Технологические процессы и оборудование термохимических процессов переработки древесины

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования 
«Казанский национальный исследовательский 
технологический университет» 
 
 
 
 
 
 
 
 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ  
И ОБОРУДОВАНИЕ 
ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 
ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2018 

УДК 674.04(075)
ББК 37.1я7

Т38

 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
 
Рецензенты: 
директор ООО «НПО Политехнологии» канд. техн. наук В. А. Салдаев 
главный технолог ООО «НТЦ РТО» канд. техн. наук В. В. Степанов 
 
 
 

Т38

Авторы: А. Р. Садртдинов, Р. Г. Сафин, А. А. Фомин, 
А. Р. Хабибуллина, Л. М. Ризванова 
Технологические 
процессы 
и 
оборудование 
термохимических 

процессов переработки древесины: учебное пособие / А. Р. Садртдинов
[и др.]; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. –
Казань : Изд-во КНИТУ, 2018. – 128 с.

ISBN 978-5-7882-2513-5
 
Рассмотрены 
научные 
направления, 
развиваемые 
на 
кафедре 
переработки древесных материалов ФГБОУ ВО КНИТУ: исследования 
процессов получения синтез-газа, метанола и моторных топлив.  
Предназначено для бакалавров и магистров, обучающихся по 
направлениям подготовки «Технологические машины и оборудование» и 
«Технология лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств», 
а также для инженерно-технических работников лесопромышленного 
комплекса. 
Подготовлено на кафедре «Переработка древесных материалов». 
 

 
 
 
 

ISBN 978-5-7882-2513-5
© Садртдинов А. Р., Сафин Р. Г., Фомин А. А., 

Хабибуллина А. Р., Ризванова Л. М., 2018

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2018

УДК 674.04(075)
ББК 37.1я7

ВВЕДЕНИЕ 
 
Наличие 
огромных 
природных 
запасов 
возобновляемого 
органического 
сырья 
в 
виде 
растительной 
биомассы 
и 
совершенствование технологии получения из нее синтез-газа создает 
предпосылки для создания технологий получения альтернативных 
нефти топлив. По существующим оценкам, в процессе фотосинтеза в 
мировом масштабе образуется около 200 млрд тонн древесной 
биомассы в год, что намного превышает суммарную мировую добычу 
нефти, угля и природного газа. 
В России сосредоточено примерно 25 % мировых запасов 
древесины. При лесозаготовке и переработке древесины образуются 
так называемые вторичные древесные материалы: ветки, опилки, 
стружки и пр. Весомым достоинством древесины как топлива является 
низкое содержание в ее составе серы и других вредных примесей, а 
также 
воспроизводимость 
данного 
источника 
энергии. 
При 
правильном подходе к использованию древесины мы получаем 
практически неисчерпаемый энергетический и сырьевой ресурс, 
который создает надежную сырьевую базу для производства 
альтернативных моторных топлив.  
К основным проблемам использования и переработки древесных 
отходов, в частности загрязненных различными синтетическими 
полимерными компонентами, относится неустойчивость процессов 
термохимической 
переработки 
и 
утилизации, 
связанная 
с 
изменчивостью свойств отходов, а также практическое отсутствие 
эффективных методов переработки отходов в условиях малых 
предприятий. 
Таким 
образом, 
основными 
задачами, 
решение 
которых 
позволит оптимизировать процессы использования отходов на 
производстве и сократить их количество, являются: 
 классификация 
древесных 
отходов 
и 
определение 
их 
характеристик; 
 анализ 
современного 
состояния 
техники 
и 
технологии 
термохимической переработки и утилизации древесных отходов;  
 анализ 
возможных 
способов 
оптимизации 
процессов 
термохимической переработки и утилизации древесных отходов. 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ 
ПРОЦЕССАХ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ 
 
В настоящее время в мировой промышленной практике 
используются 
десятки 
различных 
технологических 
схем 
переработки 
отходов, 
конструктивные 
особенности 
которых 
определяются 
параметрами 
отходов 
и 
национальными 
требованиями к охране природной среды [91, 97]. 
Термохимические 
методы, 
делятся 
на 
три 
основных 
направления: сжигание, пиролиз и газификация (рис. 1.1). 

Рис. 1.1. Сравнительная диаграмма термохимических 

процессов

 
Сжигание 
– 
наиболее 
распространенный 
способ 
энергетического использования биомассы. Горение представляет 
собой весьма сложное явление, включающее множество связанных 
между собой физико-механических и химических процессов, таких 
как тепломассообмен, фазовые переходы, процессы переноса в 
реагирующих газовых смесях и движение среды. Химические 
процессы заключаются в протекании реакций, состоящих из целого 
ряда элементарных взаимодействий [120]. 
Процесс сжигания рассматривается как совокупность стадий 
прогрева отходов, их термохимического разложения и выгорания 
коксового остатка. При этом процесс сжигания твердого топлива в 
слое представляется в следующем виде. Топливо, содержащее 
углерод, 
влагу, 
золу 
и 
большое 
количество 
различных 
углеводородных соединений, при попадании в топочную камеру 
нагревается, выделяя влагу и летучие. В результате остается 
твердый остаток – кокс, состоящий из углерода и золы. Выделение 

и горение летучих оказывает большое влияние на протекание 
процесса горения твердого топлива, определяя условия для 
воспламенения и выгорания коксового остатка [115–116, 127].  
Можно считать практически установленным факт, что время  
выгорания летучих занимает не более 20 % от общего времени 
выгорания частицы, а остальное время требуется на выгорание 
углерода кокса [15, 29]. В результате углерод является основной и 
важнейшей составляющей твердого топлива, а закономерности его 
горения в основном определяет сгорание частицы твердого 
топлива. Горение углерода – гетерогенный процесс, определяемый 
как кинетикой горения на поверхности и в глубине углеродного 
массива частицы, так и диффузионным переносом кислорода и 
продуктов сгорания у горящей поверхности частицы. Задача о 
горении 
углеродной 
частицы 
в 
наиболее 
полной 
форме 
представлена в работах  А.С. Предводителева, Л.Н. Хитрина и   
В.В. Померанцева [84, 89, 126]. Эффективное и полное сгорание – 
необходимое условие использования отходов деревообработки в 
качестве топлива. Процесс сгорания должен обеспечивать высокую 
степень использования энергии и полное уничтожение древесины 
без образования нежелательных в экологическом отношении 
соединений.  
Горение биомассы представляет собой сложный процесс со 
многими переменными, которые прямо или косвенно воздействуют 
на уровень выбросов и эффективность использования энергии [60, 
65]. Теплообмен может осуществляться кондуктивной передачей, 
конвекцией и излучением теплоты. Для обеспечения низкого 
уровня выбросов при неполном сгорании топлива необходимо 
минимизировать потери тепла в топочной камере посредством 
оптимизации переменных характеристик, оказывающих прямое 
воздействие на механизмы теплопередачи. Из описания процесса 
горения 
очевидно, 
что 
на 
сжигание 
топлива 
оказывают 
значительное влияние конструкция и принцип работы топочной 
камеры, 
выбор 
материалов 
и 
возможности 
управления 
технологическим 
процессом. 
Характеристики 
используемых 
материалов, такие как теплотворная способность, плотность, 
толщина, 
изоляционная 
способность, 
поверхностные 

характеристики, влияют на значение температуры в топочной 
камере.  
Горючие отходы всех видов агрегатного состояния сгорают в 
воздушном потоке при температурах 850–1200 °С в зависимости от 
химической природы соединений, входящих в их состав. В тех 
случаях, когда внутренней энергии отходов недостаточно для 
поддержания необходимой температуры в печи, на сжигание 
подают дополнительное топливо различных видов. Печи – это, как 
правило, громоздкие сооружения, достаточно экономичные в 
эксплуатации, 
особенно 
в 
тех 
случаях, 
когда 
теплопроизводительность 
отходов 
достаточна 
для 
автотермического режима, а в дымовых газах не содержится 
токсичных веществ. Сжигание отходов в зависимости от местных 
условий проводится как с использованием тепла, т.е. с включением 
в состав установки котла-утилизатора, так и без него, что 
сказывается на технико-экономических показателях. 
Наиболее распространенным аппаратурным оформлением 
процесса переработки сжиганием стали печи и установки сжигания 
[101, 118]. Из всего многообразия печей для сжигания наибольшее 
распространение получили слоевые и барабанные печи [69]. В 
слоевых печах скорость движения слоя во всех зонах горения 
достигается использованием механических колосниковых решеток. 
В барабанных печах зона горения неподвижна, а отходы 
перемещаются за счет вращения цилиндрического барабана с 
частотой вращения  0,1–0,2 об/мин.  
Основной 
недостаток 
процесса 
сжигания 
состоит 
в 
необеспечении экологической чистоты процесса: так, при сгорании 
отходов, загрязненных различными полимерными включениями, 
происходит выделение различных токсичных и высокотоксичных 
веществ, выбрасываемых с топочными газами в атмосферу [42]. 
Все это приводит к необходимости внедрения дорогостоящих 
систем очистки, что экономически нерационально. 
Процесс пиролиза – одно из развивающихся направлений, 
которое позволит решить экологическую и энергетическую 
проблемы переработки отходов деревообработки [68]. Пиролиз 
представляет собой термохимический процесс, реализуемый в 

интервале 
температур 
350–700 
ºС. 
Технология 
пиролиза 
заключается в необратимом химическом изменении отходов под 
действием температуры без доступа кислорода. При этом процесс 
пиролиза 
характеризуется 
возможностью 
получения 
термодинамических стабильных веществ – твердого остатка (угля), 
смол и газов [51]. 
Различают четыре стадии  протекания процесса пиролиза. 
1-я стадия – до температуры 150 °С происходит сушка 
отходов с поглощением тепловой энергии (стадия эндотермична); 
2-я стадия – в интервале температур от 150 до 275 °С 
начинается 
предварительная 
стадия 
разложения 
отходов, 
происходит распад гемицеллюлоз, отщепление части химически 
связанной воды, образование СО, СО2, CH4, уксусной кислоты и 
других веществ (процесс является эндотермическим, так как 
требует постоянного подвода тепловой энергии); 
3-я стадия – в интервале температур от 275 до 450 °С 
происходит 
интенсивный 
распад 
основных 
составляющих 
древесины 
– 
целлюлозы 
и 
лигнина, 
протекают 
реакции 
деполимеризации, происходит образование основных компонентов 
процесса пиролиза, таких как пиролизный газ и углеродный 
остаток (уголь), при этом процесс становится автотермическим, 
протекает с выделением тепла (экзотермическая стадия) и является 
практически неуправляемым. 
4-я стадия – в интервале температур от 450 до 600 °С 
осуществляется 
прокалка 
угля, 
происходит 
удаление 
из 
углеродного скелета остатков летучих веществ, отщепление 
функциональных групп, удерживаемых углеродом, при этом 
параллельно протекают эндотермические и экзотермические 
реакции, 
а 
суммарный 
энергетический 
баланс 
является 
эндотермическим. 
При температуре свыше 600 °С происходит ускорение 
образования летучих, что характеризует начало перехода от стадии 
пиролиза к стадии газификации, т.е. твердый остаток при данных 
условиях практически полностью переходит в газовую фазу – 
горючий газ (пиролизный газ). Пиролизный газ, образующийся в 
процессе пиролиза древесных отходов, представляет собой 

парогазовую смесь, состоящую из окисей углерода, газообразных 
предельных и непредельных углеводородов, смол, водорода, воды, 
муравьиной и уксусной кислот и других веществ. Как показывает 
анализ литературных источников [41], смеси подобных газов 
подвергают конденсации для получения жидких продуктов 
переработки. Также газы имеют значительную теплотворную 
способность и пригодны для использования в котлах для получения 
горячей воды или пара. 
Процесс пиролиза значительно отличается от процесса 
сжигания и имеет преимущества, заключающиеся в возможности 
получать различные группы продуктов, однако это является и 
основным недостатком при переработке отходов, загрязненных 
различными токсичными включениями. В процессе пиролиза в 
твердом остатке в виде угля остается до 30 % массы 
перерабатываемых отходов, а с учетом возможного содержания в 
угле токсичных веществ его нельзя использовать в дальнейшем как 
вторичный 
продукт 
[82]. 
Это 
приводит 
к 
необходимости 
организации дополнительной переработки углеродного остатка или 
значительной выдержки его при температуре свыше 1000 °С, что 
требует больших энергетических затрат и времени, а это 
экономически нецелесообразно. Также процесс существенно 
зависит от начальной влажности перерабатываемых отходов, 
которая варьируется от 15 до 75 %, а значит, обязательна 
предварительная 
сушка. 
Поскольку 
количество 
подводимой 
теплоты зависит от разности температур, а испарение влаги требует 
много энергии, пиролиз влажных отходов также нецелесообразен. 
С 
учетом 
изложенных 
фактов 
применение 
пиролиза 
для 
переработки 
отходов 
деревообработки, 
имеющих 
высокую 
влажность и содержащих токсичные включения, неэффективно и 
экономически невыгодно. 
Процесс 
газификации 
является 
высокотемпературным 
термохимическим процессом взаимодействия органической массы 
с газифицирующими агентами, в результате чего образуются 
горючие газы. Интенсивные исследования процесса газификации 
древесины и ее отходов, прежде всего от лесозаготовок, с целью 
получения энергетического газа проводились в период    1950 – 

1960 гг. Однако с появлением дешевой электроэнергии от 
государственных энергосистем дальнейшего развития процесс 
газификации 
не 
получил. 
В 
настоящее 
время 
интерес 
к 
газификации древесины с целью получения энергетического газа во 
многих странах, в том числе и в России, значительно возрос [51] 
В зависимости от способа подвода теплоты, необходимой для 
газификации, различают автотермический и аллотермический 
методы газификации [86, 124]. В наиболее распространенных на 
практике автотермических газогенераторных установках теплота 
газификации и частично составляющие парогазовой среды, 
необходимые 
для 
осуществления 
процесса, 
выделяются 
в 
результате сгорания части топлива внутри самого газогенератора. 
Процесс сгорания происходит в атмосфере воздуха при значении 
коэффициента избытка воздух    = 0,30–0,40 [102]. Образующийся 
генераторный газ может иметь теплоту сгорания от 4 до 15 МДж/м3 
в зависимости от состава топлива, окислительной среды и 
влажности исходного топлива [131]. 
Аллотермический способ получения горючих газов основан 
на подводе теплоты в зону пиролиза и газификации твердого 
углистого остатка или через твердую стенку газогенератора, или 
путем нагрева частиц исходного топлива внутри газогенератора за 
счет 
какого-либо 
твердого, 
жидкого 
или 
газообразного 
теплоносителя. 
Теория 
и 
конструктивное 
оформление 
аллотермического способа получения газообразных топлив из 
исходных твердых топлив разработаны в значительно меньшей 
степени по сравнению с автотермическим способом газификации. 
На основе многолетних исследований шведский ученый 
Таннер предложил для определения границ автотермического 
процесса использовать треугольник-схему (рис. 1.2), описывающую 
область горения органического вещества без дополнительного 
подвода тепла [130]. Согласно этой схеме нижний предел теплоты 
сгорания высокозольного и влажного органического вещества, при 
котором возможно его автотермическое (самоподдерживающееся) 
сжигание без применения дополнительного топлива, соответствует 
условию:  

 влажность (W) < 50 %; 
 зольность (А) < 60 %; 
 горючая масса (С) > 25 %. 
 

Рис. 1.2. Треугольник-схема Таннера

 
Основываясь на этой зависимости, можно сделать вывод, что 
большинство 
отходов 
органических 
веществ 
необходимо 
рассматривать в первую очередь как сырье для получения 
энергоносителей. 
Это 
относится 
прежде 
всего 
к 
отходам 
переработки древесины и растительным сельскохозяйственным 
отходам. 
В зависимости от вида перерабатываемого твёрдого топлива 
различают типы газогенераторов: для тощего топлива – с 
незначительным выходом летучих веществ (кокс, антрацит, тощие 
угли), для битуминозного топлива – со значительным выходом 
летучих веществ (газовые и бурые угли), для древесного и