Юрий Почанин - Технологии энергетического использования биомассы

Таблица 2.3. Химический состав соломы и древесной щепы

Химический состав, весовой-% при влажности 20%

Солома

Древесная щепа

Зола

4,5

1,0

Летучие

75-81

81

Водород

Н

5,9

5,8

Углерод

С

47,5

50

Азот

N

0,3–1,5

0,3

Сера

S

0,15

0,05

Хлор

а

0,4

0,02

Кремний

Si

0,8

0

Алюминий

А1

0,005

0

Железо

Fe

0,01

0,015

Кальций

Са

0,4

0,2

Магний

Mg

0,07

0,04

Натрий

Na

0,05

0,015

Калий

К

1,0

0

Фосфор

Р

0,08

0,02

Влагосодержание, %

10 -25

50 – 60

Топливную древесную щепу часто производят из различных пород деревьев с различным соотношением стволовой древесины, коры, листвы, ветвей, почек и даже шишек, содержание которых изменяет свойства топлива.

Основными компонентами клеток древесины являются целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин, которые составляют 99 % массы древесного материала. Целлюлозу и гемицеллюлозу образуют длинные цепи углеводородов (таких как глюкоза), лигнин же является осложненным компонентом полимерных фенольных смол. Лигнин тесно связан с гемицеллюлозой, так как он действует как склеивающий агент, склеивая пучки цепей целлюлозы и растительные ткани. Таким образом, лигнин придает растению механическую прочность. Он богат углеродом и водородом, которые являются основными элементами производства теплоты. Поэтому лигнин обладает более высокой теплотворной способностью по сравнению с углеводородами. Древесина и кора также содержат так называемые экстрактивные вещества, такие как терпены, жиры и фенолы. Многие из них растворимы в органических растворителях (гексане, ацетоне, этаноле) и горячей воде. Древесина содержит относительно малое количество экстрактивных веществ по сравнению с количеством экстрактивных веществ, содержащихся в коре и листве. Приблизительно половина массы свежесрубленного дерева состоит из воды. Вторая половина представляет собой сухое древесное вещество, содержащее 85 % летучих веществ, 14,5 % твердого углерода и 0,5 % золы. В безводной древесине общее содержание углеродного компонента составляет приблизительно 50 %. При сжигании древесины составляющие ее компоненты превращаются в водяной пар (H 2O), двуокись углерода (CO 2), окислы азота (NO x), окись серы (SO 2) и золу. Древесина практически не содержит серы, максимальное содержание серы в древесине составляет 0,05 %. Различные породы деревьев имеют различное содержание азота, которое составляет в среднем 0,75 %. Например щепа, полученная из так называемой азотфиксирующей древесины таких деревьев, как ольха, содержит более чем в два раза больше азота, чем щепа, полученная из древесины хвойных пород, таких как сосна и ель. Древесная кора также содержит больше азота, чем древесный материал. Теплотворные характеристики различных типов топлива зависят от соотношения содержащихся в них элементов. Углерод и водород увеличивают теплоту сгорания, в то время как высокое содержание кислорода в древесине ее уменьшают. По сравнению с другими видами топлива древесина имеет довольно низкое содержание углерода (около 50 % сухого веса) и высокое содержание кислорода (около 40 %), и, следовательно, довольно низкую теплоту сгорания на единицу сухого веса. Сухие древесина и кора также характеризуются очень низким уровнем зольности при сгорании, так, один плотный кубический метр древесного топлива дает только 3–5 кг чистой золы. Однако на практике зола часто содержит некоторое количество песка и продуктов неполного сгорания углерода. Горючие вещества, содержащиеся в твердом топливе можно разделить на две группы: летучие вещества и такие горючие компоненты, как твердый углерод. Обычно древесина имеет высокое содержание летучих веществ и низкое содержание твердого углерода. Восемьдесят процентов энергии древесина генерирует за счет сгорания летучих веществ или газов и двадцать процентов – в результате сгорания твердого углерода (раскаленные угли). Так как из-за большого количества летучих веществ, содержащихся в древесине, при ее горении образуются высокие языки пламени, для сгорания топлива требуется значительное пространство. Древесная кора и торф имеют аналогичные характеристики горения..

Перспективным источником древесного биосырья являются быстрорастущие насаждения, прежде всего, ива, тополь (одна тонна ивовой щепы (сырой массы) дает 8,9 ГДж, то есть примерно столько, сколько и одна тонна торфяных брикетов (для сравнения, 1 тонна мазута – 38,5 ГДж).

Для определения топливных свойств древесины используются два вида анализа

Технический анализ представляет собой определение с применением предписанных методов содержания влаги (ISO 331), содержания летучих веществ (ISO 562), зольности (ISO 1171) и содержания связанного углерода (ISO 609) в топливе.

Элементарный анализ представляет собой определение с применением предписанных методов элементарного состава топлива. Количество летучих веществ определяется с применением стандартных методов.

Теплотворная способность определяется высшей теплотой сгорания (высшая теплотворная способность (ВТС) или низшей теплотой сгорания (низшая теплотворная способность (НТС). Величина низшей или высшей теплоты сгорания может определяться на единицу сухого топлива (как правило, кг или м 3) или на единицу топлива с учетом его влажности. Кроме влаги, содержащейся в топливе, влага также образуется при сгорании водорода. Уровень влажности определяет различие между высокой и низкой теплотой сгорания. При определении значения ВТС допускают, что влага конденсируется в воду, а при вычислении значения НТС предполагается, что влага находится в виде насыщенного пара. Теплотворная способность обычно выражается в МДж/кг. Значение ВТС топливной биомассы обычно составляет от 18 до 21 МДж/кг, что соответствует ВТС торфа, но значительно ниже, чем ВТС нефти.

Структурными элементами (по данным элементарного анализа) органической части древесины являются углерод (45–50 %), кислород (40–45 %), водород (4,5–6%) и азот (0,3–3.5 %). Содержание золы обычно составляет несколько процентов или доли процента (0,3 % в ели или березе без коры, 1,6 % в березовой коре и 3,4 % в еловой коре). Очевидным преимуществом древесной биомассы перед ископаемым топливом является низкое содержание в ней серы.

Процесс сжигания местных видов топлива при смешивании с воздухом состоит из нескольких этапов. На рис. 2.1. представлена диаграмма горения древесины и выделения тепла.

Рис. 2.1. Диаграмма горения топлива и выделения тепла