CC BY
13ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ
ENERGY OF BIOMASS
УДК 662.6/.9:630*892.1
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РОСТА ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ
ДРЕВЕСНЫХ ОПИЛОК
Л.А. Кудрявцева, П.М. Мазуркин
Марийский государственный технический университет Республика Марий Эл, 424000, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, д. 3 Тел. (8362) 68-60-11, факс (8362) 41-08-72, e-mail: [email protected], [email protected] Заключение Совета рецензентов: 05.07.09 Заключение Совета экспертов: 15.07.09 Принято к публикации: 25.07.09
В статье приведены результаты исследования закономерностей роста температуры при горении древесных опилок на приборе ОТМ, начиная от 200° С до максимального значения. С помощью программной среды Curve Expert 1.3 получены модели динамики температуры горения опилок во времени с использованием устойчивого закона. Ключевые слова: древесные опилки, горение, температура горения.
STUDYING THE WOOD SAWDUST BURNING TEMPERATURES GROWTH
REGULARITIES
L.A. Kudryavtseva, P.M. Mazurkin
Mari State Technical University 3 Lenin sq., Yoshkar-Ola, Mari El Republic, 424000, Russia Тек (8362) 68-60-11, fax (8362) 41-08-72, e-mail: [email protected], [email protected]
Referred: 05.07.09 Expertise: 15.07.09 Accepted: 25.07.09
The research results of wood sawdust burning temperatures growth regularities on the device OTM from 200° С up to the maximal value are presented in article. The wood sawdust burning temperatures dynamic models using the stable law are received with the help of Curve Expert 1.3 program.
Петр Матвеевич Мазуркин
Сведения об авторе: зав. кафедрой «Природообустройство», академик РАЕН, чл.-корр. РАЕ, член Европейской Академии Естествознания, д-р техн. наук, профессор, засл. работник высшей школы РФ, засл. деятель науки и техники Республики Марий Эл.
Публикации: 950 научных и учебно-методических работ, научных изданий и учебных пособий, из них 215 авторских свидетельств и патентов.
Любовь Александровна Кудрявцева
Сведения об авторе: старший преподаватель кафедры «Безопасность жизнедеятельности».
Образование: Марийский государственный технический университет, специальность: инженер по безопасности жизнедеятельности в техносфере.
Область научных интересов: комплексное использование лесных ресурсов, получение тепловой энергии, экологическая и промышленная безопасность.
Публикации: 4 статьи, 7 тезисов.
Введение
Интерес к исследованию процессов горения древесины обусловлен, прежде всего, ее применением в качестве экологически чистого вида топлива из-за низкого содержания в ней серы: максимальное содержание серы в древесине составляет 0,05% [1]. Целью статьи является выявление закономерностей роста температуры при горении древесных опилок на приборе ОТМ по ГОСТ 12.1.044-89 [2], начиная от 200° С до максимального значения.
Статья поступила в редакцию 26.06.2009. Ред. рег. № 545
114
Теоретический анализ
Горение древесных опилок протекает в гетерогенном режиме. Процесс горения состоит из следующих стадий: 1) подсушивание топлива и нагревание до температуры начала выхода летучих веществ; 2) воспламенение летучих веществ и их выгорание; 3) нагревание кокса до воспламенения; 4) выгорание горючих веществ из кокса. На практике эти стадии частично накладываются одна на другую [3].
The article has entered in publishing office 26.06.2009. Ed. reg. No 545
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 9 (77) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Л.А. Кудрявцева, П.М. Мазуркин. Изучение закономерности роста температуры горения древесных опилок
Специфические особенности процессов горения древесины связаны с ее влажностью. Приблизительно половина массы свежесрубленного дерева состоит из воды. Вторая половина представляет собой сухое древесное вещество, при сжигании которого образуется 84-88% летучих веществ, 11,4-15,6% твердого углерода и 0,4-0,6% золы [1].
Методика эксперимента
Для опытов были подготовлены пробы березовых, сосновых опилок и древесных гранул с относительной влажностью 12%, взятые в лесопильном цехе. Отобранный 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° С) 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. Для регистрации температуры использовали прибор КСП-4 с диапазоном от 0 до 600° С, а для отсчета времени - секундомер. Отсчеты проводили при росте температуры через каждые 50° С до достижения максимальной температуры. 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° С определялась временем достижения интуитивного (на основе прошлого опыта предварительных испытаний) ожидаемого максимума, а затем горелку выключали.
Результаты и их обсуждение
Результаты измерений представлены в таблице.
Максимальная температура отходящих газообразных продуктов горения всех трех образцов составляет 500° С. Данные таблицы подвергали статистической обработке в программной среде Curve Expert 1.3 [4] для получения устойчивых закономерностей.
Сжигание образца с березовыми опилками представлено на рис. 1.
Выход летучих веществ из древесины начинается уже при температуре 105° С, поэтому при 200° C 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° С.
Результаты измерений температуры горения во времени Burning temperature in time observed datas
Березовые опилки Сосновые опилки Древесные гранулы
Время t, с Температура T, °С Время t, с Температура T, °С Время t, 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
79 450 130 450 276 450
140 450 185 500 330 500
160 400 - - - -
175 500 - - - -
Рис. 1. Изменение температуры горения березовых опилок: S - сумма квадратов отклонений; r - коэффициент корреляции
Fig. 1. Change of burning temperature of birch sawdust: S - quadrates of deflections sum; r - correlation coefficient
Общеизвестно [5], что с начала горения происходит разложение гемицеллюлозы (200-260° C) и затем, при более высокой температуре, разложение целлюлозы (240-350° C) и лигнина (280-500° C). За время горения при температуре 400-500° C из-за снижения летучей горючей массы в образце древесины наступает максимум температуры горения.
Идентификацией устойчивых законов выявили модель динамики температуры горения березовых опилок во времени первого этапа с использованием устойчивого закона вида
T = 450,5149 - 281,1157 exp(-0,00046088t2'14906),
где T - температура отходящих газообразных продуктов горения материала, °С, t - время горения, с.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 9 (77) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
Энергия биомассы
Т,° С
14,5 76,5 138,5 200,5
Рис. 2. Изменение температуры горения сосновых опилок Fig. 2. Change of burning temperature of pine sawdust
Сжигание образца с сосновыми опилками представлено на рис. 2.
Составили модель динамики температуры горения сосновых опилок во времени первого этапа с использованием устойчивого закона
T = 494,76723 -338,70604exp(-0,0001004/2 07677).
Время достижения максимальной температуры горения сосновых опилок больше, чем у березовых.
Сжигание образца с древесными гранулами представлено на рис. 3.
т,° с
15,4 129,8 244,2 358,6
Рис. 3. Изменение температуры горения древесных гранул Fig. 3. Change of burning temperature of wood granules
Модель динамики температуры горения древесных гранул во времени первого этапа с использованием устойчивого закона имеет вид
T = 1195,7787 -1008,7748 exp(-0,000041603^157149).
Процесс достижения максимальной температуры при горении древесных гранул в 1,8 раза дольше по времени, чем горение опилок. Это связано с большими размерами древесных гранул и высокой удельной плотностью, 1300-1400 кг/м3, по сравнению с плотностью сосновых (500 кг/м3) и березовых (630 кг/м3) опилок [6].
Заключение
Важнейшим параметром горения древесных опилок является температура горения. Тепловые характеристики топлива зависят от типов химических структур и связей, что определяет значительные различия в выходе летучих веществ в зависимости от температуры.
Для обеспечения оптимального процесса горения с минимальными выбросами от неполного сгорания топлива необходимо обеспечить поддержание высокой температуры горения, достаточно длительного времени пребывания и оптимального смешения топливных газов с воздухом.
Список литературы
1. Джон Вос. Использование энергии биомассы для отопления и горячего водоснабжения в Республике Беларусь. Методические рекомендации по применению передовой практики. Часть А: Сжигание биомассы [Электронный ресурс] / Джон Вос. - Режим доступа: http://www.bioenergy.by/practa.htm, свободный.
2. ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. М.: Изд-во стандартов, 1991.
3. Скрябин В.И. Теплотехника. М.: ВНТИЦ, 2002. № 50200200706.
4. Мазуркин П.М., Филонов А.С. Математическое моделирование. Идентификация однофакторных статистических закономерностей: Учебное пособие. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006.
5. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров / Пер. с англ. Бомштейн К.Г. Под ред. Кошмарова Ю.А., Макарова В.Е. М.: Стройиздат, 1990.
6. Головков С.И., Коперин И.Ф., Найденов В.И. Энергетическое использование древесных отходов. М.: Лесная промышленность, 1987.
116
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 9 (77) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
шш
