Як відбувається піроліз під час горіння деревини

Піроліз завжди супроводжує горіння деревини та іншого твердого палива в печах і котлах. Масштаб процесу залежить від двох чинників – режиму спалювання та конструкції опалювального агрегата. Пропонуємо детально розглянути піроліз деревини і кам’яного вугілля, варіанти його застосування в промислових та побутових умовах. Мета – розвіяти міфи, придумані продавцями і кустарними виробниками дорогого «піролізного» обладнання, призначеного для обігріву приватних будинків.

Що таке піроліз – опис процесу

Теоретично можна спалити будь-яку речовину, що містить сполуки вуглецю з воднем, наприклад:

• вугілля;
• природний газ (метан, пропан і так далі);
• біомаса – свіжа чи суха;
• вироби з дерева, целюлози, звичайні дрова;
• різні види пластмас;
• гума з натурального або штучного каучуку;
• нафта, її похідні;
• різноманітні відходи.

На виході отримуємо певну кількість теплової енергії, яка залежить від початкової вологості спалюваної маси. Для опису процесів скористаємося хімічною формулою:

Горіння – це реакція швидкого окислення. В ідеальних умовах кожен атом вуглецю з’єднується з двома частинками кисню, а 2 атоми водню взаємодіють з 1 часткою кисню. В результаті утворюються нешкідливі сполуки – вуглекислий газ СО₂ і вода. Остання випаровується від нагрівання, поглинаючи долю виділеної теплоти.

Важливий момент. В реальних умовах далеко не всі атоми водню і вуглецю знаходять собі пару через нестачу молекул кисню. Тому до складу продуктів горіння входить невелика частка шкідливих горючих сполук – чадний газ (СО), вільний водень (Н₂) та вуглець у вигляді сажі.

Піроліз – це реакція термічного розкладання деревини або іншої речовини, що протікає під час нагрівання в умовах нестачі кисню. Цей принцип використовується в газогенераторних установках:

1. Паливо (зокрема, дерево) поміщають у закритий металевий резервуар – реактор.
2. Ємність підігрівається ззовні до 500…900 градусів, крізь спеціальні отвори – фурми подається дозована кількість повітря.
3. Під впливом високої температури речовина розкладається на 3 основних компоненти – чадний газ (СО), водень (Н₂) і твердий або рідкий вуглецевий залишок. Паралельно утворюється невелика кількість вуглекислого газу і водяної пари.
4. Летючі продукти реакції складають піролізний газ – горючу суміш водню й окису вуглецю, яка виходить з ємності по окремій трубі. Виділене газоподібне паливо очищується, охолоджується, потім закачується у резервуар.

Довідка. В умовах виробництва отриманий синтез-газ направляється на підігрів реактора піролізної установки.

Горіння і піроліз – 2 різні процеси, що можуть протікати одночасно. Приклад: під час інтенсивного горіння дров у топці котла утворюється невеликий об’єм чадного газу, нешкідливого СО₂ значно більше. І навпаки, в режимі тління дрова виділяють багато водню і чаду, частина якого встигає перетворитися на СО₂ – окислитися. Тобто, все залежить від кількості кисню, що бере участь в реакції.

Вплив підвищеної вологості

Великий вміст вологи у сировині однаково згубно впливає на реакції горіння та піролізу. Розглянемо процеси на прикладі спалювання деревини:

1. Виділена під час горіння теплота витрачається на випаровування води, що міститься в дровах. Кількість теплової енергії на виході істотно зменшується, паливо спалюється марно.
2. Волога сильно уповільнює термічний розклад речовини. Оскільки певна доля тепла витрачається на випарування замість підігріву, потрібна температура (мінімум 500 °C) не досягається. Піроліз деревини, яка містить понад 50% вологи, практично неможливий.

Кращий показник вологості для плідного спалювання або розкладання деревини у газогенераторі – 8…15%. В домашніх умовах неможливо домогтися таких показників, тривала сушка дров під навісом дозволяє досягти лише 20–25% вологості.

Довідка. Перед виготовленням паливних брикетів і пелет на заводі деревна тирса висушується до 8–10%. Максимальна вологість готових гранул – 15%.

Де використовується термічне розкладання

Сфера застосування піролітичних процесів досить широка:

1. Виробництво пропілену та етилену для хімічної промисловості шляхом переробки рідкої вуглеводневої сировини (нафти).
2. Отримання деревного вугілля методом безкисневого розкладання відходів деревообробки (так звана суха перегонка).
3. Той самий технологічний процес, але з обмеженою подачею повітря дозволяє виробляти з дерева горючий синтез-газ – суміш метану, водню, чадного газу та нейтрального азоту.
4. Піроліз вугілля – бурого і кам’яного – цілий напрям переробки. Отримувані сполуки – синтетичний бензин, кокс, аміак, кам’яновугільна смола. З останньої добувають толуол, бензол, нафталін та різні феноли, що використовуються в хімічній промисловості.
5. Нові розробки – комерційна утилізація твердих побутових відходів, автомобільних шин, пластмас, органіки.

Примітка. Тут перелічені найвідоміші способи застосування реакції піролізу. Насправді варіантів використання набагато більше. Вікіпедія стверджує – піролізні процеси ще не вивчені до кінця, багато проектів перебуває в стадії розробки.

Для термічного розкладання в промисловості використовуються піролізні печі та різноманітні реактори. Вище на схемі показана газогенераторна установка, яка перетворює деревні відходи і тирсу на газоподібне паливо. Головну роль грає реактор прямого процесу сухої перегонки, де підготовлена ​​сировина переробляється в синтез-газ шляхом повільного спалювання.

Важливий нюанс. Перед завантаженням в піролізну піч або газогенератор деревина завжди подрібнюється і просушується до вологості 10…15%.

В промисловій хімії також використовується технологія швидкого піролізу, коли реактор розігрівається до температури 700…900 °C протягом малого проміжку часу. Ціль –  збільшення продуктивності обладнання і прискорення переробки.

Застосування в побуті

На побутовому рівні піроліз допомагає вирішити такі задачі:

• очищення духовки чи жаровні від липких жирових відкладень, які не можна видалити механічним способом;
• отримання деревного вугілля;
• опалення приватного будинку за допомогою піролізного твердопаливного котла.

Кращий спосіб вичистити сковороду – помістити її в духову шафу, встановити температуру 200…250 °C і витримати протягом 30 хвилин. Без доступу кисню станеться деструкція відкладень, лишиться тільки попіл, а піролізні гази забере кухонна витяжка.

Довідка. Існують моделі духових шаф із вбудованою функцією піролітичного очищення. Після закінчення «підсмажування» треба лише протерти внутрішні поверхні і викинути рештки золи.

Деревне вугілля застосовується для смаження барбекю, ковальської справи та екзотичних цілей – заправки автомобільного газогенератора (як він працює, читаємо в окремому матеріалі). Спосіб отримання вугілля – випалювання деревних відходів у закритій ємності, тобто, повільний піроліз.

Доцільність покупки і експлуатації піролізних котлів – питання досить спірне. Навіть деякі продавці, що представляють опалювальне газогенераторне обладнання на відомій виставці «Акватерм», нездатні толком пояснити, що ж таке піроліз. Не вірите – подивіться відео:

Пропонуємо детально розібрати проблеми, пов’язані з піролізними дров’яними котлами.

Міфи про піролізні ТП-котли

Головна конструктивна відмінність газогенераторного опалювача від традиційного котла прямого горіння – 2 камери замість однієї. Між обома топками встановлена керамічна форсунка, повітря примусово нагнітається вентилятором. Металеві стінки піролізного агрегата захищені футеровкою з вогнетривкої цегли. Як він працює:

1. Дрова чи вугілля закладаються у верхню (первинну) камеру і підпалюються.
2. Автоматика запускає вентилятор наддуву.
3. Коли температура у топці підвищується до 500 градусів, починається виділення піролізних газів.
4. Підхоплені потоком продуктів горіння, ці леткі сполуки потрапляють до нижньої вторинної камери, там гази допалюються в присутності кисню (нібито).

Насправді, утворений синтез-газ починає горіти ще в первинної топці, оскільки вентилятор подає надлишкове повітря. В другу камеру спрямований лише факел полум’я…і все. Далі продукти горіння рухаються жаровими трубами теплообмінника, нагрівають теплоносій та вилітають у димохід.

Доповнення. Є інша конструкція опалювачів – без вентилятора, вторинна камера розташована вгорі. З точки зору піролізу концепція непрацездатна, агрегат функціонує як звичайний водогрійний котел на дровах, хоча коштує вдвічі дорожче за класичні аналоги.

Прихильники піролізних теплогенераторів (до таких належать виробники цього обладнання, продавці й домашні майстри-умільці) приписують своїм котлам наступні переваги:

• паливо спалюється повністю, залишок в зольнику практично нульовий;
• тривалість горіння – щонайменше 10 годин;
• мала кількість шкідливих викидів у атмосферу;
• висока економічність за рахунок ККД 86…90% (показники виробників) порівняно з традиційними котлами з ефективністю 75%.

Спробуємо розібратися в правдивості цих тверджень. Момент перший: якщо топку завантажувати сухими дровами (а цього вимагає інструкція з експлуатації теплогенератора), то після спалювання лишиться дрібний попіл. Створений вентилятором і прискорений форсункою повітряний потік легко видуватиме цей залишок в димохід.

Результат – майже порожній зольник, ілюзія повноти згоряння. Якщо закласти суху деревину у звичайний ТТ-котел з турбонаддувом, отримаєте аналогічний залишок – трохи попелу на дні. Тобто, повнота спалювання залежить від якості палива, а не конструкції теплогенератора.

Зауваження. Закладка сирих дров вологістю понад 50% дасть негативний результат в будь-якому котлі. Розглядати такий варіант безглуздо.

Коротко дамо відповіді на решту тверджень:

1. Тривалість горіння 10–12 годин відповідає дійсності. Інша справа, що показник досягається за рахунок розмірів паливної камери (100 літрів і більше), куди поміщається багато дров. Піроліз абсолютно ні при чому.
2. Запевнення про екологічність котла правдиві. Вентилятор нагнітає повітря з надлишком, токсичних газів утворюється дуже мало. В режимі очікування кисень в топку не надходить, дрова повільно тліють, тому кількість шкідливих виділень збільшується.
3. ККД котла 90% – казочки. В режимі активного горіння принцип роботи котла не відрізняється від турбо версій традиційних агрегатів, а їх ефективність становить 75%. Після зупинки вентилятора полум’я загасає, тліюче вугілля виділяє дуже мало теплоти.

Висновок. Придбання газогенераторної моделі твердопаливного котла – рішення досить сумнівне. Агрегат втричі дорожчий за звичайні опалювачі та вдвічі важчий через футерування. Саморобні котли дещо надійніші та дешевші заводських, але надто громіздкі. За економічністю та іншими характеристиками вони анітрохи не виграють у класичних ТТ-котлів з турбіною чи ланцюговим регулятором тяги.

Нашу думку підтвердить відомий експерт-практик у своєму відеоролику:

Заключний висновок

В цілому піроліз – явище доволі корисне, воно широко застосовується в промисловій хімії. На побутовому ж рівні піролітичним процеси використовуються нечасто, хоча генерація горючих газів відбувається у будь-якій дров’яній печі та котлі. Тому що купувати дорогі піролізні моделі безглуздо.