Tło

Węgiel drzewny jest pożądanym paliwem, ponieważ wytwarza gorący, długotrwały, praktycznie bezdymny ogień. Połączony z innymi materiałami i uformowany w jednolite kawałki zwane brykietami, jest popularnie stosowany do gotowania na świeżym powietrzu w Stanach Zjednoczonych. Według Barbecue Industry Association, Amerykanie kupili 883,748 ton brykietów z węgla drzewnego w 1997 roku.

Podstawowy węgiel drzewny jest produkowany przez spalanie bogatego w węgiel materiału, takiego jak drewno, w atmosferze o niskiej zawartości tlenu. Proces ten powoduje usunięcie wilgoci i lotnych gazów, które były obecne w pierwotnym paliwie. Powstały w ten sposób zwęglony materiał nie tylko pali się dłużej i bardziej stabilnie niż całe drewno, ale jest też znacznie lżejszy (jedna piąta do jednej trzeciej jego pierwotnej wagi).

Historia

Węgiel drzewny jest produkowany od czasów prehistorycznych. Około 5 300 lat temu nieszczęsny podróżnik zginął w Alpach Tyrolskich. Ostatnio, kiedy jego ciało zostało wydobyte z lodowca, naukowcy odkryli, że niósł on małe pudełko zawierające kawałki zwęglonego drewna zawinięte w liście klonu. Mężczyzna nie miał przy sobie żadnych narzędzi do rozniecania ognia, takich jak krzemień, więc wydaje się, że zamiast tego mógł mieć przy sobie tlący się węgiel drzewny.

Aż 6,000 lat temu, węgiel drzewny był preferowanym paliwem do wytopu miedzi. Po wynalezieniu wielkiego pieca około 1400 r. n.e., węgiel drzewny był szeroko stosowany w całej Europie do wytopu żelaza. Do XVIII wieku, wyczerpywanie się lasów doprowadziło do preferowania koksu (węglowej formy węgla drzewnego) jako paliwa alternatywnego.

Obfite lasy we wschodnich Stanach Zjednoczonych sprawiły, że węgiel drzewny stał się popularnym paliwem, szczególnie w kowalstwie. Był on również używany w zachodnich Stanach Zjednoczonych pod koniec XIX wieku do wydobywania srebra z rudy, do napędzania kolei oraz do ogrzewania domów i obiektów komercyjnych.

Przemiana węgla drzewnego z paliwa grzewczego i przemysłowego w materiał do rekreacyjnego gotowania miała miejsce około 1920 roku, kiedy Henry Ford wynalazł brykiet z węgla drzewnego. Fordowi nie tylko udało się zyskownie wykorzystać trociny i złom powstający w jego fabryce samochodów, ale jego uboczny biznes zachęcał również do rekreacyjnego wykorzystania samochodów na pikniki. Grille i węgiel drzewny Forda były sprzedawane w salonach samochodowych firmy, z których niektóre poświęcały połowę swojej powierzchni na działalność związaną z artykułami kuchennymi.

Historycznie, węgiel drzewny został wyprodukowany przez palowanie drewna w kopcu w kształcie stożka i pokrycie go z ziemi, darni, lub popiołów, pozostawiając otwory wlotu powietrza wokół dna stosu i komin portu na górze. Drewno podpalano i pozwalano mu się powoli spalać, a następnie zakrywano otwory wentylacyjne, aby stos mógł powoli stygnąć. W bardziej współczesnych czasach, jednorazowy dół na węgiel drzewny został zastąpiony kamiennym, ceglanym lub betonowym piecem, który mieścił 25-75 sznurów drewna (1 sznur = 4 stopy x 4 stopy x 8 stóp). Duża partia mogła palić się przez trzy do czterech tygodni, a jej schłodzenie zajmowało od siedmiu do dziesięciu dni.

Ta metoda produkcji węgla drzewnego generuje znaczną ilość dymu. W rzeczywistości, zmiany w kolorze dymu sygnalizują przejście do różnych etapów procesu. Początkowo, jego białawy odcień wskazuje na obecność pary wodnej, ponieważ pary wodne są wypychane z drewna. Jak inne składniki drewna, takie jak

Węgiel drzewny jest wytwarzany przez spalanie materiału bogatego w węgiel, takiego jak drewno, w atmosferze o niskiej zawartości tlenu. Proces ten powoduje usunięcie wilgoci i lotnych gazów, które były obecne w pierwotnym paliwie. Powstały w ten sposób zwęglony materiał nie tylko pali się dłużej i bardziej stabilnie niż całe drewno, ale jest też znacznie lżejszy (jedna piąta do jednej trzeciej jego pierwotnej wagi).

żywice i cukry spalają się, dym staje się żółtawy. W końcu dym zmienia kolor na niebieski, wskazując, że zwęglanie jest zakończone; jest to odpowiedni moment, aby zdusić ogień i pozwolić zawartości pieca ostygnąć.

Alternatywna metoda produkcji węgla drzewnego została opracowana we wczesnych latach 1900 przez Orina Stafforda, który następnie pomagał Henry’emu Fordowi w założeniu jego firmy produkującej brykiety. Metoda ta, zwana metodą retortową, polega na przepuszczaniu drewna przez serię palenisk lub pieców. Jest to proces ciągły, w którym drewno stale wchodzi do jednego końca pieca, a zwęglony materiał wychodzi z drugiego; w przeciwieństwie do tradycyjnego procesu piecowego, w którym drewno spalane jest w oddzielnych partiach. Praktycznie żaden widoczny dym nie jest emitowany z retorty, ponieważ stały poziom produkcji może być skutecznie traktowany za pomocą urządzeń kontroli emisji, takich jak dopalacze.

Surowce

Brykiety z węgla drzewnego są wykonane z dwóch podstawowych składników (stanowiących około 90% produktu końcowego) i kilku pomniejszych. Jeden z podstawowych składników, znany jako węgiel drzewny, jest w zasadzie tradycyjnym węglem drzewnym, jak opisano powyżej. Jest on odpowiedzialny za zdolność brykietu do łatwego rozpalania i wytwarzania pożądanego aromatu dymu drzewnego. Najbardziej pożądanym surowcem dla tego składnika jest twarde drewno, takie jak buk, brzoza, klon twardy, hikora i dąb. Niektórzy producenci używają również drewna miękkiego, takiego jak sosna, lub innych materiałów organicznych, takich jak pestki owoców i łupiny orzechów.

Innym podstawowym składnikiem, używanym do wytwarzania wysokotemperaturowego, długotrwałego ognia, jest węgiel. Mogą być stosowane różne rodzaje węgla, od podbitumicznego węgla brunatnego do antracytu.

Pomniejsze składniki obejmują środek wiążący (zazwyczaj skrobia wykonana z kukurydzy, milo lub pszenicy), przyspieszacz (taki jak azotan) i środek wybielający popiół (taki jak wapno), aby dać znać grillującemu, kiedy brykiety są gotowe do gotowania.

Proces produkcyjny

Pierwszym krokiem w procesie produkcyjnym jest zwęglenie drewna. Niektórzy producenci stosują metodę piecową (okresową), podczas gdy inni stosują metodę retortową (ciągłą).

Schematyczny diagram ilustrujący procesy produkcyjne niezbędne do wytworzenia brykietów z węgla drzewnego.

Zwęglanie drewna

• 1 (Proces wsadowy) Załadowanie typowej wielkości pieca betonowego około 50 kordami drewna zajmuje dzień lub dwa. W momencie rozpoczęcia palenia, otwory wlotu powietrza i otwory wylotowe są całkowicie otwarte, aby zasysać wystarczającą ilość tlenu do wytworzenia gorącego ognia. Podczas tygodniowego okresu palenia, porty i otwory wentylacyjne są regulowane tak, aby utrzymać temperaturę pomiędzy około 840-950° F (450-510° C). Na koniec okresu palenia zamyka się otwory wlotowe powietrza; otwory wylotowe zamyka się godzinę lub dwie później, po ustaniu palenia, aby uniknąć wzrostu ciśnienia w piecu. Po dwutygodniowym okresie chłodzenia, piec jest opróżniany, a zwęglone drewno (węgiel drzewny) jest mielone.
• 2 (Proces ciągły) Drewno jest sortowane (rozdrabniane na kawałki o odpowiednich wymiarach) w młynie młotkowym. Rozmiar cząstek około 0.1 in (3 mm) jest powszechne, chociaż dokładny rozmiar zależy od rodzaju drewna, które jest używane (np. kora, suche trociny, mokre drewno). Drewno przechodzi następnie przez dużą suszarnię bębnową, która zmniejsza jego wilgotność o około połowę (do około 25%). Następnie, jest podawane do górnej części pieca wielopaleniskowego (retorty).

  Zewnętrznie, retorta wygląda jak stalowy silos, wysoki na 40-50 stóp (12.2-15.2 m) i o średnicy 20-30 stóp (6.1-9.14 m). Wewnątrz znajduje się stos palenisk (od trzech do sześciu, w zależności od pożądanej wydajności produkcji). Górna komora jest paleniskiem o najniższej temperaturze, rzędu 525° F (275° C), podczas gdy dolna komora spala się w temperaturze około 1.200° F (650° C). Ciepło zewnętrzne, pochodzące z palników olejowych lub gazowych, jest potrzebne tylko na początku i na końcu pieca; na poziomach pośrednich spalają się rozwijające się gazy drzewne i dostarczają wystarczająco dużo ciepła, aby utrzymać pożądane poziomy temperatury.

  W każdej komorze, drewno jest mieszane przez ramiona wysuwane z centralnego wału, który biegnie pionowo przez całą retortę. Ten powolny proces mieszania (1-2 obr/min) zapewnia równomierne spalanie i przemieszczanie materiału przez retortę. Na kolejnych poziomach, ramiona spychają palące się drewno albo w kierunku otworu wokół centralnego wału, albo w kierunku otworów wokół zewnętrznej krawędzi podłogi, aby materiał mógł spaść na kolejny, niższy poziom. Gdy tlący się węgiel wychodzi z ostatniej komory, jest gaszony strumieniem zimnej wody. Następnie może być natychmiast wykorzystany lub może być przechowywany w silosie do czasu, gdy będzie potrzebny.

  Typowa retorta może wyprodukować około 5 500 funtów (2,5 tony metrycznej) węgla drzewnego na godzinę.

Karbonizacja węgla

• 3 Niższe gatunki węgla mogą być również karbonizowane w celu wykorzystania w węglu drzewnym. Rozdrobniony węgiel jest najpierw suszony, a następnie podgrzewany do temperatury około 1100° F (590° C) w celu usunięcia składników lotnych. Po schłodzeniu powietrzem jest on przechowywany do czasu, gdy będzie potrzebny.

Brykietowanie

• 4 Węgiel drzewny i składniki drugorzędne, takie jak spoiwo skrobiowe, są podawane w odpowiednich proporcjach do mieszalnika łopatkowego, gdzie są dokładnie mieszane. W tym momencie materiał ma około 35% zawartości wilgoci, co daje mu konsystencję nieco podobną do wilgotnej gleby.
• 5 Wymieszany materiał jest wrzucany do prasy składającej się z dwóch przeciwległych walców zawierających wgłębienia wielkości brykietów. Ze względu na zawartość wilgoci, środek wiążący, temperaturę (około 105° F lub 40° C) i nacisk walców, brykiety zachowują swój kształt, gdy opadają z dna prasy.
• 6 Brykiety spadają na przenośnik, który przenosi je przez jednoprzejściową suszarnię, która podgrzewa je do temperatury około 275° F (135° C) przez trzy do czterech godzin, zmniejszając ich wilgotność do około 5%. Brykiety mogą być produkowane w tempie 2200-20 000 funtów (1-9 ton metrycznych) na godzinę. Brykiety są albo natychmiast pakowane do worków, albo przechowywane w silosach w oczekiwaniu na następny zaplanowany cykl pakowania.

Pakowanie do worków

• 7 Jeśli produkowane są brykiety „instant-light”, przed pakowaniem do worków rozpylany jest rozpuszczalnik węglowodorowy i natryskiwany na brykiety.
• 8 Brykiety z węgla drzewnego są pakowane w worki różnej wielkości, od 4 do 24 lb. Niektóre małe, wygodne opakowania są wykonane tak, że konsument może po prostu podpalić cały worek bez uprzedniego usuwania brykietów.

Produkty uboczne/odpady

Pod koniec XIX i na początku XX wieku odzyskiwanie kwasu octowego i metanolu jako produktów ubocznych procesu rozdrabniania drewna stało się tak ważne, że sam węgiel drzewny stał się zasadniczo produktem ubocznym. Po opracowaniu bardziej wydajnych i mniej kosztownych technik syntezy kwasu octowego i metanolu, produkcja węgla drzewnego znacznie zmalała, dopóki nie została ożywiona przez rozwój brykietów do rekreacyjnego gotowania.

Proces wsadowy do zwęglania drewna wytwarza znaczne ilości dymu zawierającego cząstki stałe. Wyposażenie wylotów spalin w dopalacze może zmniejszyć emisję nawet o 85%, ale ze względu na stosunkowo wysoki koszt obróbki, nie jest to powszechnie stosowane.

Nie tylko bardziej stały poziom pracy retort ułatwia kontrolę ich emisji za pomocą dopalaczy, ale pozwala na produktywne wykorzystanie palnych gazów odlotowych. Na przykład, gazy te mogą być wykorzystane do zasilania suszarni drewna i suszarni brykietów lub do produkcji pary i energii elektrycznej.

Produkcja brykietu z węgla drzewnego jest przyjazna dla środowiska w inny sposób: największy producent brykietu w Stanach Zjednoczonych wykorzystuje wyłącznie produkty odpadowe do zaopatrzenia w drewno. Wióry drzewne, trociny i kora od producentów palet, podłóg i tartaków są przekształcane ze stosów odpadów w użyteczne brykiety.

Przyszłość

Metody produkcji węgla drzewnego i brykietów niewiele się zmieniły w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat. Najbardziej znaczącą innowacją w ostatnich latach jest rozwój brykietów typu „instant-light”. Nowa wersja wprowadzona w 1998 roku będzie gotowa do gotowania w ciągu około 10 minut.

.