CC BY
3
УДК 543.57:674.03
ТЕРМОГРАВИМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОПИЛ ОК ЛИСТВЕННЫХ И ХВОЙНЫХ ПОРОД ДЕРЕВЬЕВ
Н. Ш. ЛЕБЕДЕВА, Е. П. ГРИШИНА, Д. Г. СНЕГИРЕВ, Ж. Ф. ГЕССЕ, Э. Ю. ДАШЕЕВ, А. Ю. ЮСУБОВ
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: nat.lebede2011@yandex.ru, epgrishina@yandex.ru, snegirev.1965@bk.ru, zhenni.gesse@mail.ru
Методом термогравиметрического анализа исследованы процессы горения опилок лиственных (береза, липа, ольха, осина) и хвойных (ель, сосна) пород деревьев. По кривым термогравиметрии и дифференциального термического анализа определены температуры воспламенения и выгорания коксового остатка исследуемых образцов, а также индексы воспламенения, выгорания и горения. Полученные параметры проанализированы в зависимости от химического состава древесины.
Ключевые слова: термогравиметрический анализ, лиственные породы древесины, хвойные породы древесины, опилки, показатели горения.
THERMOGRAVIMETRIC ANALYSIS OF SAWDUST OF DECIDUOUS AND CONIFEROUS TREES
N. Sh. LEBEDEVA, E. P. GRISHINA, D. G. SNEGIREV, Zh. F. GESSE, E. Yu. DASHEEV, A. Yu. YUSUBOV
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo E-mail: nat.lebede2011@yandex.ru, epgrishina@yandex.ru, snegirev.1965@bk.ru, zhenni.gesse@mail.ru
Based on the curves of thermogravimetry and differential thermal analysis of the ignition temperature and the burnout temperature of the coke residue of the studied samples, ignition indices, burnout indices and combustion indices were determined. Thermogravimetry and differential thermal analysis curves were studied. The ignition temperatures, burnout temperatures of the coke residue of samples, ignition indices, burnout indices and combustion indices were determined. Depending on the chemical composition of wood, the obtained parameters were analyzed.
Key words: thermogravimetric analysis, hardwoods, deciduous wood species, coniferous wood
species.
Термическая конверсия древесной биомассы становится все более важной для развития технологий топливной энергетики и пожарной безопасности. Наиболее распространенный и дешевый способ получения энергии основан на сжигании угля на теплоэлектростанциях. В последнее время появилось значительное количество работ, направленных на оптимизацию и повышение КПД процесса. Одним из возможных путей является использование смесового топлива (уголь и биомасса) [1-3]. В качестве биомассы целесообразно использовать опилки деревьев. Например, согласно работе, воспламенение смеси сосновых опилок с каменным углем происходило при температуре, близкой к темпера-
© Лебедева Н. Ш., Гришина Е. П., Снегирев Д. Г., Гессе Ж. Ф., Дашеев Э. Ю., Юсуб-ов А. Ю., 2023
туре воспламенения опилок. При оптимальном составе смеси (70 % каменного угля и 30 % древесных опилок) достигалось также существенное уменьшение количества выбросов [4]. Биомасса считается наиболее перспективным возобновляемым источником энергии, являясь углеродно-нейтральным топливом, и выступает альтернативой ископаемому топливу. Однако, с этим источником энергии связано также много существенных проблем, таких как высокие транспортные расходы и более низкая теплотворная способность по сравнению с углем. Кроме того, в зависимости от химического состава (породы) древесины параметры горения могут отличаться. Целью данной работы является термогравиметрический анализ процессов термоокисления древесных опилок различных пород деревьев, наиболее распространенных в ЦФО и Сибири.
В работе исследовались следующие виды лиственных и хвойных пород деревьев: береза повислая (береза, Bétula péndula), липа мелколистная (липа, Tilia cordata), ольха черная (ольха, Alnus glutinosa), осина обыкновенная (осина, Populus trémula), сосна обыкновенная (сосна, Pínus sylvéstris), ель обыкновенная (ель, Pícea ábies). Образцы древесных опилок были высушены в естественных условиях, вла-госодержание исследуемых образцов составляло 8-10 %. Исследуемые образцы древесины не содержали коры, степень измельчения составила (3-5)*(0,5-1)*(1-2) мм.
Термогравиметрические исследования выполнены с помощью программно-аппаратного комплекса на базе дериватографа 1000 D [5]. Используемый программно-аппаратный комплекс позволяет фиксировать три термохимических кривых: ТГ - термогра-
виметрия, ДТГ - дифференциальная термогравиметрия, ДТА - дифференциальный термический анализ.
По данным термогравиметрического анализа определяли следующие характеристики горения: индекс воспламенения [6, 7], индекс выгорания рь) [8] и индекс горения [9]. Используемые расчетные формулы и пояснения к ним приведены в работе [2]. При вычислениях учитывали рекомендации [2, 10].
В качестве примера на рис. 1. приведена термограмма образца древесины с установленными значениями Ть, Ртах и Ттах для одного из этапов.
Образцы древесины массой до 150 мг нагревали в среде воздуха до 1000 °С с постоянной скоростью нагрева - 5 °С/мин. Экспериментальные и расчетные данные приведены на рис. 2 и в табл.
Температура, к
Температуре,
Рис. 1. Определение Т, Ть, (^тах и Ттах одного из этапов горения образца липы
Рис. 2. Термограммы образцов древесины, полученные при нагревании со скоростью 5°С/мин в воздушной атмосфере: а - ТГ, б - ДТГ, в - ДТА
б
а
в
Таблица. Расчетные данные
Т Ть Tmax & тах R mean At 1/2 ti tb tmax Di Db-103 S-104
I этап
береза 513 610 573 286 347 27 43 63 55 0,120 3,068 6,182
липа 526 601 578 264 357 24,4 46 61 57 0,101 3,130 5,668
ольха 501 596 572 255 343 30 41 60 55 0,113 2,568 5,847
осина 509 605 571 332 372 25 43 62 55 0,142 3,916 7,879
ель 545 602 577 303 355 23,8 50 62 57 0,106 3,630 6,016
сосна 544 594 576 314 356 25,6 50 60 56 0,113 3,677 6,359
II этап
береза 610 778 713 379 387 27,2 63 96 83 0,073 1,742 5,067
липа 601 783 716 386 391 26,4 61 98 84 0,075 1,782 5,336
ольха 596 784 719 382 387 32,1 60 98 85 0,075 1,442 5,308
осина 605 736 678 371 393 17,2 62 88 76 0,079 3,214 5,412
ель 602 755 703 385 393 20,2 62 92 82 0,076 2,517 5,530
сосна 594 763 707 386 393 28,2 60 93 82 0,079 1,784 5,635
Обозначения: (^тах - максимальная скорость потери массы, ti и (тах - время воспламенения и время, соответствующее максимальной скорости потери массы, At1/2 - временной интервал ДТГ, 1^тах = 0,5 по обе стороны от самого высокого пика кривой ДТГ, ^ -
Горение древесины - сложный физико-химический процесс, включающий в себя несколько этапов. Химический состав древесины различных пород, а значит и ее свойства, существенно отличаются. Очевидно, что будет разниться и поведение древесины лиственных и хвойных пород при нагревании и, как следствие, ее характеристики горения, такие как индекс воспламенения, индекс выгорания, индекс горения и т.д. Физико-химический смысл характеристик горения топлив приведен в работе [2].
Из данных табл. следует, что более высокие показатели горения имеют опилки осины. Особенностью осины является то, что в отличие от других лиственных пород ее клеточная оболочка имеет более сложную структуру и повышенное содержание целлюлозы [11]. Это объясняет поведение опилок осины, отличное от образцов других лиственных пород древесины.
На первом температурном этапе происходит воспламенение опилок с последующим выгоранием целлюлозы и гемицеллюло-зы, содержание которой в лиственных породах древесины выше, чем в хвойных почти в 23 раза [12]. Второй температурный этап характеризуется сгоранием оставшегося лигнина, содержание которого выше в хвойных породах - ели и сосне. По этой причине показатели го-
время выгорания, (^теап - средняя скорость потери массы (от воспламенения до выгорания топливных образцов), Т и Ть - температура воспламенения и температура выгорания топливных образцов.
рения опилок древесины хвойных пород несколько выше. Это согласуется с экспериментальными данными, полученными в работе [13]. Все разновидности древесины относятся к быстро распространяющим пламя материалам. Однако, для ели и сосны индекс распространения пламени заметно ниже, чем у древесины лиственных пород.
Таким образом, в работе был проведен термогравиметрический анализ опилок лиственных и хвойных пород деревьев. Установлено, что температуры воспламенения опилок древесины хвойных пород одинаковы (±1°К). Для древесины лиственных пород величины Т имеют существенный разброс и находятся в интервале 501°К...526°К. Опилки березы, имеющей высокую плотность, характеризуются максимальной температурой выгорания (табл., I этап). Хвойные породы древесины отличаются большим временем воспламенения исследуемых образцов. Совместный анализ полученных экспериментальных данных и химического состава древесины позволяет заключить, что в изученных условиях наиболее высокими показателями горения отличаются хвойные породы древесины и лиственная порода древесины - осина, ввиду повышенного содержания целлюлозы по сравнению с другими лиственными породами.
Список литературы
1. Co-combustion characteristics of lignite/woody biomass blends. Reactivity and fusibility assessment / D. Vamvuka, E. Loukakou, C. Avgoustidis [et al.]. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 2019, vol. 45, issue 2, pp. 3916-3930. https://doi.org/10.1080/15567036.2019.1668885.
2. Термогравиметрический анализ горения каменных углей Республики Хакасия, сосновых опилок и их смесей / А. В. Жуйков, А. И. Матюшенко, П. Н. Кузнецов [и др.] // Журнал Сибирского федерального университета. Техника и технологии. 2021. Т. 14. № 6. С. 611622.
3. Марьяндышев П. А., Чернов А. А., Константинович Л. В. Определение кинетических характеристик процеса термического разложения топлив с целью анализа топочных процессов (обзор) // Arctic Environmental Research. 2015. №. 2. С. 118-128.
4. Co-combustion of bituminous coal and biomass fuel blends: Thermochemical characterization, potential utilization and environmental advantage / Ch. Zhou, G. Liu, X. Wang [et al.]. Bio-resource technology, 2016, vol. 218, pp. 418-427. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.06.134.
5. Программно-аппаратный комплекс для измерения сигналов дериватографа 1000D и компьютерная обработка данных термогравиметрического анализа / Н. Ш. Лебедева, С. П. Якубов, А. Н. Кинчин [и др.] // Журнал физической химии. 2005. Т. 79. №. 5. С. 955-960.
6. Thermal behavior and kinetic analysis of co-combustion of waste biomass/low rank coal blends / G. Wang, J. Zhang, J. Shao [et al.]. Energy Conversion and Management, 2016, vol. 124, pp. 414-426. https://doi.org/10.1016/ j.enconman.2016.07.045.
7. Investigation on combustion performance and ash fusion characteristics of Zhun-dong coal co-combustion with coal gangue / S. Deng, H. Tan, B. Wei [et al.]. Fuel, 2021, vol. 294, pp. 120555.
8. Combustion behaviour of biochars thermally pretreated via torrefaction, slow pyroly-sis, or hydrothermal carbonisation and co-fired with pulverised coal / L. Chen, Ch. Wen, W. Wang [et al.]. Renewable Energy, 2020, vol. 161, pp. 867-877. https://doi.org/10.1016/j.renene. 2020.06.148.
9. A novel index for the study of synergis-tic effects during the co-processing of coal and biomass / J. M. Oladejo, S. Adegbite, Ch. Pang [et al.]. Applied Energy, 2017, vol. 188, pp. 215-225. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.12.005.
10. Bala-Litwiniak A., Zajemska M. Computational and experimental study of pine and
sunflower husk pellet combustion and co-combustion with oats in domestic boiler. Renewable Energy, 2020, vol. 162, pp. 151-159.
11. Дубоделова Е. В., Снопкова Т. А., Письменский П. И. Проявление особенностей свойств древесины осины при получении древесной массы // Труды БГТУ. Серия 2: Химические технологии, биотехнология, геоэкология. 2010. Т.1. № 4. С. 224-227.
12. Бельчинская Л. И., Новикова Л. А., Дмитренков А. И. Экология древесины: методические указания. Воронеж: ФГБОУ ВО «ВГЛТУ им. Г. Ф. Морозова». 2017. 33 с.
13. Асеева Р. М., Серков Б. Б., Сивен-ков А. Б. Горение и пожарная опасность древесины // Пожаровзрывобезопасность. 2012. № 1. С. 19-32.
References
1. Co-combustion characteristics of lignite/woody biomass blends. Reactivity and fusibility assessment / D. Vamvuka, E. Loukakou, C. Avgoustidis [et al.]. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 2019, vol. 45, issue 2, pp. 3916-3930. https://doi.org/10.1080/15567036.2019.1668885.
2. Termogravimetricheskij analiz goreniya kamennyh uglej Respubliki Hakasiya, sosnovyh opilok i ih smesej [Thermogravimetric analysis of combustion of hard coals of the Republic of Kha-kassia, pine sawdust and their mixtures] / A. V. Zhujkov, A. I. Matyushenko, P. N. Kuznecov [et al.]. Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Tekhnika i tekhnologii, 2021, vol. 14, issue 6, pp. 611-622.
3. Mar'yandyshev P. A., Chernov A. A., Konstantinovich L. V. Opredelenie kineticheskih harakteristik procesa termicheskogo razlozheniya topliv s cel'yu analiza topochnyh processov (ob-zor) [Determination of the kinetic characteristics of the process of thermal decomposition of fuels in order to analyze combustion processes (review)]. Arctic Environmental Research, 2015, issue 2, pp. 118-128.
4. Co-combustion of bituminous coal and biomass fuel blends: Thermochemical characterization, potential utilization and environmental advantage / Ch. Zhou, G. Liu, X. Wang [et al.]. Bio-resource technology, 2016, vol. 218, pp. 418-427. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.06.134.
5. Programmno-apparatnyj kompleks dlya izmereniya signalov derivatografa 1000D i komp'yuternaya obrabotka dannyh termogravi-metricheskogo analiza [Software and hardware complex for measuring signals of the 1000D deri-vatograph and computer processing of thermo-gravimetric analysis data] / N. Sh. Lebedeva,
S. P. Yakubov, A. N. Kinchin [et al.]. Zhurnal fizi-cheskojhimii, 2005, vol. 79, issue 5, pp. 955-960.
6. Thermal behavior and kinetic analysis of co-combustion of waste biomass/low rank coal blends / G. Wang, J. Zhang, J. Shao [et al.]. Energy Conversion and Management, 2016, vol. 124, pp. 414-426. https://doi.org/10.1016/ j.enconman.2016.07.045.
7. Investigation on combustion performance and ash fusion characteristics of Zhun-dong coal co-combustion with coal gangue / S. Deng, H. Tan, B. Wei [et al.]. Fuel, 2021, vol. 294, pp. 120555.
8. Combustion behaviour of biochars thermally pretreated via torrefaction, slow pyroly-sis, or hydrothermal carbonisation and co-fired with pulverised coal / L. Chen, Ch. Wen, W. Wang [et al.]. Renewable Energy, 2020, vol. 161, pp. 867-877. https://doi.org/10.1016/j.renene. 2020.06.148.
9. A novel index for the study of synergis-tic effects during the co-processing of coal and biomass / J. M. Oladejo, S. Adegbite, Ch. Pang [et al.]. Applied Energy, 2017, vol. 188, pp. 215-225. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.12.005.
10. Bala-Litwiniak A., Zajemska M. Computational and experimental study of pine and sunflower husk pellet combustion and co-combustion with oats in domestic boiler. Renewable Energy, 2020, vol. 162, pp. 151-159.
11. Dubodelova E. V., Snopkova T. A., Pis'menskij P. I. Proyavlenie osobennostej svojstv drevesiny osiny pri poluchenii drevesnoj massy [The manifestation of the features of the properties of aspen wood in the production of wood pulp]. Trudy BGTU. Seriya 2: Himicheskie tekhnologii, biotekhnologiya, geoekologiya, 2010, vol. 1, issue 4, pp. 224-227.
12. Bel'chinskaya L. I., Novikova L. A., Dmitrenkov A. I. Ekologiya drevesiny: metodicheskie ukazaniya [Ecology of wood: guidelines]. Voronezh: FGBOU VO «VGLTU im. G. F. Morozova», 2017, 33 p.
13. Aseeva R. M., Serkov B. B., Siven-kov A. B. Gorenie i pozharnaya opasnost' drevesiny [Combustion and fire hazard of wood]. Pozharovzryvobezopasnost', 2012, issue 1, pp. 19-32.
Лебедева Наталья Шамильевна
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
доктор химических наук, доцент, профессор кафедры
E-mail: nsl@isc-ras.ru
Lebedeva Natalya Shamilyevna
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
doctor of chemistry, associate professor, professor of the department E-mail: nsl@isc-ras.ru
Гришина Елена Павловна
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
доктор технических наук, доцент, профессор кафедры
E-mail: epgrishina@yandex.ru
Grishina Elena Pavlovna
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
Doctor of Technical Sciences, associate professor, professor of the department E-mail: nsl@isc-ras.ru
Снегирев Дмитрий Геннадьевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры E-mail: snegirev.1965@bk.ru
Snegirev Dmitry Gennadievich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo
candidate of technical sciences, docent, docent of the department E-mail: snegirev.1965@bk.ru
Гессе Женни Фердинандовна
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново
кандидат химических наук, старший преподаватель кафедры E-mail: zhenni.gesse@mail.ru Gesse Zhenni Ferdinandovna
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy
of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies
and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of chemical sciences, senior lecturer
E-mail: zhenni.gesse@mail.ru
Дашеев Эрдэни Юрьевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
курсант факультета техносферной безопасности
E-mail: zhenni.gesse@mail.ru
Dasheev Erdeni Yurievich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy
of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies
and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
student of the faculty of technosphere safety
E-mail: zhenni.gesse@mail.ru
Юсубов Ахмед Юсиф оглы
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
курсант факультета техносферной безопасности
E-mail: zhenni.gesse@mail.ru
Yusubov Ahmed Yusif oglu
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy
of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies
and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
student of the faculty of technosphere safety
E-mail: zhenni.gesse@mail.ru
