Уголь древесный — Обугливание горючих материалов — дерева, торфа ископаемых углей (коксование) имеет целью получение топлива с пирометрическим эффектом большим, чем взятый горючий материал. Процессом обугливания стараются удалить гигроскопическую воду, кислород, серу с возможно меньшею потерею водорода и углерода. Главное условие, отвечающее такой задаче — прекращение доступа воздуха или, по крайней мере, возможное его ограничение. При этом стремятся получить продукт (У.), состоящий только из углерода и водорода — горючих элементов топлива; в нем также остается зола, которая не может быть удалена процессом обугливания. Весьма важно, следовательно, точное знание количества и качества продукта обугливания в зависимости от условий процесса и, главное, от высоты температуры. В этом отношении, прежде всего, следует иметь в виду, что сродство углерода к кислороду возрастает с температурой и, следовательно, чем выше последняя, тем более кислорода удалится в виде СО и СО2 и тем менее его будет в виде воды; У. разлагает воду при высокой температуре, образуя окись углерода и водород. Кроме того, CO2 переходит в СО также с тратою углерода; по всем этим причинам количество угля, оставшегося после прокаливания, будет тем более, чем ниже была температура; выход летучих продуктов, газов и паров увеличивается с температурой, причем каждой температуре отвечает некоторая система газов и паров, находящихся в состоянии химического равновесия; повышение температуры ведет к разложению уже полученных тел и перегруппировкам элементов, при чем, вообще говоря, уменьшается количество жидких (парообразных) и увеличивается количество газообразных продуктов; теоретически, при дальнейшем повышении получим только элементы С, Н, О. Ввиду этого, если желают получить преимущественно У., то накаливание ведут медленно при сравнительно низкой температуре; если же имеют в виду деготь и вообще летучие продукты, то температура должна быть повышена и процесс ускорен. Азот, если он был в топливе, подчиняется общему правилу: при низкой температуре он выделяется в соединения с Н, при высокой — в свободном состоянии. Процесс накаливания без доступа воздуха (огнем или перегретым паром) в закрытых сосудах носит название «сухой перегонки» (см. Дерево) и ведется, когда собирают не только У., но и жидкие продукты (деготь). Получение же собственно древесного угля чаще производится с участием воздуха (костровое, ямное, печное углежжение), но под условием такой регулировки его притока, чтобы полное горение было невозможно, а действие его сводилось лишь к развитию тепла в таком количестве, какое необходимо для обугливания. О влиянии температуры на количество и состав получаемого У., а также быстроты накаливания и пр. см. в ст. Дерево. Приведенная там таблица дает результаты для очень широких пределов температуры: от 160° до плавления платины (около 1775°). Из неё видно, что даже при максимальной температуре получаемый У. все-таки содержит еще водород и кислород (1,55% в сумме). При этом, от взятого количества дерева остается только 15% остатка (У.), а собственно углерода — только 14,47%.
Нижеследующая таблица показывает, сколько углерода остается в остатке и сколько переходит в продукты так наз. газенфикации У., т. е. в газообразные продукты разложения. Несмотря на некоторые неправильности, приводимые в этой таблице цифры ясно дают тот результат, что, во-первых, главная газенфикация У. идет до 400°, а затем почти прекращается, и во-вторых, что углерода остается (в виде твердого остатка) менее 1/3, а 2/3 уходит в форме газообразных продуктов; даже при 350°, т. е. при температуре, которую можно считать начальной для получения У., уже остается только 47,19 углерода, т. е. менее половины количества его, бывшего в дереве. След., наибольший выход У., т. е. % его от дерева (крушины), составляет 31,53%. Выход У., кроме температуры, зависит также и от сорта дерева (см. т. X, 447).
| Температура обугливания |
Количество оставшегося углерода | |
|---|---|---|
| Из 100 частей сухого дерева |
Из 100 частей углерода, бывш. в дерева | |
| — | 47,51 | 100,00 |
| 200 | 39,88 | 83,94 |
| 250 | 32,98 | 69,42 |
| 300 | 24,61 | 51,80 |
| 350 | 22,42 | 47,19 |
| 432 | 15,40 | 32,41 |
| 1100 | 15,32 | 32,25 |
| 1250 | 15,80 | 33,25 |
| 1300 | 15,85 | 33,61 |
| 1500 | 16,34 | 34,43 |
| 1775 | 14,47 | 30,46 |
Переугливание дерева в большом виде тесно связано с доставкой сырого материала: если доставка обеспечена водным путем или железной дорогой (в Америке дороги для подвозки — переносные, узкоколейные), то может развиться так наз. центральное углежжение в постоянных печах или им подобных приборах, вроде Дромаровского костра. В противном случае место переугливания не может оставаться постоянным, и тогда переугливание ведется в кострах разных форм, ямах и переносных печах (печь Пятницкого). Доставка дров к печам, в случае центрального углежжения, требует больших расходов и сложных устройств. У нас она обыкновенно организуется при посредстве водных путей — сплавом [1]). Дрова рубятся на обширных площадях лесных дач, перевозятся к берегам рек и по ним доставляются к печам. Чтобы во время пути они не были выброшены на берег, не застряли на отмелях и проч., на реке устраиваются так наз. «заплавни» (табл. ф. 1) — род искусственного русла, берега которого состоят из бревен, связанных цепями и удерживаемых на якорях; этими заплавнями дрова идут десятки верст от места рубки к печам. Местами, на пути устраиваются станции, для выгрузки, если она нужна, машинами (дровяные элеваторы) или вручную, на конечном же пункте имеется «запань» (фиг. 2), состоящая из ряда деревянных быков, перегораживающих реку, а в некотором расстоянии за ними — из барьера, состоящего из жердей. Дрова идут «россыпью», главная масса их задерживается быками, а остальные — жердями. Иногда силою течения дрова сгруживаются у запаней в такой мере, что набиваются до самого дна, ввиду чего понятна необходимость прочного устройства таких заграждений. От элеваторов к заводу дрова доставляются по железной дороге или на лошадях. Другой способ доставки, практикуемый в некоторых горных местностях (в Австрии), состоит в устройстве целой системы наклонных желобов, по которым дрова спускаются зимой. Желоба обмораживаются, и по слою льда дрова движутся иногда с огромной скоростью вниз. Тут на пути дров также устраиваются свои «станции», разветвления и проч. Понятно, что этот способ доставки может иметь только ограниченное применение. Наконец, доставка по переносным железн. дорогам, как в Америке, даже там не вызывает крупного центрального углежжения, а сводится к разбросанным группам печей, не более 12-ти в группе, иначе она, на дальние расстояния, обошлась бы слишком дорого.
Переугливание в кострах. Процесс такого переугливания хорошо разъясняется примерами горения отдельных кусков дерева, в том случае, когда огонь распространяется сверху вниз, и в обратном, т. е. когда распространение пламени направлено снизу вверх. В первом случае образующийся У. подвергается все время действию воздуха, во втором — его предохраняет от окисления ток газообразных продуктов горения. Понятно, что во втором случае У. получится более, чем в первом. Отсюда же уясняются и основные правила углежжения в кострах: 1) притекающий воздух не должен проходить по образовавшемуся У.; 2) продукты горения должны также миновать накаленный У., так как вода и углекислота, разлагаясь при сильном жаре, также сжигают У. Эти условия довольно удовлетворительно выполняются в кострах (кучах), где воздух движется снизу через дрова к горящей части, а продукты горения выходят по поверхностям раздела между У. и дровами к отдушинам. Последнее происходит потому, что полуобугленное дерево имеет более промежутков, чем У., уже спекшийся, с одной стороны, и дрова, плотно уложенные — с другой. Костры, по способу кладки дров, бывают стоячие, лежачие и средние, совмещающие оба способа кладки. Место кладки костра (ток) не должно быть ни очень сыро, ни сухо; его перекапывают для удаления камней, корней и дерна и выравнивают. Лучше, если почва суглинистая (рыхлый суглинок), а еще лучше, когда ток уже покрыт угольным мусором (старый ток), потому что на новом токе выжег на 15—20% менее, чем на старом. Иногда (Гарц) такой ток огораживают плетневым забором.
Стоячий костер. В центре будущего костра (фиг. 3) ставят кол или три доски с распорками, образующие трубу. В первом случае, от подошвы кола ведут горизонтальный канал, служащий для зажигания кучи, во втором (тирольский способ) — для этого служит труба. Поленья ставят стоймя, обыкновенно в два яруса, тщательно избегая пустот и больших промежутков; в верхней части поленья горизонтальны (чепец костра); кладку заканчивают, засыпая пустоты мусором, закладывая их мелкими полыньями, прутьями и проч., после чего делают покрышку костра, предохраняющую его от доступа воздуха. Она состоит из хвороста и дерна, обращенного травою к дровам. У основания костра остается непокрытая дерном зона в 4—8 вершков. Сверх дерна делается еще обкладка из песка, глинистой земли или, чаще всего, из смеси земли со смоченной угольной мелочью (осыпка, чернение). Покрышка на «чепце» делается толще для преграждения прохода воздуха; на боках она бывает 3—5 врш. Костры делают от 1½ до 8 саж. диаметром; у больших костров отношение поверхности к объему менее, чем у малых, и, след., менее и охлаждение. Поленья берут в 1½—3 арш. длины при толщине около 4 врш.; дрова должны быть зимней рубки, как лучше высыхающие; объем кучи бывает от 2 до 30 куб. саж. Невыгода больших костров та, что получаемый У. менее прочен и работа при них очень тяжела. Лучше всего костры от 10 до 15 куб. саж. Костер зажигается через трубу или через горизонтальный канал, но в обоих случаях горение идет от «чепца» к подошве, т. е. сверху вниз. Зажигание костра производится в безветренный день, так как первое время надзор за костром очень труден. Первое действие жара состоит в выделении воды из дров — костер «потеет», выделяет тяжелые желтовато-серые пары; иногда внутри костра образуется в этот период гремучая смесь и происходят взрывы; костер сильно оседает, покрышки разрываются, и чтоб он не вспыхнул, надо выровнять, пополнить костер (сняв покрышку), осадить обгоревшие места и вновь покрыть. Этот период длится иногда более недели (при больших кострах). Нижняя, открытая зона костра играет при этом роль регулятора процесса. Когда выходящие тут пары приобретут пригорелый кислый запах и светлый цвет, то закрывают и нижнюю часть костра и оставляют его так на 3—4 дня: в разгоревшемся костре идет в этот период углеобразование при сравнительно незначительном доступе воздуха; обугливается вся средняя часть кучи; эта обугленная середина имеет вид конуса, обращенного основанием кверху; поэтому, чтоб вызвать горение, у поверхности кучи пробивают по окружности ее отверстия (свищи) сначала у основания, а потом на середине высоты кучи (другой ряд). Иногда делают и 3-й ряд отверстий. Отверстия закрывают по мере появления слабого синеватого дыма и, регулируя таким образом горение, доводят операцию до конца. Куча в 9—15 куб. саж. требует 10—16 дней; охлаждение кучи (после забивки дерном всех отверстий) длится 1½—2 суток. Операция заканчивается разбиранием кучи, причем горящие еще У. забрасывают землей и заливают водой.
Лежачий костер (фиг. 4) делается от 3 до 5 арш. в ширину и от 3 до 6 саж. в длину; высота изменяется от 1 арш. у одного конца («подошва») до 6 арш. у другого («парус»). При горизонтальной кладке поленьев угля получается более, но процесс идет медленнее. Ширина костра равна длине обугливаемых плах (колод), причем для плотности кладки последние должны быть очень хорошего качества и, след., очень ценны. Ввиду этого, несмотря на то, что выход У. тут в 9/5 раза более, чем при стоячем костре, способ этот годен только там, где лес не имеет еще высокой цены (Россия, Швеция, Штирия). Управление огнем производится и тут помощью отверстий, пробиваемых постепенно от «подошвы» к «парусу». По мере обугливания, нижний конец (готовый У.) разбирают, тушат и вновь закрывают, пока костер не получится кубический, тогда выбирание У. прекращают и операцию заканчивают обычным образом, как для стоячих костров.
При очень тщательной работе костры могут дать до 26% У., но обыкновенно получают 15—17%; уход за костром и погода представляют два главных влияния, изменяющих выход У. При костровом углежжении ни дегтя, ни древесной кислоты не получается, что удорожает У.; ввиду этого были попытки собирать эти продукты путем усовершенствования этого способа, но серьезного значения они не имеют и в лучших случаях представляют только переходную форму к печному углежжению. Так, для собирания дегтя выкладывают ток кирпичом со скатами к середине, где делают углубление, а от него подземный канал к сборнику дегтя; при смолистом дереве 1 куб. саж. его дает от 3 до 10 пд. дегтя, или от 2 до 7%, при этом вся древесная кислота все-таки теряется. Чтобы видеть степень невыгодности такого способа, достаточно сравнить его с сухой перегонкой дерева в ретортах, причем получается в % на дерево:
| Дегтя | Угля | Древесной кислоты. | |
|---|---|---|---|
| Из ели | 13,66 | 21,65 | 41,4 |
| Из сосны | 11,91 | 21,65 | 42,37 |
| Из березы | 8,59 | 24,41 | 44,90 |
Практиковались приспособления и для собирания древесной кислоты (в виде воронок, приставленных к куче широким концом, с отводом к холодильнику из узкого), но в результате получалось только около 14% древесной кислоты в 2°.
Обугливание в ямах имеет в виду деготь, а не У. (Швеция, Россия, Китай); употребляется при этом смолистое дерево. Яма коническая, с подземным отводом дегтя; дерево помещается стоймя, покрышка дерновая.
Печное углежжение. Печи для выжигания У. можно разделить на три группы: 1) отапливаемые загруженным в них материалом (костровые), 2) имеющие отдельную топку, 3) камерные и ретортные, где продукты горения топок не приходят в непосредственное соприкосновение с обугливаемым материалом. Как пример костровых печей, может служить печь Соколовского, весьма распространенная на Урале (фиг. 5 и 6). Это кирпичная четырехугольная печь с цилиндрическим сводом, вместимостью на 2—3 куб. саж. Печь имеет два лаза, вверху и внизу (1 и 4), для загрузки и выгреба, и два ряда отдушин (5 — 5) у основания свода в самом низу для управления горением. Перед печью вырывают ров (2), где помещается рабочий перед особым отверстием (3) для зажигания печи. Вся она покрыта деревянным навесом. Из описания видно, что печь эта есть не что иное, как постоянная покрышка костра; переугливание ведется так же, как в кострах, и по способу кладки, и по манипуляции с отверстиями. Печь разжигают, после чего закрывают заслонками все отверстия, замазывают их глиной и оставляют открытыми только отдушины. Через 36 часов закрывают верхние отдушины, а еще через 36 час. и нижние. В качестве примера 2-й группы печей приведем печь Шварца (шведская) с отдельными топками (фиг. 7). Вместимость ее около 17 куб. саж.; она отапливается двумя или четырьмя топками, расположенными в самых стенах камеры; продукты горения поступают в печь по каналам с, с и обугливают дерево; продукты сухой перегонки по железным трубам g и е идут в резервуар f (деготь) и в холодильник h, а не сгустившиеся уходят далее в дымовую трубу. Третий тип печей — ретортные — употребляется только в том случае, когда главная цель переработки дерева — жидкие и газообразные продукты его перегонки, или когда необходимо получить У. специальных качеств (так назыв. печь Виолетта), напр., для приготовления пороха. Ввиду этого, многочисленные типы ретортных печей с вертикальными и горизонтальными ретортами из чугуна, железа и шамотной массы относятся до сухой перегонки дерева, что же касается собственно древесного У., получаемого в ретортах, то следует заметить, что по качествам он не уступает лучшему печному, а по количеству из кубической сажени дров в вертикальных ретортах получается около 15 куб. арш. У. или 55% объема; выход его по весу составляет 20%—22%. Остается упомянуть о попытках применить к углежжению шахтные печи с целью непрерывного (периодического) получения У. На опытной станции по углежжению в Златоусте испытывалась шахтная печь Попова. Нижняя часть шахты, отделенная заслонкою от верхней, назначалась для охлаждения У.; загрузка дров производилась сверху, управление огнем — отдушинами, находившимися выше нижней заслонки; сифонная тяга отводила продукты перегонки в холодильники, а не сгущаемые должны были идти на отопление паровиков и проч. Отодвигая заслонку, заставляли У. падать в нижнюю камеру, где он и охлаждался, а затем выгребался; в то же время сверху печь догружали дровами. Печь, основанная на подобных же началах, была поставлена еще на Сысертском заводе. Нельзя не отметить такого рода форму переугливания как наиболее рациональную, а вместе с тем и наименее распространенную.
У., полученные из печей и выжженный в кучах — костровый, по мнению многих, сравнивавших их для металлургических целей (на Уральских горных заводах), не тождественны. Одни находили преимущество в печном, другие — в кучном У.; несомненно только то, что печной У. менее вошел в обиход и потому менее изучен, но удобства, представляемые центральным углежжением (немыслимым без печей), несомненно, дают много шансов печному У. перед костровым. Различие в У. сказывается не только от способа выжига его, но даже просто от того, свеж ли У. или уже давно выжжен; предпочтение для доменной плавки дается лежалому У., что объясняется, вероятно, способностью У. поглощать кислород в своих порах (см. ниже).
Ср. А. А. Бунге, «Курс химич. технологии» (1894); Ильенков, «Курс химич. технол.» (1861, 2-е изд.); D-r Josef Bersch, «Die Verwertung des Holzes»; D-r Georg Themus, «Die Meiler und Retorten-Verkohlung»; Менделеев, «Уральская железная промышленность в 1899 г.».
Свойства древесного У. Древесный У. представляет пористую массу с раковистым изломом, сохраняющую структуру дерева. Хорошие сорта его блестящего черного цвета с синеватым отливом отличаются звонкостью при ударе и пронизаны по всем направлениям, а преимущественно радиальными трещинками. Этих трещин в нем обыкновенно тем больше, чем скорее велось обугливание, и такой У. менее плотен. Кажущаяся плотность древесного У. (т. е. вес единицы объема У., как он есть — со всеми заключающимися в нем порами, или так наз. иногда гравиметрическая плотность) зависит от сорта дерева: плотные породы дают и плотный У., мягкие — мягкий; кажущаяся плотность первого — от 0,20 до 0,24, второго — от 0,16 до 0,17; так, напр., по Гассенфрацу, 1 куб. м березового У. весит 203 кг, липового — 160 кг, елового — 176 кг, букового — 183—187 кг. Что касается истинной плотности древесного У., то она возрастает с температурой, как это видно из прилагаемой таблички (Виолетт).
| Температура обугливания |
Плотность угля |
Теплопроводн., если Fe = 100 |
100 ч. угля поглощают воды |
Воспламеняемость |
|---|---|---|---|---|
| 160° | 1,498 | 59,5 | 18,22 | — |
| 200 | 1,464 | 60,1 | 10,02 | — |
| 250 | 1,413 | 60,1 | 7,41 | — |
| 280 | 1,404 | — | 7,88 | — |
| 300 | 1,414 | 61,6 | 7,61 | 370° |
| 340 | 1,464 | — | 5,90 | — |
| 350 | 1,500 | — | 5,89 | — |
| 432 | 1,709 | — | 4,70 | 400° |
| 1023 | 1,841 | 64,2 | 4,68 | 600° до 800° |
| 1250 | 1,862 | 65,2 | 4,76 | |
| 1300 | — | — | 2 22 | |
| 1500 | 1,869 | 66,3 | 2,20 | |
| 1775 | 2,002 | — | — | 1250° |
До температуры 340° остаток накаливания есть только более или менее измененное дерево, что видно уже из того, что плотность его не возрастает, а уменьшается, т. е. идет разложение, не сопровождаемое еще спеканием — уплотнением остатка, которое и можно принять за характеристику остатка уже как У. Параллельно с увеличением плотности, а следовательно, и с температурой, уменьшается способность У. поглощать воду и его воспламеняемость и увеличивается теплопроводность.
По опытам Nau, У. из мягких пород дерева отличается значительно большей гигроскопичностью, чем У. твердых пород. Так, в воздухе, насыщенном водяными парами, по прошествии 24 час. 100 частей свежепрокаленного дубового У. поглотили 4,28 ч. воды, березового — 4,40 ч., кленового — 4,80 ч., соснового — 5,14 ч., ивового — 8,20 ч., елового — 8,90 ч., У. итальянского тополя — 8,50 ч., а черного тополя — 16,3 ч. Вообще же в среднем различные древесные У. (свежие) поглощают 7—12% (по весу) влажности и газов воздуха. Благодаря своей пористости древесный У. способен поглощать также и газы, и некоторые из них в весьма значительном количестве. Так, он, напр., поглощает почти равный своему весу вес хлора, или 490 его объемов (Мельсан). В след. табличке приведены поглощаемые древесным У. объемные количества других газов на 1 его объем:
| Буковый уголь Соссюр |
Кокосовый У. | ||
|---|---|---|---|
| Фавр | Гунтер | ||
| Аммиак | 90 | 178 | 171,7 |
| Хлороводород | 85 | 166 | — |
| Сернист. ангидрид | 65 | 165 | — |
| Сероводород | 55 | — | — |
| Закись азота | 40 | 99 | 70,5 |
| Этилен | 35 | — | 74,5 |
| Углекислота | 35 | 97 | 67,7 |
| Окись углерода | 9,4 | — | 21,2 |
| Кислород | 9,2 | — | 17,9 |
| Азот | 7,5 | — | 15,2 |
| Водород | 1,75 | — | 4,4 |
Количество поглощаемого У. газа возрастает с давлением (и ему приблизительно пропорционально) и уменьшается с повышением температуры (этими обстоятельствами, по-видимому, и обуславливаются разницы между данными разных исследователей, приведенными в таблице). Убыль с температурою количества поглощаемого газа неодинакова для различных газов, как это видно из следующего (Гунтер):
| 0° | 20° | 50° | 70° | |
| Аммиак | 175,7 | 148,6 | 96,0 | 82,6 |
| Циан | 113,7 | 107,0 | 96,2 | 88,2 |
При поглощении У. газов освобождается теплота в количестве, близком тому, которое выделяется при сжижении или растворении их. Свежеполученный У., вынутый на воздух и измельченный в порошок, через 24—30 час. так сильно разогревается от быстрого поглощения кислорода, что может самовоспламениться. По истечении 3 дней этого, однако, уже не происходит (Hargreaves). Древесный У. способен также поглощать из растворов красящие, пахучие и мн. др. вещества, что обуславливает применение его для очищения воды, обесцвечивания сахарных растворов (свекловичного сока) и различных др. экстрактов, освобождения спирта от сивушного масла и пр. Однако в этом отношении древесный У. значительно уступает костяному и др. видам животного У. (см. ниже).
- ↑ Напр., на Урале для горных заводов.
Приложение
править
1. Заплавни. 2. Запань. 3. Стоячий костер. 4. Лежачий костер. 5 и 6. Костровая печь Соколовского в разрезе и в плане. 7. Печь Шварца.