Исследование физико-химических и теплотехнических свойств различных древесных и растительных отходов для получения альтернативных моторных топлив

Рассмотрено влажность, зольность и плотность древесных и растительных отходов. В настоящее время в Узбекистане, СНГ, а так же и в зарубежных странах все большее распространение получает термин - древесные и растительные отходы (ДРО).

ДРО называют все многообразные органические вещества, образующиеся в результате жизнедеятельности дерев и растений. ДРО являются все вещества, из которых состоят листья, хворост, неодревесневевшие побеги, сучья, ветви, вершины, ствол дерева, кора и корневая система, солома, лузга и другие.

Отходы древесно-растительного сырья следует рассматривать как вторичные материальные ресурсы. В промышленности используют следующие виды отходов:

– в деревообрабатывающей промышленности – стружки, опилки, дрова, сучки, ветки, древесная пыль;

– гидролизной –лигнин (вторичный отход деревообработки);

– в масложировой – шелуха хлопковых семян;

– в зерно - обрабатывающей – шелуха и солома злаковых;

– при обработке лубяных культур – костра льна, кенафа;

– отходы сельского хозяйства – стебли хлопчатника, кукурузы, подсолнечника, табака, виноградная лоза и другие.

Запасы ДРО в Узбекистане следующие: отходы деревообработки составляют около 1,5млн. м3, ежегодные объемы рисовой соломы 150 тыс.т., лузги 30 тыс.т., лигнина 200 тыс.т., стебли хлопчатника (гуза-пая) 5-6 млн.т., костры лубзаводов 200 тыс.т. Расчеты показывают, что около 5 млн. тонн гуза-паи используется в качестве топлива а около 180 тыс.т. костры просто сжигается [1,2].

Физико-химические и теплотехнические свойства различных видов ДРО имеют некоторые различия, оказывавшие определенное влияние на эффективность их использования в энергетических целях, а именно для получения альтернативных моторных топлив. Это делает целесообразным изучение основных характеристик различных видов ДРО.

Из всего многообразия различных видов ДРО разумно выделить следующие основные, имеющие наибольшие практическое значение при энергетическом использовании ДРО, а именно стружки и опилки древесины, стебли хлопчатника, подсолнуха, кукурузы, табака, камыша, древесную гниль, тростника и т.п.

Влажность ДРО – это качественная характеристика показывающая содержание в древесине и растении влаги. Различают абсолютную и относительную влажность ДРО.

Абсолютной влажностью называют отношение массы влаги к массе сухого ДРО:

W_a=· 100 %, (1)

где W_a – абсолютная влажность; m – масса образца во влажном состоянии, г; m_o – масса того же образца высушенного до постоянного значения, г.

Относительной или рабочей влажностью называют отношение массы влаги к массе влажного ДРО:

W^р=· 100 %, (2)

где W_a – относительная, или рабочая влажность.

Перерасчет абсолютной влажности в относительную и наоборот производится по формуле:

W^р = , W_a= . (3)

При расчетах процессов сушки и пиролиза отходов древесины и сельскохозяйственной растительности используется абсолютная влажность. В теплотехнических расчетах принимается только относительная, или рабочая влажность..

Различают две формы влаги, содержащейся в древесной или растительной массе: связанную (гигроскопическую) и свободную. Связанная влага находится внутри стенок клеток и удерживается физико-химическими связями, удаление этой влаги сопряжено с дополнительными затратами энергии и существенно отражается на большинстве свойств древесинного вещества.

Свободная влага находится в полостях клеток и в межклеточных пространствах. Свободная влага удерживается только механическими связями и удаляется значительно легче, оказывает меньшее влияние на механические и тепловые свойства древесины и сельскохозяйственных растений.

Состояние древесного вещества, при котором свободная влага отсутствует, а клеточные стенки содержат максимальное количества связанной влаги, соответствуют пределу насыщения или пределу гигроскопичности.

Пределом насыщения W_п.н называют максимальную влажность древесного вещества клеточных стенок свежесрубленной древесины или сельскохозяйственных растений, увлажнённой путем длительного выдерживания в воде (2 ч, 1 сутки, 2 сутки, 4 сутки, 7 сутки, 12 сутки, 20 сутки).

При выдерживании древесины или стебля хлопчатника (сорта Бухара 6) на воздухе происходит обмен влаги, между воздухом и древесным веществом. Если влажность древесного вещества очень высока, то при этом обмене происходит высыхание древесины и стебля хлопчатника. Если влажность их низка, то древесное вещество увлажняется. При длительном пребывании древесины и стебля хлопчатника на воздухе, при стабильных температуре и относительной влажности воздуха, влажность древесины и стебля хлопчатника становится также стабильной. Это достигается тогда, когда упругость паров воды окружающего воздуха сравняется с упругостью паров воды у поверхности древесины и стебля хлопчатника. Величина устойчивости влажности древесины и стебля хлопчатника, выдержанной длительное время при определенной температуре не зависит от направления процесса. В процессе сушки и пиролиза древесины и стебля хлопчатника устойчивая влажность выше той, которая получается в процессе увлажнения древесины и стебля хлопчатника. Разницу между устойчивыми значениями влажности при сушке и увлажнении принято называть гистерезисной сорбцией. Измельченная древесины и гуза-пая (опилки, стружки, щепа) с большой поверхностью имеют ничтожно малую гистерезисную сорбцию. При этом ее устойчивую влажность называют равновесной .

Равновесная влажность одинакова у древесины и гуза-паи различных пород и полностью определяется параметрами воздуха, в среде которого она находится, т.е. та же температура t и относительная влажность ψ.

В зависимости от величины влажности стволовую древесину и сельскохозяйственные растения подразделяют на мокрую, свежее срубленную, солнечно воздушно-сухую и абсолютно сухую.

Мокрой называют древесину и сельскохозяйственное растение, длительное время находящееся в воде.

Свежесрубленной называют древесину и сельскохозяйственное растение, сохранившее влагу растущего дерева и сельскохозяйственного растения. Оно зависит от породы древесины и сельскохозяйственного растения и изменяется в пределах W^р=33÷50%.

Солнечно – воздушно – сухая – это древесина и сельскохозяйственное растение, выдержанное длительное время на открытом воздухе и солнце. Во время пребывания на открытом воздухе и солнце древесина и сельскохозяйственное растение постоянно подсыхают, и их влажность постепенно снижается до устойчивой величины. Влажность солнечно-воздушно-сухой древесины и сельскохозяйственных растений W^р=13÷17% .

Компактно – сухая древесина и сельскохозяйственное растение – эти древесина и сельскохозяйственное растение, длительное время находящееся в отапливаемом и вентилируемом помещении. Влажность компактно-сухой древесины и сельскохозяйственного растения W^р=7÷11% .

Абсолютно сухая – древесины и сельскохозяйственное растение, высушенное при температуре t-103 ± 2 ^оС до постоянной массы. В растущем дереве и сельскохозяйственном растении влажность распределена не равномерно. Она изменяется как по радиусу, так и по высоте ствола.

Влажность элементов кроны – ветви, сучья, вершины измельчались на экспериментальном участке в топливную щепу с помощью дробильной установки ДУ-2 и использовались в качестве сырья для пиролиза при получении альтернативного топлива. В составе щепы были также хвойные лапки, листья, неодревесневевшие побеги. Влажность такой щепы, по экспериментальным данным приведена в табл.1. Приведенные данные показывают, что значительная часть щепы из хозяйственных растительных и древесных отходов вследствие широкого варьирования рассматриваемого параметра имеет влажность более 50 %.

Среднее значение влажности щепы близко к 50 %.

Таблица 1

Влажность щепы из древесных и сельскохозяйственных растительных отходов.

Зольностью называют содержание в топливе минеральных веществ, остающихся после полного сгорания всей горючей массы. Зола является нежелательной частью топлива, так как снижает содержание горючих элементов и затрудняет эксплуатацию топочных устройств и пиролизных установок.

При проведении анализов, количество золы подсчитывается на рабочую массу по формуле:

А^р=А^с ( (4)

где А^р- содержание золы в расчете на рабочую массу, %; А^с - содержание золы на сухую массу топлива, %; W^p- рабочая влажность топлива, %.

Зола подразделяется на внутреннюю, содержащуюся в древесном веществе, и внешнюю, попавшую в топливо при заготовке, хранении и транспортировке биомассы. В зависимости от вида, зола имеет различную плавкость при нагревании до высокой температуры. Легкоплавкой называется зола имеющая температуру начала жидко – плавкого состояния ниже 1350 ^оС. Среднеплавкая зола имеет температуру начала жидко – плавкого состояния в пределах 1350-1450 ^оС. У тугоплавкой золы эта температура выше 1450 ^оС.

Внутренняя зола древесной и растительной биомассы является тугоплавкой, а внешняя – легкоплавкой. Содержание золы в различных частях деревьев и растительностей показано в табл.2.

Распределенные золы в частях дерева и сельскохозяйственного растения различных пород.

Таблица 2

Распределенные золы в частях дерева и сельскохозяйственного растения различных пород

Содержание внутренней золы стволовой древесины изменяется в пределах от 0,2 до 1,17 %, а сельскохозяйственных растений изменяется в пределах от 1,.5 – до– 2%.

На основании рекомендаций по нормативному методу теплового расчета котельных агрегатов в топочных устройствах, зольность стволовой древесины и сельскохозяйственных пород должна приниматься равной 1 % сухой массы.

Плотность материала характеризуется отношением его массы к объему. Плотность древесного вещества – это отношение массы материала, образующего стенки клеток, к занимаемому ими объему. Плотность древесинного вещества, одинакова для всех пород древесины и равна 1,53 г/см³, а для сельскохозяйственных растений всех пород равно 1,50 г/см³.

Плотность абсолютно сухой древесины или сельскохозяйственных растений - отношение массы древесины или сельскохозяйственных растений к занимаемому ими объему.

ρ_o=m_o/v_o (5)

где, ρ_o – плотность абсолютно сухой древесины или растения; m_o- масса образца древесины или растения при w^p=0; v_o- объем образца древесины или растения при w^p=0.

Плотность влажности

ρ_u=m_w/v_w (6) где ρ_о -плотность древесины или растений при влажности w^p; m_w- масса образца древесины или растений при влажности w^p; V_w…-объем, занимаемый образцом древесины или растений при влажности w^p.

По рекомендации комиссии СЭВ, все показатели физико-химических свойств древесины или растений определяются при абсолютной влажности 12% и пересчитываются на эту влажность.

Плотность стволовой древесины. Величина плотности стволовой древесины и стеблей растения зависит от ее породы, влажности и коэффициента разбухания Кр. Все породы древесины и сельскохозяйственных растений по отношению к коэффициенту разбухания Кр разделяются на 2 группы. К первой группе относятся породы у которых коэффициент разбухания Кр =0,6 (белая акация, береза, лиственницы и другие), ко второй группе относятся все остальные породы древесины у которых Кр=0,5.

К первой группе относятся белая акация, береза, бук, граб, лиственница, плотность их стволовой древесины можно вычислить по следующим формулам:

Ρ_w= 0,957 ρ₁₂ , W^p <23%. (7)

Ρ_w= 0,81 ρ_{12 ,} W^p >23%. (8)

Для всех остальных пород стволовой древесины и сельскохозяйственных растений плотность вычисляется по формулам:

Ρ_w= 0,946 W^p <23%, (9)

Ρ_w= 0,823 ρ₁₂ , W^p <23%, (10) где ρ₁₂ - плотность при стандартной влажности, то есть при абсолютной влажности 12%.

Величина плотности при стандартной влажности определяется для различных пород древесины и сельскохозяйственных растений по табл. 3.

Таблица 3

Плотность стволовой древесины и сельскохозяйственных растений различных пород при стандартной влажности и в абсолютном сухом состоянии.

Выводы.

1. Равновесная влажность одинакова у древесины и сельскохозяйственных растений различных пород и полностью определяется параметрами воздуха, в среде которого находятся, т.е. его температурой и относительной влажностью.

2. Влага свежесрубленной древесины и сельскохозяйственных растений зависит от их породы и изменяется в пределах W^р=33-:-50%.

3. Абсолютная сухая древесина и сельскохозяйственные растения становятся при температуре 103+2 ^оС до постоянного веса.

Литература:

1. В.М.Курдюмова. Материалы и конструкции из отходов растительного сырья. Фрунзе, «Киргизистан», 1990г, с. 111 стр.

2. Комплексное использование вторичных материальных ресурсов в Узбекистане. Тезисы, доклады научно-технической практической конференции. Ташкент 1986г, с.,121-123.