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

РАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГОРЕНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ОПИЛОК С ХИМИЧЕСКИМИ ДОБАВКАМИ

Кудрявцева Л.А., Мазуркин П.М.
В статье приведены результаты исследования динамики температуры, при горении древесных опилок с химическими добавками 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 не должен вызывать образование нежелательных в экологическом отношении соединений.

Целью статьи является определение динамики температуры, при горении древесных опилок, обработанных растворами кислот и жиросодержащими сточными водами, на приборе ОТМ по ГОСТ 12.1.044-89 [4], начиная от 200 оС до максимального значения, а затем обратно до 200 оС.

Теоретический анализ

Древесина обладает высокой сорбирующей способностью. Опилки, обработанные растворами кислот, поглощают, удерживают эти растворы, увеличиваясь в объеме и выделяя лигнин. Происходящие изменения в химических связях, оказывают влияние на температуру горения.

Общеизвестно [1], что химические добавки уменьшают энергию активации реакций пиролиза древесины и ее компонентов и снижают температуру начала их разложения. Так при пропитке древесины березы одновременно H2SO4 (2 %-ной) и H2O2 (0,1 %-ной) температура начала разложения снижается с 250 до 120 оC, скорость термодеструкции увеличивается более чем в 10 раз, энергия активации уменьшается примерно со 160 до 40 кДж/моль, выход древесного угля возрастает на 35 %.

Методика эксперимента

Для опытов были подготовлены пробы березовых и сосновых опилок с относительной влажностью 12 %, взятые в лесопильном цехе.

Предварительно опилки выдерживали в течение 24 часов в растворах кислот HCl (3 %-ной) и H2SO4 (2 %-ной), а также опилки применяли в качестве фильтра для очистки 100 мл жиросодержащих сточных вод, затем пробы высушивали в сушильном шкафу в течение 48 часов.

Подготовленный 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 температуры горения березовых опилок представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты измерений температуры горения березовых опилок во времени

Березовые

опилки

Березовые опилки, выдержанные в растворе HCl (3 %-ной)

Березовые опилки, выдержанные в растворе H2SO4

(2 %-ной)

Березовые опилки, обработанные жиросодержащей сточной

водой

Время

, с

Температура

, оС

Время

, с

Температура

, оС

Время

, с

Температура

, оС

Время

, с

Температура

, оС

14

200

100

200

233

200

24

200

20

250

270

225

420

225

51

250

30

300

330

250

540

240

110

300

36

350

900

275

725

240

155

350

45

400

1005

250

733

200

200

360

79

450

1023

200

744

150

280

350

140

450

-

-

890

100

288

300

160

400

-

-

-

-

300

250

175

500

-

-

-

-

315

200

195

450

-

-

-

-

360

150

258

400

-

-

-

-

-

-

280

350

-

-

-

-

-

-

295

300

-

-

-

-

-

-

313

250

-

-

-

-

-

-

340

200

-

-

-

-

-

-

 

p

p

Рис. 1. Изменение температуры

горения березовых опилок:

S- сумма квадратов отклонений;

r- коэффициент корреляции

Рис. 2. Изменение температуры горения березовых опилок выдержанных в растворе HCl (3 %-ной)

p

p

 Рис. 3. Изменение температуры горения березовых опилок выдержанных в растворе H2SO4 (2 %-ной)

Рис. 4. Изменение температуры горения березовых опилок обработанных жиросодержащей сточной водой

Данные табл. 1 подвергали статистической обработке в программной среде Curve Expert 1.3 [3] для получения устойчивых закономерностей. Сжигание образцов с березовыми опилками представлено на рис. 1, 2, 3, 4.

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. За время горения при температуре 500 оC, из-за снижения летучей горючей массы в образце древесины, наступает максимум температуры горения (рис. 1).

Максимальная температура отходящих газообразных продуктов горения березовых опилок, обработанных сточной водой 360 оС, а опилок обработанных растворами кислот не превышает 250 оС.

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.

Для сжигания березовых опилок обработанных растворами кислот потребовалось в 2,5-3 раза больше времени, чем для сжигания чистых опилок. Полученные результаты свидетельствуют о неполном сгорании образцов и как следствие повышенной зольности. При сжигании образца с березовыми опилками масса образовавшейся золы составляет 0,2 г или 0,44 % первоначальной массы; опилок обработанных сточной водой 3,5 г или 8,01 %; опилок обработанных раствором HCl 2,7 г или 4,06 %; опилок обработанных раствором H2SO4 3,05 г или 4,24 %.

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

f,                                 (1)

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

t- время горения, с.

березовых опилок, выдержанных в растворе HCl (3 %-ной)

f,                               (2)

березовых опилок, выдержанных в растворе H2SO4 (2 %-ной)

f,                                       (3)

березовых опилок, обработанных жиросодержащей сточной водой

f.                                  (4)

Результаты измерений температуры горения сосновых опилок представлены в табл. 2.

Таблица 2

Результаты измерений температуры горения сосновых опилок во времени

Сосновые опилки

Сосновые опилки, выдержанные в растворе HCl
(3 %-ной)

Сосновые опилки, выдержанные в растворе H2SO4

(2 %-ной)

Сосновые опилки, обработанные жиросодержащей сточной водой

Время

, с

Температура

, оС

Время

, с

Температура

, оС

Время

, с

Температура

, оС

Время

, с

Температура

, оС

30

200

20

200

75

200

43

200

53

250

38

225

191

225

65

250

65

300

630

250

254

240

135

300

75

350

647

200

325

250

315

350

90

400

654

150

493

265

360

300

130

450

-

-

630

275

367

250

185

500

-

-

643

250

387

200

215

450

-

-

650

200

520

150

265

400

-

-

666

150

820

100

328

350

-

-

830

100

-

-

332

300

-

-

-

-

-

-

342

250

-

-

-

-

-

-

365

200

-

-

-

-

-

-

Сжигание образцов с сосновыми опилками представлено на рис. 5, 6, 7.

Максимальная температура отходящих газообразных продуктов горения сосновых опилок 500 оС, сосновых опилок обработанных сточной водой 350 оС, а опилок обработанных растворами кислот не превышает 250-275 оС.

Для сжигания сосновых опилок обработанных растворами кислот потребовалось в 1,8 раза больше времени, чем для сжигания чистых опилок.

p

p

Рис. 5. Изменение температуры горения сосновых опилок

Рис. 6. Изменение температуры горения сосновых опилок выдержанных в растворе H2SO4 (2 %-ной)

p

Рис. 7. Изменение температуры горения сосновых опилок,
обработанных жиросодержащей сточной водой

При сжигании образца с сосновыми опилками масса образовавшейся золы составляет 0,45 г или 0,98 % первоначальной массы образца; опилок обработанных сточной водой 3,4 г или 6,54 %; опилок обработанных раствором HCl 2,5 г или 2,95 %; опилок обработанных раствором H2SO4 2,4 г или 2,74 %.

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

f,                         (5)

сосновых опилок, выдержанных в растворе H2SO4 (2 %-ной)

f,                         (6)

сосновых опилок, обработанных жиросодержащей сточной водой

f.                                  (7)

Результаты измерений температуры горения смеси сосновых и березовых опилок в соотношении 1:1 представлены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты измерений температуры горения смеси сосновых и березовых опилок
в соотношении 1:1 во времени

Сосна/береза, выдержанные в растворе HCl (3 %-ной)

Сосна/береза, выдержанные в растворе H2SO4 (2 %-ной)

Сосна/береза, обработанные жиросодержащей сточной водой

Время t, с

Температура T, оС

Время t, с

Температура T, оС

Время t, с

Температура T, оС

35

200

247

200

33

200

160

225

517

225

83

250

343

250

740

225

168

300

473

265

743

200

297

350

648

265

750

150

315

375

652

200

776

100

356

300

-

-

-

-

362

250

-

-

-

-

371

200

-

-

-

-

406

150

-

-

-

-

760

100

Сжигание образцов смеси сосновых и березовых опилок представлено на рис. 8, 9, 10.

p

p

Рис. 8. Изменение температуры горения смеси сосновых и березовых опилок выдержанной в растворе HCl (3 %-ной)

Рис. 9. Изменение температуры горения смеси сосновых и березовых опилок выдержанной в растворе H2SO4 (2 %-ной)

p

Рис. 10. Изменение температуры горения смеси сосновых и березовых опилок,
обработанной жиросодержащей сточной водой

Максимальная температура отходящих газообразных продуктов горения смеси опилок, обработанных сточной водой 375 оС, а смеси опилок обработанных растворами кислот не превышает 225-265 оС.

При сжигании смеси опилок, обработанных сточной водой, масса образовавшейся золы составляет 3,7 г или 7,61 % первоначальной массы образца; смеси опилок, обработанных раствором HCl 2,55 г или 3,38 %; опилок обработанных раствором H2SO4 2,4 г или 2,75 %.

Модель динамики температуры горения смеси сосновых и березовых опилок, выдержанной в растворе HCl (3 %-ной), во времени с использованием устойчивого закона имеет вид

f,                                     (8)

смеси опилок, выдержанной в растворе H2SO4 (2 %-ной)

f,                      (9)

смеси опилок, обработанной жиросодержащей сточной водой

f.                                         (10)

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.

Древесные опилки различных пород неодинаково поглощают и удерживают растворы кислот и жиросодержащие сточные воды. Так сосновые опилки, обладают большей впитывающей способностью в сравнении с березовыми [2]. Следовательно, обработанные опилки отличаются по плотности и составу, что оказывает непосредственное влияние на процесс горения.

Заключение

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

В ходе исследования выявлено, что химические добавки HCl и H2SO4 уменьшают максимальную температуру горения опилок в 1,8-2 раза, а время горения увеличивается в 1,7-2 раза.

Обработка опилок жиросодержащей сточной водой привела к уменьшению максимальной температуры в 1,4 раза, время горения не изменилось. Таким образом, наиболее эффективный процесс горения характерен для опилок без химических добавок.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  • 1.  Гордон, Л.В. Технология и оборудование лесохимических производств. Учебник для техникумов 5-е издание, переработанное / Л.В. Гордон, С.О. Скворцов, В.И. Лисов. - M:. Лесная промышленность, 1988. - 360 с.
  • 2.  Кудрявцева, Л.А. Использование отходов предприятий лесного комплекса / Л.А. Кудрявцева, С.Я. Алибеков // Наука в условиях современности: сборник статей студентов, аспирантов, докторантов и ППС по итогом научно-технической конференции МарГТУ в 2007 г. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2007. - С. 121-124.
  • 3.  Мазуркин, П.М. Математическое моделирование. Идентификация однофакторных статистических закономерностей: Учебное пособие / П.М. Мазуркин, А.С. Филонов. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. - 292 с.
  • 4.  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. РАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГОРЕНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ОПИЛОК С ХИМИЧЕСКИМИ ДОБАВКАМИ // Современные проблемы науки и образования. – 2009. – № 6-3.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=1438 (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