CC BY
47
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
УДК 674:658.567.1
ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ТЕПЛОТВОРНОЙ СПОСОБНОСТИ ДРЕВЕСНОГО ОПИЛА И ГРАНУЛ, ПРОПИТАННЫХ НЕФТЕПРОДУКТАМИ
Н.А. Филина, С.Я. Алибеков г. Йошкар-Ола, МГТУ
RESEARCH IN DEFINITION OF WOOD SAWDUST HEAT PICK OUT WHEN IT IS OIL RICH
N.A. Filina, S.J. Alibekov Yoschar-Ola, Mary State Technical University
Предложена технология утилизации древесных отходов, пропитанных нефтепродуктами, изучен процесе горения на древесных гранулах и на опиле различных пород деревьев как чистых, так и пропитанных нефтепродуктами, рассчитана теплотворная способность этих образцов. Разработана математическая модель процесса горения древесных отходов как чистых, так и пропитанных нефтепродуктами в программной среде Curve Expert 1.3.
Ключевые слова: древесные отходы, сорбция, тепловая энергия, моделирование в Curve Expert 1.3.
We suggest the technology of recycling of oil rich wood waste. The process of combustion is studied on wood-particles of different tree species, both oil rich and oil free. Also the combustion warmth was calculated. On the in program Curve Expert 1.3 was made the mathematical model of oil rich and oil free hood scrap combustion process.
Keywords: wood saw, sorption, thermal energy, modelling in Curve Expert 1.3.
В настоящее время в качестве топлива в основном используются невозобновляемые энергоресурсы органического происхождения. В связи с энергетическим кризисом особое внимание уделяется вторичным альтернативным источникам энергии, в том числе биоресурсам и различным продуктам промышленной переработки.
В Марий Эл находятся крупнейшие деревообрабатывающие комбинаты Поволжья, где образуется большое количество древесных отходов, в том числе и опил, который можно использовать как вторичное сырье в виде брикетов для получения тепловой энергии [1, 2, 3].
Для эффективного процесса брикетирования опилок нужны связующие материалы, которыми могут быть нефть и нефтепродукты, попавшие в водные объекты. Опил, обладая высокой сорбционной способностью, способствует удержанию нефтепродуктов, что позволяет с меньшими усилиями спрессовывать опил в брикеты. Полученные брикеты по теплотворной способности и экологичности сгорания превосходят брикеты с другими связующими веществами.
Нами были проведены исследования по определению теплотворной способности опила и гранул, полученных из разных пород дерева, насыщенных нефтепродуктами.
Исследования проводились на базе ГУ СЭУ ФПС ИПЛ по РМЭ в г. Йошкар-Оле. Сжигание образцов древесных опилок и гранул проводили поГОСТ 12.1.044-89 [4].
Были подготовлены опытные образцы березовых, сосновых опилок и древесных гранул, полученные на пилораме Марийской лесотехнической школы. Рассмотрены процессы горения как чистых опилок и гранул, так и пропитанных в течение 48 часов нефтепродуктами.
Исследования проводили на приборе ОТМ [4]. Для измерения температуры газообразных продуктов горения использовали термоэлектрический преобразователь с диаметром электродов
0,5 мм, рабочий спай которого располагали в центре зонда на расстоянии 15 мм от его верхней кромки. Регистрирующий температуру прибор потенциометр КСП-2 имел диапазон измерения от
0 до 600 °С, класс точности не ниже 0,5. Для кон-
троля массы образцов использовали аналитические лабораторные весы с наибольшим пределом взвешивания 500 г, погрешностью измерения не более ОД г.
Испытания проводили в мешочках из стеклоткани, сшитых металлическими скрепками, весом 4,1 г каждый. Мешочки заполняли как чистыми, так и загрязненными нефтепродуктами, березовыми, сосновыми опилками и гранулами с относительной влажностью 12 %. Вес готовых образцов составлял по 50 г каждый. Предварительно подготовленные образцы выдерживали в вентилируемом сушильном шкафу при температуре (60 ±5) °С в течение 24 часов, затем охлаждали до температуры окружающей среды, не вынимая их из шкафа. Образцы высушивали для более точного определения теплотворной способности, поскольку теплотворная способность увеличивается с уменьшением уровня влажности. Подготовленные образцы закрепили вертикально в держателе с помощью металлической проволоки.
Внутренняя поверхность реакционной камеры перед испытанием была покрыта двумя слоями алюминиевой фольги толщиной до 0,2 мм, которую по мере прогорания или загрязнения продуктами горения заменяли на новую.
Держатель с испытуемым образцом вводили в камеру за 5 с до начала испытания и выдерживали
до достижения максимальной температуры отходящих газообразных продуктов горения опилок, затем горелку выключали. Образец выдерживали в камере до полного остывания (20 °С). Остывший образец извлекали из камеры и взвешивали, определяя зольный остаток.
Результаты измерений температуры отходящих газов чистого опила и древесных гранул, а также того же опила, но с нефтепродуктами представлены в табл. 1 и 2 и на рис. 1-5.
Данные измерения подвергали статистической обработке в программной среде Curve Expert 1.3. Доверительные интервалы и критерии Фишера S - сумма квадратов отклонений; г - коэффициент корреляции [5].
Особенности процессов горения опила, изучены ранее и рассмотрены в работах [6-8].
При температуре 200 °С начинается плавление и конденсация ароматических ядер лигнина. При 180-300 °С происходит дегидратация целлюлозы с образованием несопряженных двойных связей и появление при 220 °С ароматических и конденсированных структур. При нагревании конденсация, сшивка с образованием углефицирован-ных структур происходит параллельно с деструкцией, выделением летучих веществ (газообразных продуктов, смолы). Скорость выделения летучих
Таблица 1
Результаты измерений температуры отходящих газов, образующихся при горении чистых образцов
Березовый опил Сосновый опил Древесные гранулы
Время 7, с Температура t, °С Время, г, с Температура t, °С Время, т, с Температура t, °С
14 200 30 200 44 200
20 250 53 250 100 250
30 300 65 300 157 300
36 350 75 350 215 350
45 400 90 400 245 400
140 450 130 450 276 450
160 400 185 500 330 500
175 500 215 450 360 450
195 450 265 400 363 400
258 400 328 350 370 350
280 350 332 300 385 300
295 300 342 250 415 250
313 250 365 200 475 200
340 200 - - 555 150
- - - - 780 100
Таблица 2
Результаты измерений температуры отходящих газов, образующихся при горении образцов с
нефтепродуктами
Березовый опил с нефтепродуктами Сосновый опил с нефтепродуктами
Время т, с Температура t, °С Время г, с Температура t, °С
4 200 5 200
35 600 37 600
355 500 470 500
454 350 480 350
650 200 575 200
Теплоэнергетика
Э = 36.06033339 г = 0.94338252
Рис. 1. Скорость изменения температуры отходящих газообразных продуктов горения березовых опилок
8 = 30.09113625 г = 0.96416154
в = 0.00000000 г = 1.00000000
Рис. 2. Скорость изменения температуры отходящих газообразных продуктов горения березовых опилок с нефтепродуктами
8 = 91.57906577 г = 0.96668439
Рис. 3 Скорость изменения температуры отходящих газообразных продуктов горения сосновых опилок
Рис. 4. Скорость изменения температуры отходящих газообразных продуктов горения сосновых опилок с нефтепродуктами
8 = 40.19351695 г = 0.96646803
Рис. 5. Скорость изменения температуры отходящих газообразных продуктов горения древесных гранул
веществ увеличивается с повышением температуры. Этот процесс может быть несколько растянут во времени из-за большого разнообразия летучих веществ, различных по своему химическому составу и температуре воспламенения. Сначала происходит разложение гемицеллюлозы (200-260 °С) и затем, при более высокой температуре, разложение целлюлозы (240-350 °С) и лигнина (280-500 °С). За пределом 300 °С обычная структура древесины исчезает, уступая место конденсированным системам с известной степенью ориентации. При дальнейшем нагревании до 350 °С унифицированных структур образуется уголь.
При температуре 400-500 °С наблюдается низкая скорость выхода летучих веществ, определяемая процессом разложением лигнина, происходящим в пределах всего температурного диапазона, но вызывающего наибольшие потери основного веса при более высоких температурах.
Наибольшую температуру горения имеют твердые компоненты топлива, которые остаются после удаления летучих веществ. Как правило, эти компоненты имеют углеродную основу и сгорают при температурах 650-700 °С. Процесс горения твердых компонентов сопровождается большим количеством выделяемого тепла.
Результаты проведенных испытаний показали, что максимальная температура отходящих газообразных продуктов горения березовых и сосновых опилок, древесных гранул составляет 500 °С, опила, пропитанного нефтепродуктами, - 600 °С.
После выключения горелки по достижению максимальной температуры отходящих газов происходит самостоятельное горение образцов, постепенное затухание процесса горения и образованием зольного остатка. При сжигании образцов с березовым опилом масса образовавшейся золы составляет 0,2 г или 0,44 % от первоначальной массы образца; опилок, пропитанных нефтепродуктами, - 2,1 г или 1,58 %,
При сжигании образца с сосновыми опилками масса образовавшейся золы составляет 0,45 г или
0,98 % от первоначальной массы образца; опилок, пропитанных нефтепродуктами, - 1,55 г или 0,93 %.
После выключения горелки процесс горения древесных гранул в 1,3 раза дольше по времени, чем горение опилок. Это связано с высокой удельной плотностью древесных гранул 1300-1400 кг/м3, по сравнению с плотностью сосновых (500 кг/м3) и березовых (630 кг/м3) опилок [9]. Масса образовавшейся золы 0,3 г.
Нами были получены математические модели процесса горения с использованием биотехнического устойчивого закона [5].
Для березового опила
* = 49,1588т0’55728 ехр (-0,00046115т1’40507). (1)
Для березового опила с нефтепродуктами ? = 4492,1878ехр(0,00182т)-
-0,24679т1’64193-4222,7993, (2)
где I - температура отходящих газообразных продуктов горения материала, °С; Т - время горения, с. Для соснового опила
I = 5,10447т1’033439 ехр(-0,00049888т1’42531). (3)
Для соснового опила с нефтепродуктами t = -1457,4302 ехр (0,001154т) +
+990,8744т0’1535 +397,0668. (4)
Для древесных гранул
t = 254,84033 ехр (-1,57499т1'64785) +
+9,55228т16 98817 ехр(-0,0076768т1’30188) ^
Была определена теплотворная способность опила, пропитанного нефтепродуктами, с учетом теплоты сгорания нефтепродуктов:
^ ™%-Qh
юо ’
где Q - теплотворная способность смеси; т0/о - процентное содержание массы в смеси;
Q„ - низшая теплота сгорания, МДж-кг-1.
QI = 41,87 МДж/кг - для нефтепродуктов,
QI = 13,8 МДж/кг - для древесины (W = 14 %) [10].
Результаты расчета представлены в табл. 3. Сравнительная характеристика сорбционной способности различных сорбентов, приведена в табл. 4 [11]. Важная особенность всех представленных в таблице сорбентов - это их плавучесть, аналогичная нефти и нефтепродуктам.
Выводы
1. Установлено, что теплотворная способность опила, пропитанного нефтепродуктами, в 2,5 раза выше, чем у чистого.
2. Температура сгорания опилок березы и сосны как пропитанных, так и непропитанных совпадают, и время сгорания составляет 35 с и 180 с, соответственно, а у гранул время сгорания - 350 с.
3. Опил можно использовать как сорбент
Таблица 3
Результаты расчета образцов, пропитанных нефтепродуктами
Материал Масса вещества, г Кол-во нефте- продуктов (масло), мл Масса образцов ч/з 48 часов, г Процентное содержание нефтепродуктов в образце Масса золы, г Низшая теплота сгорания от, МДж/кг Теплота сгорания, МДж/кг, [10]
Опил березы 45,9 105 133,15 65,5 2,10 32,13 13,8
45,9 105 134,05 65,8 2,30
45,9 105 132,80 65,4 1,80
Опил сосны 45,9 130 166,30 72,4 1,55 34,20 13,8
45,9 130 165,70 72,3 1,35
45,9 130 166,90 72,5 1,85
Опил сосны/березы 1:1 45,9 130 159,1 71,2 1,95 33,83 13,8
45,9 130 159,85 71,3 2,10
45,9 130 158,70 71,1 1,80
Древесные гранулы 45,9 65 64,40 28,7 0,25 23,41 17,5
45,9 65 63,90 28,2 0,20
45,9 65 64,70 29,1 0,30
Теплоэнергетика
Таблица 4
Характеристика сорбентов нефти и нефтепродуктов
Сорбент Коэффициент нефтепоглощения Время впитывания, с Плавучесть Эффективность очистки, %
Резиновая крошка 1:4 60 Не тонет 92
Текстильный горошек 1:16 60 Не тонет 99,98
Пенополиуретан 1:0,7 - Не тонет 98,93
Перлит 1:6 30 Не тонет 83
Опилки сосновые 1:4 30 Не тонет 82,5
Опилки березовые 1:3
Шелуха овса 1:1 30 Не тонет 67
для ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов и как вторичный ресурс для получения тепловой энергии.
Литература
1. Гринин, A.C. Промышленные и бытовые отходы: Хранение, утилизация, переработка / A.C. Гринин, В.Н. Новиков. - М.: ФАИР-ПРЕСС, 2002. - 336 с.
2. Рустамов, H.A. Биомасса - источник энергии / H.A. Рустамов, С.И. Зайцев, НИ. Чернова // Энергия: электроника, техника, экология. -2005. -М> 6. -С 20-27.
3. Перспективы и проблемы использования биомассы и отходов для производства тепла и энергии / Г.А. Рябов, Д. С. Литун, Э.П. Дик, К.А. Земсков // Теплоэнергетика. - 2006. - №7. -С 61-66.
4. ГОСТ 12.1.044-89 «Пожаровзрывоопас-ностъ веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения».
5. Мазуркин, П.М. Математическое моделирование. Идентификация однофакторных статистических закономерностей: учебное пособие / П.М. Мазуркин, A.C. Филонов. - Йошкар-Ола: МарГТУ; 2006. .
6. Древесный уголь. Получение, основные
свойства и области применения древесного угля / О.В. Бронзов, Г.К. Уткин, А.Н. Кислицын и др. — М. : Лесн. пром-сть, 1979.-137 с.
7. Попова, Л.Г. Исследование некоторых вопросов механизма образования древесного угля: автореф. / Л.Г. Попова. - Л.: Лесотехническая академия им. С.М. Кирова, 1970. — 15 с.
8. Никитин, Л.Г. Химия древесины и целлюлозы /Л.Г Никитин. - М.: Изд-во АН СССР, 1952.
- 711 с.
9. Головков, С.И. Энергетическое использование древесных отходов / С. И. Головков, И. Ф. Коперин, В.И. Найденов. - М. : Лесн. пром-сть, 1987. - 224 с.
10. НПБ 105-95 ГУГПС МВД России «Определение категорий помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности» (приказ № 32 от 31.10.95 г.).
11. Воробьев, ЮЛ. Предупреждение и ликвидация аварийных разливов нефти и нефтепродуктов / ЮЛ. Воробьев, В.А. Акимов, Ю.И. Соколов.
- М. : Ин-октаво, 2005. - 368 с.
12. Дунаев, КН. Эколого-экономическая оптимизация производства древесных гранул из отходов лесопромышленного комплекса / КН. Дунаев, Б.В. Ермоленко // Экологическая безопасность. -2009.-М 1.-С. 24-30.
Поступила в редакцию 27.11,2009 г.
Филина Наталья Александровна - старший преподаватель кафедры «Безопасность жизнедеятельности» Марийского государственного технического университета, г. Йошкар-Ола. Область научных интересов - комплексное использование лесных ресурсов, исследования процессов сорбции нефтепродуктов, получение тепловой энергии.
Контактный телефон: 8-903-326-46-39. E-mail: nata-filina@yandex.ru
Filina Natasha Aleksandrovna - the senior on the «security of life and activity» department, in Mary State Technical University, Yoschar-Ola town. The science interest area - complex use of forest resources, process of oil products sorption research, heart energy reception.
Contact phone: 8-903-326-46-39. E-mail: nata-filina@yandex.ru
Алибеков Сергей Якубович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Машиностроения и материаловедения Марийского государственного технического университета, г. Йошкар-Ола. Область научных интересов - утилизация промышленных отходов и сточных вод, получение тепловой энергии, композиционные материалы, термическая обработка сталей. Контактный телефон: (8362) 68-68-01.
Alibekov Sergey Jakubovich - Doctor in technical science, professor, the head of «Mechanical engineering and material searching» faculty in Mary State Technical University, Yoschar-Ola town. The science interest area - industrial scraps and sewage water utilization, making heat energy, using additional materials, steel thermal processing. Contact phone: (8362) 68-68-01.
