Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РОСТА ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ОПИЛОК

Кудрявцева Л.А., Мазуркин П.М.
В статье приведены результаты исследования закономерностей роста температуры, при горении древесных опилок на приборе ОТМ, начиная от 200 оС до максимального значения. С помощью программной среды Curve Expert 1.3 получены модели динамики температуры горения опилок во времени с использованием устойчивого закона. Ключевые слова: горение, древесные опилки, температура горения

Введение

Интерес к исследованию процессов горения древесины обусловлен, прежде всего, ее применением в качестве экологически чистого вида топлива из-за низкого содержание в ней серы: максимальное содержание серы в древесине составляет 0,05% [2]. Целью статьи является выявление закономерностей роста температуры, при горении древесных опилок на приборе ОТМ по ГОСТ 12.1.044-89 [6], начиная от 200 оС до максимального значения.

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 [5].

Специфические особенности процессов горения древесины связаны с ее влажностью. 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 [2].

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. Для регистрации температуры использовали прибор КСП-4 с диапазоном от 0 до 600 °С, а для отсчета времени - секундомер. Отсчеты проводили при росте температуры через каждые 50 оС до достижения максимальной температуры. 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.

Результаты и их обсуждение

Результаты измерений представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты измерений температуры горения во времени

Березовые

опилки

Сосновые

опилки

Древесные

гранулы №1

Древесные

гранулы №2

Время

t, с

Температура

T, оС

Время

t, с

Температура

T, оС

Время

t, с

Температура

T, оС

Время

t, с

Температура

T, 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

-

-

160

400

-

-

-

-

-

-

175

500

-

-

-

-

-

-

Максимальная температура отходящих газообразных продуктов горения первых трех образцов составляет 500 оС, а последнего 450 оС. Данные табл. 1 подвергали статистической обработке в программной среде Curve Expert 1.3 [4] для получения устойчивых закономерностей.

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

p

p

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 [3], 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.

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

f,                         (1)

где  T    - температура отходящих газообразных продуктов горения материала, оС,

t - время горения, с.

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

p

p

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 первого этапа с использованием устойчивого закона

f.                      (2)

Время достижения максимальной температуры горения сосновых опилок больше, чем у березовых.

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

p

p

Рис. 5. Изменение температуры горения древесных гранул №1

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

Модель динамики температуры горения древесных гранул во времени первого этапа с использованием устойчивого закона имеет вид

f.                              (3)

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

p

p

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 первого этапа с использованием устойчивого закона имеет вид

f.                         (4)

Процесс достижения максимальной температуры при горении древесных гранул в 1,6-1,8 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 [1].

Заключение

Важнейшим параметром горения древесных опилок является температура горения. Тепловые характеристики топлива зависят от типов химических структур и связей, что определяет значительные различия в выходе летучих в зависимости от температуры.

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.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  • 1.  Головков С.И., Коперин И.Ф., Найденов В.И. Энергетическое использование древесных отходов. М.: Лесная промышленность, 1987.
  • 2.  Джон Вос. Использование энергии биомассы для отопления и горячего водоснабжения в Республике Беларусь. Методические рекомендации по применению передовой практики. Часть A: Сжигание биомассы [Электронный ресурс] / Джон Вос. - Режим доступа: http://www.bioenergy.by/practa.htm, свободный.
  • 3.  Драйздейл Д. Пер. с англ. Бомштейн К.Г. Под ред. Кошмарова Ю.А., Макарова В.Е. Введение в динамику пожаров. М.: Стройиздат, 1990.
  • 4.  Мазуркин П.М., Филонов А.С. Математическое моделирование. Идентификация однофакторных статистических закономерностей: Учебное пособие. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006.
  • 5.  Скрябин В.И. Теплотехника. - М.: ВНТИЦ, 2002. - № 50200200706.
  • 6.  ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. - М.: Изд-во стандартов, 1991. - 52 с.

Библиографическая ссылка

Кудрявцева Л.А., Мазуркин П.М. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РОСТА ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ОПИЛОК // Современные проблемы науки и образования. – 2009. – № 6-3.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=1435 (дата обращения: 04.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074