ДРЕВЕСИНА

2.ДРЕВЕСИНА
Древесина - это стволы и сучья деревьев и кустов, которые в основном состоят из
отмерших клеточных элементов с одеревеневшими, толстыми оболочками.
Клеточная оболочка древесины состоит в основном из целлюлозы, гемицеллюлозы
и лигнина.
Целлюлоза — белое твердое, стойкое вещество, не разрушается при нагревании (до 200 °C), но является
горючим веществом. Температура воспламенения 275 °С, температура самовоспламенения 420 °С (хлопковая
целлюлоза). Не растворима в воде и слабых кислотах.
Целлюлоза представляет собой длинные нити, содержащие 300—10 000 остатков глюкозы, без боковых
ответвлений. Эти нити соединены между собой множествомводородных связей, что придает целлюлозе большую
механическую прочность, при сохранении эластичности.
ГЕМИЦЕЛЛЮЛОЗЫ, полисахариды, содержащиеся наряду с целлюлозой и лигнином в клеточной стенке
растений. Большинство гемицеллюлоз отличается от целлюлозы лучшей р-римостью в р-рах щелочей и
способностью легко гидролизоваться кипящими разб. минеральными к-тами. В растениях гемицеллюлозы служат
опорным конструкционным материалом и, возможно, резервным питательным в-вом. Содержание гемицеллюлоз
в древесине и др. растит, материалах - соломе, шелухе семян, кукурузных кочерыжках и т.п. составляет 13-43%.
Лигнин (от лат. lignum — дерево, древесина) — вещество, характеризующее одеревеневшие
стенки растительных клеток ( механическую прочность древесины). Сложноеполимерное соединение,
содержащееся в клетках сосудистых растений и некоторых водорослях.
В сухом веществе сосны, ели, березы содержится 40-45 % целлюлозы, 25-40% гемицеллюлозы.
Содержание лигнина в хвойных породах составляет 24 – 33% на сухую массу, в
лиственных породах – 31 – 41%. Около 40% теплотворной способности
древесины приходится на лигнин.
От общего количества древесины в лесу получают хвойных пород древесины
около 59 -69 %, сучья, пни и кора составляет около 31 – 41%. Распеределение
древесной биомассы на стволы, кору, сучья и листву (хвою) в большой мере
зависит от вида и возраста дерева.
Древесную биомассу как восстанавливающуюся в настоящее время
рассматривают как стабильный энергетический источник и как сырье для
химической промышленности.
По данным международного совета по энергетике в начале этого века в мире
использовали древесины 1,9 миллиарда м3, отходов древесины – 300 млн м3.
В Евросоюзе
около 3,5% потребности в энергии покрывается за счет
использования биомассы. В некоторых странах ЕС этот показатель значительно
выше: Финнляндия – 23%, Швеция – 18%, Австрия – 12%.
По данным Maaülikool (Тартуская Сельхозакадемия) 51% или 2,27 млн гектара
площади Эстонии покрыто лесами, растущие запасы которого составояют около
449 млн м3. В соотвествии с программой развития лесног хозяйства (2001 -2010гг)
разрешенный объем вырубки может достигать 13,1 млн м3. Из этого в качестве
топлива может быть использовано 5 млн м3, по данным Департамента статистики
количество топливной древесины составляет около 3 млн м3 в год.
1
В котлах и печах используют ся следующие виды биомассы:
Дрова (halupuit) – обрезки стволов, негодные
для деревообработки или
отпиленные части от стволов, рубленые точного размера поленья ( 1; 0,75; 0,5; 0,33;
0,25 м).
Щепа (hakkpuit) – специально измельченная топливная масса товарной древесины
или от негодных стволов, струганных стволов или отходы рубки. Средняя длина
куска – 25-40 мм.
Древесный брикет ( puidubrikett) – измельченные и высушенные
производственные отходы, которые спрессованы под высоким давлением 70 – 200
МРа без связующего вещества, плотные, правильной формы изделия. Длина ребра
или диаметр – 50-80 мм. Посреди брикета может быть отверстие диаметром 10-20
мм. Размеры могут быть такими же как и торфобрикета - 180х75х35 мм.
2
Древесные пеллеты или гранулы (puidpelletid ehk graanulid) – высушенные
измельченные древесные отходы, спрессованные в кубики или палочки толщиной с
палец.
Древесный уголь ( puusüsi) – с высоким содержанием углерода (ок. 80%) и
высокой теплотворной способностью (27-31 МДж/кг) вещество, которое образуется
при нагревании древесины без доступа воздуха или с очень небольшим доступом.
Древесный газ (puugaas) – при термическом разложении древесины (без доступа
воздуха) или газификации полученный горючий газ теплотворной способностью
4,5 – 15 МДж/м3. Различают два вида: генераторный газ – горючая часть в
основном СО и водородистый газ – горючая часть СО и Н2.
2.1. Единицы измерения
Плотный метр ( tihumeeter, tm) – единица объема древесины, в которых
измеряется запас древесины и материалы из древесины. Равен 1 м3 древесины без
пустот.
Складочный метр ( ruumimeeter, rm) – объем древесины 1 м3 вместе с
воздушными промежутками.
В зависимости от вида штабелеванного материала используют следующие
коэффициенты пересчета на плотный метр:
Таблица 2.1
тонкий хворост длиной до 2 м ........................ 0,1
хворост длиной 2 – 4 м ....................................0,12
хворост длиной 4 – 6 м .....................................0,2
опилки..................................................................0,25
дрова длиной до 1м.............................................0,70
Например, 1 м3 рубленных поленьев равен 0,7 плотного метра.
Коэффициент пересчета для щепы прежде всего зависит от типа инструмента,
расщепляющего щепу, и может меняться в пределах 0,35 - 0,45 (средний – 0,4).
2.2. Элементарный состав древесины
Биомасса древесины, в том виде в котором она поступает к потребителю,
называется товарная масса топлива:
Ct + Ht + Ot + Nt + Sot + Spt +At + Wt = 100 %
(2.1)
Сухое вещество топлива:
3
Ck + Hk + Ok + Nk + Sok + Spk +Ak = 100 %
(2.2)
Горючее вещество топлива ( свободное от влажности и золосодержания):
Cp + Hp + Op + Np + Sp = 100 %
(2.3)
Состав стволовой древесины различных пород на удивление стабилен, одинаков.
Различия не превышают точности самого анализа.
Таблица 2.2.
Порода
Cp %
Hp %
Op %
Np % Содержание Теплотворная
древесины
летучих %
способность
(нижняя)
МДж/кг
Хвойная
51,0
6,15
42,25
0,6
85
19,079
Лиственная
50,5
6,10
42,80
0,6
85
18,660
Смешанная
51,0
6,10
42,30
0,6
85
18,870
В теплотехнических расчетах можно без особых погрешностей пользоваться
средним значением горючего вещества стволовой древесины:
Cp = 51% , Hp = 6,1%, Op = 42,3%, Np = 0,6%
Содержание серы Sp низкое – до 0,05 %
2.3. Влажность древесины
Влажность – вредный компонент древесной биомассы, который уменьшает
теплотворную способность, увеличивает объем газов горения и ухудшает
воспламенение.
Для определения влажности древесины проба колличественно зависит от величины
частиц топлива и точности взвешивания. Если точность взвешивания равна 0,01
грамма, тогда берут два взвешенных пробы по 30...10 граммм. Если точность
взвешивания – 0,1 грамма, тогда две пробы по 200...400 грамм. Пробы
просушиваются в сушильном шкафу циркулирующим воздухом при температуре
105±2 0С до постоянства массы. Обычно для этого достаточно 16 –ти часов, если
толщина слоя менее чем 30мм. Пробу не сушат более 24 часов. Сухие пробы
необходимо вынуть из сушильного шкафа, прежде чем поставить на сушку
влажные пробы. После сушки пробы охлаждают в эксикаторе и взвешивают.
При определении влажности нужно удосовериться, что посуда для проб не
впитывает влагу и является жаропрочной.
Влагосодержание определяется по формуле:
4
где М t – влагосодержание товарной массы древесины в %
m1 – вес влажной пробы, в граммах
m2 – вес сухой пробы в граммах
Результаты определения влажности двух параллельных проб не должны отличаться
болльше чем 1/50 от среднего, или анализ следует повторить. Конечный результат
определения влажности двух параллельных проб дается средним с точностью 0,1%.
Пользуются понятиями абсолютной влажности:
и относительной или влажностью товарной массы:
где М – масса влажной древесины, кг
М1 - масса сухой древесины, кг.
Их сравнение показано на графике рис. 2.1:
по оси абсцисс (х) – относительная влажность ( на рабочую массу топлива), по оси
ординат (у) – абсолютная влажность ( на массу сухого вещества топлива).
5
Влажность древесины состоит из внешней или механической и внутренней или
гигроскопной. Внешняя влажность удаляется из топлива при естественной сушке
на открытом воздухе. Гигроскопная влажность удаляется при нагреве топлива
свыше 100 0С. Процентное содержание гигроскопной влаги составляет ок. 15%.
В некоторых случаях разделяют древесину по влажности на три категории:
- сухая , соответствующая влажности воздуха, относит. 20 ( абс.25) %
- полусухая 21 (26)...33(50) %
- сырая
свыше 33 (50) %
Влажность рабочей массы древесины W t в % наиболее важных пород приведена
в следующей таблице:
Таблица 2.4
Вид
Ствол
Все дерево Всё дерево
Молодые
Ствол
древесины
с листвой без листвы
деревья
Сосна
50...60
55
45...60
Ель
48...57
55
40...60
Болотная
береза
42...50
45
43
46...48
35...50
Серая ольха
50...50
54
52
45...50
Осина
47
35...50
Ива
48...60
Тополь
49...63
Влажность сырой древесины
в переделах 40...60 %. На влагосодержание
древесины влияет время года, место произрастания, вид древесины и возраст.
Влагосодержание различных частей дерева в % иллюстрирует таблица 2.5.
Обычно древесина проходит процесс сушки на открытом воздухе и
влагосодержание составляет 20...25%. Под крышей высушеная древесина имеет
влагосодержание 15...20%. В сушилках можно получить абсолютно сухую
древесину.
Таблица 2.5
Часть
Сосна
Ель
Береза
Ольха
Осина
дерева
Ствол
45...50
40..60
45 (35...50)
54
47
Сучья,
50...56
42...46
41 (39...44)
57,5
45
ветви
Кора:
береста
(15...20)
лыко
35...65
45...65
(50)
Дерево
в
целом
47
55
48
6
2.4. Плотность древесины
Для характеристики древесины пользуются следующими понятиями:
- нормальная плотность при (стандартной) влажности (абсолютной) 12%: ρ12, кг/м3,
- клеточная плотность (вещества), которая одинакова для всех пород: ρ = 1530
кг/м3,
- плотность сухого вещества древесины, где m0 - масса абсолютно сухой
древесины, V0 - объем абсолютно сухой древесины, ρ0 = m0/V0, kg/m3;
- плотность влажной древесины, где m t, V t - масса, объем товарной массы
древесины при влажности W t; ρ t = m t/ V t kg/m3.
Плотность стволовой древесины зависит от вида древесины, влажности,
коэффициента набухаемости Кр. Сухая древесина уменьшается в объеме в среднем
10...20% и разбухает влажой вдоль волокон в среднем на 0,1%, в радиальном
направлении – на 3...5%, в тангенциальном направлении – на 6...10%.
В зависимости от коэффициента набухания виды древесины разделяют на две
группы:
- первая группа Кр = 0,6 береза, бук, лиственница
- вторая группа Кр = 0,5 все другие породы: дуб, клен, осина, ольха, ива.
Для первой группы стволовой древесины плотность расчитывают по формулам:
Для второй группы:
Нормально приведенные плотности некоторых пород древесины, а также
плотности абсолютно сухой дрвесины, в кг/м3:
7
Порода древесины
Лиственница
Сосна
Дуб
Клен
Береза
Ольха
Осина
Липа
Ива
Груша
ρ0, абсолюно сухой
древесины
630
470
650
650
600
490
470
470
430
670
Таблица 2.6
Ρ12, нормально
приведенная
660
500
690
690
630
520
495
495
455
710
Плотность древесной коры, кг/м3:
Порода древесины
Сосна
Ель
Береза
ρ0, абсолюно сухой
древесины
652
715
736
Ρ12, нормально
приведенная
680
730
745
2.5. Теплотворная способность
Теплота сгорания ( теплотворная способность) топлива - это количество теплоты,
которое выделяется при полном сгорании 1 кг древесины.
Если при сгорании выделившиеся из топлива пары воды конденсируются и
высвобождается теплота конденсации, тогда выделевшееся тепло называется
высшей теплотворной способностью, Qü ,МДж/кг.
Если же при сгорании топлива образовавшийся пар не конденсируется, тогда
выделившееся тепло называется низшей теплотворной способностью, Qa
Обычно дымовые газы уходят из котла при температуре выше температуры
конденсирования водяных паров. Поскольку древесина низкосернистое топливо,
то для её сжигания можно использовать конденсационные котлы, т.е. где дымовые
газы уходят в трубу при температуре ниже конденсирования паров.
Исходя из элементарного состава товарного вещества , можно вычислить
теплотворную способность топлива:
Высшая теплотворная способность в кДж/кг:
8
Низшая теплотворная способность в кДж/кг:
Поскольку состав горючего вещества стволовой древесины довольно стабилен, то
можно говорить, что теплотаорная способность горючего вещества древесины
стабильна для всех пород древесины и равна Qpa = 18,9 MJ/kg.
Теплотворная способность товарной массы древесины зависит только от
влагосодержания W t и золосодержания At и определяется по формуле:
Cредняя теплотворная способность сухого вещества различных пород древесины
приведена в таблице 2.9.:
Таблица 2.9
Порода древесины
Нижняя теплотворная
способность
Береза
19,4
Ель
19,0
Сосна
19,4
Ольха
18,5
Осина
18,4
Среднее
18,9
Для расчета теплотворной способности товарной массы древесины:
Теплотворная способность частей дерева различных пород древесины, MJ/kg
Порода древесины
Cосна:
Всё дерево
ствол
кора
сучья
вершина
хвоя
Низшая теплотв. Порода древесины
способность
на
сухую массу Qak
Ель:
19,0...20,4
Всё дерево
18,7...19,3
ствол
18,4...20,7
кора
19,4...20,5
сучья
18,25
вершина
20,0...21,1
хвоя
Низшая теплотв.
способность
на
сухую массу Qak
19,2...19,9
18,0...19,0
17,8...19,8
19,8
18,6...19,8
19,8...20,0
9
Береза:
Всё дерево
ствол
кора (береста)
лыко
сучья
19,1...19,6
17,4...19,4
28,4...29,3
17,1...18,4
18,4...19,8
пни
Ольха:
ствол
Осина:
ствол
19,0
18,7
18,5
2.6. Температура воспламенения, летучие и кокс
Горючее вещество воспламеняется только тогда, когда оно нагрето до
определенной температуры, которая называется температурой воспламенения и для
древесины составляет 240...270 0С.
До воспламенеия древесины происходит термическое разложение ( пиролиз) её
органической части, которое длится до очень высоких температур. В результате
пиролиза выделяются летучие – газообразные продукты термического разложения.
Пиролиз древесины начинается при температуре 150...160 0С. Потерю массы
древесины при пиролизе при нагреве до 850± 10 0С считают содержанием
горючих. В древесине содержание летучих - 80...85%. Основные продукты
пиролиза - СО, Н2, СН4, СО2, Н2О.
Масса, оставшаяся после пиролиза – кокс, который состоит в основном из
углерода С.
Количество летучих и кокса – важный фактор при сжигании древесины в топках,
от этого зависит также скорость горения частиц топлива.
Древесина как топливо с высоким содержанием летучих хорошо воспламеняется и
при его горении нет необходимости в применении дополнительных мероприятий
по стабилизации процесса горения, как в случае топлив низким содержанием
летучих.
2.7. Зола
Зола - твердый остаток полного сгорания топлива. Золосодержание разделяется на
внешнее и внутреннее. Внутреннее – это минералы, содержащиеся в волокнах
древесины, по которым можно определить состав земли, где росло дерево.
Внешняя зола связана с минеральными соединениями , которые попали в биомассу
древесины приеё обработке, складировании, транспортировке.
Золосодержание Аt в % различных пород и частей древесины приведено в таблице
2.11.:
Порода древесины
Сосна
Ель
Ствол
0,2…0,7
0,2
Кора
1,4…2,2
2,3
Сучья, корни
0,3…0,7
0,3…0,4
10
Береза
Осина
0,2…0,4
0,2…0,3
2,4
2,7
0,3…0,6
0,3
Для котельных расчетов можно принимать золосодержание сухого вещества
древесины равным 1%.
Химический состав древесной золы в %
Таблица 2.12
CaO
P2O5
Fe2O3
Na2O
37...58
1...8
1...5
0,5...3
K2O
MgO
SiO2
SO3
3...29
5...16
3...22
1...4
Состав золы древесины (минеральной части) очень во многом зависит от места
произростания древесины, породы, но также зависит от того, какие части дерева
используются. Таким образом, химический состав золы может быть весьма
различным. При этом следует отметить, что 50 % К2О – водорастворимы.
Содержание SO3 в золе указывает на содержание серы в минеральной части. Золу
можно реально использовать в качестве удобрения полей.
Новая методика определения характеристик плавления золы CEN/TS 15370-1:2006
вносит новое понятие « температуры начала усадки» - при 5500С опытный образец
золы дает усадку, соответствующую 95 % первоначального объема образца.
По температуре плавления древесная зола относится к классу тугоплавких:
- температура деформации золы = 1150...1290 0С,
- температура полусферы = 1230...1500 0С,
- температура плавления = 1250...1650 0С.
1.Низкая зольность древесины, 2. порошкообразная зола, которая легко
проваливается через мелкие отверстия решетки, а также 3. высокая температура
плавления золы - факторы, которые указывают на то, что древесина является
хорошим энергетическим топливом.
11