Какое свойство древесного угля

Древесный уголь издавна был востребованным продуктом – благодаря ему был выкован первый клинок, он спасал от голода и холода. И сегодня уголь древесный остается важным и необходимым продуктом для многих народов – им отапливают жилища, и на нем готовят еду. А раз так, значит, производство этого вида топлива, как и производство других видов продуктов необходимых человеку требует применение современных технологий, позволяющих не только увеличить объемы продукции, но и обеспечить сохранность природы для грядущих поколений.

Что такое древесный уголь

Об уникальных свойствах древесного угля было известно давно. О том что человечество стало использовать уголь древесный для своих нужд известно из археологических раскопок. Целые древние города и поселения использовали промысел по получению древесного угля как основную статью своего дохода. Собственно первые экологические катастрофы и были связаны с массовой вырубкой деревьев для получения этого продукта. Например, в Крыму, ради изготовления амфор для пшеницы караимами и генуэзцами были вырублены реликтовые леса. Из-за чего в некоторые районы Крыма до сих пор считаются малопригодными для жизни. Подобное положение стало началом разработок каменного угля в Англии и Франции.

Древесный уголь получают путем сжигания древесины различных пород. Особенностью процесса выступает то, что в результате высокотемпературного воздействия структура тканей древесины меняется – выжигаются химические элементы, а углерод остается. Химическая формула полученного продукта показывает, что в его составе в среднем содержится до 84% нелетучего углерода. Это топливо при сгорании, позволяет избежать выделение самого опасного для человека продукта горения – угарного газа. Из химии известно, что именно этот газ без цвета и запаха выделяется при сгорании летучих веществ без доступа кислорода.

Кроме того, свойства древесного угля позволяют применять его и в других важных для человека процессах – очистке воды и воздуха, в качестве медицинского препарата, даже художники нашли применение для этого материала.

Но все-таки состав материала, в котором углерод главный элемент наибольшее применение нашел в промышленности:

• металлургия — катализатор и восстановитель при производстве чугуна и стали;
• химическая промышленность — фильтры для опасных производств;
• энергетика — топливо, наполнители для фильтрационных установок.

Сегодня известна масса способов добычи этого продукта начиная от способа в котором древесный уголь выжигается в яме, и заканчивая высокотехнологичными способами получения брикетов. При этом в качестве сырья используется не цельные массивы деревьев ценных пород, а прессованные опилки деревьев.

Таким образом, получаемая ценность древесного угля заключается:

• В большом содержании нелетучего углерода и отсутствии в составе фосфора и серы;
• Высокой теплоотдачей при горении;
• Длительном периоде горения;
• Возможностью использования как возобновляемого ресурса;
• Практически в полном его сгорании без остатка.

Виды и сорта древесного топлива

Самая распространенная классификация этого вида топлива,разделяет его по типу материала происхождения. Такая классификация дает возможность подобрать продукт по степени его теплотворности. В зависимости от окраски топливо можно разделить на виды:

• Черный – изготавливается из мягких лиственных пород деревьев (ольха, тополь, осина);
• Белый – выжигается из твердых пород дерева(дуб, граб, береза);
• Красный –получается из хвойных пород деревьев по технологии мягкого углежжения.

Согласно государственному стандарту ГОСТ 7657-84 уголь древесный делится на три класса – А,Б, В. Высшим сортом ГОСТ определяет топливо марки А – в нем массовая доля нелетучего углерода составляет 90%- 78%. Для марки Б массовая доля составляет 88-77%, Марка В, должна иметь в своем составе от 77 до 67 % углерода.

Кроме этого на древесный уголь имеется и другие стандарты качества, например,удельный вес древесного угля, масса 1 дм3, массовая доля золы, и наличие в объеме определенных по размеру фракций. Правда, эти стандарты распространяются в основном на продукты промышленного производства. Производство древесного угля в домашних условиях обычно пользуется для оценки качества изучением цвета продукта и наличием в составе разных фракций – количества больших кусков, средних, малых и древесной пыли.

Свойства

Полезные свойства этого топлива определяются несколькими показателями. Прежде всего, они определяются температурой горения древесного угля. Так прессованное топливо активно используется при плавке чугуна и стали. Достигая высокой температуры горения во время плавления (свыше 1350 градусов), химический состав древесного угля выступает катализатором реакции в металле. В доменном производстве при выплавке чугуна сегодня доля использования топлива невелика, всего 7-8%, но при этом чугун получается самого высокого качества. Это достигается за счет свойств древесного угля – в нем не содержатся вещества, которые при нагреве образуют летучие газы, а при сгорании примеси веществ ухудшающие характеристики и структуру металла. Высокая плотность и удельный вес древесного угля, используемого в металлургии, позволяют сохранить однородность процесса плавки без применения дополнительных технологий.

Среди полезных свойств древесного угля выступает его высокая температура горения и длительное выделение тепла высокой температуры. Особенно ярко это демонстрируется при приготовлении блюд в мангале. После разжигания, топливо быстро достигает высокой температуры и поддерживает горение на протяжении нескольких часов.

Важным показателем для топлива выступает и такой показатель, как зольность. Согласно ГОСТ, высший класс древесного угля при сгорании имеет зольность от 2,5 до 3 %. Для бытовых нужд, обычно используется класс Б он подходит как для отопления так и для приготовления пищи. В отличие от высшего класса с более высокой температурой горения, использование углей класса Б, таит в себе меньше опасности, прежде всего из-за более низкой температуры горения – она примерно на 300 градусов ниже. Такая разница между температурой горения двух видов древесного угля связывается со структурой, размерами головней и типом приготовления топлива. Более высокая температура получается при сгорании углей из более плотных слоев древесины. К тому же хранение материала класса А, предусматривает возрастание до 20% наличия воды в объеме всей массы.

Важным показателем для древесного угля выступает однородность массы, так, в общей массе сорта А, фракции 25 и 12 мм должно быть не более 12% суммарно, в то же время головней в составе объема быть вообще не должно.  При кустарном производстве древесного угля своими руками свойства определяются по цвету, размерам головней и количеству пыли. Считается, что чем крупнее фракция и насыщеннее его цвет, тем качество его выше. Во многом такой метод оправданный, поскольку косвенно указывает на химический состав топлива, и наличие в нем большого количества углерода. Более глубокий лабораторный химический анализ может показать наличие или отсутствие в его составе серы, фосфора, солей тяжелых металлов и отдельные соединения на основе смол. При лабораторном анализе проверяется и зольность материала. Для топлива высшего качества зольность составляет 2,5-3%, для среднего качества определяется 3,5-4%.

Плотность зависит от марки и типа древесины, из которого он сделан. Вес стандартного объема топлива в 1 куб. метр составляет:

• Из еловой древесины – 100-120 кг;
• Соснового – 130-140 кг;
• Березового – 175-185 кг;
• Букового – 187-195;
• Дубового – 200-215.

Сам по себе материал очень пористый, если брать отношение объема пор к общему объему вещества, то для березового угля она составит 72%, для елового 80%. Из-за этого удельная плотность древесного угля в зависимости от материала происхождения может быть:

• Елового – 0,26 гр/см3;
• Соснового – 0,29 гр/см3;
• Березового – 0,38 гр/см3;

Именно высокая пористость материала и требует при розжиге в мангале и барбекю особой осторожности. Прежде всего перед розжигом нужно обработать угли спиртосодержащей жидкостью, и дать немного времени для того, чтобы она впиталась и проникла как можно глубже в поры.

Еще один показатель топлива – теплоемкость зависит от температуры и влажности материала. Для сухого (с влажностью 7-15%) топлива средняя теплоемкость составляет 0,18 ккал/кг, для абсолютно сухого с влажностью 2-4% теплоемкость составляет 0,2 ккал/кг.

Теплотворная способность, то есть способность выделения тепла составляет при температуре 380-500 градусов около 7500-8170 ккал/кг.

Применение

Сегодня применение древесного угля в быту в основном сводится к трем основным сферам. Прежде всего, нужен уголь для мангала или барбекю, длительный период горения, отсутствие вредных составляющих дыма и равномерный жар позволяют использовать его как топливо.

Вторым важным моментом его использования является очистка воды и воздуха. Зачем нужен древесный уголь в фильтре кухонной вытяжки – все очень просто, он является отличным сорбентом, впитывающим в себя все продукты сгорания, пыль и копоть. Такие фильтры,устанавливаются в вытяжках циркуляционного типа.

Не менее интересное использование его в качестве фильтра для воды, он эффективен на стадии тонкой очистки, когда речь идет о химических реагентах и биологических загрязнителях.

Третий вид использования – это отопление и топливо для домашних мастерских. Высоко ценится топливо у тех, кто занимается гончарным и кузнечным ремеслом. Это просто незаменимый вид топлива для горна и печи для обжига.

Правда, при покупке, нужно обращать внимание на срок годности – чем дольше хранится материал, тем больше впитывает влаги и тем меньше его теплоотдача, при горении он может не выдавать нужной температуры.

Технология процесса производства

Технология изготовления древесного угля с самого зарождения промысла не претерпела больших изменений. Основной технологией того как производят древесный уголь до сих пор остается выжигание в печи. Сегодня выжигательные печи изменили конструкцию, сделав процесс более технологичным. Но принцип того как делать древесный уголь остался прежним – сгорание древесного сырья без доступа кислорода, это главное условие. Технологический процесс состоит из нескольких циклов:

• Сушки сырья;
• Процесса пиролиза;
• Охлаждение.

В принципе, этот вариант схож с тем, как делают древесный уголь в домашних условиях. Разница состоит лишь в том, что изготовить древесный уголь в домашней установке можно используя подручные средства, а в промышленных установках каждая фаза строго контролируется. В итоге получается топливо, соответствующие описанию в государственных стандартах.

Выбор сырья

Оптимально подбирать для выжигания деревья твердых пород. Иногда советуют подбирать строго деревья одной породы. В таком случае удастся получить горение при одной температуре, и в результате получается однородный продукт хорошего качества. Однако в процессе работы часто случается так, что в производстве используется сырье разных пород. Это не проблема просто при заполнении вертикальной печи сначала делается закладка из твердых пород, а потом из мягкой древесины.

 Сушка древесины

Сушка проводится в камере обжига при температуре 140-160 градусов. Применение более высокой температуры приводит к растрескиванию головней и как результат получение углей мелкой фракции. Сушка проводится в атмосфере дымовых газов и по окончании ее должна получиться древесина с влажностью 4-5%.

Пиролиз

Вторым этапом изготовления древесного угля выступает пиролиз. Этот этап состоит из сухой перегонки, когда для удаления всей оставшейся влаги температура поднимается до 150-300 градусов. По достижении 300-301 градусов начинается процесс экзотермического пиролиза. Древесина начинает изменять цвет, внутренняя температура растет, и в течение некоторого времени она превышает температуру в камере. В этот момент не требуется подача дополнительно тепла, поскольку начинается процесс испарения летучих веществ. По достижении 400 градусов древесина меняет окончательно цвет и становится черной. Очищенная при пиролизе древесина содержит 65-70% углерода.

 Прокалка

По истечении некоторого времени, когда реакция начинает сходить на нет, температура начинает падать и возрастает риск самовоспламенения. Для того чтобы не допустить этого при промышленном производстве применяется прокалка – поддержание нужной температуры путем внешнего нагрева. Для этого извне емкость с древесиной                   дополнительно нагревают, вследствие этого доля нелетучего углерода повышается до 85-90%. Также путем регулирования внешнего нагрева осуществляется снижение температуры до отметки, когда самовозгорание уже невозможно, после этого начинается процесс остывания.

Оборудование для производства древесного угля

Изготавливать топливо  в домашних условиях можно при помощи подручных средств и даже в земляной яме. Для промышленного производства используются выжигательные печи ретортного типа. Это могут быть как стационарные, так и мобильные установки. Основным элементом таких установок выступает емкость для выжигания. Пиролизная бочка это самый дорогой элемент установки. Сегодня для производителей предлагается несколько вариантов промышленных установок, в состав которых входит полный набор оборудования для работы.

Как сделать уголь в домашних условиях

Изготовление древесного угля в домашних условиях производится с применением подручных средств. Это наиболее простая технология, правда, не гарантирующая получение высококачественного древесного угля.

Перед тем, как сделать древесный уголь своими руками проводятся подготовительные работы, в число которых обязательно входят мероприятия по обеспечению пожарной безопасности. Для получения качественного древесного угля подбираются поленья одного вида древесины, они очищаются от коры и рубятся на примерно одинаковые головни.

Перед тем как начать делать древесный уголь своими руками определяется способ выжигания. Наиболее популярные способы получить древесный уголь в домашних условиях это выжигание дерева:

• в земляной яме;
• в бочке;
• в печи.

Первые два выполняются на улице, последний осуществляется в два этапа – первый в печке (оптимально, если бы печь была построена на открытом воздухе), а второй на улице.

В яме

Это самый дешевый способ получить древесный уголь в домашних условиях. Для этого в земле отрывается яма глубиной 0,8-1,0 м., диаметром 0,5-0,6 м. На дне делается закладка дров для разведения огня. После того как будет разведен огонь в яму делается закладка сырья. Дрова укладываются доверху. После того как огонь охватит весь объем ямы, и дрова понемногу начнут прогорать, яма закрывается металлическим листом, а сверху насыпается влажная земля, так, чтобы полностью перекрыть доступ кислорода.

Через 12-16 часов после закрытия ямы, осторожно открывается крышка. Примерно через 1-1,5 часа головни можно вынимать. При таком способе получения древесного угля в яме выход готового продукта составляет от 25 до 35% объема заложенных дров.

В бочке

Делать древесный уголь в домашних условиях можно и в бочке. Для этого берется металлическая бочка. Для большого объема потребуется большая 200 литровая бочка, для угля объемом 3-4 кг достаточно и 50 литровой. Для работы желательно выбирать бочку с толстыми стенками, с большой горловиной и по возможности с крышкой, закрываемой на замок. Чтобы получить древесный уголь в бочке технология особо не меняется, единственное, что рекомендуется поставить ее на кирпичи, чтобы после осуществить прогрев.

Бочка заполняется дровами, разжигается и после того как она разгорится, закрывается крышкой. Примерно через 12-18 часов для 200 литровой емкости рекомендуется разжечь огонь под бочкой и прогреть ее в течение 3-4 часов. После прогрева бочку можно оставить остывать.

Снимать крышку нужно осторожно, чтобы не вдохнуть угарный газ. Вынимать материал можно через 4-6 часов. При полной загрузке бочки можно получить до 40-50% объема готового топлива.

В печке

Изготовлять древесный уголь можно и в печке. Процесс состоит из двух этапов. Первый этап — это сжигание дров в печи. Это делается до того момента пока дрова полностью не прогорят. Дальше головни вынимаются из топки печи и перекладываются в ведро или керамическую емкость и закрываются крышкой. Выход при таком способе древесного угля небольшой, всего 2-2,5 кг.

Правила безопасности

Независимо от того каким способом будет происходить выжигание древесного угля необходимо соблюдать правила пожарной безопасности. Огонь следует разводить вдали от огнеопасных предметов и построек. Место лучше огородить. При работе нужно использовать брезентовые рукавицы и респиратор. Особенно важно аккуратно открывать топку, чтобы не вдохнуть угарный газ и не получить термический ожог.

Маркировка продукции

При промышленном производстве нужно учитывать некоторые моменты. Перед фасовкой материал должен быть охлажден и расфасован (в зависимости от требований заказчика). В упаковочном листе или на самом пакете должна быть указана следующая информация:

• производитель;
• указано наименование продукта;
• информация о происхождении топлива;
• указан номер сертификата;
• вес нетто;
• должна быть информация о 4 классе пожарной опасности;
• указаны правила хранения и указания по применению.

Производство древесного угля как бизнес

Рассматривая возможность производства древесного угля как бизнес, следует учитывать, что минимальный объем производства должен составлять 2-2,5 тонны в месяц. Перед началом реализации проекта стоит серьезно разработать бизнес-план и просчитать затраты на производство.  В числе оборудования, которое понадобится на начальном этапе, без транспортных средств стоит предусмотреть покупку:

• дровокол;
• бензопилу;
• пиролизную печь;
• емкость для охлаждения;
• линию фасовки.

Кроме того, понадобится складские помещения и мини-лаборатория.

Для упаковки рекомендуется использовать мешок по 3 кг и по 6 кг. Для работы на экспорт нужно найти закупщика, который будет закупать продукцию оптом, так можно будет существенно увеличить оборот.

При использовании промышленных образцов пиролизных печей окупаемость бизнеса будет достигнута через 1,5-2 года, и это при ориентации только на внутренний рынок.

Как видно, производство древесного угля имеет все перспективы стать довольно прибыльным бизнесом, даже в домашних условиях. При минимальных затратах, с 1-2 оптовыми покупателями можно иметь устойчивый и постоянный доход, ведь простое кафе за 1 год потребляет от 500 кг до 4 тонн древесного угля.