Материал: Пиролиз как термический метод переработки древесины

Пиролиз как термический метод переработки древесины

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО "Сибирский государственный технологический университет"

Факультет переработки природных соединений

Кафедра химической технологии древесины и биотехнологии

Отчет

по учебной практике

Руководитель практики от университета

к. т. н., доцент

И.С. Почекутов

Студент группы 52-3

Ермолаева М.В.

Красноярск 2014

Содержание

Введение

1. Сырье для пиролизного производства

2. Первичные продукты пиролиза древесины

2.1 Переработка древесного угля

3. Уксусно-кислотное производство

3.2 Обессмоливание жижки

3.3 Извлечение уксусной кислоты из жижки

3.4 Очистка и ректификация уксусной кислоты - сырца

4. Устройство и принцип действия экстрактора

Заключение

Список использованных источников

Введение

Термин пиролиз происходит от греческих слов. К термическим методам переработки древесного сырья в широком понятии этого термина относятся смолокурение, дегтекурение, углежжение, собственно пиролиз, газификация и энергохимическое использование древесины. Из всех термических методов переработки древесины наиболее важное значение имеет пиролиз древесины, Пиролиз древесины ведется либо на крупных предприятиях, где, как правило, вырабатывают древесный уголь, уксусную кислоту, ее производные, древесно-смоляные и другие продуты, либо на небольших установках, где древесный уголь чаще всего является единственным продуктом.

1. Сырье для пиролизного производства

Сырьем для термической переработки чаще всего является специально заготавливаемая технологическая древесина, которая доставляется на лесной склад предприятия. Для устройства склада выбирается ровная, сухая площадка возможно ближе к заводу, но с соблюдением расстояний, требующихся по нормам противопожарной безопасности. Древесина поступает на заводы железнодорожным и автомобильным транспортом в виде долготья и коротья по ГОСТ 24260-80 "Сырье древесное для пиролиза и углежжения". Сырье разделывается на отрезки, длина которых в зависимости от принятой технологии бывает 1 м или 230-300 мм (чурка или тюлька). Для разделки древесины на чурку используются многопильные станки-слешеры.

Железнодорожные пути для подвозки древесины со склада сырья ширококолейные (ширина колеи - 1524 мм), лишь на отдельных заводах сооружены узкоколейные пути (ширина колеи - 750 мм).

Склад сырья должен быть хорошо освещен и благоустроен. Древесина на складе хранится в кучах высотой до 14 м и объемом до 50 тыс. м³. Ширина прямоугольных куч или диаметр круглых куч не более 50 м. Расстояние между продольными сторонами прямоугольных куч должно быть 25 м, между торцовыми сторонами, а также между круглыми кучами-15 м.

Древесина всегда содержит влагу. По влажности она подразделяется на три группы: воздушно-сухая (W до 25 %, W₀ до 20 %), полусухая (W 26 50 %, W₀ - 21-33 %), сырья, с более высоким содержанием влаги.

Воздушно-сухое состояние древесины достигается обычно при ее естественной сушке на складе. Круглые сортименты, особенно березовые сушке на складе. Круглые сортименты, особенно березовые, в коре сохнут медленнее, чем в окоренном виде. Расколка кругляка ускоряет сушку.

Производственный опыт показал, что древесину лиственных пород лучше хранить в окроненном и расколотом виде, устраивая под кучи соответствующие основания и приспособления для проветривания. Коротье, уложенное весной в кучи высотой 9-14 м, высыхает за год с 40-45 % -й относительной влажности до воздушно-сухого состояния. Древесина березы и особенно осины в старшем возрасте часто поражена гнилью, а при неправильном хранении ее на складе процессы гниения ускоряются. Это приводит к уменьшению массы древесины в единице объема и снижению выхода продуктов пиролиза, кроме того, уголь получается мелкий и непрочный.

Выход угля из древесины хвойных пород немного выше, чем из лиственных, но качество угля из лиственных пород выше. Выход уксусной кислоты наибольший из древесины лиственных пород и березы, немного меньше из мягколиственных и меньше всего из хвойных. Кора дает уксусной кислоты в 203 раза меньше, чем древесина, а уголь из коры имеет высокую зольность, поэтому сырье для пиролиза целесообразно окорять, однако в заводской практике окорку древесины обычно не производят.

Древесное сырье для углежжения и пиролиза подразделяют на три группы. К первой группе относятся береза и твердолиственные породы: бук, ясень, граб, ильм, вяз, дуб, клен, ко второй - мягколиственные породы: осина, ольха, липа, тополь, ива, третью группу составляют хвойные породы: сосна, ель, кедр, пихта, лиственница, которые используются только для углежжения.

Наряду с технологической древесиной могут применяться так же отходы лесозаготовок и деревообработки, которые по своему химическому составу мало отличаются от стволовой древесины.

пиролиз уксусная кислота древесина

2. Первичные продукты пиролиза древесины

Газообразные, жидкие и твердые продукты пиролиза древесины состоят, как и исходная древесина, из трех основных элементов: углерода, водорода и кислорода, в них содержится также незначительное количество азотосодержащих веществ.

Газы. Состав газов, образующихся при пиролизе древесины, мало зависит от породы дерева. При пиролизе 1м³ древесины образуется 75-90 м³ неконденсирующихся газов.

Жидкие продукты. Конденсат, получаемый при охлаждении парогазовой смеси, образующийся при пиролизе древесины, называется жижкой или сырой жижкой.

Сырая жижка имеет плотность 1,02-1,03 г/см³. Она содержит разнообразные органические вещества как растворимые, так и нерастворимые в воде. Некоторые из нерастворимых в воде веществ способны растворятся в жижке, другие же находятся в ней в виде мельчайших взвешенных капелек. При отстаивании они отделяются от водного слоя, образуя отстойную смолу, собирающуюся в нижней части отстойника. Кроме того, при переугливании дров некоторых пород, в частности березы и осины, образуется небольшой слой легких масел, всплывающих на поверхность жижки и по составу близких к дегтю; эти масла образуются в основном вследствие разложения коры. Кроме отстойной смолы, в жижке содержится также растворимая смола, отделяющая только при перегонке жижки.

Состав жижки зависит от породы переугливаемой древесины, ее влажности и условий ведения процесса. В ней содержатся кислоты: муравьиная, уксусная, пропионовая, масляная, валериановая и др; спирты: метиловый, пропиловый, аллиловый и др.; кетоны: ацетон, метилэтилкетон, метилпропилкетон, метилбутилкетон и др; альдегиды: формальдегид, ацетальдегид, фурфурол и др; метиловые эфиры уксусной кислоты и других кислот, фенолы, эфиры фенолов и многие другие соединения.

Чем лучше высушена древесина, тем меньше выход жижки, но тем, соответственно, больше концентрация полезных компонентов в ней. При переугливании березовой древесины, высушенной до влажности 8-10 %, выход жижки составляет 280-295кг/м³, из воздушно-сухой получается 350-380 кг/м³ жижки и т.д.

Из 1 м³ древесины березы получается больше жижки, чем из осины, поскольку березовая древесина имеет более высокую плотность.

Твердые продукты (древесный уголь). При одинаковых условиях переугливания древесины различных пород уголь имеет почти одинаковый состав. С повышением температуры переугливания выход угля снижается, но одновременно повышается его качество. Несколько снижается выход угля и при ускорении переугливания.

Уголь не должен быть пережженным или недожжённым. Пережженный уголь получается при действии свободного кислорода на раскалённый уголь, он имеет много трещин, хрупок, иногда на нем виден белесый налет. Недожжённый уголь получается при недостаточной температуре или продолжительности выжига, он содержит головни, имеет бурый цвет, при сжигании горит пламенем. Трещины снижают прочность угля, поэтому наиболее прочный уголь получается из коротких отрезков, которые меньше растрескиваются в процессе сушки и пиролиза. Объем хорошо покаленного угля составляет примерно 60 % от объема исходной древесины.

Зольность древесного угля колеблется от 1 до 4 %, при этом зольность крупного угля из древесины сухопутной доставки обычно не превышает 1,5 %. Уголь, выгруженный из реторты, не содержит влаги, но поглощает ее из воздуха до влажности 10-15 %.

Уголь считается хорошим, если насыпная масса 1м³ березового угля нормальной влажности - не менее 175 кг, осинового - 140, соснового - 135, елового - 120 кг. Важной характеристикой угля является содержание нелетучего углерода. Под нелетучим (или твердым) углеродом понимают остаток от кратковременного прокаливания угля в строго определенных условиях, под летучим - углерод, содержащийся в летучих продуктах, выделяющихся при таком прокаливании. Чем выше температура выжига угля, тем больше в нем доля нелетучего углерода.

2.1 Переработка древесного угля

Из многочисленных способов переработки древесного угля приведены только некоторые, представляющие наибольшей интерес для лесохимической промышленности.

Брикетирование древесного угля. Древесный уголь, особенно древесно-угольная мелочь, - малотранспортабельный материал; при транспортировке и перевалках уголь сильно измельчается и распыляется. Эти недостатки древесного угля устраняются при его брикетировании с применением связующих веществ. В качестве связующих могут быть применены растворимые в воде продукты (растворимая смола, технические лигносульфонаты и др.) и нерастворимые (отстойная смола, древесно-смоляной пек в смеси со смолой, битум и др.) Производственно древесно-угольных брикетов состоит в приготовлении брикетной смеси, прессовании сырых брикетов и сушки или прокаливания их. Например, древесно-угольную мелочь растирают 30 мин на бегунах с техническими лингосульфонатами (полученными при производстве целлюлозы с варочной кислотой на аммониевом основании) и получают брикетную смесь, содержащую 77-78 % угля, 11-12 % лингосульфонатов (в расчете на сухое вещество) и 10-11 % воды. Смесь прессуют на вальцово-ручейном прессе под давлением 15-20 МПа. Сырье брикеты высушивают при 100 - 120°С в течение 2 ч или прокаливают при 500°С. Плотность готовых брикетов до 0,75 г/см³, прочность на сжатие около 6 МПа. Теплота сгорания 1 кг брикетов примерно такая же, как у исходного угля, однако ввиду большей плотности брикетов теплота сгорания единицы объема их гораздо выше.

Брикеты используются в кузнечном и литейном производствах, в сфере общественного питания, туризма и др.

Существуют также способы окускования (склеивания) древесно-угольной мелочи без прессования под давлением.

Производство карбюризатора. Карбюризатор - это березовый древесный уголь, покрытый пленкой углекислого бария. Он применяется для цементации стальных изделий, т.е. для обогащения их поверхностного слоя углеродом с целью придания особой твердости.

Технологический процесс производства карбюризатора состоит из следующих основных операций: дробления и сортировки угля-сырца, обмазки угля углекислым барием, сушки и охлаждения сырого карбюризатора. Уголь - сырец измельчают на дробильных валках в три ступени, с промежуточным рассевом, сначала на куски размером 25-35 мм, затем до 15 мм и окончательно на куски 3,5-1 - мм.

После отсева от мелочи, пыли и охлаждения уголь поступает в обмазочный аппарат типа бетономешалки. Для обмазки готовят суспензию углекислого бария в водном растворе крахмала. Затем карбюризатор сушат в горизонтальных вращающихся барабанах дымовыми газами, температуру которых на входе в барабаны поддерживают в пределах 600-700°С. Готовый карбюризатор аналогично древесному углю охлаждают воздухом в тонком слое на конвейере, что стабилизирует продукт и предотвращает его самовозгорание.

Расход крахмала на 1 т карбюризатора равен 10 кг, углекислого бария - 215 кг. Углекислый барий - вещество 1-го класса опасности, ПДК его аэрозоля в воздухе рабочей зоны - 0,5 мг/м³.

Согласно ГОСТ 2407-83 карбюризатор должен содержать, %, не более 2 углекислого бария, не более 2 углекислого кальция, до 0,04 общей серы, до 0,2 двуокиси кремния, не более 8 летучих веществ и 4 влаги. Не менее 92 % карбюризатора должно при рассеве оставаться между ситами с полотном № 35 и № 100, масса крупных частиц не должна превышать 2%, а мелочи на поддоне - 6 %.

Производство активного угля. Активным или активированным древесным углем называется продукт, получаемый путем специальной обработки древесного угля-сырца, в результате которой во много раз увеличивается его пористость за счет удаления остатков летучих веществ и выгорания смолистых пленок. Активация угля производится в активационных печах путем воздействия на него перегретого водяного пара или топочных газов при температуре 750-1000°С. Степень обгара, т.е. потеря массы древесного угля при его активации, в зависимости от требуемых свойств готового продукта, равна 40-80 %. В древесном угле - сырце имеются в основном макропоры, размер которых превышает 100 нм. В активном древесном угле поры гораздо мельче: микропоры размером 1-2 нм и переходные, или мезопоры, размером до 50 нм, т.е. они соизмеримы с величиной молекул различных веществ. Удельная поверхность пор достигает огромной величины, исчисляемой сотнями квадратных метров 1 г активного древесного угля, вследствие чего поглотительная способность его во много раз больше, чем у исходного угля - сырца.

Поэтому активный уголь широко применяется для обесцвечивания жидкостей в сахарорафинадном и других производствах, для поглощения паров органических растворителей из воздуха производственных помещений, является обязательной составной частью противогазов и др.

В лесохимической промышленности вырабатывается активный уголь марки ДАК. Сырьем для его производства служит угольная мелочь (отход карбюризаторного производства), при необходимости добавляется кусковый уголь. Печь активации представляет собой стальной цилиндр, футерованный жароупорным кирпичом. Уголь прокаливают 45-60 мин под воздействием парогазовой смеси, состоящей из продуктов сгорания дизельного топлива и перегретого водяного пара; температура смеси 800-950°С. Активирующим началом является химически связанный кислород, в результате взаимодействия с которым смолистые вещества угля образуют твердый углерод и газообразные соединения. Охлаждение готового активного угля ведется в стальном охлаждающем барабане, орошаемом снаружи водой. Выход - 50 % от исходного угля.

Активный уголь марки ДАК имеет активность по йоду не менее 30 см³/г, пористость по воде не менее 1,4 см³/г и влаги до 10 %. Применяется для обезмасливания парового конденсата на теплоэлектростанциях.

Активный осветляющий уголь высокого качества можно получать из отработанной щепы канифольно-экстракционных заводов. Если для выработки активного угля использовать древесный уголь, полученный при природе пиролизе древесины с катализаторами, то выход активного угля в расчете на исходную древесину повышается примерно в 1,5 раза.

Производство окисленного древесного угля. Древесный уголь, дробят, сортируют и окисляют при повышенной температуре кислородом воздуха. В некоторых случаях окисленный уголь подвергают термообработке и повторному окислению.

В результате на поверхности угля образуются различные функциональные группы: карбоксильные, фенольные, спиртовые и др. Меняя условия окисления, можно добиться преобладания тех или иных групп и придания продукту окисления различных свойств: ионообменных, комплексообразующих, каталитических и др.

Древесный окисленный уголь марки ДОУ - 1 - полифункциональный катионит, способный заменить более дорогие и токсичные катиониты на основе синтетических смол. ДОУ - 2 имеет высокую избирательность к ионам тяжелых металлов и применяется для глубокий очистки химических реактивов от примесей железа, меди, никеля и др. ДОУ - 3с предназначен для глубокой очистки неорганических реактивов от примесей щелочноземельных металлов и используется, в частности, при получении фторидов калия и натрия особой чистоты. Уголь ДОУ - 4с обладает высокой каталитической активностью, например, в процессах этерификации и переэтерификации смесей низкомолекулярных жирных кислот и их эфиров.

Древесные окисленные угли отличаются высокой термостойкостью (до 300°С), химической и радиационной устойчивостью, легко регенерируется, могут выпускаться в виде гранул.

3. Уксусно-кислотное производство

Уксусная кислота извлекается из пиролизной жижки на холоде в основном экстракцией органическими растворителями или же азеотропным укреплением. Этими способами почти повсеместно вытеснен ранее распространённый двухступенчатый порошковый метод. До извлечения уксусной кислоты жижку, как правило, обесспиртовывают и обессмоливают. При этом в зависимости от применяемого способа из жижки выделяются следующие полезные продукты, кг: отстойная смола 22-29, уксусная кислота 18-22 и спиртовые продукты 7-10 в расчете на 1 м³ переугленной древесины. Коэффициент извлечения для всех кислот - 66 - 75 % и для суммы спиртовых продуктов - 60 - 70 %.