель 16, откуда ее скиповым подъемником 17 подают в зону поступления древесины реторты 1 (в зону I). Древесина медленно движется сверху вниз в реторте 1 и проходит следующие зоны: зону досушивания древесины (зону II) при 150÷280^oС, зону пиролиза древесины (зону III) при 280÷480^oС, зону прокалки угля (зону IV) при 480÷600^oС, зону охлаждения угля (зону V) при температуре от 600 до 70^oС и зону выходящего угля (зону VI), откуда с помощью выгружателя 18 полученный уголь ссыпается в кюбель 19, в котором направляется на склад для сортировки и отгрузки потребителям.From the chemical processing chamber 14, with the help of a conveyor belt 15, the wood is delivered to the storage hopper 16, from where it is fed with a skip hoist 17 to the retort 1 wood entry zone (to zone I). Wood slowly moves from top to bottom in retort 1 and passes through the following zones: a wood drying zone (zone II) at 150 ÷ 280 ^o С, a wood pyrolysis zone (zone III) at 280 ÷ 480 ^o С, a coal calcination zone (zone IV) at 480 ÷ 600 ^o С, a coal cooling zone (zone V) at a temperature of 600 to 70 ^o С and an exit coal zone (zone VI), from where, using the unloader 18, the obtained coal is poured into a plug 19, in which it is sent to a warehouse for sorting and shipment to consumers.

Формирование теплоносителя для предварительной сушки древесины в сушильной камере 12 осуществляется следующим образом. The formation of a coolant for preliminary drying of wood in the drying chamber 12 is as follows.

Отработанный теплоноситель из сушильной камеры 12 (содержащей до 7% кислорода О₂) подают дымососом 20 частично в холодильник 21 и далее в зону охлаждения угля, а частично в камеру 22, в которой он смешивается с дымовыми газами, образующимися от сжигания парогазов в топке сушильной камеры 23. Указанное сжигание парогазов, отбираемых из зоны досушивания древесины (зоны II), осуществляют в условиях избытка воздуха с содержанием кислорода в теплоносителе 1,5-7,0%.The spent coolant from the drying chamber 12 (containing up to 7% oxygen O ₂ ) is fed by the smoke exhauster 20 partially to the refrigerator 21 and then to the coal cooling zone, and partially to the chamber 22, in which it is mixed with flue gases generated from burning steam and gas in the drying furnace chambers 23. The specified combustion of combined-cycle gases taken from the wood drying zone (zone II) is carried out under conditions of excess air with an oxygen content of 1.5–7.0% in the coolant.

Газовые потоки организованы следующим образом. Gas flows are organized as follows.

В нижней части реторты 1 (в зоне охлаждения угля), куда подается теплоноситель через патрубок 24 при помощи вентилятора 25 из холодильника 21, происходит разделение потока: меньшая часть холодных дымовых газов выходит прямотоком с охлажденным углем через зону выходящего угля (зону VI) в атмосферу, производя при этом насыщение угля кислородом, что стабилизирует уголь против его самовозгорания, а большая часть холодных дымовых газов движется противотоком к углю, охлаждая его в зоне охлаждения угля (зоне V) и нагреваясь от 70 до 350^oС. В зоне прокалки угля (зоне IV) из предварительно нагретых дымовых газов, поступивших из сушильной камеры 12, начинается выгорание кислорода при контакте с метаном СH₄, входящим в состав парогазов, выделяющихся при прокалке угля. Температура газов повышается до 600^oС. Однако при температурах свыше 450^oС в результате действия на уголь (С) раскаленного углекислого газа (СО₂), наряду с метаном (CH₄), входящим в состав парогазов, древесный уголь становится иссеченным парогазами, трещиноватым. Поэтому для недопущения этого горячие парогазы с температурой 600^oС выводят из зоны прокалки угля (зоны IV) в газопровод 26 и вдувают через патрубок 27 при помощи вентилятора 28 в верхнюю часть зоны пиролиза древесины (зоны III), где температура 280^oС и угля нет, а есть термически разлагающаяся древесина. В результате температура в зоне пиролиза усредняется и становится равной 440^oС. Затем из топки реторты 2 в зону пиролиза древесины (зону III) подают дымовые газы (образующиеся от сгорания топлива), после чего начинается выгорание кислорода О₂ (входящего в состав указанных дымовых газов), при контакте с метаном СH₄ (входящим в состав парогазов). За счет выделившегося тепла температура в зоне пиролиза древесины повышается с 440 до 550^oС, увеличивая углеродность получаемого угля. Для полноты использования тепловой энергии парогазов их направляют из зоны пиролиза древесины (зоны III) противотоком в зону досушивания древесины (зону II). Здесь парогазы отдают тепло древесине, а сами охлаждаются до 150^oС, после чего их выводят из верхней части реторты (зоны II) в топку сушильной камеры 23, где они сжигаются при 1200÷1300^oС и небольшом избытке воздуха (содержание кислорода с газами 1,5÷7,0%). При этом избыток парогазов выбрасывается через трубу 29 в свечу 30, где горит в виде факела, что исключает попадание в атмосферу вредных по составу парогазов, так как продукты от их горения в факеле не содержат никаких вредных примесей. Что касается избытка тепла горячих дымовых газов, полученных в топке сушильной камеры 23 от сгорания парогазов, то указанный избыток тепла отдают в котле-утилизаторе 31 и транспортируют дымососом 32 в камеру смешения 22.In the lower part of the retort 1 (in the coal cooling zone), where the coolant is supplied through the pipe 24 by means of a fan 25 from the refrigerator 21, the flow is divided: a smaller part of the cold flue gases flows directly with the cooled coal through the exit coal zone (zone VI) into the atmosphere while producing oxygen saturation of the coal, which stabilizes the coal against its spontaneous combustion, and most of the cold flue gases flows countercurrently to the coal, cooling it in the coal cooling zone (zone V) and heating from 70 to 350 ^o C. In the calcination zone coal (zone IV) from preheated flue gases entering from the drying chamber 12, oxygen burns out when it comes into contact with methane CH ₄ , which is part of the combined-cycle gases emitted during the calcination of coal. The temperature of the gases rises to 600 ^o C. However, at temperatures above 450 ^o C as a result of the action on the carbon (C) of hot carbon dioxide (CO ₂ ), along with methane (CH ₄ ), which is part of the gas and vapor, charcoal becomes excised steam and gas, fissured. Therefore, to prevent this, hot steam and gas with a temperature of 600 ^o With lead from the zone of calcination of coal (zone IV) into the gas pipe 26 and blow through the pipe 27 with a fan 28 into the upper part of the zone of pyrolysis of wood (zone III), where the temperature is 280 ^o C and coal no, but there is thermally decaying wood. As a result, the temperature in the pyrolysis zone is averaged and becomes equal to 440 ^o C. Then, flue gases (generated from the combustion of fuel) are fed from the retort 2 furnace to the wood pyrolysis zone (zone III), after which the burning of oxygen O ₂ (included in these flue gases), in contact with methane CH ₄ (which is part of combined-cycle gases). Due to the heat generated, the temperature in the zone of wood pyrolysis rises from 440 to 550 ^o C, increasing the carbon content of the resulting coal. To make full use of the thermal energy of combined-cycle gases, they are directed from the wood pyrolysis zone (zone III) in countercurrent to the wood drying zone (zone II). Here, steam and gas give off heat to the wood, and they themselves are cooled to 150 ^o С, after which they are removed from the upper part of the retort (zone II) to the furnace of the drying chamber 23, where they are burned at 1200 ÷ 1300 ^o С and a small excess of air (oxygen content with gases 1.5 ÷ 7.0%). In this case, the excess of steam and gas is discharged through the pipe 29 into the candle 30, where it burns in the form of a torch, which eliminates the entry into the atmosphere of harmful gas composition, since the products from their combustion in the torch do not contain any harmful impurities. As for the excess heat of hot flue gases obtained in the furnace of the drying chamber 23 from the combustion of steam and gas, this excess heat is transferred to the waste heat boiler 31 and transported by the exhaust fan 32 to the mixing chamber 22.

Необходимая температура теплоносителя для процесса сушки древесины в сушильной камере 12 обеспечивается в камере смешения 22 за счет подачи отработанного теплоносителя, отбираемого из сушильной камеры 12 дымососом 20. Указанный избыток тепла может быть утилизирован также выделением товарной смолы в циклоне 33 или выбросом дымовых газов в атмосферу через свечу 34. The necessary temperature of the heat carrier for the drying of wood in the drying chamber 12 is provided in the mixing chamber 22 by supplying waste heat taken from the drying chamber 12 of the exhaust fan 20. This excess heat can also be utilized by the release of marketable resin in cyclone 33 or by the emission of flue gases into the atmosphere through candle 34.

Таким образом, в данном способе получения древесного угля предложен технологический процесс, позволяющий обеспечить производство качественного древесного угля с повышением его углеродности и прочности за счет оптимизации технологического процесса на ступенях предварительной сушки и последующей термической обработки древесины, при одновременном уменьшении тепловых потерь и увеличении выхода целевого продукта без загрязнения окружающей среды. Thus, in this method of producing charcoal, a technological process is proposed that allows for the production of high-quality charcoal with an increase in its carbon and strength due to the optimization of the technological process at the stages of preliminary drying and subsequent heat treatment of wood, while reducing heat losses and increasing the yield of the target product without pollution.

Claims

The method of producing charcoal, including preliminary drying of wood to a moisture content of 10-25% and its subsequent heat treatment in the presence of a gaseous coolant in a continuous process with successive passage through the zones of drying, pyrolysis with the formation of charcoal, calcining and cooling with countercurrent flow of cooled flue gases through these zone and using these gases after they pass the cooling zone as a coolant in the zones of calcination, pyrolysis and drying, characterized in that the wood is crushed before preliminary drying to obtain preforms whose sizes satisfy the range of 50 - 150 mm, and after preliminary drying, they are treated with a 20-40% solution of inorganic oxygen-containing polybasic acid of the general formula H _n K ⁿ , where n≥3 is the number of hydrogen atoms and valency acid residue; H is hydrogen; K is the acid residue, and the vapor-gas produced during the heat treatment of wood is removed from the coal calcination zone and introduced into the wood pyrolysis zone, after which a coolant is supplied from the retort furnace to this zone, which is flue gas from fuel combustion.