Технологии биотоплив и углеродистых восстановителей ультраокситермолизом древесной щепы

Международная академия наук экологии и безопасности жизнедеятельности 
(Ассоциированный член Департамента общественной информации (ДОИ) 
Организации Объединенных Наций) 
 
В. И. Ширшиков 
В. Н. Пиялкин
А. А. Спицин 
 
 
 
ТЕХНОЛОГИИ 
БИОТОПЛИВ И УГЛЕРОДИСТЫХ 
ВОССТАНОВИТЕЛЕЙ 
УЛЬТРАОКСИТЕРМОЛИЗОМ 
ДРЕВЕСНОЙ ЩЕПЫ 
 
 
Н а у ч н ы е  р е д а к т о р ы: 
Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор 
А. А. Леонович; 
Заслуженный эколог РФ, Заслуженный деятель науки и техники РФ, 
лауреат Государственной премии, доктор технических наук, профессор 
О. Н. Русак 
 
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 
ХИМИЗДАТ 
2024 
.
1 

УДК 662.712 
  Ш 646 
Р е ц е н з е н т ы: 
Засл. деят. наук, д-р техн. наук, профессор В. И. ОНЕГИН 
Зав. каф. технологии лесохимических продуктов химии древесины и 
физической химии, д-р хим. наук, профессор  В. И. РОЩИН 
Ширшиков В. И.,  Пиялкин В. Н. , Спицын А. А. 
 
Ш 646 
 Технологии биотоплив и углеродистых восстановителей 
ультраокситермолизом древесной щепы: Монография / Под ред. 
А. А. Леоновича, О. Н. Русака. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2024. – 352 с., ил. 
ISBN 978-5-93808-486-5
В монографии представлен аналитический обзор процессов термолиза древесины, методов переработки биомассы, проанализированы особенности технологий пиролиза отходов древесного сырья. Рассмотрены 
научные основы ультрапиролиза и факторы, влияющие на кинетику процессов пиролиза и термолиза. Для решения проблемы смоделирован термохимический метод разложения древесной щепы по разработанной программе «POLYTERM2». Выведена зависимость вариабельности энергии 
активации процесса термолиза. Представлена технология и оборудование 
процесса ультраокситермолиза с материальными балансами и технологической оценкой. Регулируемый процесс ультраокситермолиза в формованном слое позволил получить так называемую бионефть и качественный углеродистый восстановитель из угольной мелочи путем автомонолитизации брикета. Предложена новая технологическая схема получения 
промышленных древесно-угольных брикетов в качестве углеродистого восстановителя для выплавки кристаллического кремния и ферросплавов. 
Рассчитаны материальные и тепловые балансы процессов и сделана их 
экологическая оценка.
Предназначается для специалистов, занимающихся вопросами химии 
 
и технологии пиролизного производства, а также для студентов лесотехнических и химико-технологических университетов. 
Ш 2903030000–001 
050(01)–24 
Без объявл. 
© Ширшиков В. И.,  Пиялкин В. Н. , 
Спицын А. А., 2018 
ISBN 978-5-93808-486-5 
© ХИМИЗДАТ, 2018 , 2024
2 
.
 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
 
Основные условные обозначения 
5
ПРЕДИСЛОВИЕ 
7
ВВЕДЕНИЕ 
11
23
Глава 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ  
ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ БИОМАССЫ ДЕРЕВА С ПОЛУЧЕНИЕМ  
БИОНЕФТИ И БИОУГОЛЬНЫХ БРИКЕТОВ 
 
1.1.  Термохимическое ожижение 
23
 
1.2.  Газификация 
25
 
1.3.  Ультратермолиз 
30
 
1.4.  Сравнительный анализ технологий получения продуктов пиролиза 
55
 
1.5.  Области применения бионефти из отходов биомассы дерева 
56
60
 
1.6.  Особенности технологий промышленного получения  
биоугольных брикетов и области их применения 
 
1.7.  Совершенствование методов и борудования 
66
67
Глава 2. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ УЛЬТРАТЕРМОЛИЗА И КИНЕТИКА ПРОЦЕССОВ  
ТЕРМОЛИЗА БИОМАССЫ ДЕРЕВА 
 
2.1.  Обоснование технологии ультрапиролиза в формованном слое 
67
 
2.2.  Реакции свободных радикалов при термолизе биомассы дерева 
79
 
2.3.  Кинетика термолиза биомассы дерева 
84
Глава 3. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 
93
.
 
3.1.  Общая методология решения проблемы 
93
103
 
3.2.  Определение фракционного состава дровяной (топливной)  
щепы и расчет эквивалентного диаметра частиц сырья 
107
 
3.3.  Разработка программы «POLYTERM». Расчет температурных  
полей процесса при порозности формованного слоя 0,2  
(вариант 1) и 0,4 (вариант 2) 
 
3.4.  Физико-механические испытания образцов 
115
122
Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ С ВЫВОДАМИ О ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ 
ВОЗМОЖНОСТЯХ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ 
122
 
4.1.  Определение кинетических параметров быстрого пиролиза  
биомассы дерева для заданным скоростей нагрева 
123
 
4.2.  Выход продуктов быстрого пиролиза биомассы дерева как 
функция температурно-временных факторов 
 
4.3.  Изучение условий получения и оценка качества бионефти 
127
138
 
4.4.  Исследование мелкого древесного угля для получения  
промышленных древесно-угольных брикетов 
 
4.5.  Выводы о потенциальных возможностях применения  
149
экспериментальных данных 
150
Глава 5. СЫРЬЕВОЙ РЕСУРС И ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ БЫСТРОГО  
ПИРОЛИЗА 
150
 
5.1.  Социально-экономическая значимость проектирования  
модуля быстрого пиролиза для переработки топливной щепы  
в формованном слое 
 
3 

 
5.2.  Материальные и тепловые балансы на примере установки  
170
головного модуля быстрого пиролиза производительностью  
1,5 т/ч по а.с.с. 
 
5.3.  Техническая характеристика модуля 
173
 
5.4.  Технико-экономическая оценка технологии ультратермолиза 
177
182
Глава 6. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БРИКЕТИРОВАНИЯ  
ДРЕВЕСНО-УГОЛЬНОЙ МЕЛОЧИ 
 
6.1.  Механизм брикетирования 
182
 
6.2.  Физико-механические факторы, влияющие на качество  
184
процесса и выход древесно-угольных брикетов 
 
6.3.  Вода и связующие, их роль в процессе прессования 
186
 
6.4.  Сушка и прокаливание древесно-угольных брикетов 
187
190
Глава 7. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СТРУКТУРА ДРЕВЕСНО-УГОЛЬНЫХ  
БРИКЕТОВ 
 
7.1.  Полифракционный состав 
190
 
7.2.  Требования к связующим и наполнителям 
193
 
7.3.  Характеристика бытовых и промышленных древесно-угольных 
209
брикетов 
213
Глава 8. ИСПОЛНИТЕЛЬНАЯ СХЕМА ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА  
ДРЕВЕСНО-УГОЛЬНЫХ БРИКЕТОВ И ОБОСНОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ  
ДЛЯ ИХ ПРОИЗВОДСТВА 
 
8.1.  Обзор технологий производства древесно-угольных брикетов 
213
 
8.2.  Основное оборудование для производства древесно-угольных 
236
брикетов 
 
8.3.  Технологическая схема получения промышленных  
244
древесно-угольных брикетов с использованием в качестве  
связующего бионефти 
Глава 9. РАСЧЕТЫ МАТЕРИАЛЬНЫХ И ТЕПЛОВЫХ БАЛАНСОВ ПРОИЗВОДСТВА 
247
ДРЕВЕСНО-УГОЛЬНЫХ БРИКЕТОВ 
 
9.1.  Материальные балансы 
248
 
9.2.  Тепловые балансы. Тепловой баланс сушки брикетов 
251
 
9.3.  Сжигание парогазов прокалки брикетов 
258
262
Глава 10. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМЫХ СХЕМ 
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОНЕЧНЫХ ПРОДУКТОВ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ  
ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ БИОМАССЫ ДЕРЕВА МЕТОДОМ БЫСТРОГО  
ПИРОЛИЗА 
 
10.1.  Промышленная реализация технологий ультраокситермолиз 
262
 
10.2.  Технико-экономическое обоснование производства брикетов 
264
промышленного назначения по прямым затратам 
 
10.3.  Планирование затрат на производство и реализацию продукции 
265
 
10.4. Прогнозирование прибыли и движение финансов 
267
 
10.5. Коммерческая эффективность инвестиционного проекта 
268
271
Глава 11. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЙ ПИРОЛИЗНЫХ  
ПРОИЗВОДСТВ 
Заключение 
277
Список использованных источников 
279
ПРИЛОЖЕНИЯ 
313
Послесловие 
349
.
 4 

 
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 
 
 
 
Е – энергия активации, Дж/моль 
d – истинная плотность угля, кг/м3 
D – энергия диссоциации связей, Дж/моль 
Dэкв, Rэкв – эквивалентный диаметр, радиус частиц сырья, м 
Fар – степень ароматичности угля 
m – отношение теплоемкостей потоков сырья и теплоносителя 
n – порядок реакции 
q – скорость нагрева, °С/мин 
R/C – степень конденсированности угля 
R•, R•
HM, А•
г
 – свободные радикалы, низкомолекулярные, арильные 
tп, tц, tM – температуры: поверхности, центра, средины по массе частиц сырья, °С 
ν – кинематический коэффициент вязкости, м3/с 
w – скорость теплоносителя по свободному сечению, м/с 
W0, WK, WH – влажность сырья: начальная, конечная, текущая, % 
z – параметр уравнения Казеева 
αv – объемный коэффициент теплообмена, Вт/м3⋅град 
αк – коэффициент конвективного обмена, Вт/м2⋅град 
γ – насыпная плотность, кг/м3 
ε – порозность слоя сырья 
Өп, Өц, Өм – критерии: поверхности, центра, средины по массе частиц сырья 
λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м3⋅град 
µ – концентрация материала в газе, кг/кг 
τ, Ө – время, с, ч 
τкр – время сушки древесины до абс. сух. состояния, мин. 
τпг – время пребывания: парогазов, древесины в реакционной зоне, с 
ω – скорость продвижения сырья по каналу, м/с 
Аf, Аv – коэффициент теплоотдачи, Вт/м2⋅град 
АВ – абляционный вихревой слой при пиролизе 
АДГ – активированный древесный уголь, гранулированный 
АК – абляционный конусный слой при пиролизе 
АП – абляционный пластинчатый слой при пиролизе 
АС – зольность угля, % 
а.c.c. – абсолютно сухое сырье 
АУ – активированный уголь 
БАУ – березовый активированный уголь 
  
Вт = 859 кал/г. 
 .
 
5 

БДМ – биомазут из биомассы дерева (обезвоженная бионефть) 
БДН – бионефть из биомассы дерева (конденсат-пиротопливо) 
БОУ – березовый особый уголь 
Bi, FO – критерий Био, Фурье 
ВвНП – внутренний нагрев при пиролизе 
ВНП – внешний нагрев при пиролизе 
ВаП – вакуумный пиролиз 
ВСП – вращающийся сепаратор частиц при пиролизе 
ВЧП – высокочастотный пиролиз 
ДАК – древесный дробленый активированный уголь, конденсатный 
ДОУ – древесный окисленный уголь 
ДСИ – древесно-смоляной ингибитор 
ДУ – древесный уголь 
ДУБ – древесно-угольные брикеты 
ЕЭФФ – кажущаяся энергия активации пиролиза, Дж/моль 
Ks – коэффициент скорости реакции 
Кж – критерий жесткости пиролиза 
К0 – константа скорости реакции 
КСП – кипящий слой при пиролизе 
МДМ – масла фракционной разгонки биомазута 
НТП – пиролиз в низкотемпературной плазме 
ОУ – осветляющий активированный уголь 
ПДУ – порошкообразный древесный уголь 
ПСП – плотный слой при пиролизе 
Ci,Ki, Фi – коэффициент уравнений определения температурных критериев 
СУП – слой уноса при пиролизе 
ТОП – термоокислительный пиролиз 
ТШП – транспортный шнек при пиролизе 
УО – угольный остаток пиролиза биомассы дерева 
УОТ – ультраокситермолиз  
ФСП – формованный слой при пиролизе 
ЦКСП – циркулирующий кипящий слой при пиролизе 
дксп – двойной циркулирующий кипящий слой при пиролизе 
ЭТП – электротермический пиролиз 
 
 
 
 
 
 
 .
 6 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 
 
И назвал Бог сушу землею,  
а собрание вод назвал морями.  
И увидел Бог, что это хорошо. 
И сказал Бог: да произрастит земля 
зелень, траву, сеющую семя 
(по роду и по подобию ее) и  
дерево плодовитое, приносящее  
семя его на земле 
И стало так.  
1 Быт 10:11 
 
Понятие термина «лес» сформулировано русскими ученымилесоводами как «совокупность лесной растительности, земли, животного мира и других компонентов природной среды». Сохранение 
биоразнообразия леса как организма живой природы, включающего 
в себя генетическое разнообразие всех ее видов и экосистем, – обязанность лесопользователей в широком понимании этого слова. 
Жители мегаполисов привыкли относиться к лесу как к «грядке», где 
можно собирать грибы и ягоды, не воспринимая лес как живой организм, имеющий свой период жизни. С другой стороны, люди «в 
белых воротничках»: законодатели, партии, движения, общественные и политизированные природоохранные сообщества – воспринимают лес как объект правоотношений, где субъектами права оказываются работники лесного хозяйства, лесопользователи, как 
субъекты малого предпринимательства. Отсутствие четкой индивидуализации объекта правоотношений на практике «размывает» и 
усложняет оценку эффективности лесных отношений. Лес – как 
объект лесных отношений – обладает чертами и природного ресурса, и экосистемы… И здесь возникают коллизии. Например, несвоевременная рубка спелых и перестойных еловых древостоев приводит не только к дисбалансу между природоохранными и социальными отношениями в обществе, но и к экологическим катастрофам: 
к массовым заражениям лесных массивов вредителями, к болезням 
леса, усыханиям и ветровалам. И, как следствие, теряются полезные 
средообразующие функции леса и экономическая целесообразность 
его использования. Лес – воспроизводимый ресурс, требующий 
устойчивого лесоуправления. Тонкости лесных отношений нельзя 
отрегулировать сотнями нормативно-правовых документов, которые порой вступают в противоречие друг с другом и с природой. На 
основании статистики по оценке устойчивого объема рубок, проводимых на территории одних и тех же широт, выход деловой древе.
 
7 

сины на единицу площади составляет в Российской Федерации примерно треть от объема заготавливаемой древесины Финляндии. 
Идеальной моделью лесоводства является приближение лесопользования к естественному ритму развития леса, в гармонии с его 
биолого-экологическими функциями. Ключ к этой модели – баланс 
между законами, которые регламентируют все виды хозяйственной 
деятельности на земле от добычи недр до традиционных видов деятельности в лесном хозяйстве. Многие ученые и юристы считают, 
что Законодательство должно носить рамочный характер, где не 
только субъекты Федерации, но и лесничие должны принимать 
управленческие решения. Ни для кого не секрет, что искусственное 
разделение лесов на защитные и эксплуатационные законсервировало большой объем спелых и перестойных лесов, требующих с биологической и экономической точек зрения рубок с последующим лесовосстановлением и мероприятиями по уходу за лесом. При принятой градации леса выборка спелых древостоев уменьшилась в 4 раза 
по сравнению с естественным приростом. 
Старение хвойных лесов приводит к потере их защитных функций. Загнивающая древесина выделяет в атмосферу углекислый газ 
и является источником размножения вредителей леса. Однако, не 
только природные явления и события порождают лесные правоотношения порой помимо воли человека. Чаще всего антропогенная 
деятельность выступает основным источником причинения вреда 
лесу через поступки человека. Примером тому служат повсеместные 
лесные пожары. Лесные пожары стали бичом для лесных угодий. 
В ходе преобразования структуры управления лесным фондом с 
принятием нового Лесного кодекса был значительно ослаблен контроль за состоянием лесов как объектом государственного имущества. При реформировании была значительно изменена структура 
государственной лесной службы. В разы было уменьшено количество работников лесного хозяйства. Была нарушена во многих регионах система по охране лесов от пожаров и организация пожаротушения. Перекосы в ведении лесного хозяйства характерны и в доперестроечный период. В советское время леспромхозами велась 
интенсивная промышленная заготовка древесины в лесах третьей 
группы. Существовали планы по заготовке древесины без учетов 
объемов использования ее потребителями. Большой процент древесины терялся при перевозках. Леспромхозы вырубали миллионы 
кубов древесины хвойных пород в наиболее лесистых регионах 
страны. Квартальные вырубки леса без естественного и должного 
искусственного лесовосстановления за более чем пятидесятилетний 
период привели к естественной смене хвойных пород древесины на 
мягколиственные. Доля мягколиственных пород: осины и березы – в 
отдельных регионах в настоящее время достигает 40 %. 
.
 8 

 
Aeguat causa effectum1. Все перечисленные объективные обстоятельства: увеличение доли лиственных пород древесины; массивы 
сухостойного на корню древостоя; увеличение объемов дровяной 
и нетоварной древесины, послужили своеобразным вектором перехода от механической деревообработки сырьевых ресурсов к постепенному развитию химических технологий переработки древесины. 
Первый целлюлозно-бумажный комбинат по сульфитной варке березовых балансов был запущен в г.  Светогорске на рубеже 70–80 годов. Мягколиственные породы нашли свое применение не только в 
целлюлозно-бумажной промышленности и плитном производстве: 
ДВП; МДВ; OSB, но и дали толчок в перспективе развития пиролизного производства. Сухостойные лесные массивы, не используемые 
в настоящее время как сырье, легли в обоснование технологии ультраокситермолиза с получением бионефти и углеродистых восстановителей, изложенной в предлагаемой монографии. 
Надо отметить, что развитие технологий из возобновляемого 
сырья как источника энергии с нейтральным уровнем эмиссии углерода повсеместно находят применение во многих промышленноразвитых странах. Пиролизное производство – древнейший способ 
получения кускового древесного угля для выплавки высококачественного чугуна и стали – стало приоритетным с развитием высокотехнологичных отраслей машиностроения. Производство древесно-угольной стали и чугуна в Западных странах составляет 10 млн. 
тонн в год. Использование каменноугольного кокса из-за присутствия вредных примесей в литейном производстве может отойти на 
второй план. Промышленное потребление древесного угля для выплавки чугуна прекратилось в СССР в середине ХХ века, хотя в 1913 
году в России уже было выплавлено 1 млн. тонн древесно-угольного 
чугуна и стали. Здесь одной из причин стало удаление сырьевой базы от стационарных заводов и низкотехнологичные, трудоемкие 
методы лесозаготовок. Применение многооперационной колесной 
техники харвестеров и форвардеров в ХХI веке значительно расширили возможности применения возобновляемых источников сырья 
для замены ископаемым. 
Российские ученые-лесохимики сделали большой инновационный 
скачок в разработке новых технологий пиролизного производства. 
Заслуживают внимания глубокие исследования технологии 
быстрого пиролиза профессора, доктора технических наук В. Н. Пиялкина, обладавшего способностью сочетать аналитизм с холистическим способом мышления. Его «революционным» открытием стала технология ультраокситермолиза с получением твердой и жидкой фракций продуктов переработки древесного сырья. 
                                                 
1 Aeguat causa effectum (лат.) – следствие равно причине. 
.
 
9 

Технологии пиролизного производства постоянно совершенствуются. Уже апробированы и работают передвижные и стационарные 
пиролизные установки нового поколения для получения кускового 
древесного угля, где в качестве «горючего» в топках пиролизера используются собственные парогазовые составляющие летучих углеводородо-кислородных смесей древесного сырья по замкнутому циклу, 
обеспечивая непрерывность технологического процесса. При этом выделяемой энергии теплопередачи хватает для сушки крупномерного 
древесного сырья, а также для получения горячей воды для технических нужд. Первая установка была разработана и запущена в эксплуатацию Юдкевичем, Ягодиным и Ширшиковым в 1998 году на предприятии АОЗТ «Выборгская угольная компания». В дальнейшем эти 
установки под брендом «Поликор» были доработаны и успешно растиражированы доцентом, кандидатом технических наук Юдкевичем. 
Технологии получения крупномерного кускового древесного угля системы установок «Поликор» базируются на сырье как мягколиственных, так и хвойных пород свежезаготовленной древесины с 
производительностью по выходу древесного угля от 1,5 до 3 т/сутки. 
Технология ультраокситермолиза, изложенная в монографии, 
предполагает использование в качестве сырья невостребованную сухостойную древесину, которая после рубительной машины в противотоке плотным формованным слоем проходит технологический процесс 
с получением исходных продуктов: бионефти, мелкого древесного угля, неконденсируемых газов. Вторым этапом технологического процесса предлагается получение древесно-угольных брикетов из мелкого 
древесного угля и бионефти как связующего. Исследования показали, 
что получаемые древесно-угольные брикеты по своим физикохимическим показателям являются лучшими восстановителями для 
процесса получения ферросплавов и кристаллического кремния. 
В монографии анализируются применяемые отечественные и 
зарубежные технологии получения бионефти из различного растительного сырья. В основу технологий заложена теоретическая и 
экспериментальная база научного подхода к решению проблемы. 
В книге освещены материалы публикаций и монографий авторов за 
более чем 30-летний период изысканий. 
Теория и практика применения ультраокситермолиза базируется 
на работах доктора технических наук, профессора В. Н. Пиялкина.  
Книга изложена научно-популярным языком для широкого 
круга читателей. Изложенные материалы представляют интерес 
для студентов и магистров по специальности 05.21.03 – «Технология 
и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия 
древесины». 
Новый взгляд на проблему утилизации древесных отходов позволит предпринимателям воспринимать их как техногенное сырье. 
.
 10