2
Аналитический обзор и патентная
проработка
2.1 Аналитический обзор
Под древесным топливом понимается биотопливо, производимое из малоценной и низкокачественной древесины, а также отходов древесного сырья, образующихся в процессе его выращивания, заготовки и переработки [2].
Преимущества древесной биомассы как источника энергетического сырья:
– возобновляемость;
– повышение энергобезопасности, экономия валютных средств, снижение зависимости от импорта;
– утилизация для получения биомассы отходов лесного комплекса (сучья, тонкомерное дерево, горбыли и т. п.), так и вторичное древесное сырье (старая мебель, бумага, черный щелок и др.)
– экологически чистый источник;
– не создает парниковый эффект (при сгорании выделяет такое же количество СО2, которое поглощают растения в процессе фотосинтеза);
– формируются предпосылки для развития новых направлений соответственно лесного машиностроения, научно-исследовательских и отраслевых конструкторских разработок.
Классификация древесного топлива. По признаку первоначального происхождения древесное топливо подлежит разделению на два вида – первичное и вторичное. Первичное топливо подразделяется на топливо из спелого древостоя, из приспевающей и молодой древесины, а также топливо из частично переработанной древесины. Вторичное древесное топливо производится в целях утилизации ранее использованной деловой древесины в энергетических целях. Необлагороженная форма топлива состоит, как правило, из древесных отходов основного производства (сучья, ветви, кора и т. п.), целенаправленно заготовленной топливной древесины (дровяная древесина, пни, корни и др.), а также частично переработанного топливного сырья для обеспечения удобства транспортировки и утилизации (пилено-колотые дрова, дробленка, щепа и т. п.).
Облагороженное топливо – специально произведенные из необлагороженного топлива продукты: брикеты (или цилиндры), гранулы и древесный порошок т. е. топлива с гораздо более высокими потребительскими свойствами, используемые на тепловых электростанциях, в черной и цветной металлургии или в бытовых печах.
Схема классификации наиболее широко распространенных видов древесного топлива по главным определяющим признакам приведена на рисунке 2.1 [2, с. 58].
Рисунок 2.1 – Классификация древесного топлива
Свойства древесной биомассы оказывают существенное влияние на конструкцию топочных устройств, в которых осуществляется ее сжигание. Кроме того, они в значительной мере определяют эффективность работы паровых и водогрейных котлоагрегатов, а также энергетических установок, работающих на древесном топливе.
Физико-химические и теплофизические показатели древесного топлива.
Одним из основных показателей, влияющих
на качество топлива, является влажность
– количественный показатель содержания
влаги в древесном топливе. В теплотехнических
расчетах принято использовать
относительную (рабочую) влажность
– отношение массы влаги, содержащейся
в древесине, к массе влажной древесины
Помимо относительной, различают
абсолютную влажность
– отношение массы влаги, содержащейся
в древесине, к массе сухой древесины
где m – масса влажной древесины, г;
– масса абсолютно сухой древесины
(высушенной до постоянной массы при
температуре (103 ± 2)°С, г.
Пересчет абсолютной влажности в относительную и наоборот осуществляется по формулам
Древесина гигроскопична, то есть способна поглощать и удерживать в себе влагу из воздуха. Связанная влага находится внутри стенок клеток и удерживается физико-химическими связями, удаление этой влаги требует дополнительных затрат энергии и отражается на большинстве свойств древесинного вещества. Максимальное количество такой влаги (связанной воды) в древесине может составлять 30% массы сухой древесины ( = 30%) и называется пределом гигроскопичности древесины. Плотность топливной щепы при снижении влажности выше предела гигроскопичности снижается примерно в 2 раза интенсивнее, чем при дальнейшем снижении влажности ниже предела гигроскопичости. Кроме того, в растущей древесине и древесине, долгое время находящейся в воде, содержится свободная влага в полостях клеток и в межклеточных пространствах. Свободная влага значительно легче удаляется, поскольку удерживается только механическими связями и оказывает меньшее влияние на механические свойства древесины.
Зольность является важной характеристикой топливной древесины. Зольность – это содержание в топливе минеральных веществ, остающихся после полного сгорания всей горючей массы. Разделяют внутреннюю и внешнюю зольность. Внутреннюю зольность составляют минеральные компоненты, содержащиеся в составе биомассы растущего дерева, внешнюю – минеральные примеси, попавшие в древесную биомассу в процессе ее заготовки и переработки. Внутренняя зола является тугоплавкой с температурой плавления выше 1450°С и сильно не осложняет энергетическое использование древесины.
Внешние минеральные включения у отходов лесозаготовок могут достигать 20%. Внешние минеральные включения, как правило, являются легкоплавкими, усложняют эксплуатацию топочных устройств и даже снижают их эффективность. Поэтому технология заготовки, транспортировки и хранения древесины энергетического назначения должна обеспечивать минимальное попадание минеральных включений в древесную биомассу.
Удельная теплота сгорания древесной биомассы – важнейшая теплотехническая характеристика, определяющая целесообразность использования ее в качестве топлива. Особенностью стволовой древесины является то, что ее горючая масса имеет стабильный состав, практически не зависящий от породы древесины.
Теплотворная способность – это количество энергии, полученной на единицу массы или объема древесного топлива при полном его сгорании, называется теплотой сгорания. Существуют различные значения теплоты сгорания: высшая теплота сгорания, низшая теплота сгорания и фактическое значение теплоты сгорания.
Теплота сгорания топлива определяется в тепловых агрегатах, в процессе полного сгорания точно определенного количества древесного топлива при постоянном давлении и при конденсации исходного содержания влаги в древесине и водяного пара, который образуется в процессе сгорания топлива (около 0,5 кг воды на 1,0 кг сухого вещества). Низшая теплота сгорания определяется по количеству тепла, выделяемого при полном сгорании точно определенного количества древесного топлива за вычетом тепла на парообразование (около 0,5 кг воды на 1,0 кг сухого вещества). Это означает, что данный параметр не учитывает тепло, затрачиваемое на парообразование, необходимое для конденсации пара в топочном газе. По данному показателю различные части древесной биомассы незначительно отличаются друг от друга, что показано в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Средние значения низшей теплоты сгорания основных видов биомасс
Вид биомассы |
Низшая теплота сгорания абсолютно сухого вещества, ГДж/т |
Древесина без примесей |
19,5 |
Топливная щепа |
19,2 |
Кора |
18,0 |
Пеллеты |
19,0 |
На рисунке 2.2 приведен график зависимости низшей теплотворной способности (ГДж/т) от содержания влаги (%) в общем весе.
Рисунок 2.2 – Зависимость низшей теплотворной способности щепы от содержания влаги в общем весе щепы
Как видно из данного рисунка, с уменьшением влаги в древесине растет ее низшая теплотворная способность.
Оборудование для сжигания древесного топлива. Технологии энергетического использования древесины имеют разную степень распространенности, освоенности и эффективности.
Можно выделить следующие основные технологии сжигания древесины [2, с. 65]:
1. Прямое сжигание древесного топлива:
– сжигание древесины в топках паровых или водогрейных котлов производственно-отопительных котельных;
– сжигание древесины в топках паровых котлов промышленных тепловых электростанций, с конденсационными турбинами, турбинами с противодавлением или с регулируемыми отборами.
2. Производство из древесины генераторного газа:
– выработка из древесины генераторного газа и использование его в качестве топлива в паровых или водогрейных котлах;
– выработка из древесины генераторного газа и использование его в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания, приводящего в движение электрический генератор.
3. Производство жидкого топлива из древесины:
– выработка из древесины метилового спирта и использование его в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания;
– выработка из древесины этилового спирта и использование его в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания.
4. Производство из древесины твердого топлива с улучшенными потребительскими свойствами (древесный уголь, топливные гранулы (пеллеты) и брикеты):
– выработка из древесины древесного угля как товарной продукции – топлива с гораздо более высокими потребительскими свойствами и использование его на тепловых электростанциях, удаленных от места лесозаготовок;
– выработка древесных топливных гранул (пеллет) из древесины.
Самым распространенным в мире направлением использования древесины в качестве источника энергии является ее прямое сжигание в топках паровых и водогрейных котлов.