CC BY
168
Деревопереработка. Химические технологии
DOI: 10.12737/3354 УДК 674.8
АНАЛИЗ МЕТОДИК ОЦЕНКИ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДРЕВЕСНЫХ ПЕЛЛЕТ
соискатель кафедры древесиноведения Е. В. Зотова доктор технических наук, профессор, декан лесопромышленного факультета, профессор кафедры древесиноведения А. О. Сафонов ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия» [email protected], [email protected]
В связи с непрерывным повышением цен на ископаемые энергоносители и ограниченностью их мировых резервов большой интерес в последние годы проявляется к твердому топливу из возобновляемых источников. Большинство стран, включая те, которые обладают значительными запасами природных энергоносителей, разрабатываются государственные программы, принимаются нормативные документы, направленные на стимулирование производства биотоплива из растительного сырья. Для России, обладающей большими запасами древесной биомассы, которая скапливается в виде отходов на деревоперерабатывающих заводах, требующих скорейшей утилизации, задача производства полезной продукции из этого сырья, несомненно, является актуальной [1]. При этом напряженная экологическая обстановка стимулирует поиск альтернативных менее опасных видов топлива [2].
Применение пеллет из древесного сырья снижает выброс парниковых газов в атмосферу. При этом не нарушается баланс CO2 в атмосфере по причине возобновляемости этого сырья. Высвобождаемый газ CO2 в топливе на основе отходов растительного происхождения считается «нейтральным». Древесина высвобождает
такое количество CO2, которое поглотило в период роста, так называемый закрытый углеродный обмен. Во время сжигания невозобновляемых угля, нефти, природного газа, наоборот, высвобождается углекислый газ, собранный за миллионы лет. Это обстоятельство является причиной повышения содержания CO2 в атмосфере, создается парниковый эффект. Древесные отходы в отличие от ископаемых углеводородов практически не содержат серы и фосфора, что обеспечивает при их сжигании невысокую токсичность отходящих газов. Также технологический процесс изготовления древесного биотоплива, как правило, не требуется использования химических связующих или других составляющих. Однако сырье требует дополнительных затрат на подготовку, например, сушку, характеризующуюся значительными затратами энергии [3]. Одновременно применение древесного топлива позволяет увеличить полезный выход древесины, который сейчас находится на низком уровне и составляет 40...60 %. По различным данным ежегодно в России перерабатывается 170 млн м древесины и, соответственно, образуется около 70 млн м3 древесных отходов, требующих переработки или утилизации.
Лесотехнический журнал 1/2014
113
Деревопереработка. Химические технологии
Процесс гранулирования давно известен, он был изобретен более 75 лет назад и заключался в прессовании измельченного сырья. С тех пор гранулирование начало широко использоваться для уплотнения соломы, других отходов сельского хозяйства и плодоовощной промышленности, компоста, бумаги, целлюлозы, угольной пыли, химических веществ, материалов при производстве пива, отходов резины, синтетических моющих средств и так далее.
Пеллеты впервые были произведены более 25 лет назад немцем по происхождению Руди Гуннерманом, проживающим в США. В Европе промышленным производством пеллет впервые заинтересовались в Швеции. Там в середине восьмидесятых годов прошлого столетия начали производить топливо из отходов деревообработки. С начала девяностых годов прошлого столетия в Швеции промышленное производство древесных гранул получило широкое распространение. Затем этот вид биотоплива начал производится во многих странах Европы, странах Прибалтики, Канаде, США, Бразилии, Китае.
В настоящее время свойства технические характеристики твердого биотоплива, в том числе древесных пеллет регламентируются национальным стандартом [4]. Согласно этому документу для оценки качественных и транспортных свойств пеллет необходимо обязательно проводить измерения и расчеты следующих показателей:
1) Размеры (диаметр и длина).
2) Массовая доля влаги.
3) Зольность.
4) Механическая прочность.
5) Содержание мелкой фракции.
6) Содержание добавок.
7) Насыпная плотность.
8) Теплота сгорания.
9) Удельная энергоемкость.
10) Содержание серы.
11) Содержание азота.
12) Содержание хлора.
13) Плавкость золы (информативно).
При этом в документе [3] даны ссылки на стандарты, регламентирующие определение части вышеуказанных характеристик. Другая часть таких характеристик, как механическая прочность, теплота сгорания, удельная энергоемкость, плавкость золы определяют либо по общим стандартам, независимо от происхождения топлива, либо как в случае с механической прочностью по не стандартным методикам.
Рассмотрим определение этих характеристик с возможностью применения в реальных промышленных производствах пеллет из отходов древесного происхождения.
Размеры пеллет. Метод заключается в известной для многих дисперсных сред процедуре просеивания материала через горизонтальные колеблющиеся сита и рассортировке его частиц по классам крупности в убывающей последовательности. Для твердого биотоплива эти методики определяются национальными стандартами ГОСТ Р 54188-2010, ГОСТ Р 54188-2010, ГОСТ Р 54188-2010. В качестве оборудования при ручном просеивании применяются сита и сборный лоток, при механическом - грохот. Набор сит с ячейками круглой или прямоугольной формы с минимальной эффективной площадью просеивания 1200 см . Количество сит и размеры отверстий сит
114
Лесотехнический журнал 1/2014
Деревопереработка. Химические технологии
должны выбираться в зависимости от крупности испытуемого образца материала. Рама сита должна иметь высоту, позволяющую вместить образец и обеспечивающую свободное перемещение образца в процессе просеивания. Для материалов с номинальным предельным размером менее 10 мм допускается применение сит с эффективной площадью менее 1200 см . Рекомендуется использовать сита с отверстиями диаметром 3,15, 16, 45 и 63 мм. Для более точного распределения частиц по размерам и во избежание преобладания одной из фракций рекомендуется добавить в набор 8-мм сито. С целью дальнейшей сортировки по размерам частиц фракции, прошедшей последнее сито (менее 3,15 мм). Сборный лоток применяется для сбора материала, проходящего через сита.
Если используется механическое устройство для просеивания (грохот), его колебания должны быть направлены в горизонтальной плоскости (в одном или двух направлениях) с частотой колебаний, соответствующей типу испытуемого материала. Принципиальный чертеж механического грохота приведен на рис. 1.
2
ж" Ч
Рис. 1. Принцип операции просеивания:
1 - направление увеличения диаметра отверстий; 2 - загрузка испытуемого материала; 3 - направление движения материала
Также следует помнить, что слишком низкая частота колебаний может привести к неполному разделению частиц. Минимальная частота колебаний может быть определена предварительными испытаниями. Весы, должны измерять массу образца, подлежащего просеиванию, с точностью до 0,1 г.
Подготовка проб. Для определения гранулометрического состава минимальный объем испытуемого образца должен быть не менее 8 л и должен быть отобран в соответствии с ГОСТ Р 54217-2010. ГОСТ Р 54218-2010 и ГОСТ Р 54187-2010. Для биотоплива мелких классов, где 100 % частиц проходят через сито с отверстиями диаметром 45 мм, выборка уменьшается до объема не менее 4 л. Образец для проведения просеивания включает в себя собственно материал для определения его гранулометрического состава и массовую долю содержания влаги. В зависимости от размера сит испытуемый образец может быть разделен на несколько частей, которые просеивают последовательно, одна за другой. Размер образца должен быть таким, чтобы высота наполнения верхнего сита никогда не превышала 5 см.
Содержание влаги в пробе для просеивания должно быть менее 20 % в целях предотвращения слипания частиц или потери влаги в процессе просеивания. При необходимости образцы должны быть предварительно высушены. Сушка осуществляется в соответствии с ГОСТ Р 542122010. Предварительной сушкой влажность образца для испытаний приводят в равновесие с влажностью окружающей атмосферы. Содержание влаги в материале для
Лесотехнический журнал 1/2014
115
Деревопереработка. Химические технологии
просеивания определяют на отдельной подвыборке в соответствии с процедурами, описанными в ГОСТ Р 54186-2010 или ГОСТ Р 54192-2010. Содержание влаги должно определяться и записываться одновременно с определением распределения частиц по размерам.
Проведение испытаний. Ручное просеивание. Сито с наибольшим диаметром отверстий помещают на сборный лоток. Взвешивают образец с точностью до 0,1 г. Распределяют образец ровным слоем на сите и начинают просеивание. Просеивают до тех пор, пока наблюдается прохождение частиц через сито, затем процедуру прекращают. При использовании сит меньшей площади для удобства можно просеивать одновременно на двух или больше ситах. Частицы, прошедшие через сито, собирают в сборный лоток. Распределяют содержимое сборного лотка ровным слоем по ситу с меньшим диаметром отверстий и повторяют операцию. После просеивания материала через сито с наименьшим диаметром отверстий взвешивают содержимое каждого из сит и сборного лотка с точностью до 0,1 г и записывают полученные данные. В случае, когда частица застревает в отверстии сита, ее следует извлечь и добавить к фракции, которая остается на этом сите. Необходимо избегать потерю частиц с экранов сит. Это может быть достигнуто путем герметизации промежутков между лотками и использованием верхней крышки. В процессе определения гранулометрического состава методом просеивания некоторые из тонких частиц, которые по длине превышают диаметр отверстия, пройдут сито и смешаются с частицами
меньшей по размеру фракции. Большинство из этих частиц должны оставаться в этой фракции. При необходимости проведения определения фракционного состава частиц, которые прошли наименьшее по диаметру отверстий сито, испытание выполняют по ГОСТ Р 54189-2010.
Механическое просеивание. Взвешивают образец с точностью до 0,1 г. Распределяют образец (подвыборку) ровным слоем на верхнем сите и начинают операцию просеивания. Операция просеивания должна продолжаться в течение 15 мин. Следует учитывать, что более длительное время просеивания может привести к истиранию и искусственному увеличению доли мелких фракций. Взвешивают материал, оставшийся на каждом из сит и в сборном лотке, с точностью до 0,1 г и записывают полученные данные. Как и при ручном просеивании, если частица застревает в отверстии сита, ее следует извлечь и добавить к фракции, которая остается на этом сите (как если бы она не прошла в отверстие). Следует избегать потери частиц с экранов сит. Это может быть сделано путем герметизации промежутков между лотками и использованием верхней крышки.
В процессе классификации по размеру методом просеивания некоторые из тонких частиц, которые по длине превышают диаметр отверстия, пройдут сито и смешаются с частицами меньшей по размеру фракции. Большинство из этих частиц должны оставаться в этой фракции. При определении фракционного состава частиц, которые прошли наименьшее по диаметру отверстий сито, испытание проводят по ГОСТ Р 54189-2010.
116
Лесотехнический журнал 1/2014
Деревопереработка. Химические технологии
Обработка результатов. Определение отдельных классов крупности выражают в процентах от общей массы всех фракций. Если испытуемый образец просеивают отдельными подвыборками, массы соответствующих фракций, полученные в проведенных определениях, должны быть сложены перед расчетом общей доли каждого класса крупности и зафиксированы. Разница между общей массой пробы и общей массой всех фракций не должна превышать 2 %. Большие различия могут возникать из-за потери частиц образца или их застревания в ячейках сит, или в связи с изменением массовой доли влаги в процессе испытаний. В этом случае причины отклонений должны быть исследованы, а испытание должно быть проведено повторно.
Точность метода. Из-за различной природы твердых биотоплив, охватываемых ГОСТ Р 54188-2010, ГОСТ Р 541892010, ГОСТ Р 54190-2010, не представляется возможным на данном этапе установить предел погрешности (повторяемость и воспроизводимость) для данного метода испытаний.
Протокол испытаний должен включать следующую информацию: название лаборатории и дату проведения испытания, идентификацию товара или исследуемого образца, номер стандарта, по которому проводились испытания, сведения о том, какая операция просеивания (ручная или механическая) применялась, любое отступление в процессе испытаний от стандарта, условия и наблюдения, например, необычные наблюдения во время проведения испытаний, которые могут повлиять на результат, результаты испытаний в
виде таблицы.
Если расхождение между общей массой пробы и общей массой всех фракций в процентах от общей массы пробы, было превышено более чем на 2,0 %, это должно быть обязательно отмечено в протоколе испытаний.
Определение массовой доли влаги в пеллетах. Сущность метода заключается в высушивании образца биотоплива в воздушной атмосфере при температуре 105 °С до постоянной массы и вычислении массовой доли влаги в процентах, исходя из потери массы образца и включает процедуру корректировки эффекта изменения массы холодного и горячего лотка. Используется сушильный шкаф с электрическим нагревом и терморегулятором, обеспечивающим устойчивую температуру нагрева (105±2) °С, снабженный устройством для подачи воздуха со скоростью от 3 до 5 рабочих объемов печи в час. Скорость воздуха должна быть такой, чтобы частицы пробы не улетали с лотка. Необходим лоток для взвешивания пробы, изготовленный из термо- и коррозионно-стойкого материала такого размера, чтобы вмещался весь образец и слой топлива не превышал 1 г/см2. Поверхность лотка должна быть чистой и гладкой, чтобы возможность адсорбции/абсорбции была сведена к минимуму. Весы лабораторные должны быть по ГОСТ Р 53228-2008 с точностью взвешивания до 0,1 г.
Отбор и подготовка проб для определения общей влаги проводят по ГОСТ Р 54217-2010, ГОСТ Р 54218-2010 и ГОСТ Р 54212-2010. Пробы доставляют в лабораторию в герметичной водо- и воздухонепроницаемой таре (контейнерах, банках, меш-
Лесотехнический журнал 1/2014
117
Деревопереработка. Химические технологии
ках). Меры предосторожности должны соблюдаться для того, чтобы не происходила потеря влаги до приготовления пробы. Пробу для определения содержания влаги взвешивают непосредственно после приготовления. Масса образца должна быть не менее 300 г, но желательно более 500 г.
Проба в ходе подготовки может быть предварительно высушена по ГОСТ Р 54212-2010 с определением внешней влаги W„* которую учитывают при расчете содержания массовой доли общей влаги Wt, по формуле (1)
Wt = Wex + Wh (10° ~ W), (1)
где Wex - массовая доля внешней влаги, определенная при предварительном высушивании образца при подготовке пробы, %;
Wh - массовая доля влаги воздушносухого топлива, определенная в предварительно высушенных образцах, %.
Проведение испытаний. Взвешивания проводят на лабораторных весах по ГОСТ Р 53228-2008 с точностью взвешивания до 0,1 г. На взвешенный пустой чистый лоток помещают пробу из тары и распределяют ее ровным слоем. Одновременно с этим проводят испытание с пустым идентичным лотком (сравнительный лоток). В случае если на поверхности мешка или тары осталась влага, это количество влаги должно быть учтено в расчете. Для этого упаковку образца (контейнер, мешок или др.) высушивают в сушильном шкафу и взвешивают до и после высушивания. Если материал упаковки не выдерживает температуру 105 °С, то сушат ее при комнатной температуре. В процедуру испытания включается сравнительный лоток, так как вес холодно-
го лотка больше, чем горячего, а во избежание абсорбции влаги из атмосферы лоток с высушенным образцом взвешивают, пока он еще горячий. Взвешивают лоток с образцом и сравнительный лоток, помещают их в сушильный шкаф, нагретый до (105±2) °С, и сушат до постоянной массы. Нельзя перегружать сушильный шкаф. Там должно быть достаточно свободного места над слоем образца, а также между лотками. Твердые биотоплива гигроскопичны, наполненный и сравнительный лотки после сушки взвешивают в течение 10.. .15 с, пока они еще горячие, для предотвращения абсорбции влаги. Для защиты весов от прямого контакта с горячим лотком используют теплоизоляционный материал. Постоянство массы означает, что ее изменения не превышают 0,2 % от общей потери массы при дальнейшей сушке при (105±2) °С в течение не менее 60 мин. Требуемое время высушивания зависит от размера частиц образца, скорости обмена воздуха в сушильном шкафу, толщины слоя образца и так далее. Во избежание потери летучих веществ время сушки обычно не должно превышать 24 ч. Требуемое время сушки может быть определено на основании предыдущих испытаний подобных типов топлива со сравнимым размером частиц.
Обработка результатов. Массовую долю общей влаги рассчитывают на рабочее состояние топлива по формуле (2). Пересчет результатов анализа с рабочего состояния топлива на сухое состояние проводят по формуле (3) и с сухого состояния на рабочее - по формуле (4). Результаты представляют на рабочее или сухое состояние топлива.
118
Лесотехнический журнал 1/2014
Деревопереработка. Химические технологии
WY = (m2 ~ Шз) ~ (m4 ~ m5) + m6 ,100 ‘ (m2 - т1) ’
где mi - масса пустого лотка, г;
т2 - масса лотка с образцом до высушивания, г;
т3 - масса лотка с образцом после высушивания, г;
m4 - масса сравнительного лотка до высушивания (взвешенного при комнатной температуре), г;
т5 - масса сравнительного лотка после высушивания (взвешенного горячим), г;
т6 - масса влаги, собранной с упаковки, г.
Результат вычисляют с точностью до 0,01 % и округляют до 0,1 %. Если проба перед определением влаги была предварительно высушена, то массовую долю общей влаги Wt рассчитывают, исходя из массовой доли внешней влаги WBX и массовой доли влаги воздушно-сухого топлива Wh.
Wtd =
WY
100 - wy
•100,
(3)
где Wtr - массовая доля общей влаги на рабочее состояние топлива, %;
Wtd - массовая доля общей влаги на
сухое состояние топлива, %.
wy =■
Wd
100 - Wd
•100,
(4)
Прецизионность. Из-за различного происхождения твердого биотоплива, достоверно установить показатели повторяемости и воспроизводимости не представляется возможным, что допускает действующий стандарт ГОСТ Р 54186-2010.
Протокол испытаний должен содержать: идентификационные данные лаборатории и дату проведения анализа, иденти-
фикацию продукции или испытуемого образца, ссылку на используемый стандарт, любое отклонение от методики определения, результаты испытаний с указанием состояния топлива, на которое рассчитана общая влага (в соответствии с договором с заказчиком).
Также регистрируются все особенности, происходящие во время процедуры испытания, которые могут повлиять на его результат.
Определение зольности. Контроль этого показателя проводится по ГОСТ Р 54185-2010. В качестве оборудования применяются тигли, муфельная печь, весы, эксикатор. Тигли для сжигания из инертного материала, такого как фарфор, кремний или платина, глубиной от 10 до 20 мм и такого размера, чтобы на 1 см2 поверхности дна тигля масса пробы топлива не превышала 0,1 г/см2. Муфельная печь обеспечивает равномерный нагрев, необходимую температуру и скорость нагрева в соответствии с требованиями действующего стандарта ГОСТ Р 54185-2010. Вентиляция должна быть такой, чтобы не было недостатка кислорода при горении и разогреве. Скорость обмена воздуха муфельной печи должна составлять от 5 до 10 рабочих объемов печи в минуту. Эксикатор применяется без осушителя.
В ГОСТ Р 54185-2010 указано оборудование, дословно: «5,3 Весы лабораторные по ГОСТ Р 53228-2008 с точностью взвешивания до 0,1 г». В этом же стандарте утверждается «Все взвешивания проводят на весах согласно 5,3 с точностью до 0,1 мг». Несомненно, в этом стандарте допущена опечатка. Это подтвер-
Лесотехнический журнал 1/2014
119
Деревопереработка. Химические технологии
ждается тем, что масса пробы должна составлять 1 г. Следовательно, точность взвешивания не должна превышать 0,1 мг.
Подготовка пробы. Для определения зольности используют пробу, измельченную до размера частиц 1 мм и менее, отобранную по ГОСТ Р 54187-2010 и подготовленную в соответствии с ГОСТ Р 542122010. Определение зольности выполняют одним из следующих способов: а) прямо на подготовленной аналитической пробе, включая одновременное определение содержания влаги в образце по ГОСТ Р 54211-2010; б) на образце аналитической пробы, которая была предварительно высушена и хранилась абсолютно сухой перед взвешиванием в закрытом контейнере в эксикаторе. Для некоторых видов биотоплива подготавливают образцы размером менее 1 мм (например, 0,25 мм) для того, чтобы сохранить заявленную точность.
Проведение испытания. Испытания проводят минимум на двух навесках. Все взвешивания проводят на весах согласно с точностью до 0,1 мг. Прокаливают пустой тигель в муфельной печи при (550±10) °С не менее 60 мин, дают остыть на жаростойких пластинах в течение 5.. .10 мин и помещают в эксикатор. Когда тигель остынет до температуры окружающей среды, его взвешивают с точностью до 0,1 мг и записывают массу. Несколько тиглей могут обрабатываться одновременно.
Перед началом определения аналитическую пробу тщательно перемешивают и затем взвешивают. Пробу массой 1 г помещают на дно тигля и разравнивают. Взвешивают тигель с пробой с точностью до 0,1 мг и записывают массу. Если анали-
тическая проба требует высушивания, то тигель с пробой высушивают в сушильном шкафу при температуре (105±10) °С, а затем взвешивают.
Помещают наполненный тигель в холодную печь. Затем нагревают печь с тиглем следующим образом:
- печь нагревают равномерно до температуры (250±10) °С в течение 50 минут (то есть увеличение температуры составляет +5 °С/мин). Поддерживают температуру на этом уровне в течение 60 мин, чтобы вышли летучие вещества до воспламенения;
- продолжают равномерно нагревать печь до температуры (550±10) °С в течение 60 мин (т.е. увеличение температуры составляет +5 °С/мин) и поддерживают температуру на этом уровне не менее 120 мин.
Вынимают тигель с его содержимым из печи. Помещают тигель для охлаждения на толстую металлическую пластину на 5.10 мин, затем переносят в эксикатор без осушителя для остывания до температуры окружающей среды. Как только температура окружающей среды будет достигнута, взвешивают тигель с его содержимым с точностью до 0,1 мг и записывают массу. Рассчитывают зольность на сухое состояние по формуле
Ad
(n3 - П1) 100 100
(n2 - n) 100 - Wa’
(5)
где ni - масса пустого тигля, г; п2 - масса тигля с пробой, г; п3 - масса тигля с зольным остатком, г; W - массовая доля влаги в аналитической пробе, %.
Результаты испытаний вычисляют до 0,01 % и округляют до 0,1 %. За оконча-
120
Лесотехнический журнал 1/2014
Деревопереработка. Химические технологии
тельный результат испытаний принимают среднеарифметическое значение результатов двух параллельных определений. Если возникает сомнение, что образец сгорел не полностью (например, при визуальном осмотре обнаружена сажа), то:
- либо тигель с его содержимым помещают в печь, нагретую до 550 °С, и прокаливают 30 мин, после чего взвешивают. Прокаливание повторяют до тех пор, пока изменение массы тигля с остатком не станет менее 0,2 мг;
- либо в тигель добавляют несколько капель воды или нитрата аммония, затем помещают его в холодную печь, нагревают до температуры (550±10) °С и прокаливают в течение 30 мин, после чего взвешивают. Прокаливание повторяют до тех пор, пока изменение массы тигля с остатком не станет менее 0,2 мг.
Прецизионность. Повторяемость (сходимость). Результаты двух параллельных определений (проведенных в течение краткого промежутка времени, но не одновременно), выполненных в одной и той же лаборатории одним исполнителем с использованием одной и той же аппаратуры на двух образцах, взятых из одной и той же пробы для испытаний, не должны отличаться друг от друга более чем на значения, указанные в таблице.
Воспроизводимость. Разность результатов двух параллельных определений, выполненных в двух различных лабораториях на представительных образцах, взятых из одной и той же пробы для испытаний, не должны отличаться друг от друга более чем на значения, указанные в таблице.
Протокол испытаний должен содержать наименование лаборатории и дату проведения анализа, наименование продукции или образца испытаний, ссылку на используемый стандарт, любое отклонение от стандарта, отмеченное во время определения, результаты испытаний на сухой основе, условия, замечания и отклонения в ходе процедуры испытания, которые могут повлиять на его результат.
Действующего национального стандарта на определение механической прочности пеллет в настоящее время нет. Стандарт ГОСТ Р 55110-2012 вступит в силу лишь 01 июля 2014 г. Сейчас многие производители этой продукции пользуются различными методиками и определяют различные показатели, характеризующие в той или иной степени физико-механические показатели. Это усложняет приведение различных методик к единым показателям. На основе анализа различных способов предлагается следующая методика.
Механическую прочность древесных
Таблица
Повторяемость и воспроизводимость метода
Зольность, % Максимально допустимые расхождения между результатами при доверительной вероятности р=0,95 (на сухое состояние)
Предел повторяемости Критические различия воспроизводимости
Менее 10 % 0,2 % (абсолютных) 0,3 % (абсолютных)
10 % и более 2,0 % от среднего значения 3,0 % от среднего значения
Лесотехнический журнал 1/2014
121
Деревопереработка. Химические технологии
пеллет предлагается определять методом сбрасывания. Для этого в ящик с открывающимся дном насыпают до 4 килограммов образцов гранул. Затем поднимают их на высоту 1,5 метра и, открывая днище ящика, сбрасывают гранулы на стальную плиту. Эту операцию повторяют 4 раза. После все целые и поломанные пеллеты собирают и просеивают на сите с ячейками меньше диаметра гранул на 20 %. Затем собирают мелкую фракцию под решеткой и взвешивают. Также взвешивают остаток на сите. После этого прочность определяется из выражения
S = V -100, (6)
V0
где: Vj - вес гранул, оставшихся на сите, кг; v0 - первоначальный вес гранул, кг;
S - прочность гранул, %. Истираемость гранул. Также важный показатель, влияющий на состояние гранул после их транспортировки потребителю. Определяют при испытании образцов гранул во вращающемся барабане. Для этого в барабан необходимо загрузить 10 кг гранул и произвести 100 оборотов барабана. Затем содержимое барабана просеивают на сите с диаметром ячейки на 20 % меньше диаметра гранул. Истираемость определяется из выражения
I = h_ -100, (7)
h0
где: I - истираемость гранул, %;
h1 - вес остатка гранул на сите, кг; h0 - начальный вес засыпанных в барабан гранул, кг.
При истираемости гранул I > 75 % стойкость гранул считается удовлетвори-
тельной.
Содержание мелкой фракции. Определяют при нахождении размеров пеллет по методике, описанной выше в соответствии с ГОСТ Р 54188-2010, ГОСТ Р 541892010, ГОСТ Р 54190-2010.
Добавки. Методика определения содержания добавок в пеллетах в настоящее время не регламентирована действующим национальным стандартом. Связующие материалы вводятся в перерабатываемую массу, если не удается на грануляторе получить пеллеты достаточной механической прочности. Вид, количество связующих материалов в массе можно определить в лабораторных условиях. Для экспериментального определения содержания вредных газообразных выбросов в продуктах сгорания пеллет рекомендуется проводить исследования при разных режимах сжигания гранул в бытовых или промышленных печах для отопления помещений. Для отбора проб газов, образующихся при сжигании гранул, на дымовой трубе (на высоте около 1,5 м от корпуса печи) монтируется штуцер, к которому стыкуется газозаборное устройство газоанализатора. В качестве газоанализатора используется, например, многокомпонентный прибор АНГОР, реализуемый в России. Этот прибор позволяет автоматически фиксировать содержание в уходящих газах, нормируемых вредных выбросов. Опыты проводятся следующим образом. В печь загружается порция гранул, затем она поджигается. При наступлении устойчивого пламенного горения, которое характеризуется наибольшим количеством образующихся вредных продуктов сгорания, через каждые 5.. .10 мин проводятся измерения
122
Лесотехнический журнал 1/2014
Деревопереработка. Химические технологии
требуемых величин состава отходящих газов. Помимо режима пламенного горения проводятся также измерения состава отходящих газов на режиме окончания выгорания топлива, то есть режиме дожигания коксового остатка, так называемого тления.
После завершения выгорания топлива из печи отбирается зола для анализа на содержание в ней связанной серы и несгоревшего углерода. Для оценки опасности загрязнения окружающей среды выбросами проводятся расчеты рассеивания этих выбросов.
Определение насыпной плотности пеллет. Согласно ГОСТ 54191-2010 пробу помещают в стандартный контейнер заданного размера и формы и затем взвешивают. Насыпную плотность рассчитывают по весу нетто стандартного объема и с учетом одновременно определенного содержания влаги.
В качестве оборудования для определения этого важного показателя используют контейнеры. Они должны быть цилиндрической формы из ударопрочного материала с гладкой поверхностью, устойчивые к деформации для предотвращения изменений формы и объема, водонепроницаемые, с наружными захватами для облегчения работы и с соотношением высоты и диаметра в пределах 1,25...1,50. Большой контейнер объемом (50±1) л (допускаемое отклонение ±2 % от номинального объема) с внутренним диаметром 360 мм и внутренней высотой 491 мм (рис. 2).
Отклонение от этих параметров допустимо, если соотношение высоты и диаметра соответствует указанному выше диапазону.
Малый контейнер объемом (5±0,1) л (допускаемое отклонение ±2 % от номина-
б)
Рис. 2. Измерительный контейнер:
а) большой; б) малый
льного объема) с внутренним диаметром 167 мм и внутренней высотой 228 мм (рис. 2). Отклонение от этих параметров допустимо, если соотношение высоты и диаметра соответствует указанному выше диапазону.
Используются весы с различной точностью взвешивания: весы 1 с точностью взвешивания до 10 г при использовании больших контейнеров, весы 2 с точностью взвешивания до 1 г при использовании малых контейнеров. Используется также брусок из древесины твердых пород длиной около 600 мм с поперечным сечением 50х50 мм для удаления излишка материала с поверхности контейнера. Прочный брус из твердого дерева высотой 150 мм применяется для определения высоты, с которой сбрасывают контейнер.
Плоская деревянная отшлифованная доска толщиной около 15 мм и достаточных размеров, чтобы контейнер свободно поместился на ней при сбрасывании. Отбор и подготовку проб проводят по ГОСТ Р 54217-2010 и ГОСТ Р 54218 -2010. При необходимости проба может быть разделена по ГОСТ Р 54212-2010. Объем пробы должен превышать объем контейнера на 30 %. Необходимо следить, чтобы влага испытуемой пробы была равномерно рас-
Лесотехнический журнал 1/2014
123
Деревопереработка. Химические технологии
пределена внутри образца для предотвращения потери влаги.
Проведение испытания. Перед использованием контейнера определяют его массу и объем. Взвешивают пустой, чистый и сухой контейнер на весах. Затем полностью заполняют контейнер водой и добавляют несколько капель смачивающего вещества (например, жидкое мыло) и снова взвешивают его. Вода должна иметь температуру 10...20 °С. Затем рассчитывают объем контейнера (V) с учетом веса нетто воды и плотности воды 1000 кг/м3 и записывают результат с точностью до
0.00001 м3 для больших контейнеров и с точностью до 0.000001 м для малых контейнеров. Влиянием температуры на плотность воды пренебрегают. Объем контейнера должен регулярно контролироваться. Большие контейнеры используют для всех видов топлива. Для топлива с номинальным верхним размером кусков до 12 мм и диаметром частиц, не превышающим 12 мм, применяют малый контейнер.
Проведение измерения. Измерения проводят следующим образом:
а) в контейнер засыпают материал с высоты от 200 мм до 300 мм над верхним краем контейнера, пока не образуется конус максимально возможной высоты. Перед использованием контейнера необходимо убедиться, что он сухой и чистый;
б) заполненный контейнер встряхивают для равномерного распределения материала. Для этого его сбрасывают с высоты от 150 мм на деревянную доску, которую размещают на ровном жестком полу. Необходимо убедиться, что доска плотно прилегает к полу. При столкновении с доской кон-
тейнер должен находиться в вертикальном положении. Повторяют данную процедуру 2 раза. Затем заполняют пустое пространство в контейнере в соответствии с указанными выше условиями. Для правильного определения расстояния между доской и заполненным контейнером необходимо его поместить на высоту бруса в 150 мм;
в) удаляют излишек материала с помощью небольшого бруска вращающими движениями по поверхности контейнера. Если образец из грубого материала и его частицы не дают бруску свободно двигаться, то их удаляют вручную. При удалении большого количества материала вновь заполняют пространство контейнера и вновь проводят процедуру удаления;
г) взвешивают контейнер;
д) смешивают использованный и неиспользованный материал, повторяют измерение;
е) определяют массовую долю влаги в образце по ГОСТ Р 54186-2010 и ГОСТ Р 54192-2010 сразу после определения насыпной плотности.
Насыпную плотность образца (BD)7, выраженную в кг/м3 на рабочее состояние топлива, рассчитывают по формуле
Y mp2 - m,
(BD) = p2v p1 . (8)
Результат каждого отдельного определения вычисляют и округляют до первого десятичного знака после запятой, а среднюю насыпную плотность - как среднеарифметическое значение насыпной плотности и округляют до 10 кг/м.
Насыпную плотность образца (BD)d, выраженную в кг/м3 на сухое состояние топлива, рассчитывают по формуле
124
Лесотехнический журнал 1/2014
Деревопереработка. Химические технологии
(BD)d = (BD)y 100 W . (9)
100
Формула (9) не учитывает усадку или расширение материала в зависимости от влажности волокон. Древесному топливу свойственно содержание влаги ниже точки насыщения волокон, которая составляет около 25 % в зависимости от породы древесины. Поэтому корректное сравнение результатов измерений возможно только на образцах с аналогичным содержанием влаги. Если необходимо сравнить образцы с различным содержанием влаги и влажность хотя бы одного образца ниже точки насыщения волокна, то эффект набухания или усадки составляет порядка 0,7 % изменения объема, связанного с отличием влажности образца от влажности точки насыщения волокна. Для сравнения измерений на образцах с аналогичным содержанием влаги может быть использован этот поправочный коэффициент.
Протокол испытаний должен содержать: наименование лаборатории и дату проведения испытаний, наименование продукции или образца для испытаний, ссылку на используемый стандарт, описание размера используемого контейнера; описание любого отклонения от стандарта, условия, замечания и отклонения в ходе процедуры испытания, которые могут повлиять на его результат, результаты определения содержания влаги.
Повторяемость. Максимально допустимые расхождения между результатами измерений насыпной плотности при доверительной вероятности р=0,95 на сухое состояние топлива: для образцов с насыпной плотностью меньше 300 кг/м3 -
3,0 %; для образцов с насыпной плотностью, равной и большей 300 кг/м3 - 2,0 %.
Результаты двух параллельных определений (проведенных в течение краткого промежутка времени, но не одновременно), выполненных в одной и той же лаборатории одним исполнителем с использованием одной и той же аппаратуры на двух представительных образцах, взятых из одной и той же пробы для испытаний, не должны отличаться друг от друга более чем на значения, указанные выше.
Воспроизводимость. Разность результатов двух параллельных определений насыпной плотности на сухое состояние топлива при доверительной вероятности р=0,95, выполненных в двух различных лабораториях на представительных образцах, взятых из одной и той же пробы для испытаний, не должны отличаться друг от друга более чем на следующие значения: для образцов с насыпной плотностью меньше 300 кг/м3 - 6,0 %; для образцов с насыпной плотностью, равной и большей 300 кг/м3 - 4,0 %.
Действующий национальный стандарт на определение теплоты сгорания твердого биотоплива или древесных пел-лет отсутствует. Рекомендуется для определения этой характеристики использовать хорошо известный действующий стандарт для твердого минерального топлива ГОСТ 147-95.
Количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании пеллет, отнесенное к единице массы этого топлива является удельной энергоёмкостью. Поэтому, определив теплоту сгорания пеллет можно перейти к определению удельной энергоемкости.
Лесотехнический журнал 1/2014
125
Деревопереработка. Химические технологии
Таким образом, национальным стандартом ГОСТ Р 54220-2010 определено большое разнообразие видов твердого биотоплива: брикеты, пеллеты, щепа,
дробленое топливо, кругляк, поленья (дрова), стружка, кора, солома, двукисточник, мискантус, энергетические культуры, семена плодов и другие виды биотоплива. При всем разнообразии этих видов, несомненно, требуется грамотная производственная адаптация как стандартных методик определения технических характеристик, регламентированных соответствующими документами, так и принятых для каждого случая индивидуально. Некоторые неточности, выявленные в стандартах на биотопливо твердое, объясняются объективными причинами их первичного введения, трудностями модифицирования европейских региональных стандартов под российские условия. При этом указанная часть характеристик не имеет общепринятых методик определения. Задачу принятия «унифицированных правил» или «методик» оценки некоторых свойств биотоплива требуется решать в ближайшее время, в противном случае ни производители, ни потребители этого вида продукции не смогут найти общих, понятных» всем измерительных инструментов». Такое обстоятельство усложняет продвижение на рынке этой востребованной для ряда субъектов хозяйственной деятельности продукции.
Сейчас требуется значительная, кропотливая работа по адаптации этих методик для конкретного вида биотоплива. Большое разнообразие характеристик, рег-
ламентированных стандартами в совокупности в большим разнообразием видов твердого биотоплива, предполагает создание и расширение сети сертифицированных лабораторий. Это объясняется сложностями процедуры проведения некоторых методик, обязательным наличием высококвалифицированного персонала и значительной дороговизной применяемого оборудования, что финансово обременительно, а иногда не под силу не только мелким, но и крупным производителям.
Библиографический список
1. Сафонов А. О. Пути рационального использования отходов древесины и сельскохозяйственных растений [Текст] / А. О. Сафонов, Чжоу Динггуо, Чжан Ян [и др.] // Вестник Таджикского технического университета. - 2012. - № 4 (16). - С 11-14.
2. Сафонов, А. О. Состояние и перспективы производства новых видов древесного биотоплива [Текст] / А. О. Сафонов, Е. В. Зотова // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика: сб. науч. тр. - Воронеж, 2013. - Вып 5. - С. 320-324.
3. Сафонов, А. О. Тепломассоперенос и динамика сушки дисперсных материалов в барабанных сушилках [Текст] / А. О. Сафонов. - Воронеж : ВГУ, 2002. - 240 с.
4. ГОСТ Р 54220-2010 (ЕН 149611:2010) Биотопливо твердое. Технические характеристики и классы топлива. Часть 1. Общие требования. - М., 2012. - 43 с.
126
Лесотехнический журнал 1/2014
