Уголь - Charcoal

Уголь

Видео о сжигании мангрового угля
Складываем древесину перед тем, как покрыть ее дерном или землей и обжечь (около 1890 г.)

Древесный уголь - это легкий черный углеродный остаток, получаемый при сильном нагревании 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 , называемого сжиганием древесного угля , часто путем формирования печи для обжига древесного угля , тепло подается за счет сжигания части самого исходного материала с ограниченным поступлением 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 .

Этот процесс происходит естественным образом при неполном сгорании и иногда используется при радиоуглеродном датировании . Это также происходит непреднамеренно при сжигании дров, например, в камине или дровяной печи . Видимое пламя в них связано с сгоранием летучих газов, выделяемых при превращении древесины в древесный уголь. Сажи и дыма , обычно выделяемый лесные пожары в результате неполного сгорания этих летучих веществ. Древесный уголь горит при более высокой температуре, чем дерево, почти не выделяет пламени, и почти ничего не выделяет, кроме углекислого газа (обычно от 2,5 до 3 кг на каждый килограмм сожженного древесного угля, в зависимости от содержания углерода) и тепла .

История

Производство древесного угля в местах , где есть обилие дат дерева с древних времен. Обычно он начинается с укладки деревянных заготовок на концах, чтобы сформировать коническую кучу. Внизу оставлены отверстия для впуска воздуха , а центральная шахта служит дымоходом . Весь ворс покрывается дерном или увлажненной глиной . Обжигание начинается в нижней части дымохода и постепенно распространяется наружу и вверх. Успех операции зависит от скорости горения . В обычных условиях из древесины получается около 60% древесного угля по объему или 25% по весу ; Методы мелкомасштабного производства часто дают только около 50% от объема, в то время как методы крупномасштабного производства позволили повысить урожайность примерно на 90% к 17 веку. Операция настолько деликатная, что ее обычно оставляли на усмотрение угольщиков (профессиональных угольных горелок). Часто они жили одни в маленьких хижинах, чтобы ухаживать за грудой дров. Например, в горах Гарц в Германии , угольщики жили в конических хижин под названием котэн , которые сохранились и сегодня.

Заброшенная печь для обжига угля недалеко от Уокера, Аризона, США.

Массовое производство древесного угля (на пике которого были задействованы сотни тысяч человек, в основном в альпийских и соседних лесах) было основной причиной вырубки лесов , особенно в Центральной Европе . В Англии многие леса обрабатывались как поросль , которые циклически вырубались и отращивались, так что имелся постоянный запас древесного угля. Жалобы (еще в период Стюарта ) на дефицит могут относиться к результатам временной чрезмерной эксплуатации или невозможности увеличения производства для удовлетворения растущего спроса. Растущий дефицит легко заготовляемой древесины стал основным фактором перехода на эквиваленты ископаемого топлива , в основном уголь и бурый уголь для промышленного использования.

Современный процесс обугливания древесины в виде небольших кусков или опилок в чугунных ретортах широко применяется там, где древесины мало, а также для извлечения ценных побочных продуктов ( древесный спирт , пиролизная кислота , древесная смола ), что позволяет . Вопрос о температуре от карбонизации имеет важное значение; Согласно Дж. Перси, древесина становится коричневой при 220 ° C (430 ° F), темно-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, легко воспламеняется при 380 ° C (720 ° F); Изготовленный при более высоких температурах, он твердый и хрупкий и не воспламеняется, пока не нагреется до температуры около 700 ° C (1300 ° F).

В Финляндии и Скандинавии древесный уголь считался побочным продуктом производства древесной смолы . Лучшую смолу получали из сосны , поэтому сосновые леса вырубали для пиролиза смолы . Остаточный древесный уголь широко использовался в качестве заменителя металлургического кокса в доменных печах для плавки . Производство смолы привело к быстрой 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 и произведена компанией Zwoyer Fuel Company . Этот процесс получил дальнейшую популяризацию благодаря Генри Форду , который использовал в качестве сырья древесину и опилки, получаемые при производстве автомобилей . Ford Charcoal превратился в Kingsford Company .

Методы производства

Уголь под микроскопом.

Древесный уголь изготавливали разными способами. Традиционный метод в Великобритании - зажим. По сути, это груда деревянных бревен (например, выдержанного дуба), прислоненная кругом к дымоходу. Дымоход состоит из 4 деревянных кольев, удерживаемых веревкой. Бревна полностью засыпаны землей и соломой, поэтому воздух не проникает внутрь. Его необходимо зажечь, введя в дымоход немного горящего топлива; поленья горят очень медленно и превращаются в древесный уголь за 5 дней горения. Если почвенное покрытие порвется или потрескается в результате пожара, на трещины закладывают дополнительный грунт. По окончании горения дымоход перекрывают, чтобы в него не попал воздух. Истинное искусство этого метода производства состоит в том, чтобы управлять выделением достаточного количества тепла за счет сжигания части древесного материала и его передачи деревянным частям в процессе обугливания. Сильным недостатком этого способа производства является огромное количество вредных для здоровья человека и окружающей среды выбросов (выбросы несгоревшего метана). В результате частичного сгорания древесного материала эффективность традиционного метода невысока.

Современные методы используют технологию автоклавирования, в которой технологическое тепло рекуперируется и обеспечивается исключительно за счет сгорания газа, выделяющегося во время карбонизации. Выход автоклавы значительно выше, чем при обжиге в печи, 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 золу и другие примеси, которые вместе со структурой определяют его свойства. Примерный состав древесного угля для пороха иногда эмпирически описывается как C 7 H 4 O. Для получения угля высокой чистоты исходный материал не должен содержать нелетучих соединений.

Древесный уголь получают в виде остатков путем деструктивной перегонки древесины, в результате чего получаются следующие продукты:

Типы

Бинчотан , высококачественный японский древесный уголь из дуба убаме.
Огатан , древесно-угольные брикеты из опилок
Горящий огатан
  • Обычный древесный уголь изготавливается из торфа, угля, дерева, скорлупы кокосового ореха или нефти.
  • Сахарный древесный уголь получается при карбонизации сахара и отличается особой чистотой. Его очищают путем кипячения с кислотами для удаления любых минеральных веществ, а затем долго сжигают в потоке хлора, чтобы удалить последние следы водорода. Его использовал Анри Муассан в его ранней попытке создать синтетические алмазы .
  • Активированный уголь похож на обычный уголь, но производится специально для использования в медицине. Для производства активированного угля обычный древесный уголь нагревают примерно до 900 ° C (1700 ° F) в присутствии газа (обычно пара), в результате чего уголь образует множество внутренних пространств или «пор», которые помогают активированному углю образовывать множество внутренних пространств. улавливают химические вещества. Во время этого процесса также удаляются загрязнения с поверхности древесного угля, что значительно увеличивает его адсорбционную способность.
  • Кусковой древесный уголь - это традиционный древесный уголь, изготовленный непосредственно из древесины твердых пород . Обычно он производит гораздо меньше золы, чем брикеты.
  • В процессе производства древесного угля из японского древесного угля была удалена пиролиновая кислота ; поэтому при горении он почти не производит запаха или дыма. Традиционный древесный уголь Японии делится на три типа:
  • Подушки в форме брикетов изготавливаются путем прессования древесного угля, как правило , изготовленный из древесных опилок и других древесных отходов, со связующим веществом и другими добавками. Связующим веществом обычно является крахмал . Брикеты могут также включать бурый уголь (источник тепла), минеральный углерод (источник тепла), бура , нитрат натрия (средство для воспламенения), известняк (средство для отбеливания золы), сырые опилки (средство для воспламенения) и другие добавки.
  • Древесный уголь из древесных брикетов из опилок производится прессованием опилок без связующих и добавок. Это древесный уголь, который предпочитают на Тайване, в Корее, Греции и на Ближнем Востоке. Он имеет круглое отверстие в центре с шестиугольным пересечением. Он используется в основном для барбекю, так как не производит запаха, дыма, мало золы, сильно нагревается и горит долгие часы (более 4 часов).
  • Экструдированный древесный уголь получают путем выдавливания необработанной измельченной или обугленной древесины в бревна без использования связующего. Тепло и давление процесса экструзии удерживают древесный уголь вместе. Если экструзия производится из необработанного древесного материала, экструдированные бревна впоследствии обугливаются.

Использует

Уголь для гриля из скорлупы кокоса

Древесный уголь использовался с давних времен для самых разных целей, включая искусство и медицину, но, безусловно, его наиболее важным применением было металлургическое топливо. Древесный уголь - традиционное топливо кузнечной кузницы и других применений, где требуется интенсивное нагревание. Древесный уголь также исторически использовался в качестве источника черного пигмента путем его измельчения. В этой форме древесный уголь был важен для ранних химиков и входил в состав формул для таких смесей, как черный порошок . Благодаря большой площади поверхности древесный уголь может использоваться как фильтр, как катализатор или как адсорбент.

Металлургическое топливо

Древесный уголь горит при температуре, превышающей 1100 градусов по Цельсию (2010 градусов по Фаренгейту). 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 поток 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 обеспечивал необходимый углерод. Брикеты из древесного угля могут гореть примерно до 1260 ° C (2300 ° F) при использовании кузницы с принудительной воздуходувкой.

В 16 веке Англия была вынуждена принять законы, чтобы предотвратить полное избавление страны от деревьев из-за производства железа. В 19 веке древесный уголь был в значительной степени заменен коксом в производстве стали из-за высокой стоимости.

Промышленное топливо

Исторически древесный уголь в больших количествах использовался для выплавки чугуна в блочных печах, а затем в доменных печах и кузницах . Это использование было заменено углем в 19 веке в рамках промышленной революции .

Топливо для приготовления пищи и отопления

До промышленной революции древесный уголь иногда использовался в качестве топлива для приготовления пищи . Считается бездымным топливом ; то есть углерод достаточно чистый, чтобы его сжигание приводило к значительно меньшему загрязнению воздуха, чем при сжигании исходного негарбонизированного органического материала. В 20 веке законодательство о чистом воздухе предписывало использование 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 обогрева. 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.

Чтобы удержать древесный уголь и использовать его для приготовления пищи, можно использовать гриль для барбекю . Небольшой японский гриль на древесном угле известен как сичирин . Жаровни представляет собой контейнер , используемый для сжигания угля или другого твердого топлива.

Разжечь древесный уголь труднее, чем разжечь дровяной огонь, и можно использовать жидкость для зажигалки на древесном угле . Дымоход стартер или электрический стартер угля являются инструментами , чтобы помочь с начала света угля.

Примерно 75% топлива, сжигаемого на Гаити, составляет древесный уголь.

Восстановитель

Определенные типы древесного угля, такие как древесный уголь, используются для восстановления нагретых оксидов металлов до соответствующих металлов:

  • ZnO + C → Zn + CO
  • Fe 2 O 3 + 3C → 2Fe + 3CO

Древесный уголь также может использоваться для восстановления перегретого пара до водорода (наряду с образованием окиси углерода):

Производство синтез-газа, автомобильного топлива

Как и многие другие источники углерода, древесный уголь может использоваться для производства различных композиций синтез-газа ; т.е. различные смеси CO + H 2 + CO 2 + N 2 . Синтез-газ обычно используется в качестве топлива, в том числе в автомобильной двигательной установке, или в качестве химического сырья.

Во времена дефицита 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 монооксид углерода ), выделяемого при сжигании древесного угля или древесины в древесном газогенераторе . В 1931 году Тан Чжунмин разработал автомобиль, работающий на угле, и эти автомобили были популярны в Китае до 1950-х годов и в оккупированной Франции во время Второй мировой войны (так называемые газогены ).

Пиротехника

Древесный уголь используется для производства черного пороха , который широко используется при производстве фейерверков. Обычно его измельчают в мелкий порошок, причем его размер частиц аэродинамического качества является самым мелким, доступным на рынке. При использовании в композициях черного порошка его часто измельчают в шаровой мельнице с другими ингредиентами, так что они тщательно смешиваются друг с другом. Некоторые древесные угли лучше подходят для изготовления черного порошка, например, из ели, ивы, павловнии и виноградной лозы. Древесный уголь дает мелкие темно-оранжевые / золотистые искры . Обычно порошок с размером ячеек от 10 до 325 используется для получения ливней золотых искр в пиротехнических композициях.

Косметическое использование бамбукового угля

Древесный уголь также входит в состав многих косметических продуктов. Его можно изготовить из обычного бамбука, разрезанного на мелкие кусочки и отваренного в воде для удаления растворимых соединений. Необработанный бамбуковый уголь получают после сушки и карбонизации в печи при повышенной температуре. Роль древесного угля в косметике основана на его высокоэффективных абсорбционных свойствах в микроскопическом масштабе.

Источник углерода

Древесный уголь может использоваться как источник углерода в химических реакциях. Одним из примеров этого является производство сероуглерода в результате реакции паров серы с горячим углем. В этом случае древесину следует обжечь при высокой температуре, чтобы уменьшить остаточные количества водорода и кислорода, которые приводят к побочным реакциям.

Очистка и фильтрация

Активированный уголь
Древесный уголь для осушения и очистки воздуха в ванной.

Можно активировать древесный уголь, 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 из газов, таких как воздух. Угольные фильтры также используются в некоторых типах противогазов . Медицинское применение активированного угля в основном поглощение из ядов . Активированный уголь доступен без рецепта, поэтому он используется для различных целей, связанных со здоровьем. Например, его часто используют для уменьшения дискомфорта и смущения из-за чрезмерного газообразования ( метеоризма ) в пищеварительном тракте.

Животный уголь или костная сажа - это углеродистый остаток, полученный путем сухой перегонки костей. Он содержит только около 10% углерода, остальные - это фосфаты кальция и магния (80%) и другие неорганические вещества, изначально присутствующие в костях. Обычно его производят из остатков, полученных при производстве клея и желатина . Его обесцвечивающая способность была применена в 1812 году Деросном для осветления сиропов, полученных при рафинировании сахара ; но его использование в этом направлении сейчас значительно сократилось из-за введения более активных и легко управляемых реагентов. В некоторой степени он до сих пор используется в лабораторной практике. Обесцвечивающая способность непостоянна, теряется после некоторого использования; однако его можно оживить путем промывки и повторного нагрева. Древесный уголь удаляет некоторые красящие вещества из растворов, но древесный уголь, как правило, более эффективен.

Изобразительное искусство

Четыре палочки виноградного угля и четыре палочки прессованного угля.
Два угольных карандаша в бумажных ножнах, которые разворачиваются по мере использования карандаша, и два угольных карандаша в деревянных ножнах.

Древесный уголь используется в искусстве для рисования , создания грубых набросков в живописи и является одним из возможных средств создания синтаксического мага . Как правило, его необходимо сохранить с помощью фиксатора . Художники обычно используют древесный уголь в трех формах:

  • Винный уголь создается путем сжигания виноградных лоз.
  • Древесный уголь из ивы создается путем сжигания палочек.
  • Порошковый уголь часто используется для «тонирования» или покрытия больших участков поверхности рисунка. Рисование на тонированных областях затемняет их еще больше, но художник также может осветлить (или полностью стереть) в тонированных областях, чтобы создать более светлые тона.
  • Прессованный порошок древесного угля, смешанный со связующим веществом жевательной резинки, спрессованный в круглые или квадратные палочки. Количество связующего определяет твердость карандаша. Прессованный уголь используется в угольных карандашах .

Садоводство

Еще одно применение древесного угля недавно было обнаружено в садоводстве . Хотя американские садоводы использовали древесный угль в течение короткого промежутка времени, исследования на Terra Прет почв в Амазонии обнаружили широкое использование угля , полученное в результате пиролиза при отсутствии кислорода, т.е. биоуголь , по доколумбовым туземцам для улучшения непродуктивных почвы в почву, которая богат углеродом . Этот метод может найти современное применение как для улучшения почв, так и в качестве средства связывания углерода .

Животноводство

Древесный уголь смешивают с кормом, добавляют в подстилку или используют для обработки навоза . Таким образом, домашняя птица выигрывает от использования древесного угля.

Обеспокоенность тем, что активированный уголь может использоваться недобросовестно, чтобы позволить домашнему скоту терпеть некачественные корма, загрязненные афлатоксинами, привела к тому, что в 2012 году Ассоциация американских чиновников по контролю кормов запретила его использование в коммерческих кормах для скота.

Медицина

Древесный уголь употреблялся в прошлом как пищевая добавка при желудочных проблемах в виде угольного печенья . Теперь его можно употреблять в форме таблеток, капсул или порошка для улучшения пищеварения. Исследования относительно его эффективности противоречивы.

Древесный уголь использовался в сочетании с сахарином в исследованиях для измерения времени мукоцилиарного транспорта.

Древесный уголь также входит в состав зубных паст ; однако нет никаких доказательств, позволяющих определить его безопасность и эффективность.

Обезьяны- колобусы в Африке были замечены в употреблении древесного угля в целях самолечения. Их листовая диета содержит высокий уровень цианида , что может привести к расстройству желудка. Так они научились употреблять древесный уголь, который поглощает цианид и облегчает расстройство желудка. Эти знания о добавках к их рациону передаются от матери к младенцу.

Экологическая устойчивость

Производство и использование древесного угля, как и любое использование древесной биомассы в качестве топлива, обычно приводит к выбросам и может способствовать обезлесению.

Использование древесного угля в качестве топлива для плавки возрождается в Южной Америке, что приводит к серьезным экологическим, социальным и медицинским проблемам. Производство древесного угля на субиндустриальном уровне является одной из причин вырубки лесов. Производство древесного угля в настоящее время обычно незаконно и почти всегда не регулируется, как в Бразилии, где производство древесного угля является крупной незаконной отраслью производства чугуна .

Массовые разрушения лесов были зарегистрированы в таких областях, как национальный парк Вирунга в Демократической Республике Конго , где это считается основной угрозой выживанию горных горилл. Подобные угрозы обнаруживаются в Замбии . В Малави незаконная торговля древесным углем обеспечивает занятость 92 800 рабочих и является основным источником тепла и топлива для приготовления пищи для 90 процентов населения страны. Некоторые эксперты, такие как Дункан Маккуин, главный исследователь лесной группы Международного института окружающей среды и развития (IIED) , утверждают, что, хотя незаконное производство древесного угля вызывает вырубку лесов, регулируемая угольная промышленность, требующая повторной посадки и устойчивого использования лесов, "даст им люди используют экологически чистую и эффективную энергию, а их энергетика - сильное конкурентное преимущество ".

Недавние оценки древесного угля, импортируемого в Европу, показали, что многие древесные угли производятся из тропической древесины, зачастую незадекларированного происхождения. Проведя анализ 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 избыточной биомассы, образовавшейся в результате посягательства кустарников .

Фирменный стиль

Идентичность бренда - это видимые элементы бренда, такие как цвет, дизайн и логотип, которые идентифицируют и выделяют бренд в сознании потребителей. Идентичность бренда отличается от имиджа бренда, первый соответствует цели, стоящей за брендингом. Подобно многим брендам, которые черпают вдохновение из реальной жизни и делают их своим фирменным стилем или торговой маркой, Charcoal Clothing - очень известный бренд мужской одежды, основанный в 2008 году, также использовал древесный уголь в качестве своего фирменного стиля и идентичности.

В популярной культуре

Последний раздел фильма Le Quattro Volte (2010) дает хорошую и длинную, хотя и поэтическую, документацию традиционного метода изготовления древесного угля. Артур Рэнсом детская серия Ласточки и амазонки (особенно вторая книга, Swallowdale ) черты тщательно выверенных виньетки жизни и технике 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.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки