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

ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ГОРЕНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ОПИЛОК

Кудрявцева Л.А., Мазуркин П.М.
В статье приведены результаты исследования динамики температуры, при горении древесных опилок на приборе ОТМ, начиная от 200 оС до максимального значения, а затем обратно до 200 оС. 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, тление

Введение

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 [6], 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 [5].

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 [2].

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.

Таблица 1

Результаты измерений температуры горения во времени

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 [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. 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

f,                         (1)

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.

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 с использованием устойчивого закона

f.                               (2)

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.

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 №1 во времени с использованием устойчивого закона имеет вид

f.                        (3)

f

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.

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 с использованием устойчивого закона имеет вид

f

f.                         (4)

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 [1].

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

p

Рис. 9. Изменение температуры горения опилок и древесных гранул

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.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Головков, С.И. Энергетическое использование древесных отходов / С.И. Головков, И.Ф. Коперин, В.И. Найденов. - М.: Лесная промышленность, 1987. - 224 с.

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. Введение в динамику пожаров / Пер. с англ. К.Г. Бомштейна / Под ред. Ю.А. Кошмарова, В.Е. Макарова. - М.: Стройиздат, 1990. - 424 с.

4.  Мазуркин, П.М. Математическое моделирование. Идентификация однофакторных статистических закономерностей: Учебное пособие / П.М. Мазуркин, А.С. Филонов. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. - 292 с.

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 ОСОБЕННОСТЕЙ ГОРЕНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ОПИЛОК // Современные проблемы науки и образования. – 2009. – № 6-3.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=1437 (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