Динамика температуры горения древесных опилок при испытании сжиганием Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 662.6/.9:630*892.1

П. М. Мазуркин, Л. А. Скорикова

ДИНАМИКА ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ОПИЛОК ПРИ ИСПЫТАНИИ СЖИГАНИЕМ

Ключевые слова: горение, древесные опилки, температура горения.

Приведены результаты измерений динамики температуры при горении древесных опилок на приборе ОТМ по нашему патенту № 2406079. В программной среде Curve Expert 1.38 получены математические (статистические) модели. Показан пример такой модели с волновыми составляющими температуры горения древесных опилок.

Keywords: combustion, wood sawdust, temperature of the combustion.

The measurement results of wood sawdust burning change the temperature on device OTM on our patent № 2406079 are presented in article. The mathematical (statistical) models are received with help Curve Expert 1.38 program. It is shown example to such models with wave forming of wood sawdust burning the temperature.

Заготовка и переработка древесных материалов приводит к накоплению большого количества отходов. Известно [1], что процент древесных отходов колеблется от 5 до 60 % и зависит от типа производства. Одним из направлений переработки отходов является применение древесных опилок в качестве топлива. Однако недостаточно изучены свойства древесных опилок и их поведение при горении в топках.

Цель статьи - установление закономерностей горения древесных опилок.

Эксперименты процессов воспламенения и горения древесных опилок проводились в

Испытательной пожарной лаборатории Республики Марий Эл на приборе для определения группы трудногорючих и горючих твердых веществ и материалов (ОТМ), схематически показанном на рис. 1.

На способ исследования получен патент Российской Федерации № 2406079 [2].

Для экспериментов были выбраны применяемые в деревообработке породы -сосна, липа и береза. Подготовка древесных опилок, перед экспериментом проводилась по ГОСТ 16483.0-89. Влажность образцов определяли по ГОСТ 16483.7-71 методом досушивания в сушильном шкафу при температуре воздуха 103±2 °С до постоянной массы. Древесные опилки для изучения фракционного состава сортировались на стандартных ситах. Для испытания готовили по три образца каждого состава. Образцы по 50 г помещали в мешочки из стеклоткани, сшитые металлическими скрепками. Взвешивание проводили на электронных лабораторных весах марки AJ-420CE с погрешностью измерения ±0,001 г.

Для уменьшения потерь тепла через стенки прибора ОТМ, внутреннюю поверхность перед испытанием покрывали пятью

Рис. 1 - Схема прибора ОТМ для исследования процессов сжигания древесных опилок: 1 - зеркало; 2 - термопара ХА(К); 3 - зонт с рукояткой; 4 - цилиндрическое основание; 5 - поддон; 6 -поворотная заслонка; 7 - реакционная камера; 8 - газовая горелка; 9 - механизм ввода образца; 10 - держатели образца; 11 - испытываемый образец

слоями алюминиевой фольги марки ФГ по ГОСТ 745-2003, толщиной не более 0,2 мм. Фольгу по мере прогорания или загрязнения заменяли на новую, но не реже чем после сжигания каждых трех образцов.

Испытания проводили в вытяжном шкафу, в свободном проеме которого скорость движения воздуха составляла не более 1,5 мс-1.

Для прогрева реакционной камеры зажигали газовую горелку и регулировали ротаметром расход газа так, чтобы контролируемая в течение трех минут температура газообразных продуктов горения составляла (100 ± 5 оС). Подачу воздуха регулировали с помощью поворотной заслонки 6 (см. рис. 1). Температуру газообразных продуктов горения регистрировали хромель-алюмелевой термопарой ХА(К), соединенной с устройством контроля и регистрации ФЩЛ 501-11 с диапазоном измерения от 0 до 1300 °С. Время сгорания образца фиксировали электронным секундомером JS-307 с погрешностью ±1 с по ГОСТ 8.423-81.

После прогрева заранее закрепленный вертикально в держателе 10 металлической проволокой образец 11 вводили в течение 3-5 с в реакционную камеру 7 и одновременно включали секундомер. Древесные опилки воспламенялись от пламени горелки 8. После воспламенения образца горелка отключалась. Время и температуру зажигания на диаграммной ленте устройства контроля и регистрации находили по характерному перегибу температурной кривой.

Испытания характеризовались устойчивым пламенным горением образца, продолжающимся после отключения горелки. Образец выдерживали в камере до полного остывания 20оС, затем извлекали и взвешивали, определяя зольный остаток.

Аналогично испытывали образцы из разного состава горючих материалов.

Результаты непрерывных измерений на графике оцифровывали через 4 с и составляли таблицу исходных данных для статистического моделирования в программной среде Curve Expert 1.38. Последовательно выявляли тренд и дополнительные к нему волновые закономерности изменения температуры горения образца в зависимости от времени.

По измеренным исходным данным определяли максимальное приращение температуры горения образца Atmax (°С) по формуле

Atmax _ ^max ^0’

где tmax - максимальная температура газообразных продуктов горения исследуемого материала, °С; t0 - начальная температура испытания.

Вычисляли потерю массы образца Am (%) при горении по формуле

m1 - m2 Am=—1----2

m2

где m.| - масса образца до испытания, г, m2 - масса образца после сжигания, г.

Измеренные значения температуры горения во времени от начала воспламенения до полного сгорания образца позволяют по готовым после идентификации статистическим моделям определять не только максимальные температуры и максимальные её приращения, но и в динамике времени горения в последующем рассчитывать различные тепловые показатели в зависимости от множества влияющих факторов, как самого древесного топлива, так и параметров окружающей образец внешней среды.

Это позволяет разработать состав высокоэффективных смесей, например, топливных гранул, из отходов древесных материалов в виде опилок.

Результаты динамических измерений времени и температуры сгорания образца из древесного топлива подвергают статистическому моделированию для выявления биотехнических закономерностей [2, 3] динамики температуры сгорания в зависимости от времени сгорания образца до образования золы по формуле

t = t тр + ^ ^ (1)

1 Тр = а1т,32 ехр(-8зт,а4) + а5т,Э6 ехр(-а7х,а8), ^ = Д1 сов(лх, /р, ± а1з),

12 = Д2 сов(лх, /р2 ±а21), Д1 = ±а9 ехр(-а10х,),

Р1 = а11 — а12Х Д2 = —а14Х1 еХр(—а16Х1 ),р1 = а18 — а19Х1 ,

где 1 - переменная температура горения образца древесного топлива, °С;

1 тр - тренд из двух составялющих динамики температуры горения образца, °С;

^ - энергетическое возбуждение горючих газообразных материалов образца древесного топлива, °С;

1 2 - второе энергетическое возбуждение твердых материалов образца, °С;

Х( - переменное время горения образца, с;

Д1, Д2 - половины амплитуд у колебательных возмущений температуры, °С;

р1 , р2 - половины периодов у колебательных возмущений, с;

а1...а21 - параметры готовой статистической модели (1).

Пример. Для испытания свежих опилок после рамной распиловки пиловочника применяли выше описанную методику испытаний.

Испытывали образец из березовых опилок с размером частиц от 1 до 4 мм. Масса образца 55,645 г, из которых 5,640 составляет масса мешочка. Масса зольного остатка образовавшегося после испытания образца - 0,321 г, что составляет 0,58 % первоначальной массы. После структурно-параметрической идентификации с учетом волновых составляющих получили (рис. 2) закономерность с коэффициентом корреляции 0,9989:

1 = 1 тр + 11 + 12 , (2)

1 тр = 6223316,1х,4,9687 ехр(—15,2125х,°'1626) + 8,0658т,6'7806 ехр(—0,004784х/'3564 ),

^ = Д1 сов(лх(/р1 — 0,1456), 12 = Д2 сов(лх(/р2 — 0,9546),

Д1 = —107,5678 ехр(—0,04219х,), р1 = 17,1513 — 0,01867х,,

Д2 = —3,342 • 10 11 х,10'8406 ехр(—7,5244х,0'2669 ), р1 = 33,7732 — 0,0004962х,1,7839.

Каждый образец получает индивидуальный характер самостоятельного горения, поэтому появляется возможность учета различных влияющих переменных факторов, показывающих теплоэнергетические свойства материала образца как древесного топлива или как пожароопасного вещества, находящегося в лесу или на складах древесины и её отходов.

1, оС

г = 0.99893903

Рис. 2 - Динамика температуры горения березовых опилок: Г - коэффициент корреляции

60

Анализ экспериментальных данных позволит в дальнейшем определять рациональные режимы процесса термической переработки древесных отходов.

Последовательным проведением экспериментов можно добиться различного уровня (высокого для топлива и низкого для лесного горючего материала) времени самостоятельного горения при высокой или низкой воспламеняемости, то есть пожарной опасности по процессу горения, путем смешивания опилок с различными добавками или пропитки древесных изделий различными негорючими веществами.

Литература

1. Бабкина, А. Биотопливо - решение проблем XXI века / А. Бабкина // Лесной эксперт. - 2007. - № 3. - С. 3-12.

2. Пат. 2406079 Российская Федерация, МПК О 01 N 25/00, О 01 N 33/46 (2006.01). Способ испытания древесных материалов по температуре сгорания / Мазуркин П.М., Кудрявцева Л. А.; заявитель и патентообладатель Марийск. гос. тех. ун-т. - № 2009133872/28; заявл. 09.09.2009; опубл. 10.12.2010, Бюл. № 34. - 3 с.

3. Кудрявцева, Л.А. Изучение особенностей горения древесных опилок / Л.А. Кудрявцева, П.М. Мазуркин // Вопросы современной науки и практики: Университет им. В.И. Вернадского. - 2009. - № 9(23). - С. 8-12.

© П. М. Мазуркин - д-р техн. наук, проф. зав. каф. природообустройства Марийского госуд. технич. ун-та, kaf_po@mail.ru; Л. А. Скорикова - ст. препод. той же кафедры, kudriahka_lulu@rambler.ru.