Дослідження впливу складу сировини на характеристики горіння паливних гранул з деревини
Питанню енергозбереження та використання нетрадиційних джерел енергії в Україні приділяють велику увагу [1,2,3]. Модернізоване паливо з біомаси, тобто гранули та брикети набувають все більшу популярність в нашій країні. Дослідження, щодо використання паливних брикетів проводились з часів СРСР, проте ці продукти передусім розглядали з позиції раціонального використання відходів [4,5,6]. В 2014 році ситуація на енергоринку країні кардинально змінилася завдяки із проведенням бойових дій в місцях видобутку вугілля на Донбасі. Це сприяло широкому впровадженню на підприємствах котлів на твердому паливі зокрема на гранулах з біомаси, тобто використання місцевих ресурсів.
Слід відзначити, що питання оптимального складу гранул є дискусійними. Так в [7] вказано, що наявність в гранулах сировини з кори та віток збільшує зольність на зменшує калорійність палива, а в [8] навпаки стверджується що наявність кори в складі гранул підвищила ефективність печі. При цьому в дослідженнях визначали калорійність, зольність палива а для питань автоматизації котлів необхідно визначити і тривалість горіння гранул. Оскільки при заготівлі та переробці ділової деревини велика кількість кори, вивчення доцільності їх переробки в паливні гранули представляє практичний інтерес.
Мета досліджень– встановити залежність між складом гранул та тривалістю горіння окремих гранул.
Матеріали та методика досліджень.Для проведення досліджень в травні 2014 року при заготівлі соснової ділової деревини було окремо отримані зразки кори, тирси із стовбуру та подрібнених віток, діаметр яких складав від 40 до 20 мм. В усіх випадках хвої була виділена. Усі зразки були отримані з одного дерева, вік якого складав 38-40 років. Протягом 4 місяців зразки просушувались на відкритому повітрі в приміщенні ангару без випливу прямого сонячного світла при температурі 20±8 ºС. Товщина шару складала не більш ніж 2 см, протягом сушки зразки періодично перемішувались для запобігання загнивання. В жовтні 2014 року з зразків, згідно стандарту DIN 51731 (Германія), на промисловому обладнанні було отримано гранули діаметром 8 мм. Для дослідів приймали зразки вагою 0,6 ±0,05 г. Перед проведенням досліджень зразки були додатково просушені в термічній шафі при температурі 100 ºС протягом 12 годин. Для проведення досліджень також були використані стандартні зразки побутових гранул (діаметр 8мм), які не мали в своєму складі хвої, кори та гілок.
Дослідження проводились в установці, створеній на базі муфельної печі. Установка дозволяла змінювати температуру в камері в діапазоні 100-900 ºС. В верхній частині установки був наявний отвір діаметром 12 мм, крізь який до камери поміщали досліджуваний зразок на сталевому підвісі та виходив дим. В задній частині був технологічний отвір для доступу повітря. Температуру контролювали із допомогою термопари, відстань від якої до зразку складала біля 5 см.
Процес горіння спостерігали крізь спеціальний отвір у дверцях шафи. Оскільки досліджувані зразки мали малі геометричні розміри і діаметр отвору для спостереження складав біля 10 мм спостереження здійснювали із допомогою відеокамери. Окремо фіксувався час піролізного горіння, тобто час коли гранула була охоплена полум’ям, та час горіння коксу, тобто час віз зникання полум’я до припинення випромінювання світла зразком в оптичному діапазоні. Після згорання зразку підвіс вилучали з камери згорання і протягом 0.5 хвилини провітрювали камеру. В разі механічної руйнації зразку під час внесення в камеру дослід зразку припиняли. Для кожної групи гранул виконували 4 дослідження зразків. Після встановлення необхідної температури розміщували новий зразок. Температуру, під час якої починається самозаймання зразку було визначено під час додаткового калібрувального дослідження. Було встановлено, що починаючи з 500 ºС після прогріву зразку відбувається самозаймання. Із збільшенням температури час займання зменшується, і при значенні 700 ºС, термін самозаймання складає кілька секунд. Тому при дослідженнях в камері підтримували температуру 700±20 ºС.
Додатково було визначено загальну вологість зразків (згідно ISO589-81), їх щільність (ГОСТ2160-92), та відсоток маси, що припадає на зольні речовини (згідно ISO1171-81).
Отримані результати.В таблиці 1 представлено відповідні показники паливних гранул.
Таблиця 1
Показники паливних гранул
Зразок | Зольність, % маси | Вологість,% | Щільність, г/см3 |
Стовбур сосни | 0,38 | 6,9 | 1,2 |
Гілля сосни | 2,4 | 8,1 | 1,0 |
Кора сосни | 3,5 | 9,5 | 1,1 |
Ст. сосна (побутовий ) | 0,40 | 7,2 | 1,2 |
З приведених даних видно, що стандартна технологія створення гранул дозволила отримати зразки з виготовлені із гілок та кори з практично тією самою щільністю ніж з зразків отриманих з тирси із стовбура сосни. Дані, щодо зольності зразків підтвердили дані [7].
При досліджені поведінки зразків під час їх перетворення в золу, було встановлено що час піролізу для усіх зразків складав від 50 до 55 с. При цьому, враховуючи те що час розміщення зразку в камері міг відрізнятися до 2 с, було зроблено висновок про фактичну відсутність залежності між складом гранул та часом піролізу для соснових гранул.
На рис. 1 представлено терміни часу протягом якого відбувається розкладання коксу утвореного з паливних гранул.
З приведених результатів видно, що наявність кори в складі паливних гранул призводить до зростання тривалості горіння за рахунок довшого згоряння саме коксу. Так проміжний результат для гранул з гілок сосни пояснюється наявністю в її складі саме кори.
Висновки.
1. Час піролізного горіння практично не залежить від того з якої частини деревини було створена гранули.
2. Наявність кори в складі палива може збільшити тривалість коріння його коксової частини на третину.
3. Кора та гілки деревини, є перспективним матеріалом для створення паливних брикетів для печей та камінів де потрібний не інтенсивний а тривалий процес тління.
Список літератури
4. Кузьмiч Я.А., Ткач В.В., Абрамов I.В., Концур В.В.Паливнi брикети для потреб села. Механiзацiя та електрифiкацiя сiл. госп-ва, 2000; Вип.83. - С. 159-162.
5. Щербина В.И., Матвейкина Ж.В, Волков Д.С.. Перспективы производстватопливныхгранул ибрикетовиз биосырья. Совершенствование технологических процессов и технических средств в АПК / Азово-Черномор. гос. агроинженер. акад.. Зерноград, 2009; Вып. 8. - С. 75-76
6. Колос В.А., Сапьян Ю.Н., Ловкис В.Б., Курто А.П.К оценке энергетической эффективности использования биомассы в сельском хозяйстве. Агропанорама, 2010; N 1. - С. 31-34.
7. Пеллеты - Чистая энергия. http://pellets.kiev.ua/trees_pellets.htm
8. Malatak J., Jevic P., Karansky J., Prikryl M., Galik R. Emission Characteristics of Biomass-Based Briquets. Acta technol.agr., 2005; Vol.8,N 2. - P. 48-52.
Abstract
The influence of the process of combustion of wood pellets made of pine wood structure, namely the trunk, branches and bark. Found that the presence in the cortex increases the duration of combustion of coke granules
Pellets burning process, the composition of the raw material.