CC BY
32
шин Р.Р., Кайнов П.А., Кузьмин И.А., Мазохин М.А., Шайхутдинова А.Р., Ахтямова Т.Н., Воронин А.Е.
7. Галяветдинов Н.Р., Сафин Р.Р., Мухтарова А.Р., Илалова Г.Ф., Талипова Г.А. Изучение деструктивных свойств биоразлагаемого древесно-наполненного композита // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. Воронеж. 2018. С. 174-179.
8. Safin, R.R., Talipova, G.A., Galyavetdinov, N.R., Nazipova, F.V., Salimgaraeva, R.V. The study of the destructive properties of wood- filled composites for the production of biodegradable packaging materials // International Multidisciplinary Scientific Geoconference. 2019. № 19. P. 541-546.
9. Галяветдинов Н.Р., Сафин Р.Р., Талипова Г.А., Петров В.И. Исследование физико-механических свойств древесно-наполненных композитов на основе полилактида с целью создания биоразлагаемых упаковок // Деревообрабатывающая промышленность. Москва. 2018. № 4. С. 12-18.
10. Сафин Р.Р., Сафин Р.Г., Галяветдинов Н.Р., Иманаев Р.М. Исследование совмещенной сушки-пропитки массивных капиллярно-пористых коллоидных материалов // Вестник Казанского технологического университета. 2006. № 6. С. 78.
11. Разумов Е.Ю., Сафин Р.Р., Хасаншин Р.Р., Аминов Л.И. Экспериментальное исследование физического эффекта обработки древесных отходов вч-плазмой // Деревообрабатывающая промышленность. Москва. 2009. № 1. С. 24-25.
УДК 62-663.8
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЕЛЛЕТ РАЗЛИЧНЫХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ
COMPARATIVE ANALYSIS OF THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF PELLETS OF VARIOUS MANUFACTURERS
Сафиуллина А.Х., Кайнов П.А.
(Казанский национальный исследовательский технологический университет, г.
Казань, РФ) Safiullina A.Kh., Kainov P.A.
(Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia)
В данной статье рассматривается технология производства пеллет, представлены результаты исследований на определение теплофизических свойств древесных гранул различных производителей. На основании полученных данных проведен сравнительный анализ характеристик исследуемых образцов с Европейским стандартом качества пеллет.
This article discusses the technology of production of pellets, presents the results of studies to determine the thermophysical properties of wood pellets from various manufacturers. Based on the data obtained, a comparative analysis of the characteristics of the studied samples with the European pellet quality standard was carried out.
Ключевые слова: биомасса, возобновляемая энергетика, древесные гранулы, высшая теплота сгорания
Keywords: biomass, renewable energy, wood pellets, higher calorific value
Введение
На сегодняшний день в современном мире существует проблема поиска возобновляемых сырьевых и энергетических ресурсов, которые могли бы конкурировать с магистральным газом, а также нефтью, поэтому создаются альтернативные способы отопления твёрдым биотопливом. Гранулирование является наиболее эффективным способом, так как конечная влажность готового продукта составляет всего 8-12 %, а исходный материал уплотняется в 5-10 раз. Таким образом можно сказать, что гранулированное биотопливо обладает рядом преимуществ, среди которых следует отметить постоянство качественных характеристик, удобство хранения, а также возможность использования их в отопительных системах с автоматической подачей топлива. Наиболее распространённым типом являются древесные гранулы [1-3].
Древесные пеллеты представляют собой цилиндрические топливные прессованные древесные гранулы, изготовленные из побочных продуктов механической деревообрабатывающей промышленности: сухие опилки, шлифовальная пыль и стружка, а также свежая биомасса, кора и щепа. Перед гранулированием сырье измельчается и сушится, поэтому затраты на производство зависят как от стоимости сырья так и, в случае использования влажного сырья, от стоимости сушки.
Технология производства пеллет представлена на рисунке 1.
гранулирование промежу гочно! ii
измельчение Охлаждение Хранение пеллет
и сушка
Рисунок 1 - Технологический процесс производства пеллет
При измельчении сырье достигает размеров, равных, по меньшей мере, диаметру гранулы. Однако измельченная древесная пыль не должна быть слишком мелкой, в противном случае пропадают волокна, которые частично связывают гранулу. Именно поэтому обычно используется молотковая мельница.
Измельчение значительно облегчает процесс сушки. Для сушки чаще всего используется генератор горячего газа. Затем гранулы сжимаются в плоской или вертикальной кольцевой матрице, что позволяет уплотнить отходы из биомассы. В результате этого процесса материал становится более плотным и простым в использовании, а также более эффективным при горении.
Важнейшими свойствами пеллет для отопления являются исходный материал, теплотворность и зольность. Качество исходного материала напрямую влияет на теплофизические свойства гранул. Теплотворная способность является стандартной мерой содержания энергии в топливе. Зольность оказывает влияние на работоспособность пеллетного котла. Таким образом,
по этим свойствам выделяются следующие виды пеллет: премиум (белые), стандарт (светлые) и индустриальные. Данная классификация отображена Сертификатом качества европейского стандарта, который является объективной оценкой качества пеллет.
Методы и материалы
Для того, чтобы утверждать, какой вид топлива обладает высокой конкурентоспособностью и соответствует европейским стандартам, были проведены исследования пеллет различных производителей на состав и тепло-физические свойства [9]. На основании данных показателей сравнивали исследуемые образцы: финского производства, образцы из Европейской части России и образцы новосибирского производства. Для этого, партии гранул закупались 3 раза с промежутком времени в два месяца. Затем усреднялись значения характеристик образцов. Следует отметить, что все производители, согласно рекламе, в качестве сырья для своих гранул использовали необработанную древесину без содержания каких-либо вредных добавок.
После определения минерального состава гранул определяли их теплотворную способность [4]. Экспериментальное определение высшей теплоты сгорания требует специального оборудования, в то время как данные химического анализа могут быть получены сравнительно легко, с помощью лабораторного оборудования [14]. Сжигание пеллет происходило в адиабатической кислородной бомбе калориметра и экспериментального стенда для проведения огневых испытаний [13], состоящего из вертикальной керамической трубы, внутри которой смонтированы газовая горелка, измерительные приборы, и при проведении опытов устанавливался исследуемый образец.
Результаты и обсуждение
Результаты исследования по составу и свойствам древесных гранул представлены в таблице 1. Содержание углерода и водорода в исследуемых образцах гранул варьируется в довольно узких пределах и больше соответствует погрешности эксперимента. Содержание кислорода находится в диапазоне от 40,6 % до 42,7%, содержание азота составляет от 0,5% до 0,16%.
Таким образом, существенных различий между партиями гранул в их высшей теплотворной способности так же не наблюдается. Однако низшая теплотворная способность варьируется в пределах 17-20,1 МДж / кг. Наблюдаемые различия вызваны различиями влажности гранул, которые изменялись в пределах 5,2-7,5%. Низкая зольность продукта (0,28-0,7%) объясняется, по всей видимости, отсутствием в исследуемых образцах коры. На-
-5
сыпная плотность пеллет находится в пределах 630-740 кг / м .
На основании полученных свойств древесных гранул можно провести сопоставительный анализ характеристик исследуемых гранул со стандартом качества, о котором упоминалось выше. Таким образом, наблюдается, что насыпная плотность образцов новосибирского производства значительно выше двух других образцов, соответственно на выходе получается более высокое значение низшей теплотворной способности топлива. Также наблюдаем, что значения характеристик образцов практически не имеют раз-
личий, но их можно соотнести к разным классам. Таким образом, по всем показателям образцы финского производства, а так же образцы европейской части России относятся к классу индустриальных пеллет, в то время как образцы производства Сибири приближены к классу пеллет премиум-класса, уступая лишь по содержанию азота. Такой состав гранул объясняется лучшими условиями произрастания древесины: более низкой среднегодовой температурой воздуха, что вызывает медленный рост деревьев и соответственно более высокую плотность и лучшей экологической обстановкой восточной части России, приводящей к меньшему содержанию азота.
Таблица 1 - Свойства древесных гранул
Свойство Единица измерения Финляндия Европейская часть России Сибирь
C % 49.80 49.70 49.72
H % 6.12 6.11 6.13
N % 0.16 0.16 0.05
O % 40,6 41,2 42,7
S % 0,005 0,003 0,004
Cd мг/кг 0.06 0.08 0.07
& мг/кг 0.48 1.59 0.36
Zn мг/кг 7.83 0.04 7.55
^ мг/кг 1.14 2.76 1.02
м мг/кг 0.26 0.26 0.24
Fe мг/кг 9.28 8.19 8.79
а мг/кг 6.88 5.82 6.85
№ мг/кг 61.52 30.32 15.23
Mg мг/кг 64.42 65.74 62.02
Ca мг/кг 0.57 0.59 0.54
K мг/кг 0.31 0.35 0.35
Mg мг/кг 0.11 0.12 0.13
P мг/кг 0.02 0.03 0.03
Содержание влаги % 7.5 7 5.2
Зольность % 0.28 0.5 0.7
Насыпная плотность кг /м3 690 630 740
Низшая теплотворная способность МДж / кг 17.9 17 20.1
Выделяемая энергия при сгорании МВтч / м3 3.43 4.3 4.9
Заключение
На основании проведенного сопоставительного анализа топливных свойств древесных гранул было установлено, что по всем показателям европейского стандарта образцы финского производства и образцы европейской части России относятся к классу индустриальных пеллет. Образцы же новосибирского производства напротив, соответствуют классу пеллет премиум-класса, за исключением содержания азота. Его значение приближено к классу пеллет стандартного класса. Такая зависимость объясняется тем, что пел-леты производства Сибири изготавливаются из сырья более лучшего каче-
ства, что связано, в свою очередь с условиями произрастания древесины.
Список использованных источников
1. Safin R. R. et al. Increase in energy efficiency of use of vegetable waste // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. - 2017. - Т. 87. - №. 3. - Article number 032025.
2. Сафин Р.Р. и др. Исследование физических и энергетических свойств топливных гранул на основе термомодифицированного древесного сырья // Инженерно-физический журнал.- 2015.- Т. 88.- №. 4. - С. 925-928.
3. Shayakhmetova A.H. et al. Alternative types of solid biofuels and their comparative characteristics // International multidisciplinary scientific geoconference surveying geology and mining ecology management, SGEM. - 2015. - pp. 53-58.
4. Syunyaev R.Z. et al. The influence of the internal structure and dispersity to structural-mechanical properties of oil systems // Journal of petroleum science and engineering. - 2000. -Т. 26. - №. 1-4. - pp. 31-39.
5. Шайхутдинова А.Р. и др. Исследование процессов термической модификации древесины в среде насыщенного пара // Вестник технологического университета. - 2015.
- Т. 18- №. 13. - С. 140-143.
6. Сафин Р.Р. и др. Установка для переработки отходов древесных производств // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского.- 2009.- №. 5(19). - С. 82-87.
7. Шаяхметова А.Х. и др. Сравнительные характристики пеллет из лузги подсолнечника и древесных пеллет // Вестник технологического университета. - 2015. - Т. 18-№. 2. - С. 243-246.
8. Сафин Р.Р. и др. Математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании среды насоса // Вестник московского государственного университета леса - Лесной вестник.- 2005.- №. 2. - С. 168-173.
9. Сафин Р.Р. и др. Исследование физико-механических свойств термомодифициро-ванной древесины березы // Вестник технологического университета. - 2015. - Т. 18- №. 4. - С. 213-217.
10. Сафин Р.Р. и др. Методика расчета установки вакуумно-кондуктивной сушки пиломатериалов с использованием теплового насоса // Вестник московского государственного университета леса - лесной вестник- 2015.- Т. 19- №. 2. - С. 96-102.
11. Шаяхметова А.Х. и др. Торрефицирование твердых видов биотоплива из древесины и лузги подсолнечника // Вестник технологического университета. - 2015. - Т. 18-№. 8. - С. 138-141.
12. Сафин Р.Р. и др. Механические характеристики термодревесины березы // Деревообрабатывающая промышленность - 2015. - №. 1. - С. 31-36.
13. Ахунова Л.В. и др. Исследование процессов торрефикации древесного топлива // Деревообрабатывающая промышленность. - 2015. - №. 2. - С. 35-40.
14. Шаяхметова А.Х. и др. Лузга подсолнечника и отходы деревообработки как альтернативное биотопливо // Деревообрабатывающая промышленность. - 2015. - №. 2.
- С. 41-45.
