Древесный уголь — это легкий черный углеродный остаток, получаемый путем сильного нагревания древесины (или других животных и растительных материалов) в минимальном количестве кислорода для удаления всей воды и летучих компонентов. В традиционной версии этого процесса пиролиза , называемого сжиганием древесного угля, часто путем формирования угольной печи , тепло подается путем 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 много других добавок, например, уголь .
История производства древесного угля уходит корнями в древние времена, уходящие корнями в обилие древесины в различных регионах. Процесс обычно включает в себя укладку древесных чушек в коническую кучу, позволяя воздуху поступать через отверстия в нижней части, и постепенное поджигание кучи. Углевыжигатели, опытные специалисты, которым поручено управлять этой деликатной операцией, часто жили в изоляции, чтобы ухаживать за своими кучами древесины. На протяжении всей истории обширное производство древесного угля вносило значительный вклад в вырубку лесов, особенно в таких регионах, как Центральная Европа. Однако различные методы управления, такие как порослевая рубка , были направлены на поддержание постоянного запаса древесины для производства древесного угля. Дефицит легкодоступных древесных ресурсов в конечном итоге привел к переходу на эквиваленты ископаемого топлива, такие как уголь.
Современные методы производства древесного угля включают карбонизацию древесины в ретортах, что обеспечивает более высокую эффективность по сравнению с традиционными методами обжига. Свойства древесного угля зависят от таких факторов, как обугливаемый материал и температура карбонизации.
Древесный уголь находит разнообразное применение, включая металлургическое топливо в производстве чугуна и стали, промышленное топливо, топливо для приготовления пищи и отопления, восстановитель в химических процессах и сырье в пиротехнике. Он также используется в косметике, садоводстве, животноводстве, медицине и усилиях по обеспечению экологической устойчивости, таких как связывание углерода.
Однако производство и использование древесного угля может иметь неблагоприятные экологические последствия, включая вырубку лесов и выбросы. Незаконное и нерегулируемое производство древесного угля, особенно в таких регионах, как Южная Америка и Африка, создает значительные проблемы для усилий по сохранению окружающей среды.
Производство древесного угля в местах, где было много леса, восходит к древним временам. Обычно оно начиналось с укладки бревен на концах, чтобы сформировать коническую кучу. Внизу оставлялись отверстия для поступления воздуха , а центральная шахта служила дымоходом . Вся куча была покрыта дерном или увлажненной глиной . Обжиг начинался в нижней части дымохода, и огонь постепенно распространялся наружу и вверх.
Традиционный метод в Британии использовал кучу угля или зажим . [1] По сути, это была куча деревянных бревен (например, выдержанного дуба), прислоненных по кругу к дымоходу. Дымоход состоял из 4 деревянных кольев, удерживаемых веревкой. В зажиме бревна также были полностью покрыты землей и соломой, не допуская попадания воздуха. Его нужно было разжечь, введя в дымоход немного горящего топлива. Бревна сгорали медленно и превращались в уголь в течение 5 дней. Если почвенное покрытие разрывалось или трескалось от огня, в трещины помещали дополнительную землю. После завершения горения дымоход затыкали, чтобы предотвратить попадание воздуха.
Настоящее искусство этого метода производства заключалось в управлении достаточным выделением тепла путем сжигания части древесного материала и передаче тепла древесине в процессе ее карбонизации. Операция была настолько деликатной, что ее обычно поручали угольщикам (профессиональным углежогам). Они часто жили в одиночку в небольших хижинах, чтобы ухаживать за своими штабелями дров. Например, в горах Гарц в Германии углежоги жили в конических хижинах, называемых Köten, которые существуют и по сей день. [ когда? ]
Успех операции зависит от скорости сгорания . При средних условиях древесина дает около 60% древесного угля по объему или 25% по весу ; [2] мелкомасштабные методы производства часто дают только около 50% по объему, в то время как крупномасштабные методы позволили достичь более высоких выходов около 90% к 17 веку. Серьезным недостатком этого метода производства является огромное количество выбросов, вредных для здоровья человека и окружающей среды (выбросы несгоревшего метана). [3] В результате частичного сгорания древесного материала эффективность традиционного метода низкая.
Массовое производство древесного угля (на пике своего развития, когда были заняты сотни тысяч человек, в основном в альпийских и соседних лесах) было основной причиной вырубки лесов , особенно в Центральной Европе . [4] [ когда? ] Жалобы (еще в период Стюартов ) на нехватку могут быть вызваны чрезмерной эксплуатацией или невозможностью увеличения производства для удовлетворения растущего спроса. В Англии многие леса управлялись как подлески , которые циклически вырубались и вырастали заново, так что был доступен постоянный запас древесного угля. Но растущий дефицит легко заготавливаемой древесины стал основным фактором перехода на эквиваленты ископаемого топлива , в основном уголь и бурый уголь для промышленного использования.
В Финляндии и Скандинавии древесный уголь считался побочным продуктом производства древесной смолы. Лучшая смола получалась из сосны , поэтому сосновые леса вырубались для пиролиза смолы . Остаточный древесный уголь широко использовался в качестве заменителя металлургического кокса в доменных печах для плавки . Производство смолы привело к быстрой местной вырубке лесов. Прекращение производства смолы в конце 19 века привело к быстрому лесовосстановлению пострадавших территорий.
Американская форма древесноугольного брикета была впервые изобретена и запатентована Эллсвортом Б. А. Цвойером из Пенсильвании в 1897 году [5] и производилась компанией Zwoyer Fuel Company. Процесс был популяризирован Генри Фордом , который использовал в качестве сырья древесину и опилки, побочные продукты производства автомобилей . Ford Charcoal впоследствии стала компанией Kingsford Company .
Современный процесс карбонизации древесины, либо небольшими кусками, либо в виде опилок в чугунных ретортах , широко практикуется там, где древесины мало, а также для извлечения ценных побочных продуктов ( древесного спирта , пиролиновой кислоты , древесной смолы ), которые позволяет этот процесс. Важен вопрос температуры карбонизации ; по словам Дж. Перси, древесина становится коричневой при 220 °C (430 °F), глубокой коричнево-черной через некоторое время при 280 °C (540 °F) и легко порошкообразной массой при 310 °C (590 °F). Древесный уголь, полученный при 300 °C (570 °F), коричневый, мягкий и рыхлый, и легко воспламеняется при 380 °C (720 °F); полученный при более высоких температурах, он твердый и хрупкий, и не воспламеняется, пока не нагреется примерно до 700 °C (1300 °F). [2] [6]
Современные методы используют технологию реторты, в которой тепло процесса извлекается и обеспечивается исключительно за счет сгорания газа, выделяющегося во время карбонизации. [7] Выходы при реторте значительно выше, чем при обжиге в печи, и могут достигать 35%-40%.
Свойства полученного древесного угля зависят от обугливаемого материала. Температура обугливания также важна. Древесный уголь содержит различное количество водорода и кислорода, а также золы и других примесей, которые вместе со структурой определяют свойства. Приблизительный состав древесного угля для пороха иногда эмпирически описывается как C 7 H 4 O. [ необходима цитата ] Чтобы получить уголь высокой чистоты, исходный материал не должен содержать нелетучих соединений.
Древесный уголь получают в качестве остатка путем деструктивной перегонки древесины, в результате чего получают следующие продукты:
Древесный уголь использовался с древнейших времен для самых разных целей, включая искусство и медицину, но, безусловно, его наиболее важным применением было использование в качестве металлургического топлива. Древесный уголь является традиционным топливом кузнечного горна и других применений, где требуется интенсивный жар. Древесный уголь также исторически использовался в качестве источника черного пигмента путем его измельчения. В этой форме древесный уголь был важен для ранних химиков и был компонентом формул для смесей, таких как черный порох . Благодаря своей большой площади поверхности , древесный уголь может использоваться в качестве фильтра, катализатора или адсорбента.
Древесный уголь горит при температурах, превышающих 1100 градусов по Цельсию (2010 градусов по Фаренгейту). [9] Для сравнения, температура плавления железа составляет приблизительно от 1200 до 1550 °C (от 2190 до 2820 °F). Из-за своей пористости он чувствителен к потоку воздуха, и выделяемое тепло можно смягчить, контролируя поток воздуха к огню. По этой причине древесный уголь до сих пор широко используется кузнецами. Древесный уголь использовался для производства железа и стали (где он также обеспечивал необходимый углерод) по крайней мере с 2000 г. до н. э. , при этом артефакты были найдены в протохеттских слоях в Каман-Калехёюке . [10] Брикеты древесного угля могут гореть приблизительно до 1260 °C (2300 °F) с помощью кузницы с принудительной подачей воздуха. [11]
В XVI веке Англии пришлось принять законы, чтобы предотвратить полное вырубание лесов в стране из-за производства железа. [ требуется цитата ] В XIX веке древесный уголь был в значительной степени заменен коксом при производстве стали из-за его стоимости, хотя кокс обычно добавляет серу и иногда другие вредные загрязняющие вещества в чугун. Лесистые металлургические регионы, лишенные угля, такие как Швеция, Урал или Сибирь, перешли от древесного угля в начале XX века.
До промышленной революции древесный уголь иногда использовался в качестве топлива для приготовления пищи . Он считается бездымным топливом ; то есть углерод достаточно чист, чтобы его сжигание вызывало существенно меньшее загрязнение воздуха, чем сжигание исходного некарбонизированного органического материала. В 20 веке законодательство о чистом воздухе предписывало использование бездымного топлива (в основном кокса или древесного угля) во многих регионах Европы. В 21 веке древесный уголь пропагандируется как способ улучшения здоровья 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 вещества и наполнитель.
Для хранения угля и его использования в целях приготовления пищи можно использовать гриль для барбекю . Небольшой японский угольный гриль называется шичирин . Жаровня — это емкость, используемая для сжигания угля или другого твердого топлива.
Разжечь уголь сложнее, чем разжечь дрова, поэтому можно использовать жидкость для розжига угля . Стартер для дымохода или электрический стартер для угля — это инструменты, которые помогут разжечь уголь.
Примерно 75% топлива, сжигаемого на Гаити, составляет древесный уголь. [12]
Некоторые виды древесного угля, такие как древесный уголь, используются для восстановления нагретых оксидов металлов до соответствующих им металлов: [ необходима ссылка ]
Древесный уголь также можно использовать для восстановления перегретого пара до водорода (с образованием оксида углерода): [ необходима ссылка ]
Как и многие другие источники углерода, древесный уголь может использоваться для производства различных составов синтез-газа , т. е. различных смесей CO + H 2 + CO 2 + N 2. Синтез-газ обычно используется в качестве топлива, в том числе в автомобильных двигателях, или в качестве химического сырья.
Во времена дефицита нефти автомобили и даже автобусы были переведены на сжигание древесного газа: газовой смеси, состоящей в основном из разбавленного атмосферного азота , но также содержащей горючие газы (в основном оксид углерода ), выделяемые при сжигании древесного угля или древесины в древесном газогенераторе . 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 gazogènes .
Древесный уголь используется в производстве черного пороха , который широко используется в производстве фейерверков. Обычно его измельчают в мелкий порошок, причем флоат-класс является самым мелким размером частиц, доступным в продаже. При использовании в составах черного пороха его часто измельчают в шаровой мельнице с другими ингредиентами, чтобы они были тщательно перемешаны. Некоторые виды древесного угля лучше подходят для изготовления черного пороха; к ним относятся ель, ива, павловния и виноградная лоза, среди прочих. [ необходима цитата ] Древесный уголь дает мелкие темно-оранжевые/золотистые искры . Обычно порошок с размером ячеек от 10 до 325 используется для получения потоков золотых искр в пиротехнических составах. [13]
Древесный уголь также входит в состав множества косметических продуктов. [14] Его можно получить из обычного бамбука, нарезанного на мелкие кусочки и прокипяченного в воде для удаления растворимых соединений. [14] Сырой бамбуковый уголь получают после сушки и карбонизации в печи при повышенной температуре. [14] Роль древесного угля в косметике основана на его высокоэффективных абсорбирующих свойствах в микроскопическом масштабе. [14]
Древесный уголь может использоваться как источник углерода в химических реакциях. Одним из примеров этого является производство дисульфида углерода посредством реакции паров серы с горячим углем. В этом случае древесину следует обугливать при высокой температуре, чтобы уменьшить остаточные количества водорода и кислорода, которые приводят к побочным реакциям.
Древесный уголь может быть активирован для повышения его эффективности 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 из тростникового сахара, примеси вызывают нежелательный цвет, который можно удалить с помощью активированного угля. Он также используется для поглощения запахов и токсинов в газообразных растворах, как в домашних очистителях воздуха и некоторых типах противогазов. Медицинское применение активированного угля в основном заключается в поглощении ядов . [ 15 ] Активированный уголь доступен без рецепта, поэтому он используется для различных медицинских целей. Например, его часто используют для уменьшения дискомфорта и смущения из-за чрезмерного газа ( метеоризма ) в пищеварительном тракте. [16]
Животный уголь или костяная сажа — это углеродистый остаток , полученный путем сухой перегонки костей. Он содержит всего около 10% углерода, остальное — фосфаты кальция и магния (80%) и другие неорганические вещества, изначально присутствовавшие в костях. Обычно его производят из остатков, полученных в клеевой и желатиновой промышленности. Его отбеливающая способность была применена в 1812 году Деросном для осветления сахарного сиропа , но его использование в этом направлении в настоящее время значительно сократилось. Сегодня его редко используют для этой цели из-за введения более активных и легко управляемых реагентов, но он все еще в некоторой степени используется в лабораторной практике. Отбеливающее действие древесного угля в растворе уменьшается, поскольку он адсорбирует окрашенные загрязняющие вещества, и его необходимо периодически реактивировать путем отдельной промывки и повторного нагревания. [2] В то время как древесный уголь эффективно удаляет некоторые пигменты и загрязняющие вещества из растворов, костяной уголь, как правило, более эффективен в качестве адсорбционного фильтра из-за его повышенной пористости и площади поверхности. [ необходима ссылка ]
Древесный уголь используется для рисования , создания грубых набросков в живописи и является одним из возможных носителей, используемых для создания парсемажа . Обычно его необходимо сохранять с помощью фиксатора . Художники обычно используют уголь в четырех формах:
Недавно [ когда? ] было заново открыто еще одно применение древесного угля для садоводства . Хотя американские садоводы использовали древесный уголь в течение короткого времени, исследования почв Terra preta в Амазонии обнаружили широкое использование биоугля доколумбовыми аборигенами для улучшения непродуктивной почвы в почву, богатую углеродом . Эта технология может найти современное применение как для улучшения почв, так и в качестве средства связывания углерода . [18]
Древесный уголь смешивают с кормом, добавляют в подстилку или используют для обработки навоза . [19] Птица получает пользу от использования древесного угля таким образом. [20] [21]
Опасения относительно того, что активированный уголь может использоваться недобросовестно, чтобы позволить скоту переносить некачественный корм, загрязненный афлатоксинами, привели к тому, что Ассоциация американских должностных лиц по контролю за кормами запретила его использование в коммерческих кормах для скота в 2012 году. [22]
Древесный уголь в форме угольных бисквитов употреблялся в прошлом при желудочных проблемах. Теперь его можно употреблять в форме таблеток, капсул или порошка для улучшения пищеварения. [23] Исследования относительно его эффективности противоречивы. [24]
Древесный уголь использовался в сочетании с сахарином в исследованиях для измерения времени мукоцилиарного транспорта. [25]
Древесный уголь также входит в состав зубной пасты , однако нет никаких доказательств, подтверждающих его безопасность и эффективность. [26]
Красные колобусы в Африке были замечены за поеданием угля в качестве самолечения. Поскольку их листовая диета содержит высокие уровни цианида , что может привести к расстройству желудка, они научились потреблять уголь, который поглощает цианид и снимает дискомфорт. Это знание передается от матери к младенцу. [27]
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 плавильного топлива переживает возрождение в Южной Америке, что приводит к серьезным экологическим, социальным и медицинским проблемам. [28] [29] Производство древесного угля на субпромышленном уровне является одной из причин вырубки лесов. Производство древесного угля в настоящее время обычно является незаконным и почти всегда не регулируется, как в Бразилии , где производство древесного угля является крупной незаконной отраслью для производства чугуна . [30] [31] [32]
Массовое уничтожение лесов было зафиксировано в таких областях, как Национальный парк Вирунга в Демократической Республике Конго , где оно считается основной угрозой выживанию горных горилл. [33] Аналогичные угрозы существуют в Замбии . [34] В Малави незаконная торговля древесным углем обеспечивает работой 92 800 рабочих и является основным источником тепла и топлива для приготовления пищи для 90 процентов населения страны. [35] Некоторые эксперты, такие как Дункан Маккуин, главный научный сотрудник лесной группы Международного института окружающей среды и развития (IIED) , утверждают, что, хотя незаконное производство древесного угля приводит к вырубке лесов, регулируемая угольная промышленность, требующая повторной посадки и устойчивого использования лесов, «даст их народу чистую эффективную энергию, а их энергетическим отраслям — сильное конкурентное преимущество». [35]
Недавние оценки импортируемого в Европу древесного угля показали, что многие продукты из древесного угля производятся из тропической древесины, часто незаявленного 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 делается ссылка на импорт древесного угля для барбекю из Намибии , где древесный уголь обычно производится из излишков биомассы, образующихся в результате вторжения древесных растений . [36] [37] Незаконный оборот древесного угля в Сомали является экономической и экологической проблемой, имеющей значительные последствия для региональной безопасности. [38]
Последняя часть фильма Le Quattro Volte (2010) дает хорошую и длинную, хотя и поэтичную, документацию традиционного метода изготовления древесного угля. [39] Детская серия Артура Рэнсома «Ласточки и амазонки» (особенно вторая книга, «Ласточкина долина» ) представляет собой тщательно прорисованные зарисовки жизни и методов углежогов в начале XX века в Озёрном крае Великобритании. Опера Антонина Дворжака «Король и угольщик» основана на чешской легенде о короле, который заблудился в лесу и был спасён 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 )