Особенности горения древесных опилок

Эффективное и полное сгорание является необходимым условием использования древесины в качестве экологически приемлемого вида топлива. Процесс сгорания должен обеспечивать высокую степень использования энергии и, следовательно, полное уничтожение древесины, и не должен вызывать образование нежелательных в экологическом отношении соединений.

Целью статьи является определение динамики температуры, при горении древесных опилок на приборе ОТМ по ГОСТ 12.1.044-89 , начиная от 200 оС до максимального значения, а затем обратно до 200 оС.

Теоретический анализ

Горение древесных опилок протекает в гетерогенном режиме. Процесс горения состоит из следующих стадий: 1) подсушивание топлива и нагревание до температуры начала выхода летучих веществ; 2) воспламенение летучих веществ и их выгорание; 3) нагревание кокса до воспламенения; 4) выгорание горючих веществ из кокса. На практике эти стадии частично накладываются одна на другую.

Специфические особенности процессов горения древесины связаны с ее влажностью, которая создает проблемы при попытке достижения высокой эффективности сжигания. Приблизительно половина массы свежесрубленного дерева состоит из воды. Вторая половина представляет собой сухое древесное вещество, содержащее 84-88 % летучих веществ, 11,4-15,6 % твердого углерода и 0,4-0,6 % золы.

Другая проблема, возникающая при сжигании древесной биомассы, связана с большим количеством золы (также шлаков).

Методика эксперимента

Для опытов были подготовлены пробы березовых, сосновых опилок и древесных гранул с относительной влажностью 12 %, взятые в лесопильном цехе. Отобранный материал помещали в мешочки из стеклоткани массой 4,1 г, сшитые металлическими скрепками, масса испытываемых образцов по 50 г. Взвешивание проводили на лабораторных весах с погрешностью измерения ±0,1 г.

Перед испытанием внутреннюю поверхность реакционной камеры прибора ОТМ покрыли двумя слоями алюминиевой фольги, толщиной не более 0,2 мм, которую по мере прогорания или загрязнения продуктами горения заменяли на новую.

Заданная температура (200±5 оС) газообразных продуктов горения в реакционной камере поддерживается газовой горелкой в течение трех минут.

Образец закрепляли в держателе вертикально металлической проволокой, вводили за 3-5 с в реакционную камеру, и испытывали до достижения максимальной температуры отходящих газообразных продуктов, регистрируя время ее достижения. Предварительными испытаниями были определены примерные пределы максимума температуры. Во время основных испытаний достигаемый максимум определяли выдержкой в течение 15-30 с. Поэтому продолжительность испытания на этапе роста температуры от 200 оС определялась временем достижения интуитивного (на основе прошлого опыта предварительных испытаний) ожидаемого максимума, а затем горелку выключали. Для регистрации температуры использовали прибор КСП-4 с диапазоном от 0 до 600 °С, а для отсчета времени - секундомер. Отсчеты проводили через каждые 50 оС при росте температуры от 200 оС до максимального значения, далее при снижении температуры до 200 оС. Образец выдерживали в камере до полного остывания 20 оС, извлекали и взвешивали, определяя зольный остаток.

Результаты и их обсуждение

Результаты измерений представлены в табл. 1.

Березовые опилки		Сосновые опилки		Древесные гранулы №1		Древесные гранулы №2
Время , с	Температура , оС	Время , с	Температура , оС	Время , с	Температура , оС	Время , с	Температура , оС
14	200	30	200	44	200	37	200
20	250	53	250	100	250	55	250
30	300	65	300	157	300	70	300
36	350	75	350	215	350	92	350
45	400	90	400	245	400	167	400
79	450	130	450	276	450	300	450
140	450	185	500	330	500	325	350
160	400	215	450	360	450	342	300
175	500	265	400	363	400	385	250
195	450	328	350	370	350	465	200
258	400	332	300	385	300	-	-
280	350	342	250	415	250	-	-
295	300	365	200	475	200	-	-
313	250	-	-	-	-	-	-
340	200	-	-	-	-	-	-

Данные табл. 1 подвергали статистической обработке в программной среде Curve Expert 1.3  для получения устойчивых закономерностей.

Сжигание образца с березовыми опилками представлено на рис. 1, остатки - рис. 2.

Рис. 1. Изменение температуры горения березовых опилок: S- сумма квадратов отклонений; r- коэффициент корреляции

Рис. 2. Остатки моделирования данных температуры горения березовых опилок

Выход летучих веществ из древесины начинается уже при температуре 105 оС, поэтому при 200 oC они быстро воспламеняются, ускоряя процесс роста температуры от газовой горелки. Этот этап растянут во времени из-за разнообразия летучих веществ, имеющих разные температуры воспламенения в пределах 105-230 оС.

Общеизвестно, что с начала горения происходит разложение гемицеллюлозы (200-260 oC) и затем, при более высокой температуре, разложение целлюлозы (240-350 оC) и лигнина (280-500 oC). За время горения при температуре 400-500 оC, из-за снижения летучей горючей массы в образце древесины, наступает максимум температуры горения. Остающееся после удаления летучих продуктов пиролиза углистое вещество характеризуется очень высокой пористостью и реакционной способностью.

Только пористые материалы, которые образуют твердый углистый остаток при нагревании, могут самостоятельно поддерживать тлеющее горение. К таким материалам относится древесина.

Вслед за прекращением пламенного горения начинается тление, которое будет развиваться внутри оставшегося материала. Для зарождения тления основным является требование о наличие источника тепла, который приведет к образованию углистого остатка и начале его окисления. Тление будет продолжаться до тех пор, пока тепло будет сохраняться в области реакционной поверхности, поэтому образец в реакционной камере выдерживали до полного остывания 20 оС. Масса образовавшейся золы составляет 0,2 г или 0,44 % первоначальной массы.

Идентификацией устойчивых законов выявили модель динамики температуры горения березовых опилок во времени с использованием устойчивого закона вида


где   T   - температура отходящих газообразных продуктов горения материала, °С;
t- время горения, с.

Сжигание образца с сосновыми опилками представлено на рис. 3, остатки - рис. 4.

 

Рис. 3. Изменение температуры горения сосновых опилок

Рис. 4. Остатки моделирования данных температуры горения сосновых опилок

 
Составили модель динамики температуры горения сосновых опилок во времени с использованием устойчивого закона


Масса образовавшейся золы составляет 0,45 г или 0,98 % первоначальной массы образца.

Сжигание образца с древесными гранулами №1 представлено на рис. 5, остатки - рис. 6.


   

Рис. 5. Изменение температуры горения древесных гранул №1

Рис. 6. Остатки моделирования данных  температуры горения древесных гранул №1

Модель динамики температуры горения древесных гранул №1 во времени с использованием устойчивого закона имеет вид



Масса образовавшейся золы составляет 0,3 г или 0,65 % первоначальной массы образца.

Сжигание образца с древесными гранулами №2 представлено на рис. 7, остатки - рис. 8.

Рис. 7. Изменение температуры горения древесных гранул №2

Рис. 8. Остатки моделирования данных температуры горения древесных гранул №2

Модель динамики температуры горения древесных гранул №2 во времени с использованием устойчивого закона имеет вид


Процесс горения древесных гранул в 1,3-1,4 раза дольше по времени, чем горение опилок. Это связано с большими размерами древесных гранул и высокой удельной плотностью 1300-1400 кг/м3, по сравнению с плотностью сосновых (500 кг/м3) и березовых (630 кг/м3) опилок.

На рис. 9 представлены графики, которые показывают динамику температуры горения всех испытываемых образцов.



Максимальная температура отходящих газообразных продуктов горения первых трех образцов составляет 500 оС, а последнего 450 оС.

Заключение

Таким образом, процесс горения зависит от различных характеристик топлива, в основном, от состава топлива, влажности, содержания летучих компонентов, угля, плотности, пористости, размеров частиц и площади активной поверхности.

Различные виды топливной биомассы в значительной степени отличаются по плотности топливного материала; также имеются значительные различия между твердыми и мягкими породами деревьев. Древесина твердых пород, например березы, имеет более высокую плотность, что оказывает воздействие на значение отношения объема камеры к потребляемой энергии и характеристики горения топлива.

Повышение влажности древесных отходов приводит к уменьшению теплоты сгорания топлива, увеличению объема продуктов сгорания, к снижению температуры горения и влияет на выбор технологии сжигания.

Для обеспечения оптимального процесса горения с минимальными выбросами от неполного сгорания топлива необходимо обеспечить поддержание высокой температуры горения, достаточно длительного времени пребывания и оптимального смешения топливных газов с воздухом.