کربن سازی چوب و محصولاتی که از آن حاصل می شود؟
کربن سازی چوب شکل خاصی از آن فرآیند در فناوری شیمیایی به نام پیرولیز است که تجزیه مواد پیچیده به مواد ساده‌تر با حرارت دادن است. کربن‌سازی اصطلاحی است که وقتی مواد کربنی پیچیده مانند چوب یا بقایای کشاورزی با حرارت دادن به کربن عنصری و ترکیبات شیمیایی تجزیه می‌شوند که ممکن است در ساختار شیمیایی خود مقداری کربن نیز داشته باشند، استفاده می‌شود.
نیروی کار در واحد تولید. معمولاً مرحله کربونیزاسیون ممکن است حدود 10٪ از کل هزینه ها از رشد و برداشت درخت تا رسیدن زغال سنگ تمام شده به انبار فله را نشان دهد. اما راندمان تبدیل مرحله کربنیزاسیون به نقطه ای که چوب برداشت می شود باز می گردد. بازدهی بالا در تبدیل به این معنی است که چوب در تولید زغال با کوره زغال کمتری باید رشد، برداشت، خشک، حمل و نقل و بارگیری در مخزن یا سایر واحدهای کربن‌سازی شود.
کربونیزاسیون چیست؟
کربونیزاسیون نوعی فرآیند شیمیایی به نام “پیرولیز” است که در آن مواد پیچیده مثل چوب یا بقایای کشاورزی، با استفاده از حرارت، به مواد ساده‌تر تبدیل می‌شوند. نتیجه‌ی این فرآیند تولید زغال‌چوب (که بیشتر آن کربن است) و مواد شیمیایی جانبی است که بخشی از آنها نیز حاوی کربن هستند. این اصطلاح برای فرآیند حرارتی زغال‌سنگ برای تولید کُک هم به‌کار می‌رود.
راندمان در کربونیزاسیون یا کربن سازی چوب
مرحله‌ی کربونیزاسیون در تولید زغال‌چوب بسیار مهم است، چون بر کل فرآیند، از کاشت درخت تا توزیع نهایی محصول، تأثیر می‌گذارد.
این مرحله اگرچه به خودی خود هزینه زیادی ندارد، اما راندمان آن تأثیر زیادی بر هزینه‌های کلی دارد.
بازدهی بالا در این مرحله یعنی:
- چوب کمتری باید کاشته، قطع، حمل‌ونقل و به کوره منتقل شود.
- ضایعات (مثل ذرات ریز زغال که ممکن است فروش نروند) کاهش می‌یابد.
سه عامل مهم در راندمان کربونیزاسیون:
- میزان رطوبت چوب هنگام کربونیزاسیون.
- نوع تجهیزات مورد استفاده.
- دقت در انجام فرآیند.
اندازه‌گیری بازدهی
راندمان کربونیزاسیون به صورت درصدی از وزن چوب استفاده‌شده در برابر وزن زغال‌چوب تولیدشده محاسبه می‌شود.
در این محاسبات:
- چوب نسوخته که می‌تواند دوباره استفاده شود، جزو ضایعات محسوب نمی‌شود.
- در روش‌هایی که از حرارت غیرمستقیم استفاده می‌کنند، باید چوبی که برای تولید حرارت سوزانده شده هم حساب شود.
دو روش معمول برای اندازه‌گیری وجود دارد:
- وزنی: چوب و زغال‌چوب به صورت خشک‌شده (بدون رطوبت) وزن می‌شوند.
- حجمی: حجم چوب و زغال‌چوب اندازه‌گیری می‌شود، که روشی ساده‌تر و مناسب‌تر برای کاربردهای صنعتی است.
چه اتفاقی در کربونیزاسیون می‌افتد؟
در کربونیزاسیون، چوب در یک محفظه بسته (بدون اکسیژن) حرارت داده می‌شود تا به زغال‌چوب تبدیل شود. اگر اکسیژن باشد، چوب به جای زغال‌چوب به خاکستر تبدیل می‌شود.
در این فرآیند، علاوه بر زغال‌چوب، مواد مایع و گاز نیز تولید می‌شوند که ممکن است جمع‌آوری شوند. گاز تولیدشده به دلیل ارزش حرارتی کم، معمولاً سوزانده می‌شود.
مراحل تشکیل زغال‌چوب
وقتی چوب حرارت داده می‌شود، مراحل زیر طی می‌شود:
- 20 تا 110 درجه سانتی‌گراد: چوب حرارت می‌بیند و رطوبت تبخیر می‌شود.
- 110 تا 270 درجه سانتی‌گراد: چوب شروع به تجزیه می‌کند و موادی مثل کربن‌دی‌اکسید، کربن‌مونوکسید، و اسید استیک آزاد می‌شوند.
- 270 تا 400 درجه سانتی‌گراد: فرآیند تجزیه سرعت می‌گیرد و گازها و بخارات مختلف، همراه با قیر و مواد شیمیایی دیگر آزاد می‌شوند.
- 400 تا 500 درجه سانتی‌گراد: چوب به زغال‌چوب تبدیل می‌شود، اما هنوز مقداری قیر در ساختار آن باقی می‌ماند.
- 500 درجه سانتی‌گراد و بالاتر: با افزایش دما، قیر باقی‌مانده نیز تبخیر شده و زغال‌چوب با کیفیت بالاتر (حدود 75% کربن) تولید می‌شود.
استفاده بهینه از حرارت در کربونیزاسیون
برای تولید زغال‌چوب، باید چوب به دمای لازم برسد. گرمای لازم در این فرآیند:
- برای خشک کردن چوب.
- برای شروع فرآیند تجزیه (پیرولیز).
- برای حذف قیر و افزایش درصد کربن در زغال‌چوب.
برای کاهش مصرف انرژی، بهتر است:
- چوب قبل از ورود به کوره تا حد امکان با نور خورشید خشک شود.
- از سیستم‌هایی استفاده شود که گرمای تولیدشده را دوباره به فرآیند بازگردانند.
کربونیزاسیون پیوسته
یکی از پیشرفت‌های مهم در تولید زغال‌چوب، استفاده از سیستم‌های کربونیزاسیون پیوسته است. در این روش، چوب به‌صورت مداوم از مراحل مختلف کربونیزاسیون عبور می‌کند و:
- مصرف انرژی کاهش می‌یابد.
- بازدهی تولید افزایش پیدا می‌کند.
دسته‌بندی سیستم‌های حرارتی در کربن سازی چوب
سیستم‌های کربونیزاسیون بر اساس روش تأمین حرارت به سه دسته تقسیم می‌شوند:
- حرارت داخلی: بخشی از چوب در داخل کوره سوزانده می‌شود تا بقیه را کربونیزه کند. این روش سنتی و ساده است، اما کنترل دقیق آن سخت است.
- حرارت خارجی: چوب در یک محفظه بسته حرارت داده می‌شود و سوخت در بیرون کوره می‌سوزد. این روش بازدهی کمتری دارد.
- حرارت با گاز داغ: گاز داغ و بدون اکسیژن به داخل کوره دمیده می‌شود تا چوب را حرارت دهد. این روش مدرن و بازدهی بالایی دارد.
محصولات کربونیزاسیون
چوب سه نوع محصول تولید می‌کند:
- زغال‌چوب: اصلی‌ترین محصول با کاربردهای خانگی و صنعتی.
- مایعات (اسیدهای پیرولینی): شامل اسید استیک، متانول، و قیر.
- گازها: با ارزش حرارتی کم که معمولاً سوزانده می‌شوند.
خواص زغال‌چوب:
- رطوبت: زغال تازه خشک است، اما با گذشت زمان می‌تواند 5 تا 10 درصد رطوبت جذب کند.
- کربن ثابت: درصد کربن زغال بین 50 تا 95 درصد است و هرچه بیشتر باشد، کیفیت زغال بالاتر است.
- خاکستر: بسته به نوع چوب و میزان آلودگی، خاکستر زغال بین 0.5 تا 5 درصد است.
- چگالی و استحکام: زغال باید فشرده و مقاوم باشد، به‌ویژه برای کاربردهای صنعتی مثل کوره‌های بلند.
کربونیزاسیون فرآیندی کلیدی برای تبدیل چوب به زغال‌چوب و تولید محصولات جانبی شیمیایی است. این فرآیند از طریق حرارت دادن چوب در محیطی بدون اکسیژن انجام می‌شود و در نتیجه، زغال‌چوب به‌عنوان محصول اصلی و گازها و مایعات شیمیایی به‌عنوان محصولات فرعی به دست می‌آیند.
جنبه‌های کلیدی فرآیند کربونیزاسیون:
- اهمیت راندمان:
راندمان کربونیزاسیون نه‌تنها بر میزان زغال‌چوب تولیدی تأثیر می‌گذارد، بلکه به طور مستقیم بر نیاز به چوب خام، هزینه‌های حمل‌ونقل، و نیروی کار اثر دارد. راندمان بالاتر به معنای صرفه‌جویی بیشتر در هزینه‌ها و منابع است. - تأثیر تجهیزات و روش‌ها:
تجهیزات مورد استفاده و دقت در انجام فرآیند، نقش مهمی در کیفیت و بازده زغال‌چوب دارند. استفاده از سیستم‌های پیشرفته مانند رتورت‌های گاز شستشو و کوره‌های چندطبقه، امکان دستیابی به محصولاتی با کیفیت بالاتر را فراهم می‌کند. - محصولات جانبی:
محصولات جانبی مانند گازها و اسیدهای آلی (مانند اسید استیک و متانول) زمانی از اهمیت اقتصادی بالایی برخوردار بودند. اما با ظهور صنعت پتروشیمی، این محصولات دیگر ارزش تجاری چندانی ندارند و اغلب به عنوان سوخت در فرآیند استفاده می‌شوند. - کیفیت زغال‌چوب:
کیفیت زغال‌چوب بر اساس عوامل مختلفی مانند درصد کربن ثابت، رطوبت، میزان خاکستر، و استحکام فیزیکی آن ارزیابی می‌شود. این ویژگی‌ها تأثیر مستقیمی بر کاربردهای صنعتی و خانگی زغال‌چوب دارند.
نتیجه کربن سازی چوب
کربونیزاسیون چوب، فرآیندی پیچیده اما ضروری برای تولید زغال‌چوب و مواد شیمیایی است. موفقیت در این فرآیند به انتخاب تجهیزات مناسب، مدیریت دقیق انرژی و توجه به شرایط محلی بستگی دارد. امروزه، تمرکز بیشتر بر کاهش آلاینده‌ها، افزایش بازده و تولید زغال‌چوب با کیفیت بالا است. استفاده از سیستم‌های مدرن می‌تواند به بهینه‌سازی فرآیند و کاهش هزینه‌ها کمک کند.
