Вивчення особливостей горіння деревної тирси

Ефективне і повне згоряння є необхідною умовою використання деревини як екологічно прийнятного виду палива. Процес згоряння повинен забезпечувати високий ступінь використання енергії і, отже, повне знищення деревини, і не повинен викликати утворення небажаних в екологічному відношенні з'єднань.

Метою статті є визначення динаміки температури, при горінні деревної тирси на приладі ОТМ по ГОСТ 12.1.044-89, починаючи від 200 оС до максимального значення, а потім назад до 200 оС.

Теоретичний аналіз

Горіння деревної тирси протікає в гетерогенному режимі. Процес горіння складається з наступних стадій: 1) підсушування палива і нагрівання до температури початку виходу летких речовин; 2) займання летючих речовин і їх вигорання; 3) нагрівання коксу до займання; 4) вигорання горючих речовин з коксу. На практиці ці стадії частково накладаються одна на іншу [5].

Специфічні особливості процесів горіння деревини пов'язані з її вологістю, яка створює проблеми при спробі досягнення високої ефективності спалювання. Приблизно половина маси свіжозрубаного дерева складається з води. Друга половина являє собою суху деревну речовину, що містить 84-88% летких речовин, 11,4-15,6% твердого вуглецю і 0,4-0,6% золи [2].

Інша проблема, що виникає при спалюванні деревної біомаси, пов'язана з великою кількістю золи (також шлаків).

Методика експерименту

Для дослідів були підготовлені проби березової, соснової тирси і деревних гранул з відносною вологістю 12%, взяті в лісопильному цеху. Відібраний матеріал поміщали в мішечки з скло тканини масою 4,1 г, зшиті металічними скріпками, маса випробовуваних зразків по 50 г. Зважування проводили на лабораторних вагах з похибкою вимірювання ± 0,1 г.

Перед випробуванням внутрішню поверхню реакційної камери приладу ОТМ покрили двома шарами алюмінієвої фольги, товщиною не більше 0,2 мм, яку в міру прогорання або забруднення продуктами горіння замінювали на нову.

Задана температура (200 ± 5 оС) газоподібних продуктів горіння в реакційній камері підтримується газовим пальником протягом трьох хвилин.

Зразок закріплювали в тримачі вертикально металевим дротом, вводили за 3-5 с в реакційну камеру, і відчували до досягнення максимальної температури відведених газоподібних продуктів, реєструючи час її досягнення. Попередніми випробуваннями були визначені зразкові межі максимуму температури. Під час основних випробувань досягається максимум визначали витримкою протягом 15-30 с. Тому тривалість випробування на етапі зростання температури від 200 оС визначалася часом досягнення інтуїтивного (на основі минулого досвіду попередніх випробувань) очікуваного максимуму, а потім пальник вимикали. Для реєстрації температури використовували прилад КСП-4 з діапазоном від 0 до 600 ° С, а для відліку часу - секундомір. Відліки проводили через кожні 50 оС при зростанні температури від 200 оС до максимального значення, далі при зниженні температури до 200 оС. Зразок витримували в камері до повного остигання 20 оС, витягували і зважували, визначаючи зольний залишок.

Результати та їх обговорення

Таблиця 1
Результати вимірювань температури горіння в часі

Березова тирса	Березова тирса	Соснова тирса	Соснова тирса	Деревні гранули № 1	Деревні гранули № 1	Деревні гранули № 2	Деревні гранули № 2
Час , с	Температура , ОС	Час , с	Температура , ОС	Час , с	Температура , ОС	Час , 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	-	-	-	-	-	-

Дані табл. 1 піддавали статистичній обробці в програмному середовищі Curve Expert 1.3  для отримання стійких закономірностей.

Спалювання зразка з березовими тирсою представлено на рис. 1, залишки - рис. 2.
       
Рис. 1. Зміна температури                                      Рис. 2. Залишки моделювання даних
горіння березової тирси:                                            температури горіння березової тирси
S- сума квадратів відхилень;
r- коефіцієнт кореляції

Вихід летких речовин з деревини починається вже при температурі 105 оС, тому при 200 oC вони швидко спалахують, прискорюючи процес зростання температури від газового пальника. Цей етап розтягнутий у часі через розмаїття летких речовин, що мають різні температури займання в межах 105-230 оС.

Загальновідомо, що з початку горіння відбувається розкладання гемі-целюлози (200-260 oC) і потім, при більш високій температурі, розкладання целюлози (240-350 оC) і лігніну (280-500 oC). За час горіння при температурі 400-500 оC, через зниження летючої горючої маси в зразку деревини, настає максимум температури горіння. Залишається після видалення летких продуктів піролізу вуглиста речовина характеризується дуже високою пористістю і реакційною здатністю.

Тільки пористі матеріали, які утворюють твердий вуглистий залишок при нагріванні, можуть самостійно підтримувати тліючі горіння. До таких матеріалів належить деревина.

Слідом за припиненням полум'яного горіння починається тління, яке буде розвиватися всередині матеріалу, що залишився. Для зародження тління основним є вимога про наявність джерела тепла, який призведе до утворення вуглистого залишку і початку його окислення. Тління буде продовжуватися до тих пір, поки тепло буде зберігатися в області реакційної поверхні, тому зразок в реакційній камері витримували до повного остигання 20 оС. Маса утворилася золи становить 0,2 г або 0,44% початкової маси.

Ідентифікацією стійких законів виявили модель динаміки температури горіння березової тирси в часі з використанням стійкого закону виду


де T - температура відхідних газоподібних продуктів горіння матеріалу, ° С;
t- час горіння, с.

Спалювання зразка з сосновою тирсою представлено на рис. 3, залишки - рис. 4.



Рис. 3. Зміна температури                              Рис. 4. Залишки моделювання  
         горіння соснової тирси                       даних температури горіння соснової тирси

Склали модель динаміки температури горіння соснової тирси в часі з використанням стійкого закону
                      

Маса утвориної золи становить 0,45 г або 0,98% первинної маси зразка.

Спалювання зразка з деревними гранулами № 1 представлено на рис. 5, залишки - рис. 6.

Рис. 5. Зміна температури                               Рис. 6. Залишки моделювання     
горіння деревних гранул № 1                    даних температури горіння деревних гранул № 1

Модель динаміки температури горіння деревних гранул № 1 у часі з використанням стійкого закону має вигляд



Маса утворилася золи становить 0,3 г або 0,65% первинної маси зразка.
Спалювання зразка з деревними гранулами № 2 представлено на рис. 7, залишки - рис. 8.

Рис. 7. Зміна температури                    Рис. 8. Залишки моделювання  даних температури
горіння деревних гранул № 2                           горіння деревних гранул № 2

Модель динаміки температури горіння деревних гранул № 2 у часі з використанням стійкого закону має вигляд




Процес горіння деревних гранул в 1,3-1,4 рази довше за часом, ніж горіння тирси. Це пов'язано з великими розмірами деревних гранул і високою питомою щільністю 1300-1400 кг/м3, в порівнянні з щільністю соснових (500 кг/м3) і березових (630 кг/м3) тирси [1].

На рис. 9 представлені графіки, які показують динаміку температури горіння всіх випробовуваних зразків.

Рис. 9. Зміна температури горіння тирси і деревних гранул

Максимальна температура відхідних газоподібних продуктів горіння перших трьох зразків становить 500 оС, а останнього 450 оС.

Висновок
Таким чином, процес горіння залежить від різних характеристик палива, в основному, від складу палива, вологості, вмісту летких компонентів, вугілля, щільності, пористості, розмірів часток і площі активної поверхні.

Різні види паливної біомаси в значній мірі відрізняються по щільності паливного матеріалу; також є значні відмінності між твердими і м'якими породами дерев. Деревина твердих порід, наприклад берези, має більш високу щільність, що надає дію на значення відношення обсягу камери до споживаної енергії і характеристики горіння палива.

Підвищення вологості деревних відходів призводить до зменшення теплоти згорання палива, збільшення обсягу продуктів згоряння, до зниження температури горіння і впливає на вибір технології спалювання.

Для забезпечення оптимального процесу горіння з мінімальними викидами від неповного згоряння палива необхідно забезпечити підтримання високої температури горіння, досить тривалого часу перебування і оптимального змішування паливних газів з повітрям.