научная статья по теме ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВНЫХ ГРАНУЛ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ДРЕВЕСНЫХ ПОРОД Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВНЫХ ГРАНУЛ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ДРЕВЕСНЫХ ПОРОД»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2015, № 5, с. 61-69

УДК 662.63

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТОПЛИВНЫХ ГРАНУЛ ИЗ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ

ДРЕВЕСНЫХ ПОРОД © 2015 г. П. В. Малыгин, В. К. Любов

Институт энергетики и транспорта, Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова,

Архангельск E-mail:p.Malygin@narfu.ru, v.lubov@narfu.ru Поступила в редакцию 07.07.2014 г.

В статье приведены результаты элементного анализа древесины и коры трех основных пород деревьев, используемых в качестве сырья для производства топливных гранул в Северо-Западном регионе и самих гранул, результаты дифрактометрических исследований, а также данные и микрофотографии, полученные на анализаторе удельной поверхности пор и на электронном микроскопе. Результаты вносят дополнительный вклад в имеющиеся представления о процессах, протекающих в установках, производящих топливные гранулы, и в горелочных устройствах теплогенерирующих агрегатов, и дают импульс для новых исследований в этой области.

DOI: 10.7868/S0023117715050084

Введение

В последнее время наблюдается большой интерес к использованию местных видов энергетических ресурсов. Этот факт обусловлен многими причинами, главные из которых — это политика государства, нацеленная на рациональное использование природных богатств страны, и стремление к энергетической независимости регионов от привозных и, как правило, дорогостоящих видов топлив. По данным "Ежегодного доклада о состоянии и использовании лесов Российской Федерации за 2012 год", в СевероЗападном регионе лесистость составляет 52.5%, а запас древесины — более 10 млрд м3. Преобладающая древесная порода — ель, в гораздо меньших объемах — сосна и береза, остальные породы представлены в небольшом количестве на отдельных территориях. Приведенные данные позволяют сделать вывод о потенциале возможного использования запасов данных энергетических ресурсов для обеспечения генерации теплоты и электроэнергии. Важно отметить, что не все леса могут быть использованы на данном этапе развития экономики, поэтому проблема выбора оптимальных и наиболее эффективных пород древесины стоит очень остро. Оценка проводится по многим параметрам, главными из которых являются теплофизические, гранулометрические, морфологические и другие свойства топлив. Большое значение также имеет экономическая составляющая вопроса, поскольку часть ресурсов находится на труднодоступных территориях либо в малонаселенных пунктах, где отсутствует по-

требность в больших объемах выработки тепловой и электрической энергии. Добыча и использование древесины в таких регионах возможна только при осуществлении дотационной политики и поддержки со стороны государства.

В качестве биотоплива можно использовать различные части дерева. Наиболее перспективна и легкодоступна стволовая древесина и кора, получаемая в процессе окорки деловой и неделовой древесины.

Древесина — это продукт биологического происхождения. Она представляет собой сложный комплекс как в структурном, так и в химическом отношении. Примерно 70% органических веществ древесины составляют углеводы, около 30% — это вещества ароматической природы, которые называют лигнином. Небольшую часть древесины составляют экстрактивные вещества [1].

Наряду с органическими в состав древесины входят также минеральные вещества, около 0.2— 1.2% [2]. При сжигании древесины образуется твердый негорючий остаток — зола. Содержание золы зависит от породы древесины, от условий произрастания дерева, его возраста, времени года и др.

Вещественный состав древесины различных пород существенно колеблется. Но в целом можно отметить, что в преобладающих хвойных породах Северо-Западного региона, таких как ель и сосна, содержится больше лигнина (27—28%) и меньше гемицеллюлоз (20—25%), чем в лиственных (соответственно 18—22 и 25—40%). При этом хвойные породы содержат больше гексозанов

(13—18%) и меньше пентозанов (8—12%), чем лиственные (соответственно 2—5 и 20—30%) [1].

Кора в свежесрубленном состоянии составляет приблизительно 13% от объема ствола без учета кроны. Однако при доставке древесины от места рубки до деревоперерабатывающего предприятия ее объем может сократиться до 9—10% [3]. По своему химическому составу кора — это уникальное возобновляемое сырье. В ее состав входят целлюлоза (16—23%), пентозаны (7—15%), гексозаны (6—16%), полиурониды (8—10%), лигнин (27— 33%), экстрактивные вещества (14—30%). Зольность коры больше, чем стволовой древесины, и составляет 1.4—2.4% на сухую массу [2].

Экспериментальная часть

Для проведения экспериментов были выбраны наиболее часто встречающиеся в Северо-Западном регионе породы древесины: ель, сосна, береза. Из стволовой древесины данных пород, а также из гранул, полученных при прессовании, были подготовлены образцы, согласно предъявляемым требованиям. Исследования проводились по нескольким направлениям с целью комплексной оценки образцов как топливно-энергетического ресурса. Работа выполнена на оборудовании ЦКП НО "Арктика" Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова (САФУ) при финансовой поддержке Мин-обрнауки России и Программы развития САФУ. Изучение пористой структуры материалов осуществляли в лаборатории по экспертизе и контролю качества строительных и отделочных материалов кафедры композиционных материалов и строительной экологии института строительства и архитектуры САФУ.

Определение элементного состава проводили на автоматизированном анализаторе Euro EA-3000 по новому стандарту анализа CHNS (углерода, водорода, азота и серы). Метод основан на высокотемпературном сжигании пробы в присутствии кислорода при температуре печи 980°С с последующим газохроматографическим разделением и детектированием продуктов сгорания при помощи высокочувствительного катарометриче-ского детектора, имеющего температуру 110°С.

Для характеристики надмолекулярной структуры образцов был применен метод рентгено-структурного анализа.

Образцы проанализированы на рентгеновском дифрактометре Shimadzu XRD-7000 S в виде таблеток, полученных в результате прессования 0.3 г пробы в пресс-форме диаметром 25 мм с усилием 100 кН. Рентгеновская дифрактограмма проб была записана в неотражающем держателе с вращением 30 об/мин. Оптическая схема гониометра: 9—29, детектор сцинтилляционный с монохрома-тором. Параметры работы рентгеновской трубки:

ускоряющее напряжение 50 кВ, ток 30 мА, материал мишени — Cu. Диапазон сканирования по углу 29 от 10° до 70°, скорость сканирования 0.5 град/мин, шаг 0.02°. Для оценки кристалличности материалов применялось программное обеспечение дифрактометра.

Для изучения морфологии образцов выполнены исследования на электронном растровом микроскопе Zeiss SIGMA VP. Характерная особенность микроскопа SIGMA — использование технологии GEMINI, т.е. технологии, обеспечивающей высокое качество изображений и точные аналитические результаты среди всех автоэмиссионных микроскопов. GEMINI представляет собой электронно-оптическую колонну, способную обеспечивать изображение высокой четкости при низком значении рабочего напряжения и сверхстабильном токе пучка во время проведения аналитических испытаний.

Исследования удельной поверхности пор были проведены с помощью автоматического ана-лизатораAutosorb-iQ-MP. Нижний предел аппарата при измерении удельной площади поверхности с использованием азота составляет 0.01 м2/г, а верхний предел не ограничен. Определение удельной площади поверхности производилось по методу БЕТ.

Результаты и обсуждение

Исследования выполнялись с целью сравнения содержания углерода и водорода в различных породах, состояниях и на разных уровнях ствола древесины, в исходном сырье и топливных гранулах, полученных из него. Результаты приведены в табл. 1. Значения содержания углерода, водорода и золы приведены в расчете на абсолютно сухую пробу. Содержания серы и азота в исследованных пробах очень малы и соизмеримы с допустимой погрешностью CHNS-анализатора, поэтому в табл. 1 не приведены.

Из табл. 1 следует, что:

1) при сопоставлении элементного состава сухостойной и усыхающей сосны видно, что у первого образца наименьшее содержание углерода приходится на верхний участок ствола (51.79%), а у второго — на нижний (51.87%);

2) среднее содержание углерода и водорода в древесине сухостойной и усыхающей сосны находится примерно на одном уровне: 52.24 и 5.93% у сухостойной, 52.30 и 5.99% у усыхающей соответственно. Этот факт подтверждает равнозначность указанных состояний деревьев при оценке потенциала использования для энергетических целей и не требует их разделения;

3) среднее содержание углерода в древесине свежесрубленной сосны на 1.7% выше, чем у сухостойной, и на 1.6% выше, чем у усыхающей,

Таблица 1. Результаты элементного анализа

Проба Показатель

углерод (С), % водород (Н^), % зола (А), %

Стволовая древесина березы 52.12 5.89 0.72

Стволовая древесина сухостойной сосны, верх 51.79 5.89 0.33

Стволовая древесина сухостойной сосны, середина 52.52 6.00 0.32

Стволовая древесина сухостойной сосны, низ 52.41 5.98 0.31

Стволовая древесина усыхающей сосны, верх 52.41 5.94 0.29

Стволовая древесина усыхающей сосны, середина 52.61 5.97 0.28

Стволовая древесина усыхающей сосны, низ 51.87 6.06 0.27

Стволовая древесина свежесрубленной сосны 53.14 5.87 0.25

Стволовая древесина ели 51.40 7.15 0.26

Еловый опилок 51.41 7.50 0.27

Кора* 53.50 6.10 1.80

Топливная гранула из сосны 49.50 6.32 0.44

Топливная гранула из ели 50.69 7.42 0.42

Топливная гранула из березы 51.52 5.82 0.75

Топливная гранула из подгнившего елового опилка с добавкой коры 48.70 6.34 0.68

Топливная гранула из коры 47.80 5.66 2.00

* Данные [2].

при значении низшей теплоты сгорания горючей массы топлива 19245 кДж/кг у древесины свеже-срубленной сосны и 18878 кДж/кг у сухостойной [4]. Данный факт говорит о большем энергетическом потенциале непораженной древесины по сравнению с древесиной сухостойной и усыхающей сосны. Однако при выборе объекта рубки должны учитываться многие факторы, в том числе возможность использования здоровой древесины для других отраслей промышленности;

4) среднее содержание углерода и

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком