Торрефицирование твердых видов биотоплива из древесины и лузги подсолнечника

УДК 62-662.3

А. Х. Шаяхметова, Р. Р. Сафин, А. Л. Тимербаева, Р. Р. Зиатдинов

ТОРРЕФИЦИРОВАНИЕ ТВЕРДЫХ ВИДОВ БИОТОПЛИВА ИЗ ДРЕВЕСИНЫ

И ЛУЗГИ ПОДСОЛНЕЧНИКА

Ключевые слова: древесина, топливные гранулы, торрефикация, лузга подсолнечника, энергоэффективность.

В статье проведен сопоставительный анализ трех видов твердых биотоплив из отходов различных производств: пеллеты из лузги подсолнечника - из отходов маслоэкстракционного производства, древесные пеллле-ты - из отходов деревообрабатывающей промышленности, а также топливные гранулы на основе термически модифицированного сырья - как возможный вариант увеличения теплотворных характеристик биотоплива. Представлены результаты исследований по горению данных видов топлив, их теплотворной способности. Установлено, что топливные гранулы из лузги подсолнечника по своим качествам не уступают древесным гранулам: при более низкой стоимости сырья горение их в топке котла не менее эффективно. Благодаря этому гранулы из лузги подсолнечника обладают высокой конкурентоспособностью по сравнению с аналогами и могут быть широко использованы.

Keywords: wood, fuel pellets, torrefaction, sunflower husks, energy efficiency.

The article presents the comparative analysis of three types of solid biofuels from various wastes: pellets from sunflower husks made from waste production; wood pellets made from waste wood and pellets on the basis of thermally modified raw materials - as a way to increase calorific characteristics of biofuel. The chemical composition of these types of fuels has been analyzed. The results of studies on the combustion of the fuels and their calorific value are presented. The author suggests that the fuel pellets from sunflower husks on quality are not inferior to wood pellets: at a lower cost of raw material combustion in the boiler furnace is not less effective. Due to this fact, pellets from sunflower husks have high competitiveness in comparison with the analogues and can be widely used.

Введение

Одной из основных проблем современного мира является поиск и нахождение возобновляемых энергетических и сырьевых ресурсов, которые могли бы составить достойную конкуренцию нефти и природному газу. Необходимость разумного подхода к отоплению и снижению энергетических затрат обусловлена рядом экономических причин. Во-первых, рост потребления энергии и сокращение природных ресурсов в мировом масштабе приводят к постоянному росту цен. Во-вторых, большую долю расходов на содержание объектов составляют именно затраты на отопление — до 70%. В-третьих, до 80% общих расходов на содержание отопительной системы за весь срок ее службы составляют расходы на энергоносители. Поэтому энергоэффективность систем отопления очень важна.

Наиболее распространенным генератором тепла, который входит в состав любой системы отопления является отопительный котёл. В зависимости от типа используемых ресурсов различаются котлы газовые, твердо- и жидкотопливные. Газовый — технологичный и комфортный в использовании, но зачастую к объектам застройки, расположенным в пригороде, невозможно подвести газ в количестве, необходимом для полноценного отопления. В этом случае применяют твердотопливный котел, который обеспечивает комфортное и доступное отопление. Но он в свою очередь также имеет недостаток — необходимость регулярной загрузки топлива. Поэтому на сегодняшний день создаются альтернативные способы отопления твёрдым биотопливом, наиболее эффективным из которых является гранулирование. Где в качестве сырья в основном выступают отходы деревообрабатывающих (древесные

опилки), сельскохозяйственных (солома) и пищевых (лузга подсолнечника) производств. Конечная влажность такого продукта составляет всего 8-12%, а исходный материал уплотняется в 5-10 раз. Гранулированное биотопливо обладает также рядом других преимуществ, среди которых следует отметить постоянство качественных характеристик, удобство хранения, возможность использования в отопительных системах с автоматической подачей топлива. При этом наиболее распространённым являются древесные гранулы [1-4]. Однако, древесное сырье по сравнению с отходами пищевых производств является более востребованной и в тоже время дорогой продукцией, поскольку используется в смежных производствах, например при изготовлении древес-но-наполненных композитов [5-7]. Поэтому, актуальными являются исследования, направленные на изучение топливного сырья из других видов отходов. В частности, лузга подсолнечника, образующаяся в больших количествах на маслоэкстракци-онных заводах, требует дорогостоящей утилизации [8-10].

Однако наряду с преимуществами, гранулированное топливо обладает серьезными недостатками, обусловленными, в основном, проблемами логистики и достаточно высокими требованиями к условиям хранения. Высокая гигроскопичность, разбухание под действием влаги и низкая стойкость биомассы к гниению требует соблюдения жестких условий хранения и транспортировки гранул.

В этой связи в последние годы в области предотвращения снижения качественных показателей древесных гранул в процессе хранения многими исследователями видится необходимость проведения процесса предварительной торрефикации сырья - термической обработки без доступа кислорода

воздуха [11-19] с последующим получением, так называемого, биоугля или торрефиката. Данные исследования получили широкое распространение относительно древесного сырья. Применительно к другим видам биологического сырья данных исследований не проводилось.

Методы и материалы

В связи с вышеизложенным, были проведены сравнительные экспериментальные исследования топливных гранул из классического и торрефициро-ванного при различной температуре сырья древесины и лузги подсолнечника на гигроскопичность, разбухание, эффективность поддержания пламени и теплоту сгорания.

При подготовке топливных гранул древесное сырьё влажностью 8% и лузга подсолнечника влажностью 12% предварительно измельчались до 2-4 мм. Для изготовления торрефиката сырье подвергалась предварительной термической обработке без доступа кислорода воздуха (в среде азота) при температурах 473, 523 и 573 К в лабораторной установке барабанного типа. Продолжительность обработки обусловливалась достижением постоянной массы насыпки, которая определялась путем взвешивания одного и того же насыпного объема. Масса считалась постоянной, если в трех последовательных замерах изменение массы насыпки было не более 5%. Далее термически обработанная древесная

Таблица 1- Сравнительные характеристики пеллет

стружка и лузга выдерживались в комнатных условиях до достижения равновесной влажности. Гранулирование осуществлялось на лабораторном грану-ляторе КЛ600.

Для определения влагопоглощения топливных гранул был использован стандартизованный метод, который проводят в эксикаторе с насыщенным раствором соды (Ыа2С03 • 10Н20). Выдержку пеллет осуществляли в течении 30 суток в воздушной среде со степенью насыщенности 0,75. Одновременно с определением текущей влажности образцов производили замер их основных размеров для исследования процесса разбухания. Влажность образцов была определена весовым методом путем замера текущей массы с последующей досушкой до абсолютно сухого состояния при температуре 105°С.

В таблице 1 приведены некоторые параметры топливных гранул из классического и торрефи-цированного при различной температуре сырья древесины и лузги подсолнечника.

Параметры эффективности процесса горения топливных гранул определялись с помощью калориметра 1КАС 5003 и экспериментального стенда для проведения огневых испытаний, состоящего из вертикальной керамической трубы, внутри которой смонтированы газовая горелка, измерительные приборы, и при проведении опытов устанавливается исследуемый образец.

Тип топлива. Параметры Топливная гранула из древесных опилок Топливная гранула из лузги подсолнечника Топливная гранула из термически модифицированных древесных опилок Топливная гранула из термически модифицированной лузги подсолнечника

Гемицеллюлоза 30,4 22,2 28,9 34,6

Целлю-лоза 26,8 25,6 50,7 48,4

Лигнин 42,9 52,3 20,4 17

Результаты и дискуссии

Результаты экспериментальных исследований по влагопоглощению и разбуханию образцов представлены как кинетические зависимости влажности (рис. 1) и относительного объема топливных гранул в процессе их выдержки во влажных условиях (рис. 2). Как видно из графиков, с ростом температуры обработки гигроскопичность и, как следствие, разбухание образцов топливных гранул существенно снижается, что не только значительно упрощает требования к условиям хранения и транспортировки торрефиката, но и сохраняет его энергетическую ценность. При этом следует отметить идентичность поведения гранул из древесины и лузги подсолнечника.

Рис. 1- Кинетика влажности топливных гранул, созданных из древесного сырья с разной степенью термообработки

Анализ полученных значений характеризует существенное возрастание массовой теплоты сгорания топливных гранул с ростом температуры торре-фикации. Однако в случае приведения выделяющейся теплоты к объемным показателям стройность картины нарушается: существенное снижение плотности торрефиката с ростом степени термообработки древесного сырья в значительной степени компенсирует увеличение массовой теплоты сгорания, что, в конечном счете, не только не дает желаемой эффективности применительно к вопросам логистики, но и не позволяет существенно повысить тепловую эффективность работающего котла.

Для того, чтобы утверждать, какой вид топлива обладает высокой конкурентоспособностью благодаря вышеперечисленным качествам, были проведены исследования на определе их теплофизических свойств (табл.2). Образцы биомассы топлива из классического древесного сырья и из лузги подсолнечника, используемые в данном исследовании были сопоставлены с биомассой этих же видов топлива, подвергшихся термическому модифицированию.

Топливная гранула из древесных опилок Топливная гранула из лузги подсолнечника Топливная гранула на основе термически модифицированного сырья Топливная гранула из термически модфици-рованной лузги подсолнечника

Высшая теплота сгорания, Дж/г 19323 19979 22536 23114

Зольность,% 24,8 10,5 25,2 13,4

Продолжительность сгорания 1 гр, с/г 37,4 32,3 32,6 27,8

По полученным результатам теплофизиче-ских свойств топливных гранул мы видим, что гранулированное топливо из лузги подсолнечника нисколько не уступает топливным гранулам из древесных опилок, а напротив, по данным высшей теплоты сгорания их превосходят. Также мы видим, что топливные гранулы из лузги подсолнечника гораздо быстрее сгорают и как следствие имеют меньший зольный остаток. Наряду с данными свойствами также наблюдается, что термическая обработка гранулированного биотоплива значительно улучшает показания их теплофизических свойств.

Вывод

На основании проведённых экспериментальных исследований было установлено, что гранулированное биотопливо имеет множество преимуществ по сравнению с традиционными видами топлива. Также мы видим, что гранулированное биотопливо из лузги подсолнечника сопоставимо с топливными гранулами из древесного сырья, оно эргономично и горение его в топке котла более эффективно Помимо этого, топливные гранулы из лузги подсолнечника являются более экономичным

Рис. 2 - Кинетика относительного объема топливных гранул, созданных из древесного сырья с разной степенью термообработки

Таблица 2 - Теплофизические свойства пеллет

способом отопления, так как данное сырье не нашло других путей применения, в то время как древесное сырье активно используется в различных композиционных материалах. Благодаря вышеперечисленным качествам, гранулы из лузги подсолнечника обладают высокой конкурентоспособностью по сравнению с распространенными видами гранулированного топлива и могут быть широко использованы.

Литература

1. T. Demirbas, C. Demirbas, Fuel Properties of Wood Species, Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 1464-1472 (2009).

2. Е.Ю. Разумов, Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Сафин, П.А. Кайнов, Е.Ю. Разумов, Исследование изменения химического состава древесины, подвергнутой термомодифицированию, с помощью ИК- спиктрометра, Вестник Казанского технологического университета, 10, 100-103 (2010).

3. Р.Р. Сафин, Е.А. Белякова, Е.Ю. Разумов, Р.Р. Сафин, Разработка новой техноллогии получения термодревесины, Вестник Казанского технологического университета, 1, 157-162 (2011).

4. Пат. RUS 2422266 (2009).

5. Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Сафин, Ф.Г. Валиев, Р.В. Данилова, Р.Р. Хасаншин, Повышение эксплуатационных характеристик композиционных материалов, созданных на основе термически модифицированной древесины, Вестник Казанского технологического университета, 15, 7, 64-66 (2012).

6. Р.Р. Хасаншин, В.А. Лашков, Р.Р. Сафин, Ф.Г. Валиев, Термическая обработка древесного наполнителя в производстве композиционных материалов, Вестник Казанского технологического университета, 20, 150-154 (2011).

7. Н.Р. Галяветдинов, Усовершенствование технологии изготовления древесно-наполненных композиционных материалов, Деревообрабатывающая промышленность, 1, 25-27 (2012).

8. А.Х. Шаяхметова, А.Л. Тимербаева, Р.В Борисова, Сравнительные характеристики пеллет из лузги подсолнечника и древесных пеллет, Вестник Казанского технологического университета, 18, 2, 243-246 (2015).

9. Demirbas A., Fuel Characteristics of Olive Husk and Walnut, Hazelnut, Sunflower, and Almond Shells, Energy Sources, 24, 3, 215-221 (2002).

10. Slusarenko V.V., Set of equipment for the production solid biofuel (pellets made of sunflower), Problemele energeticii regionale, Republic of Moldova, 1, 13, 66-70 (2010).

11. Р.Р. Сафин, Е.Ю Разумов, Исследование термомодифицирования древесины в среде топочных газов, Деревообрабатывающая промышленность,1 015-018 (2012).

12. Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Е.Ю. Разумов, Е.А. Белякова, Имитация древесины морёного дуба термомоди-

фицированием, Дизайн. Материалы. Технология, 3, 9598 (2010).

13. Р.Р. Сафин, Е.А Белякова. Усовершенствование технологии термомодифицирования древесины Вестник Казанского технологического университета, 15, 13, 134-136 (2012).

14. Р.Р. Сафин, Н.Ф. Кашапов, А.В. Канарский, Е.Ю. Разумов, Д.А. Ахметова, Разработка энергосберегающей технологии термомодифицирования древесины, Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 3, 4, 104-110 (2009).

15. Е.А. Белякова, Р.Р. Сафин, Т.А. Бодылевская, Разработка методики классификации термомодифицирован-ной древесины с помощью цветовой гаммы, Деревообрабатывающая промышленность, 1, 30-34 (2013).

16. Ш.Р. Мухаметзянов, П.А. Кайнов, П.М. Мазуркин, Выявление закономерностей термодинамики древесины, Вестник Казанского технологического университета, 16, 62, 61-63 (2013).

17. Ш.Р. Мухаметзянов, Способ обработки термомодифи-цированной древесины, Деревообрабатывающая промышленность, 2, 35-39 (2012).

18. Р.Р. Сафин, А.В. Сафина, А.Х. Шаяхметова, Исследование физико-механических свойств термомодифициро-ванной древесины березы, Вестник Казанского технологического университета, 18, 4, 213-217 (2015).

19. Р.Р. Сафин, А.В. Сафина, А.Х. Шаяхметова, Механические характеристики термодревесины березы, Деревообрабатывающая промышленность, 1, 31-36 (2015).

© А. Х. Шаяхметова - асс. каф. АрД КНИТУ, ShayaAlbina@mail.ru; Р. Р. Сафин - д.т.н., проф., зав. каф. Ард КНИТУ, cfaby@mail.ru; А. Л. Тимербаева - асп. той же кафедры; Р. Р. Зиатдинов - асп. той же кафедры.

© A. H. Shayakhmetova, assistant of the Department of "Architecture and design of wood", KNRTU, ShayaAlbina@mail.ru; R. R. Safin, Doctor of Technical Sciences, professor, Head of the Department of "Architecture and design of wood", KNRTU, cfaby@mail.ru; A. L Timerbaeva, post graduate, KNRTU; R. R. Ziatdinova, post graduate, KNRTU.