§ 30. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССА
ПИРОЛИЗА
Общая физико-химическая характеристика процесса пиролиза древесины
включает данные о процессе передачи тепла и нагрева древесины, о
кинетике термораспада, тепловом эффекте процесса, последовательности
распада компонентов древесины, процессе углеобразования и т. д.
Процесс передачи тепла и нагрева древесины.
Для нагрева древесины при пиролизе применяются два способа передачи
тепла: внешний нагрев с передачей тепла через стенку и внутренний нагрев
с передачей тепла от греющего агента непосредственно древесине. В
качестве внутреннего теплоносителя могут служить газы (парогазы),
жидкости и твердые тела.
Рассмотрим процесс передачи тепла древесине при используемом сейчас в
промышленных аппаратах внешнем и внутреннем газовом нагреве. При внешнем
нагреве (рис. 44) процесс передачи тепла от топочных газов древесине
осуществляется в следующей последовательности: от газа к стенке реторты,
от стенки к парогазовой среде внутри реторты и от парогазов к древесине.
Тепло от топочного газа, имеющего температуру 800—900 °С, к стенке
реторты передается в основном путем конвекции, и в меньшей
степени, лучеиспусканием. Вследствие термического сопротивления,
создаваемого газовой пленкой около стенки, температура последней
значительно ниже температуры газового теплоносителя и равна
приблизительно 600—650 °С. Стенка реторты благодаря хорошей
теплопроводности стали имеет почти одинаковую температуру по всей
толщине. При передаче тепла от стенки к парогазовой смеси внутри реторты
тепловой поток снова преодолевает сопротивление газовой пленки. Так как
скорость движения газов внутри реторты ниже, чем топочных газов около
наружной стенки, а также ниже температура теплопередающего тела,
коэффициент теплопередачи от стенки парогазам и конвекцией и
лучеиспусканием будет меньше, чем от топочных газов стенке.
Следовательно, температурный перепад будет еще больше. Практически
парогазы внутри реторты нагреваются до 450—500 °С. Последним
сопротивлением на пути теплового потока к древесине является газовая
пленка около поверхности куска древесины. От внешней поверхности к
внутренним слоям древесины тепло передается путем теплопроводности
клеточной стенки, конвекцией парогазов в полостях и лучеиспусканием от
более нагретой клеточной стенки к менее нагретой. Температура от
наружной поверхности к центру куска падает. Поэтому пиролиз куска
древесины происходит постепенно: поверхность может обуглиться, в то
время как внутри может происходить еще сушка. Чем мельче кусок, тем
равномернее и быстрее прогревается древесина.
При внутреннем газовом нагреве процесс передачи тепла древесине
значительно упрощается. Теплоноситель вводится прямо в реторту и
контактирует непосредственно с древесиной. Единственным термическим
сопротивлением в этом случае является газовая пленка около поверхности
куска древесины. Поэтому эффективность подвода тепла к древесине при
внутреннем теплоносителе значительно выше.
Для интенсификации процесса пиролиза древесины необходимо увеличить
количество подводимого к древесине тепла, повышая температуру
теплоносителя (газовой среды) около древесины или увеличивая его поток.
При внешнем нагреве объем парогазов внутри реторты не регулируется,
следовательно, интенсификация процесса возможна только за счет повышения
их температуры. Но возможности повышения температуры парогазов внутри
реторты выше 450—500 °С ограничены тепловой стойкостью конструкционного
материала — углеродистой стали. При повышении температуры стенки выше
700 °С происходят ее размягчение и деформация и интенсивное окисление,
что приводит к преждевременному износу оборудования. Измельчение
древесины с целью увеличения тепловоспринимающей поверхности не ведет к
интенсификации процесса, так как поверхность дров или тюлек и так
значительно больше теплопередающей поверхности стенок реторты. Таким
образом, при внешнем нагреве возможности для интенсификации процесса
отсутствуют.
При внутреннем нагреве температура газового теплоносителя достигает
650—700 °С, удельный расход его на единицу массы древесины выше, чем в
аппаратах с внешним нагревом, следовательно, тепла подводится в аппарат
значительно больше. Да и интенсивность передачи этого тепла к древесине
вследствие более высокой скорости омывания куска также выше.
Лимитирующим интенсификацию фактором становится величина
тепловоспринимающей поверхности древесины. Поэтому при внутреннем
нагреве древесину целесообразно измельчать.
Благодаря отмеченным преимуществам внутреннего газового нагрева удельная
производительность вертикальных непрерывнодействующих реторт, работающих
по этому принципу, в 5—6 раз выше производительности вагонных реторт
внешнего нагрева при одинаковой степени разделки древесины.
При использовании в качестве внутреннего теплоносителя перегретого
водяного пара процесс теплопередачи не имеет принципиальных отличий от
процесса при внутреннем газовом нагреве. В качестве внутреннего
теплоносителя можно применять также жидкости и твердые тела.
Процесс термораспада древесины в нагретом жидком теплоносителе, например
в керосине, при температуре не выше 275 °С, нельзя назвать пиролизом,
так как это предпиролиз. Процесс передачи тепла от жидкого теплоносителя
к древесине имеет некоторые особенности. В отличие от газового
теплоносителя, который передает тепло только внешней поверхности куска,
жидкий теплоноситель впитывается по узким сосудам в поры древесины,
нагревает внутреннюю часть куска и по более широким сосудам выходит
обратно вместе с вытесняемым воздухом или продуктами распада.
Устанавливается циркуляция теплоносителя. Благодаря резкому увеличению
тепловоспринимающей поверхности интенсивность процесса предпиролиза
высока. При предпиролизе в жидком керосине разлагаются наименее
термостойкие компоненты древесины, главным образом гемицеллюлозы, и в
остатке образуется так называемая бурая древесина. Хотя в промышленности
процесс пиролиза в жидком теплоносителе не реализован, он представляет
интерес в качестве первой ступени при разработке последовательного
направленного термораспада древесины, так как осуществляется в очень
мягких, легко контролируемых условиях.
Процесс теплопередачи от твердого теплоносителя (например, металлических
шаров или древесного угля) к древесине осуществляется при
непосредственном контакте путем лучеиспускания и теплопроводности.
Древесный уголь при этом получается в том же аппарате и в раскаленном
виде частично возвращается в процесс. Благодаря развитым поверхностям
интенсивность теплопередачи также выше, чем при внешнем и даже
внутреннем газовом нагреве. Такие процессы используются в
непрерывнодействующих аппаратах для пиролиза опилок.