Энергетические характеристики и состав биомассы древесных отходов

В связи с тем, что Россия располагает свыше 25 % мировых запасов леса, занимается активной переработкой древесного материала, использование древесной биомассы становится достаточно актуальным. Она используется как возобновляемый источник при выработке энергии.

Лесами, из которых почти 80 % падает на долю хвойных, занято 2/5 территории страны. Основные запасы леса сосредоточены в Сибири и на Севере Европейской части страны. При рубке леса и обработке древесины весьма большую долю составляют его отходы (пни, ветви, горбыли, щепа, стружки, опилки и др.).

К категории древесного топлива относятся, кроме собственно деревьев, их растительные отходы (пни, сучья, ветви, вершинные части деревьев) и отпады (хвоя, листья, валежник, кора), также промышленные отходы (обрезки, щепа, стружка, опилки, деревянная тара и др.).

Органическая часть древесины и других растительных образований состоит в основном из углеводов и в меньшей степени из белков, жиров, восков и смол, входящих в состав растительных клеток или заполняющих межклеточное пространство растительной ткани. Основными компонентами углеводов являются целлюлоза (С₆Н₁₀О₅)_х, из которой построены стенки клеток, гемицеллюлоза, представляющая собой гидролизирующуюся часть целлюлозы, и лигнин – особое инкрустирующее вещество, заполняющее межклеточные промежутки (С₉Н₂₄О₁₀). Содержание целлюлозы в органической части многоклеточных растений достигает 60 %, содержание лигнина 20…30 % (в зависимости от породы и возраста древесины). Растительная ткань пропитана водой, в которой растворены различные минеральные соли, образующие при сжигании древесины золу. Содержание солей в древесине обычно 1 %. Так, в сосновой древесине содержание минеральных солей составляет 0,21 %; в березовой – 0,29…0,38 %; в дубовой –0,37 %; в еловой – 0,22…0,37 %. Однако в коре, листьях (а также в стеблях однолетних растений) содержание минеральных примесей значительно больше и составляет: в еловой коре – 5,77 %, в буковой –8,84; ( в соломе – 3,3…7,2 %; в лузге – 2,31 %; в камыше – 7,4 % ).

В таблице приведены состав и некоторые характеристики древесной и растительной биомассы в сравнении с торфом.

Состав и характеристики некоторых видов биомассы в сравнении с торфом

Структура сухой массы древесины, как подчеркивалось ранее, представляет собой совокупность ячеек, стенки которых образуются в основном из клетчатки, состоящей из целлюлозы (С₆Н₁₀О₅)_х, гемицеллюлозы и особого вещества-лигнина, являющихся сложными соединениями углерода, водорода и кислорода. В состав древесины, кроме того, входят в небольшом количестве смолы, жиры, воск, дубильные вещества и минеральные примеси. На состав минеральных примесей оказывает влияние также технология получения древесных отходов. Например, в отходах с мебельных фабрик, где в производстве используются разные клеи, имеется особенно повышенное содержание щелочей. При этом технология получения древесных отходов резко влияет не только на состав их минеральной части, но и на все их характеристики как энергетического топлива. Эти характеристики различны: для свежевырубленного леса; для опилок с лесопилок и для опилок с мебельного производства; для измельченной тары; для коры; для хвои и других видов древесной биомассы. Значительно отличаются характеристики древесной массы с годичным циклом, выращиваемой на специальных плантациях.

Сама природа древесины мало влияет на состав ее органической части. Состав органической массы древесины разных пород может характеризоваться следующими усредненными данными: С^о = 50 %; Н^о = 6 %; О^о = 43 %, N^о = 0,43 %; S^о = 0 %; зольность сухой массы такой древесины А^d = 1…2 %; содержание влаги у растущего дерева W ^r = 45…65 %, а при хранении на воздухе древесины в течение 1,5…2 лет ее влажность снижается до 18…20 %.

Так как состав органической массы древесины достаточно стабилен для разных пород (а величина зольности мала), на теплоту сгорания ее существенное влияние оказывает содержание влаги. При достаточно стабильной органической части ее теплота сгорания составляет 18,4 МДж/кг. Из этих соображений профессором К.В. Киршем предложена для определения теплоты сгорания рабочей массы формула

Q^r_i = 18,4 – 0,209W^r, МДж/кг.

В целом, для древесной биомассы показательны следующие энергетические характеристики, оказывающие существенное влияние на ее поведение в технологическом цикле при производстве тепловой и электрической энергии.

1. Состав органической массы достаточно стабилен и составляет на сухую массу: содержание углерода С^d = 45…53 %, водорода Н^d = 5…6 %, кислорода О^d = 37…45 %, азота N^d = 0,3…1,2 %.

2. Теплота сгорания, в зависимости, главным образом, от влажности колеблется в пределах 7…15 МДж/кг. При среднем составе на горючую массу: С^daf = 50 %; Н^daf = 6 %; О^daf = 43 %; N^daf = 1 % и при влажности W ^r = 42 % величина Q^r_i = 2440 ккал/кг.

3. Высокая реакционная способность, определяемая величиной выхода летучих, составляет V^daf = 80…90 % на горючую массу.

4. Высокая склонность к самовозгоранию, определяется величиной критерия взрываемости К_т ≥ 8.

5. Колебания влажности, в широком диапазоне, в зависимости от способа получения биомассы и условий ее хранения – от 8 до 60 % (в среднем 20…60 % ) и в отдельных случаях до 80 %.

6. Высокая шлакуемость определяется спецификой минеральной части:

–                    высокое содержание щелочи, в основном в виде К₂О (в среднем 8…10 % ), в отдельных случаях до 25 %; при этом, хотя содержание Na₂О в среднем составляет 0,3…2,2 %, для отдельных видов отходов мебельного производства Na₂О может достигать 7…13 %;

–                    достаточно высокое содержание Fe₂O₃ (7…10 % ), а для отдельных отходов мебельного производства величина Fe₂O₃ может достигать 22 %;

–                    хотя содержание оксида кальция умеренно ( в среднем СаО = 12…15 % ), для отдельных отходов мебельного производства и деревянной тары содержание СаО + МgО может достигать 30…37 %;

–                    при низком, в среднем содержание хлора (< 0,04 % ), для отдельных отходов мебельного производства достигает 1,2 %;

–                    низкие температуры плавкости золы как в восстановительной, так и окислительной среде (температура t_сдостигает 1180…1200 °С);

–                    очень «короткие» шлаки (разность между температурами t_a и t_c достигает всего 30…40 °С: t_a = 1150 °С величина t_c = 1180 °С).

7. Плотность древесной массы в 3…5 раз ниже плотности угля –(300…500 кг/м³) по сравнению с 1400 кг/м³ для угля.

8. Волокнистая структура материала, что вызывает определенные трудности при движении его по тракту (бункера, течки, питатели-дозаторы и др.).

9. Широкий диапазон изменения гранулометрического состава исходной древесной биомассы (опилки –до 8 мм; щепа- до 100 мм; кругляк, после расщепления, 5…35 мм и др.).

10. Весьма благоприятные экологические характеристики:

–                     низкая зольность (на сухую массу- в среднем 2 % ) – от 1,6 до 5,0 % (отдельные значения достигают 6 % );

–                     низкое содержание серы (от полного отсутствия до 0,1 в среднем), достигая максимум 0,18 % на сухую массу;

–                     ограниченное содержание азота – в среднем 0,25…1,0 %, достигая для отдельных видов отходов до 2…3 % на сухую массу;

–                     способность не увеличивать в атмосфере содержание парникового углекислого газа от сжигания древесной биомассы.

Рассматривая возможные варианты энергетического использования древесной массы, следует иметь в виду, что по своим энергетическим характеристикам (несмотря на имеющиеся специфические особенности, которые необходимо учитывать при выборе технических решений по энергетическому использованию) наиболее близкими энергетическими топливами, уже освоенными для эффективного использования, являются лигниты, торф (фрезерный), землистые бурые (окисленные) угли и бурые угли марки Б1 (W ^r ≥ 40 % ).

Особенно это относится к фрезерному торфу. у которого основная масса имеет размер менее 3 мм (85 % всей массы). Содержание летучих в нем V ^daf = 70 %, влажность колеблется в пределах 48…52 % (достигает 60 % ); зольность на сухую массу A^d = 7…14 %; среднее содержание элементов (на горючую массу: С^daf = 57,8 %; Н^daf = 6 %; S^daf = 0,3 %; N^daf = 2,5 % О^daf = 33,4; невысокую величину составляют температуры плавкости золы в полувосстановительной среде – температура начала деформации t_А = 1070 °С; температура размягчения t_в = 1150 °С; температура низкоплавкого состояния t_с = 1200 °С. Достаточно велика засоренность фрезерного торфа корнями, малоразложившимся торфом, кусками пней и дров (10 и более % ) с размерами от 25 до 70 мм. Рабочая, теплотворная способность торфа зависит в основном от влажности (как и древесной биомассы) и может подсчитываться из выражения Q^r_i ≈ 4800 – 54W^r, ккал/кг.