Химия и технология производства древесно-угольных брикетов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ЛЕСОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. С. М. КИРОВА



            В. И. Ширшиков
            В. В. Литвинов
            В. Н. Пиялкин


химия и ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНО-УГОЛЬНЫХ
БРИКЕТОВ




САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

        ХИМИЗДАТ

2024

УДК 662.712 Ш 646



Р е ц е н з е н т ы:
Зав. кафедрой лесохимических производств Северного (Арктического) федерального университета им. М. В. Ломоносова д-р техн. наук, проф. Н. И. Богданович
Генеральный директор ООО «СевЗапУголь» С. Ю. Новиков

О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р
Зав. каф. химии древесины и физической химии СПбГЛТУ д-р хим. наук, проф. В. И. Рощин

Авторы выражают признательность Засл. работнику высшей школы РФ, профессору СПбГЛТУ, доктору технических наук А. А. Леоновичу за помощь в издании этой книги





            Ширшиков В. И., Литвинов В. В., Пиялкин В. Н.

Ш 646 Химия и технология производства древесно-угольных брикетов. — СПб.: ХИМИЗДАТ, 2024- 176 с.: ил.
         ISBN 978-5-93808-487-2
            Монография представлена кафедрой технологии лесохимических продуктов, химии древесины и физической химии СПбГЛТУ.
            Дана общая характеристика сырья, химикатов, промежуточных и товарных продуктов производства древесно-угольных брикетов и указаны основные направления их использования. Подробно описаны новые технологии и оборудование для производства, включая измельчение угля, типы связующего, прессовочные, сушильные и прокалочные устройства.
            Предназначена для специалистов, занимающихся вопросами химии и технологии производства древесно-угольных брикетов, а также для студентов вузов, обучающихся по специальности 26.03 «Химикомеханическая технология древесины и древесных материалов».


Ш

    2904000000—
    flflfi 050(01)—24


Без объявл.

ISBN 978-5-93808-487-2

                              ©В. И. Ширшиков, В. В. Литвинов, В. Н. Пиялкин, 2012
       © ХИМИЗДАТ, 2012, 2024

СОДЕРЖАНИЕ



Принятые сокращения и обозначения                        5
Введение                                                 7
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ                                       11
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БРИКЕТИРОВАНИЯ                  18
  2.1. Механизм брикетирования                          18
  2.2. Дисперсность и поверхность частиц угля           22
  2.3. Оптимальное количество воды в брикетной смеси    25
  2.4. Оптимальное количество связующего в брикетной смеси 26
  2.5. Продолжительность перемешивания брикетной смеси  27
  2.6. Роль давления при прессовании брикетов           29
  2.7. Сушка «зеленых» брикетов                         30
  2.8. Прокаливание высушенных брикетов                 31
3. СОСТАВ ДРЕВЕСНО-УГОЛЬНЫХ БРИКЕТОВ                    38
  3.1. Требования к древесному углю                     38
  3.2. Связующие вещества                               40
     3.2.1. Технические крахмалы                        41
     3.2.2. Лигносульфонаты                             42
     3.2.3. Каменноугольные и сланцевые смолы           44
     3.2.4. Нефтебитумы                                 44
     3.2.5. Пирогенные древесные смолы и пеки           48
     3.2.6. Неорганические связующие                    56
  3.3. Наполнители                                      57
  3.4. Специфические добавки                            57
  3.5. Характеристика бытовых и промышленных            58
     древесно-угольных брикетов
4. ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА БРИКЕТОВ                     63
  4.1. Технологическая схема Амзинского ЛХЗ             63
  4.2. Технологическая схема Сявского ЛХЗ               65
  4.3. Технологическая схема ЦНИЛХИ                     72
  4.4. Технологическая схема Вологодского ЛХЗ           73
  4.5. Технологическая схема «Ольвекс»                  76
  4.6. Линия «Green Power», Украина                     78
  4.7. Технологическая схема «Барбекю»                  80
  4.8. Технологическая схема «Уаньи», Франция           81
  4.9. Технологическая схема США                        86
5. ОСНОВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ                                90
  5.1. Измельчители древесного угля                     90
  5.2. Смесители для приготовления шихты                90
  5.3. Прессы для формирования брикетов                 90
  5.4. Устройства для сушки брикетов                    97
  5.5. Устройства для прокаливания брикетов             98

3

6. РАСЧЕТЫ МАТЕРИАЛЬНЫХ И ТЕПЛОВЫХ БАЛАНСОВ            99
  ПРОИЗВОДСТВА ДРЕВЕСНО-УГОЛЬНЫХ БРИКЕТОВ
  6.1. Материальные и тепловые балансы брикетирования  99
     и сушки бытовых брикетов
     6.1.1. Материальные балансы производства бытовых брикетов 99
     6.1.2. Тепловой баланс сушки производства бытовых брикетов 101
  6.2. Материальные и тепловые балансы брикетирования, сушки 103

     и прокаливания промышленных брикетов
     6.2.1. Материальные балансы брикетирования, сушки 103 и прокаливания промышленных брикетов
     6.2.2. Тепловые балансы сушки и прокаливания       107
          промышленных брикетов
     6.2.3. Сжигание парогазов прокаливания брикетов    113
7. ОРИЕНТИРОВОЧНЫЙ РАСЧЕТ РЕНТАБЕЛЬНОСТИ                123
  ПРОИЗВОДСТВА БРИКЕТОВ ПРОМЫШЛЕННОГО
  НАЗНАЧЕНИЯ ПО ПРЯМЫМ ЗАТРАТАМ
  7.1. Принципиальная схема получения брикетов         123
  7.2. Штат работников брикетного модуля               124
  7.3. Расчет прямых затрат                            124
  7.4. Калькуляция себестоимости производства брикетов 125
  7.5. Потенциальные риски                             125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                             127
Приложение I. Термодинамические характеристики продуктов 128 пиролиза биомассы дерева
Приложение II. Теплоемкость компонентов топочных газов 128
             в зависимости от температуры
Приложение III. Степень преобразования газа-реагента R 129
              в зависимости от содержания СО в продуктах реакции
Приложение IV. Методы и принципы получения и анализа    132
              древесно-угольных брикетов
           IV  .1. Методы получения промышленных древесно- 132 угольных брикетов
           I V.2. Методы анализа древесно-угольных брикетов 137
           IV  .3. Методы анализа связующего типа древесной 150 пирогенной смолы при брикетировании
Список использованных источников                        162

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ


 БДМ — биомазут из биомассы дерева (обезвоженная бионефть)
  БДН — бионефть из биомассы дерева (пиротопливо, суммарный конденсат)
 БДУб - брикеты древесно-угольные бытовые
 БДУп — брикеты древесно-угольные промышленные
   БН — битум нефтяной
   ДС — древесная пирогенная смола
   ДСК — древесная пирогенная смола кубовая
   ДСЛ — древесная пирогенная смола лиственных пород
   ДСО — древесная пирогенная смола осадочная
   ДСР — древесная пирогенная смола растворимая
   ДСс — древесная пирогенная смола суммарная
   ДСХ — древесная пирогенная смола хвойных пород
   ДСЭ — древесная пирогенная смола эстракционная
   ДУ — древесный уголь стандартный
    Kg — кажущаяся константа скорости реакции взаимодействия углерода с диоксидом углерода
    Ks — коэффициент скорости реакции
    Кб — коэффициент размолоспособности березового угля
 КБЖ — сульфитно-бардяной концентрат
 КДТ — концентрат сульфитно-дрожжевой бражки
    Ке — коэффициент размолоспособности елового угля
    Ко — коэффициент размолоспособности осинового угля
    Кс — коэффициент размолоспособности соснового угля
 МДУ — мелкий древесный уголь нестандартный
РДУБп — рудо-древесно-угольные брикеты промышленные
   ФК — фенолокислоты древесно-смоляного пека
     d — истинная плотность угля, кг/м³
    d₃ — эквивалентный диаметр частицы сырья, мм

5

        Fap — степень ароматичности угля
         m — отношение теплоемкостей потоков сырья и теплоносителя
          n — порядок реакции
       R/ C — степень конденсированности угля
         w — скорость теплоносителя по свободному сечению, м/с
W0, Wk, Wₕ — влажность сырья: начальная, конечная, текущая, %
         aᵥ — объемный коэффициент теплообмена, Вт/(м³ ■ град), Дж/(м³ ■ ч ■ град)
          Y — насыпная плотность, кг/м³
          р — кажущаяся плотность, кг/м³
         е₀ — порозность неподвижного слоя

ВВЕДЕНИЕ




   Лесохимическая промышленность в России и за рубежом традиционно производит крупнокусковой уголь. Отходы от сортировки древесного угля на заводах пиролиза обычно достигают 10-15 и даже 20 % в зависимости от характера используемого сырья, применяемой технологии и оборудования [13, 110, 159, 164]. Угольная мелочь образуется как за счет разрушения кусков древесного сырья в процессах пиролиза, так и при последующих этапах охлаждения, стабилизации, сортировки, упаковки, транспортировки и перегрузок древесного угля.
   Учитывая, что производство стандартного кускового древесного угля в мировой практике составляет до 40 млн. т в год и растет на 5—7 % ежегодно, утилизация угольной мелочи является одним из важнейших факторов рентабельности действующих предприятий [83, 118, 159, 160].
   В свою очередь, все возрастающий объем мелкого угля производится по разработанным технологиям пиролиза отходов растительной биомассы дерева, лесозаготовок [47], рубок ухода, лесопиления и деревообработки (щепа, опилки, стружка, кора) [49, 51, 128, 135]. Для производства мелкого древесного угля могут быть использованы в качестве исходного сырья для процесса пиролиза органические отходы растительного происхождения. Это лигнин [28], скорлупа орехов различных видов, отходы производства кофе и хлопка, рисовая шелуха, бамбук, жмых от переработки сахарного тростника, водоросли и тростник, а также бытовые отходы и отходы продуктов сельскохозяйственного назначения [29, 44, 165, 166].
   Для квалифицированного использования древесно-угольной мелочи чаще всего применяется их последующая переработка по двум основным направлениям:
   —  производство дисперсного древесного угля;
   —  производство древесно-угольных брикетов.

ДИСПЕРСНЫЙ УГОЛЬ
   Во всех промышленно развитых странах широкое применение находит дисперсный уголь. Существует несколько на

7

правлений применения дисперсного угля. В перспективе потребность в таком продукте будет значительно превышать существующие объемы производства кускового древесного угля.
   I.    Это традиционные области потребления дисперсного угля для бытовых целей: производство электроугольных изделий (щетки электродвигателей, угольные сопротивления электронагревательных приборов и т. п.) и антикоррозионных порошков, использование в качестве наполнителя пластмасс, производство дымных порохов, производство твердых смазок и др. [3, 13, 40, 48].
   II.    Использование в черной металлургии для выплавки чугуна в доменных печах, работающих по новой технологии.
   Современные доменные печи используют для восстановления металла из руды в основном привычный металлургический кокс. Он выполняет в доменной печи две функции: рыхлителя столба плавильных материалов и восстановителя. Для важнейшей операции — восстановления металла — металлургический кокс менее пригоден ввиду его относительно низкой реакционной способности. По этому показателю древесный уголь далеко превосходит лучшие виды металлургического кокса. Широкое использование его в обычном доменном процессе ограничивается лишь его низкой механической прочностью.
   Интенсификация доменного процесса и поиски путей улучшения качества продукта привели к необходимости введения в доменную печь дополнительного восстановителя. Здесь древесный уголь может оказаться лучшим из возможных реагентов угольного материала; потребность в нем превышает 1 млн. т в год [77, 78]. Выплавка заданных марок сталей мартеновским скрап-процессом из металлолома производится путем науглероживания металла порошковым углеродсодержащим материалом в сочетании с продувкой ванны окислительным газом в период плавления и доводки шихты. В данном случае возможно проводить плавку металлолома с полным исключением чугуна из состава металлошихты, что является существенным преимуществом разработанной технологии.
   III.   Многотоннажное применение дисперсного древесного угля в качестве специальной добавки к комбикормам, для

8

обеспечения более полного усвоения кормов и интенсивности прироста массы теплокровных животных. Так, в США для данных целей уже используется до 15-20 % от общего объема производства древесного угля [114].
   IV.    Специальные удобрения и рекультивация почв в цветоводстве, садоводстве и сельском хозяйстве для производства «чистых» продуктов, т. е. без ядохимикатов и нитратов [156, 161].

ДРЕВЕСНО-УГОЛЬНЫЕ БРИКЕТЫ

   Древесно-угольные брикеты в настоящее время рассматриваются как полноценная замена кускового древесного угля в перспективе расширения сфер его применения [57, 80, 87, 107]. В первую очередь это связано с возможностью квалифицированного использования неизбежных отходов древесного сырья при лесозаготовках, лесопилении и деревообработке, а также получения конечного товарного продукта с заранее заданными характеристиками по размерам, составу, теплофизическим и теплохимическим свойствам.
   Не рекомендуются при получении бытовых древесно-угольных брикетов связующие типа лигносульфонатов, древесной смолы, пека, мазута, гудрона [115], т. к. при сгорании «зеленых» брикетов выделяется неприятный запах и дым, поэтому обязательным условием в данном случае является наличие дополнительной стадии прокаливания брикетов.
   В производстве промышленных топлив, брикетов и рудоб-рикетов используют связующие органического или минерального происхождения с минимальной стоимостью. Для брикетов из бурых каменных углей и рудо-угольных брикетов также применяется технология без связующих, но давление при прессовании достигает 100—120 МПа и даже 200 МПа при использовании штемпельных и кольцевых прессов производительностью до 300—2100 т/сут (рудо-угольные 100—120 МПа, 200 МПа — новые).
   Брикетированный древесный уголь имеет достаточную прочность, высокую истинную и насыпную плотность, а это снимает основные препятствия для логистики его транспортировки на значительные расстояния, т. е. увеличение объемной

9

плотности древесно-угольных брикетов фактически в два раза уменьшает транспортные издержки [7].
   Все изложенное выше позволяет отнести производство данных продуктов к ресурсосберегающим технологиям [127, 131, 143, 145], а улучшение качества и придание специфических свойств древесно-угольным брикетам приводит к повышению их потребительской стоимости и расширению ассортимента выпускаемой продукции. В первую очередь это относится к безугарному бытовому топливу, качественному промышленному углеродистому восстановителю и рудо-угольным брикетам для выплавки Si, Mg, Са и ферросплавов [16—18, 122, 133].
   Многотоннажное производство дисперсного и брикетированного древесного угля позволит перейти на современные методы ультрапиролиза биомассы дерева [92, 94, 99, 101, 103], которые открывают существенные возможности автоматизации новых технологических процессов для эффективной термохимической переработки отходов древесины [9, 21, 30].

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ






   В России до 1917 г. работал завод Шеринга (Могилевская губерния, г. Орша), на котором при сухой перегонке дерева попутно из угольной мелочи получали древесно-угольные брикеты для бытовых целей [25]. Связующим веществом служил крахмал.
   В 30-х годах в СССР брикетированием в лабораторных условиях занимались Деревягин, Немирович-Данченко и Васечкин (ЦНИЛХИ) [86]. В качестве связующего вещества ими были применены отстойная древесная смола, а также пеки и масла от разгонки смолы.
   Деревягин [15] в результате проведенных исследований пришел к следующим выводам: главной цементирующей частью смолы являются пекообразующие вещества. Количество пекообразующих веществ в смоле не должно быть выше 81 %, а температура размягчения пека не выше 86 °C; происхождение смолы мало отражалось на качестве пека. В работе использовался березовый уголь, который при нагревании до температуры 50—60 °C размешивался с пеком в ступке. Количество пека составляло 10, 15 и 20 % от массы угля. Растертую смесь брикетировали под давлением 46 МПа. Полученные брикеты разрушали и снова растирали и брикетировали. Повторное растирание объяснялось стремлением повысить прочность брикетов. Сырые брикеты прокаливали при температуре 250 °C в течение 150 мин.
   В работах Немировича-Данченко [86] исходный уголь тщательно размалывали и просеивали. Прессовали брикеты под давлением от 30 до 80 МПа. После первого прессования брикеты вторично растирали в нагретой ступке и снова прессовали. Сырые брикеты сушили при температуре 180—250 °C в течение 90—120 мин. Прокаливали брикеты при температуре 400— 500 °C.
   Васечкин [15] работал с сосновым углем. Смешивали уголь со смолой при подогреве до температуры 70—80 °C, прессовали под давлением 50 МПа. Прессование повторяли до 3 раз с промежуточным размешиванием массы. Сырые брикеты прокаливали при температуре 300 °C, при которой выдерживали брикеты 120—150 мин.

11

   Проделанные Виттом [25] в 1934 г. опыты с сырой смолой печи Шварца показали, что брикет можно получить и с первого прессования при более низком давлении до 25 МПа. Для этого нужно пропустить массу через краскотерку. Количество сырой смолы бралось 20-35 % от массы сырого брикета.
   В 1935 г. Пекшибаев [1] разработал способ брикетирования древесно-угольной мелочи со смолой, предварительно растворенной в скипидаре, уксусной кислоте или в спиртах, или же с подсмольной водой, содержащей в растворенном состоянии смолу.
   В 1936 г. Казакевич [2] занимался изготовлением топливных брикетов с применением в качестве связующих глины и других минеральных веществ. Древесный уголь измельчался до фракции 0,003 м. Минерального связующего добавлялось 5 %. Сухие брикеты имели предел прочности на сжатие 2,5 МПа.
   В 1937 г. вопрос брикетирования древесно-угольной мелочи прорабатывался Ливеровским и Кривохатским [79]. Древесноугольную мелочь смешивали со смолой в соотношении 1:1; 1:0,9. Тщательно перемешивали и прессовали при давлении 2,5—3,0 МПа. Брикеты подвергали прокаливанию при температуре 450 °C. Парогазовую смесь отводили в конденсатор, полученные масла подвергали дальнейшей переработке. Целью этого способа являлось не только получение брикетов, но и регенерация тяжелых смоляных масел. Предел прочности получаемых брикетов на раздавливание 1,5—1,8 МПа.
   В ЦНИЛХИ работы по брикетированию древесно-угольной мелочи проводили Салтыков и Цейтлин в 1939—1941 и 1944 гг. [153]. Работы показали, что чем меньше частицы исходного вещества, тем легче данное вещество поддается брикетированию. Для изготовления брикетной смеси расход обезвоженной древесной смолы от сухой перегонки дерева не может быть ниже 30 % от массы взятого угля. В качестве связующего была испытана также каменноугольная смола. Расход каменноугольной смолы составил также 30 % от массы взятого угля. Брикеты, приготовленные с каменноугольной смолой, обладали большей прочностью по сравнению с брикетами с древесно-смоляным связующим.
   В 1937 г. Дудин [4] разработал способ получения древесно-угольных брикетов, где в качестве связующего применяли раствор ацетата железа в подсмольной воде.
   В 1939 г. Квятковский и Пирятинский [5] разработали способ получения брикетов, при котором древесно-угольную ме

12