Древесный уголь — это легкий черный углеродный остаток, получаемый в результате сильного нагревания древесины (или других материалов животного и растительного происхождения ) в минимальном количестве кислорода для удаления всей воды и летучих компонентов. В традиционной версии этого процесса пиролиза , называемой сжиганием древесного угля, часто путем формирования угольной печи , тепло подается за счет сжигания части самого исходного материала с ограниченным запасом кислорода . Материал также можно нагревать в закрытой реторте . Современные «угольные» брикеты , используемые для приготовления пищи на открытом воздухе, могут содержать множество других добавок, например, уголь .
Этот процесс происходит естественным путем, когда сгорание неполное, и иногда используется при радиоуглеродном датировании . Это также происходит случайно при горении дров, например, в камине или дровяной печи . Видимое пламя в них возникает в результате сгорания летучих газов, выделяющихся при превращении древесины в древесный уголь. Сажа и дым , обычно выделяющиеся при пожаре древесины, возникают в результате неполного сгорания этих летучих веществ. Древесный уголь горит при более высокой температуре, чем дерево, с едва видимым пламенем и почти ничего не выделяет, кроме тепла , воды и углекислого газа .
Производство древесного угля в местах, где много древесины, восходит к древним временам. Обычно все начинается с укладки деревянных заготовок на их концах в коническую кучу. Внизу оставлены отверстия для поступления воздуха , а центральная шахта служит дымоходом . Вся куча засыпается дерном или увлажненной глиной . Горение начинается внизу дымохода и постепенно распространяется наружу и вверх. Успех операции зависит от скорости горения . В средних условиях древесина дает около 60% древесного угля по объему или 25% по весу ; [1] методы мелкомасштабного производства часто дают только около 50% по объему, в то время как крупномасштабные методы позволили получить более высокую урожайность - около 90% к 17 веку.
Эта операция настолько деликатна, что ее обычно доверяли угольщикам (профессиональным угольщикам). Они часто жили одни в маленьких хижинах, ухаживая за своими дровами. Например, в горах Гарц в Германии угольщики жили в конических хижинах под названием Кётен , которые сохранились до наших дней. [ когда? ]
Массовое производство древесного угля (на его пике были заняты сотни тысяч человек, в основном в альпийских и соседних лесах) было основной причиной вырубки лесов , особенно в Центральной Европе . [2] [ когда? ] В Англии многие леса использовались как поросли , которые циклически вырубались и вновь выращивались, так что был доступен постоянный запас древесного угля. Жалобы (еще во времена Стюартов ) на нехватку могут быть связаны с результатами временной чрезмерной эксплуатации или невозможностью увеличения производства для удовлетворения растущего спроса. Растущая нехватка легко заготавливаемой древесины стала основным фактором перехода на эквиваленты ископаемого топлива , в основном на уголь и бурый уголь для промышленного использования.
Современный процесс карбонизации древесины, либо небольшими кусочками, либо в виде опилок в чугунных ретортах , широко практикуется там, где древесины мало, а также для восстановления ценных побочных продуктов ( древесного спирта , пиролиновой кислоты , древесной смолы ), которые позволяет этот процесс. . Важен вопрос о температуре карбонизации ; По мнению Дж. Перси, древесина становится коричневой при 220 °C (430 °F), насыщенно-коричнево-черной через некоторое время при 280 °C (540 °F) и легко измельчаемой массой при 310 °C (590 °F). ). Древесный уголь, приготовленный при 300 °C (570 °F), коричневый, мягкий и рыхлый и легко воспламеняется при 380 °C (720 °F); изготовленный при более высоких температурах, он твердый и хрупкий и не воспламеняется, пока не нагреется примерно до 700 ° C (1300 ° F). [1] [3]
В Финляндии и Скандинавии древесный уголь считался побочным продуктом производства древесной смолы. Лучшая смола получалась из сосны , поэтому сосновые леса вырубали для пиролиза смолы . Остаточный древесный уголь широко использовался в качестве заменителя металлургического кокса в доменных печах при плавке . Производство смолы привело к быстрой вырубке местных лесов. Прекращение производства смолы в конце 19 века привело к быстрому восстановлению лесов на пострадавших территориях.
Американская форма древесноугольного брикета была впервые изобретена и запатентована Эллсуортом Б.А. Звойером из Пенсильвании в 1897 году [4] и производилась компанией Zwoyer Fuel Company. Этот процесс был популяризирован Генри Фордом , который использовал в качестве сырья древесину и опилки, побочные продукты автомобильного производства . Ford Charcoal впоследствии стал Kingsford Company .
Древесный уголь получают разными способами. В традиционном методе в Британии использовался зажим . [5] По сути, это куча деревянных бревен (например, выдержанного дуба), прислоненных по кругу к дымоходу. Дымоход состоит из 4 деревянных кольев, удерживаемых веревкой. Бревна полностью покрыты землей и соломой, не допуская проникновения воздуха. Его необходимо зажечь, введя в дымоход немного горящего топлива; поленья горят медленно и превращаются в древесный уголь в течение 5 дней. Если почвенный покров порвался или растрескался в результате пожара, в трещины насыпают дополнительный грунт. После завершения горения дымоход заглушают, чтобы предотвратить попадание воздуха. Настоящее искусство этого метода производства заключается в обеспечении достаточного выделения тепла за счет сжигания части древесного материала и его передачи древесным частям в процессе карбонизации. Сильным недостатком этого способа производства является огромное количество вредных для здоровья человека и окружающей среды выбросов (выбросы несгоревшего метана). [6] В результате частичного сгорания древесного материала эффективность традиционного метода низкая.
В современных методах используется технология реторты, при которой технологическое тепло извлекается и обеспечивается исключительно за счет сгорания газа, выделяющегося при карбонизации. [7] Выход при автоклавировании значительно выше, чем при обжиге, и может достигать 35-40%.
Свойства получаемого древесного угля зависят от обугленного материала. Температура обугливания также важна. Древесный уголь содержит различное количество водорода и кислорода, а также золы и других примесей, которые вместе со структурой определяют его свойства. Примерный состав древесного угля для порохов иногда эмпирически описывается как C 7 H 4 O. Для получения угля высокой чистоты исходный материал должен быть свободен от нелетучих соединений.
Древесный уголь получают в виде остатка деструктивной перегонки древесины, в результате чего образуются следующие продукты:
Древесный уголь использовался с древнейших времен для самых разных целей, включая искусство и медицину, но, безусловно, его наиболее важным применением было металлургическое топливо. Древесный уголь — традиционное топливо для кузнечного горна и других применений, где требуется сильный нагрев. Древесный уголь также исторически использовался в качестве источника черного пигмента путем его измельчения. В этой форме древесный уголь был важен для первых химиков и входил в состав смесей, таких как черный порох . Благодаря большой площади поверхности древесный уголь можно использовать и как фильтр, и как катализатор , и как адсорбент.
Древесный уголь горит при температуре, превышающей 1100 градусов по Цельсию (2010 градусов по Фаренгейту). [9] Для сравнения, температура плавления железа составляет примерно от 1200 до 1550 ° C (от 2190 до 2820 ° F). Из-за своей пористости он чувствителен к потоку воздуха, и выделяемое тепло можно уменьшить, контролируя приток воздуха к огню. По этой причине древесный уголь до сих пор широко используется кузнецами. Древесный уголь использовался для производства железа со времен Римской империи и стали в наше время, где он также давал необходимый углерод. Угольные брикеты могут гореть примерно до 1260 ° C (2300 ° F) в кузне с принудительной обдувкой. [10]
В 16 веке Англии пришлось принять законы, предотвращающие полное лишение страны деревьев из-за производства железа. [ нужна цитата ] В 19 веке древесный уголь был в значительной степени заменен коксом при производстве стали из-за его стоимости, хотя кокс обычно добавляет в чугун серу, а иногда и другие вредные примеси. Лесные металлургические регионы, лишенные угля, такие как Швеция, Урал или Сибирь, перешли от древесного угля в начале 20 века.
Исторически древесный уголь использовался в больших количествах для выплавки железа в цветочных заводах , а затем в доменных печах и кузницах для украшения . Это использование было заменено углем в 19 веке в рамках промышленной революции .
До промышленной революции древесный уголь иногда использовался в качестве топлива для приготовления пищи . Оно считается бездымным топливом ; то есть углерод достаточно чистый, поэтому его сжигание вызывает значительно меньше загрязнения воздуха, чем сжигание исходного некарбонизированного органического материала. В 20-м веке законодательство о чистоте воздуха требовало использования бездымного топлива (в основном кокс или древесный уголь) во многих регионах Европы. В 21 веке древесный уголь пропагандируется как способ улучшить здоровье людей, сжигающих сырую биомассу для приготовления пищи и/или отопления. Современные «угольные» брикеты, широко используемые для приготовления пищи на открытом воздухе, изготавливаются из древесного угля, но могут также включать уголь в качестве источника энергии, а также ускорители, связующие и наполнитель.
Чтобы хранить древесный уголь и использовать его для приготовления пищи, можно использовать гриль для барбекю . Небольшой японский угольный гриль известен как ситирин . Мангал – это емкость, используемая для сжигания древесного угля или другого твердого топлива .
Зажечь уголь сложнее, чем разжечь дрова, поэтому можно использовать жидкость для розжига древесного угля . Стартер для дымохода или электрический стартер для угля — это инструменты, помогающие разжечь древесный уголь.
Примерно 75% топлива, сжигаемого на Гаити , составляет древесный уголь. [11]
Определенные типы древесного угля, такие как древесный уголь, используются для восстановления нагретых оксидов металлов до соответствующих металлов: [ нужна ссылка ]
Древесный уголь также можно использовать для восстановления перегретого пара до водорода (наряду с образованием окиси углерода): [ нужна ссылка ]
Как и многие другие источники углерода, древесный уголь можно использовать для производства различных композиций синтез-газа ; т.е. различные смеси CO + H 2 + CO 2 + N 2 . Сингаз обычно используется в качестве топлива, в том числе для автомобильных двигателей, или в качестве химического сырья.
Во времена нехватки нефти автомобили и даже автобусы были переоборудованы для сжигания древесного газа: газовой смеси, состоящей в основном из разбавляющего атмосферного азота , но также содержащей горючие газы (в основном угарный газ ), выделяющиеся при сжигании древесного угля или древесины в генераторе древесного газа . В 1931 году Тан Чжунмин разработал автомобиль, работающий на древесном угле, и эти автомобили были популярны в Китае до 1950-х годов, а также в оккупированной Франции во время Второй мировой войны , где их называли газогенами .
Древесный уголь используется при производстве черного пороха , который широко применяется при производстве фейерверков. Обычно его измельчают в мелкий порошок, при этом сорт с воздушным флотированием является самым мелким размером частиц, доступным на рынке. При использовании в композициях черного пороха его часто измельчают в шаровой мельнице с другими ингредиентами, чтобы они тщательно смешивались друг с другом. Некоторые виды угля работают лучше при производстве черного пороха; к ним относятся, среди прочего, ель, ива, павловния и виноградная лоза. [ нужна цитация ] Древесный уголь дает мелкие темно-оранжевые/золотые искры . Обычно порошок размером ячеек от 10 до 325 используют для получения ливней золотых искр в пиротехнических составах. [12]
Древесный уголь также входит в состав многих косметических продуктов. [13] Его можно изготовить из обычного бамбука, нарезанного на мелкие кусочки и прокипяченного в воде для удаления растворимых соединений. [13] Необработанный бамбуковый уголь получают после сушки и карбонизации в печи при повышенной температуре. [13] Роль древесного угля в косметике основана на его высокоэффективных абсорбирующих свойствах на микроскопическом уровне. [13]
Древесный уголь может использоваться в качестве источника углерода в химических реакциях. Одним из примеров этого является производство сероуглерода путем реакции паров серы с горячим углем. В этом случае древесину следует обуглить при высокой температуре, чтобы уменьшить остаточные количества водорода и кислорода, приводящие к побочным реакциям.
Уголь можно активировать , чтобы повысить его эффективность в качестве фильтра. Активированный уголь легко адсорбирует широкий спектр органических соединений, растворенных или взвешенных в газах и жидкостях. В некоторых промышленных процессах, таких как очистка сахарозы от тростникового сахара, примеси вызывают нежелательный цвет, который можно удалить с помощью активированного угля. Он также используется для поглощения запахов и токсинов в газообразных растворах, например, в домашних очистителях воздуха и некоторых типах противогазов . Медицинское применение активированного угля заключается в основном в поглощении ядов . [14] Активированный уголь продается без рецепта, поэтому он используется для различных целей, связанных со здоровьем. Например, его часто используют для уменьшения дискомфорта и смущения из-за избыточного газа ( метеоризма ) в пищеварительном тракте. [15]
Животный уголь или костяная сажа представляет собой углеродистый остаток, получаемый при сухой перегонке костей. Он содержит только около 10% углерода, остальное составляют фосфаты кальция и магния (80%) и другие неорганические материалы, изначально присутствующие в костях. Обычно его производят из отходов, полученных при производстве клея и желатина . Его отбеливающая способность была применена в 1812 году Деросном для осветления сахарного сиропа , но сейчас его использование в этом направлении значительно сократилось. Сегодня его редко используют для этой цели из-за введения более активных и легко управляемых реагентов, но в некоторой степени он все еще применяется в лабораторной практике. Отбеливающее действие древесного угля в растворе уменьшается, поскольку он адсорбирует цветные загрязнения, и его необходимо периодически реактивировать путем отдельной промывки и повторного нагревания. [1] Хотя древесный уголь эффективно удаляет некоторые пигменты и загрязнения из растворов, костный уголь, как правило, более эффективен в качестве адсорбционного фильтра из-за его повышенной пористости и площади поверхности. [ нужна цитата ]
Уголь используется для рисования , создания черновых набросков в живописи и является одним из возможных материалов для создания парсемажа . Обычно его необходимо сохранить с помощью фиксатора . Художники обычно используют древесный уголь в четырех формах:
Недавно было открыто еще одно применение древесного угля в садоводстве . Хотя американские садовники в течение короткого времени использовали древесный уголь, исследования почв Terra preta в Амазонии обнаружили широкое использование биоугля аборигенами доколумбовой эпохи для превращения непродуктивной почвы в почву, богатую углеродом . Этот метод может найти современное применение как для улучшения почв, так и в качестве средства связывания углерода . [17]
Древесный уголь смешивают с кормом, добавляют в подстилку или используют для обработки навоза . [18] Использование древесного угля таким образом приносит пользу птицеводству. [19] [20]
Опасения по поводу того, что активированный уголь может использоваться недобросовестно, чтобы позволить скоту переносить корм низкого качества, загрязненный афлатоксинами, привели к тому, что Ассоциация американских чиновников по контролю за кормами запретила в 2012 году его использование в коммерческих кормах для скота. [21]
Раньше древесный уголь в виде угольного печенья употребляли при проблемах с желудком. Теперь его можно употреблять в форме таблеток, капсул или порошка для улучшения пищеварения. [22] Исследования относительно его эффективности противоречивы. [23]
Древесный уголь использовался в сочетании с сахарином в исследованиях для измерения времени мукоцилиарного транспорта. [24]
Древесный уголь также включается в составы зубных паст ; однако нет никаких доказательств, позволяющих определить его безопасность и эффективность. [25]
В Африке были замечены красные обезьяны-колобусы, поедающие древесный уголь в целях самолечения. Поскольку их листовая диета содержит высокий уровень цианида , который может привести к расстройству желудка, они научились потреблять древесный уголь, который поглощает цианид и облегчает дискомфорт. Эти знания передаются от матери к младенцу. [26]
Производство и использование древесного угля, как и любое использование древесной биомассы в качестве топлива, обычно приводит к выбросам и может способствовать вырубке лесов.
Использование древесного угля в качестве топлива для плавки в Южной Америке возрождается, что приводит к серьезным экологическим, социальным и медицинским проблемам. [27] [28] Производство древесного угля на субпромышленном уровне является одной из причин вырубки лесов. Производство древесного угля в настоящее время обычно является незаконным и почти всегда нерегулируемым, как, например, в Бразилии , где производство древесного угля является крупной нелегальной отраслью производства чугуна . [29] [30] [31]
Массовое уничтожение лесов было зарегистрировано в таких районах, как национальный парк Вирунга в Демократической Республике Конго , где оно считается основной угрозой выживанию горных горилл. [32] Аналогичные угрозы наблюдаются в Замбии . [33] В Малави в незаконной торговле древесным углем занято 92 800 рабочих, и он является основным источником тепла и топлива для приготовления пищи для 90 процентов населения страны. [34] Некоторые эксперты, такие как Дункан МакКуин, главный исследователь группы лесного хозяйства Международного института окружающей среды и развития (IIED) , утверждают, что, хотя незаконное производство древесного угля приводит к вырубке лесов, регулируемая угольная промышленность требует пересадки и устойчивого использования лесов « даст их людям чистую и эффективную энергию, а их энергетическим отраслям — сильное конкурентное преимущество». [34]
Недавние оценки импорта древесного угля в Европу показали, что многие изделия из древесного угля производятся из тропической древесины, часто необъявленного происхождения. В ходе анализа древесного угля для барбекю, продаваемого в Германии, Всемирный фонд дикой природы обнаружил, что большинство продуктов содержат тропическую древесину. В качестве заметного исключения можно упомянуть импорт древесного угля для барбекю из Намибии , где древесный уголь обычно производится из избыточной биомассы, образующейся в результате вторжения кустарников . [35] [36] Незаконный оборот древесного угля в Сомали является экономической и экологической проблемой, имеющей серьезные последствия для региональной безопасности. [37]
Последняя часть фильма Le Quattro Volte (2010) представляет собой хорошее и длинное, хотя и поэтичное, описание традиционного метода изготовления древесного угля. [38] Детский сериал Артура Рэнсома «Ласточки и амазонки» (особенно вторая книга, «Ласточка ») представляет собой тщательно нарисованные эпизоды из жизни и техники работы угольщиков в начале 20-го века в Озерном крае Великобритании. Опера Антонина Дворжака «Король и угольщик» основана на чешской легенде о короле, который заблудился в лесу и был спасен угольщиком.
{{cite web}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )