Исследование физических показателей пеллет из неликвидной древесины

В рамках экологической политики РФ в области энергетики предусматривается снижение негативного воздействия топливно-энергетического комплекса на окружающую среду и реализация комплексного подхода к использованию природных ресурсов. Производство древесных пеллет с добавлением других видов биомассы снижает нагрузку на лесную отрасль, ослабляет конкуренцию между пеллетными и плитными производствами, улучшает экологический баланс. Одним из перспективных направлений создания и развития новых технологий производства тепловой энергии является применение топливных пеллет из неликвидной древесины. При сжигании пеллет высвобождается такое количество углекислого газа (CO 2 ), которое было накоплено древесиной во время роста.

Теплофизические свойства пеллет и методика их оценки рассмотрены в [1]. Особенностям процесса изготовления пеллет в зависимости от породы древесины, ее физических параметров, обеспечивающих устойчивость к разрушению при транспортировке (степень истирания); объема, – 752 – занимаемого при хранении (плотности насыпного слоя); качества, теплотворности, плотности и целостности (влажности); образования отложений и засорения оборудования (зольности) [2, 3, 4], а также параметров самого процесса прессования [5–9] посвящены работы как отечественных, так и зарубежных ученых.

Однако все исследования касались пеллет из деловой древесины.

Изготовление пеллет из неликвидной древесины с добавлением технического лигнина:

• –    приведет к повышению эффективности теплофизических параметров горения;

• –    позволит использовать для производства пеллет пораженную гнилью древесину;

• –    позволит решить проблему нерационального потребления лесных ресурсов за счет переработки неликвидной древесины и использования ее в энергетических целях.

В первую очередь это касается древесины, пораженной коррозионным типом гнили, химические и физические параметры которой хорошо изучены [10]. По данным центра защиты леса Республики Марий Эл, на конец 2024 года только корневой губкой были ослаблены сосновые насаждения на площади 3672,4 га. Недостаток лигнина в такой древесине может быть восполнен путем добавления технического лигнина, который является отходом целлюлозно-бумажных производств (сегодня по разным оценкам его накоплено от 100 до 200 млн т).

Развитие данного направления использования древесины сдерживается тем, что в настоящее время не разработаны технологические решения по производству качественного древесного топлива (пеллет) с использованием пораженного гнилью древесного сырья.

Обзор литературы показал, что до настоящего времени неликвидная древесина при производстве пеллет фактически не используется, что делает исследуемый вопрос актуальным, имеющим как практическую, так и научную значимость.

Целью работы является анализ физических параметров топливных пеллет из неликвидной древесины, таких как теплота сгорания, степень истирания, плотность насыпного слоя, влажность и зольность.

Для выполнения поставленной цели было необходимо решить ряд задач:

• 1)    провести эксперименты по определению физических параметров каждого вида пеллет;

• 2)    проверить выполнение условия минимального количества опытов, обеспечивающего заданную точность результатов измерений;

• 3)    выявить рациональный технологический режим производства пеллет из неликвидной древесины.

Методика исследований

Приготовление образцов

Устройство для производства пеллет из неликвидной древесины представлено на рис. 1 [11].

Объем добавляемого в сырье лигнина зависит от степени поражения древесины гнилью, которая определяется ЯМР-анализатором «Spin Track». Он установлен в шлюзе 12. ЯМР-анализатор передает дaнные о качестве исходного сырья на ПК в онлайн-режиме. Графики зависимостей стадии повреждения неликвидной древесины гнилью от относительной доли твердого компонента a s и относительной доли воды a l в образце представлены на рис. 2 [12].

Зависимости описываются с помощью регрессионных уравнений и представляют собой полином третьей степени.

Рис. 1. Устройство для производства пеллет: 1 – корпус; 2 – бункер смешения сырья; 3 – мешалки; 4 – вертикальный шнек; 5 – электродвигатель; 6, 7 – линии подачи древесного сырья и лигнинa; 8, 9 – шнеки; 10, 11 – электродвигатели; 12, 13 – шлюзы для подaчи древесного сырья и лигнина соответственно; 14 – вал; 15 – рубительные ножи; 16 – неподвижные диски; 17 – калибровочные отверстия; 18, 20 – дозатор; 19 – сушильнaя камера; 21 – пресс-гранулятор; 22 – сопло

Fig. 1. Pellet production device: 1 – housing; 2 – hopper for mixing raw materials; 3 – agitators; 4 – vertical screw; 5 – electric motor; 6, 7 – feed lines for wood raw materials and lignin; 8, 9 – augers; 10, 11 – electric motors; 12, 13 – sluices for feeding wood raw materials and lignin, respectively; 14 – shaft; 15 – chopping knives; 16 – fixed discs; 17 – calibration holes; 18, – dispenser; 19 – drying chamber; 21 – press granulator; 22 – nozzle

Рис. 2. Зависимости стадии повреждения неликвидной древесины гнилью от относительной доли твердого компонента as и относительной доли воды al в образце

Fig. 2. The presence of the stage of damage to illiquid wood by rot from the relative proportion of the solid component, as well as the relative proportion of water in the sample

Методика проведения исследований

Для исследования параметров пеллет из неликвидной древесины в качестве сырья были определены произрастающие на территории Республики Марий Эл сосна, ель, береза. Образцы отбирались в учебно-опытном лесхозе (филиале) ФГБОУ ВО «ПГТУ».

«В ходе проведенных экспериментов исследовались образцы пеллет из неликвидной древесины диаметром 6 мм и длиной 40 мм с различным процентным содержанием лигнина 20, 30, 40, 50, 60 %. Температура прессования составляла 85, 90 и 95 °C. Давление прессования составляло 300 бар, а время – 0,4 сек» [13].

Определение параметров пеллет проводилось по стандартным методикам для твердого биотоплива. Проверка однородности дисперсии параллельных опытов для подтверждения нормального закона распределения ошибок отдельных опытов проведена с помощью критерия Кохрена (G-критерий). Выполнение условия минимального количества опытов, обеспечивающего заданную точность результатов измерений, проверено с помощью критерия Стьюдента по методике В. И. Романовского [14].

Результаты и обсуждения

В ходе экспериментальных исследований получены графики зависимостей энергии (теплоты) сгорания (рис. 3), зольности (рис. 4), влажности (рис. 5), плотности насыпного слоя (рис. 6) и степени истирания (рис. 7) пеллет из неликвидной древесины в зависимости от процентного содержания лигнина в исходном сырье и температуры прессования. Зависимости описываются с помощью регрессионных уравнений и представляют собой полином третьей степени.

С целью подтверждения нормального закона распределения ошибок отдельных опытов была проведена проверка однородности дисперсии параллельных опытов с помощью критерия Кохрена (G-критерий) в программе MathCAD (табл. 1). Это обеспечило корректность регрессионного анализа экспериментальных данных и возможность расчета коэффициентов регрессии.

Рис. 3. Изменение энергии (теплоты) сгорания

Fig. 3 Change in the energy (heat) of combustion

3: у = 2Е-05х3 - 0,0019х2 + 0,0798х + 1,33

• 1:    у = 2Е-05х³ - 0,0019х² + 0,0681х + 1,645

2: у = 2Е-05х3 - 0,0018х2 + 0,071х + 1,5

Количество лигнина, %

Рис. 4. Изменение зольности

Fig. 4. Change in ash content

1:у= -1Е-14х + 9,7

• 2:    у = -7Е-18х³ + 4Е-16х² - 2Е-14х + 9,4

• 3:    у = 7Е-18х³ - 9Е-16х² + ЗЕ-14х + 9,2

Рис. 5. Изменение влажности

Fig. 5. Humidity change

Таблица 1. Критерий Кохрена

Table 1. The Kohren criterion

№ опыта	G j в	G j з	G j н	G j и	G j т
1	0,29·10–4	0,29·10–5	0,32	0,24	0,32
2	0,24·10–4	0,23·10–5	0,3	0,32	0,4
3	0,29·10–4	0,29·10–5	0,28	0,22	0,28
4	0,27·10–4	0,35·10–5	0,27	0,39	0,22
5	0,24·10–4	0,2	0,31	0,22	0,27

1: у = 0,0002х3 + 0,0017х2 + 0,Зх + 875

^ 950

2: у = -0,0015х3 + 0,2067х2 - 6,2833х + 859

3: у = 0,0005х3 - 0,0367х2 + 2,3833х + 712

^^t=85 град -^t=90 град   ^*—1=95 град

20                             40                             60

Количество лигнина, %

Рис. 6. Изменение плотности насыпного слоя

• Fig. 6.    Changing the density of the bulk layer

  1:у = -0,0002х³

  2: у = -0,0003х³

  3:у = -0,0002х³

  0,0172х² - 0,б617х + 19,2

  0,0383х² - 1,4375х + 26,35

  0,0257х² - 1,0817х + 21,5

  

  Рис. 7. Изменение степени истирания

  
  

• Fig. 7.    Changing the degree of abrasion

Выполнение условия минимального количества опытов, которое обеспечивает заданную точность результатов измерений, проверим с помощью критерия Стьюдента (табл. 2).

Критическое значение критерия Кохрена G_T = 0,4075. Поскольку G <  G_T , то делаем вывод об однородности дисперсии. Следовательно, подтверждается гипотеза о нормальном законе распределения ошибок отдельных опытов и возможно применить регрессионный анализ (табл. 3).

Значимость коэффициентов регрессии проверим с помощью t -критерия Стьюдента (табл. 4).

Таблица 2. Максимальное среднеквадратическое отклонение

Table 2. Maximum standard deviation

№ опыта	S j в max = S j в	S j з max = S j з	S j н max = S j н	S j и max = S j и	S j т max = S j т
1	0,021	0,012	21,007	0,673	0,066
2	0,025	0,009	29,389	0,8	0,036
3	0,03	0,012	21,035	0,417	0,036
4	0,024	0,015	21,112	0,882	0,033
5	0,022	0,036	15,274	0,424	0,034

Таблица 3. Ошибка всего эксперимента

Table 3. The error of the whole experiment

№ опыта	S j в	S j з	S j н	S j и	S j т
1	0,0034	0,002	3,296	0,122	0,0079
2	0,0045	0,0016	4,774	0,126	0,0033
3	0,005	0,002	3,586	0,077	0,0053
4	0,004	0,0023	3,635	0,11	0,006
5	0,004	0,0062	2,453	0,077	0,0054

Таблица 4. Ошибки коэффициентов в уравнении регрессии

Table 4. Coefficient errors in the regression equation

№ опыта	S b в	S b з	S b н	S b и	S b т
1	0,000136	0,00008	0,13184	0,00488	0,000316
2	0,00018	0,000064	0,19096	0,00504	0,000132
3	0,0002	0,00008	0,14344	0,00308	0,000212
4	0,00016	0,000092	0,1454	0,0044	0,00024
5	0,00016	0,000248	0,09812	0,00308	0,000216

Заключение

В статье изложены основные результаты исследования физических параметров топливных пеллет из неликвидной древесины, таких как теплота сгорания, влажность, степень истирания, плотность насыпного слоя и зольность в зависимости от процентного содержания лигнина в исходном сырье и температуры прессования.

В ходе экспериментальных исследований был выявлен рациональный технологический режим производства топливных пеллет из неликвидной древесины, которые будут соответствовать существующим стандартам к качеству гранул: содержание лигнина в исходном сырье должно быть не менее 20 %; температура прессования составляет 95 °C; влажность сырья – 10 %; время прессования – 0,4 с; давление прессования – 300 бар.

По полученным данным можно сделать следующие выводы.

• 1.    Энергия (теплота), получаемая при сгорании, является одним из важных параметров, определяющих качество пеллет. Чем больше этот показатель, тем качественнее и дороже продукт. В полученных пеллетах из неликвидной древесины она составляет 20,874 МДж/кг.

• 2.    Зольность пеллет указывает на содержание в них минеральных веществ и различных примесей. Высокий показатель зольности снижает эффективность сгорания пеллет, приводит к образованию отложений в топке котла, увеличивает частоту чистки и обслуживания оборудования. Зольность пеллет из неликвидной древесины – 2,421 %.

• 3.    Увеличение влажности исходного сырья выше 8–10 % негативно влияет на плотность, степень истирания и зольность пеллет. Однако при влажности менее 8 % после процесса гранулирования пеллеты не сохраняют свою форму и крошатся. Влажность пеллет из неликвидной древесины – 9,0 %.

• 4.    Увеличение плотности пеллет с сохранением их длины и диаметра приводит к росту плотности насыпного слоя, что позволяет более эффективно перевозить гранулы за счет увеличения заполняемости транспортного средства. Плотность насыпного слоя пеллет из неликвидной древесины составила 721 кг/м³.

• 5.    Увеличение степени истирания пеллет приводит к уменьшению их механической прочности. Механическая прочность важна при хранении и транспортировке пеллет. Из-за высокого давления, которое испытывают нижние слои, пеллеты крошатся и образуют пылевидную фракцию. Это ухудшает внешний вид пеллет и снижает их энергоэффективность как топлива. Степень истирания пеллет из неликвидной древесины равна 12,86 %.

С помощью расчетов было установлено, что количество проведенных опытов обеспечивает заданную точность результатов измерений.