Физические и механические свойства пеллет из сосновых опилок и коры

УДК 636.085.6

ФИЗИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕЛЛЕТ ИЗ СОСНОВЫХ ОПИЛОК И КОРЫ

М. Рынкевич

В статье представлены результаты исследований по физико-механическим свойствам гранул, изготовленных из сосновых опилок и опилок сосны с добавлением 10% коры. Эксперимент показал, что добавление коры уменьшило среднюю длину и механическую прочность исследуемых пеллет. Тем не менее, статистический анализ не обнаружил статистически значимых различий в количестве трещин в гранулах без и с корой. Ключевые слова: биомасса, пеллеты, механическая прочность.

Использование различных материалов и комплектов рабочих машин в процессе гранулирования открывает широкий круг тем для исследований производства древесных гранул. В данный момент нет четких методов, которые помогали бы в принятии решений для оптимального осуществления процесса. Hejft [2002] Tumuluru и др. [2011] утверждают, что физико-механические свойства гранул очень важны. В частности, механическия прочность и насыпная плотность. Высокая механическая прочность препятствует рассыпке гранул при транспортировке и увеличивает продолжительность их сгорания. Чем выше насыпная плотность, тем больше энергии может быть получено из данного объема гранул.

Широкий спектр сырья, используемого в производстве, позволяет производить пеллеты с различными физико-механическими характеристиками. Соответствующий их выбор, позволяет получить конечный продукт, соответствующий требованиям, установленным Европейским стандартам для твердого биотоплива.

Filbakk и др. [2012] изучали влияние добавления коры в сосновые опилки. В ходе исследований был сделан вывод, что добавление коры в размере 10% уменьшило механическую прочность на 0,6%. Тем не менее, результаты механической прочности гранул производимых исключительно из коры были выше, чем гранул из сосновых опилок.

Tumuluru и др. [2011] изучая пеллеты для экспорта в Британскую Колумбию (Канада) в период с мая 2007 по декабрь 2008 года показали, что механическая прочность увеличилась с 97,14% до 98,20%, а длина гранул выросла с 14,77 мм до 17,36 мм.

В Польше самую большую площадь занимают сосновые леса, то есть 5461 тыс. га (59,95%) и поэтому она является наиболее доступной породой дерева для деревообрабатывающих заводов в Польше.

Цель исследования

Целью исследования является определение влияния состава гранулиро -ванного сырья (сосновых опилок и сосновых опилок с добавлением коры) на физические и механические параметры производимых пеллет. Методология исследования

Испытания проводились на древесных гранулах, которые были сделаны из сосновых опилок и опилок сосны с добавлением 10% коры. Используемые материалы были обозначены как: S - сосновые опилки,

SK - сосновые опилки - 90% и кора - 10% . Гранулы были произведены на грануляторе производительностью 4 т/ч, который был оснащен матрицой с отверстиями диаметром 6 мм и 8 мм. Полученные пеллеты были обозначены следующим образом:

S6 - гранулированные сосновые опилки (100%) в грануляторе с диаметром отверстий матрицы 6мм,

S8 - гранулированные сосновые опилки (100%) в грануляторе с диаметром отверстий матрицы 8мм,

SK6 - гранулированные сосновые опилки (90%) с добавлением молотой коры в размере 10% в грануляторе с диаметром отверстий матрицы 6мм,

SK8 - сосновых опилок гранулы (90%) с добавлением молотой коры в размере 10% в грануляторе с диаметром отверстий матрицы 8 мм. Технологическая линия по производству гранул состояла из следующих эле -ментов: контейнера с сырьём, сушилки, дробилки, мешальника, кондиционера с дозатором пара, гранулятора, радиатора и экрана.

Влажность образцов измерялась в соответствии с нормой EN 14774-3:2009 и рассчитывалась по следующей формуле:

где Mad - влажность,

m1 - масса пустой ёмкости,

m2 - масса ёмкости с образцом перед сушкой,

m3 - масса ёмкости с образцом после сушки.

Насыпная плотность гранулированных материалов и пеллет рассчиты -валась по формуле [2] согласно нормы EN 15103:2009. Тестирование проводилось с использованием ёмкости объемом 0,001 м .

V

где BDar - насыпная плотность [кг/м ], m2 - масса ёмкости с образцом [кг], m1 - масса пустой ёмкости [кг], V - объем емкости [м ].

Утрясочная плотность определялась с помощью аппарата Engelsmann. Тест состоял в помещении образца объемом 0,0005 м в емкости аппарата Engelsmann и тряске в течение 5 минут с частотой 150 Гц и амплитудой 10 мм. После тряски считывался объем образца. Утрясочная плотность была рассчитана по следующей формуле: m

td=m

v t

где TD - утрясочная плотность [кг/м3],

m - масса образца [кг],

Vt - объем после тряски [м ].

В качестве результата принято среднее арифметическое 3 последовательных опытов.

Для измерения механической прочности гранул был использован механи -ческий тестер ZU-05, чья конструкция и принцип действия соответствуют евро -пейским стандартам EN 15210-1:2009. Из общей пробы хвойных древесных гранул весом около 3 кг на сите с отверстиями диаметром 3,15 мм были отсеяны раздробленные части. Затем из гранул, оставшихся на сите, приготовлено три образца по 500 г каждый. Образцы были помещены в камеры, которые цен -трифугировали в течение 10 мин. со скоростью 50 об / мин. После остановки образцы просеивались на сите с отверстиями 3,15 мм, а остатки на сите были взвешены. Расчет механической прочности гранул был произведен по следую -щей формуле [4] согласно нормы EN 15210:2009:

D^=m-1G

m

где Du - механическая прочность гранул [%],

mE - масса лабораторной пробы гранул - 500 г,

mA - масса гранул оставшихся на сите после исследования механической прочности [г].

Измерения диаметра и длины гранул были проведены в соответствии с EN 16127:2012. Измерены 10 случайно выбранных образцов гранул весом 100 г. Также было определено количество гранул с продольными, поперечными и смешанными (продольными и поперечными) трещинами. Исследование заклю -чалось в случайном выборе 100 гранул из лабораторной пробы 500 г. Затем из этой группы были выбраны гранулы с видимыми трещинами и разделены на три группы, в зависимости от типа трещин. На основе количества поврежден -ных гранул определено их процентное участие в данной партии исследуемых пеллет.

Статистические расчеты

Статистический анализ проводился с использованием программ Statistica и Excel. Для изучаемых параметров проверялась их совместимость с нормаль -ным распределением. Исследование распределения проводилось с использова-

нием теста Шапиро-Уилка. Принято критический уровень значимости р = 0,05. Достоверность различий средних значений параметров для нормального рас -пределения проверялась тестом Стьюдента. Достоверность различий средних значений в более чем двух популяциях протестирована с использованием теста ANOVA. Чтобы выяснить различия между группами были использованы тесты множественных сравнений Тьюки. Для сравнения качественных параметров

оценки проведен тест \2 [Stanisz 1998]. Результаты

Рисунок 1 представляет результаты насыпной и утрясочной плотности изучаемого сырья используемого для производства гранул с влажностью 12%.

Рис. 1. Насыпная и утрясочная

плотность для гранул произведённых из: S - сосновые опилки и SK - сосновые опилки 90% и 10% коры

Насыпная плотность сосновых опилок составиля 149,48 кг/м , в то время как 10%-ая добавка коры привела к увеличению насыпной плотности до 32,67 кг/м3. Утрясочная плотность для смеси, состоящей из сосновых опилок и коры составляла 216,88 кг/м , и была на 23,3% больше по сравнению с сосновыми опилками.

Статистический анализ тестом Стьюдента показал статистически значи -мые различия в средних значениях насыпной плотности между чистыми сосно -выми опилками и сосновыми опилками с добавлением коры (коэффициент р = 0,0001). Аналогично, в случае утрясочной плотности, статистический анализ также показал статистически значимые различий между группами (р = 0,0005). На основе статистического анализа с коэффициентом значимости р <0,05, можно сделать вывод, что добавление коры влияет как на насыпную, так и на утрясочную плотность.

Согласно рисунку 2 можно сделать вывод, что максимальные средние значения прочности получены для гранул из опилок сосны диаметром 6 мм (97,8%) и 8 мм (97,9%). Добавка 10% коры к гранулированным сосновым опил -кам ведет к снижению механической прочности гранул.

В таблице 1 приведены значения коэффициента значимости р, между ре -зультатами механической прочности исследуемых гранул, полученные после статистического анализа дисперсии ANOVA.

99

' 98

Ö 97

"5 96

95

. 94

Э 93

92

Рис. 2. Средние значения механической прочности исследуемых пеллет

S6

S8

SK6

SK8

Таблица 1. Значения коэффициента значимости между результатами механической прочности исследуемых гранул, полученные после статистического анализа дисперсии

ANOVA и теста Тьюки

Пеллет S6 S8 SK6 SK8

S6 x 0,99385 0,00023 0,00023

S8 0,99385 x 0,00023 0,00023

SK6 0,00023 0,00023 x 0,00025

SK8 0,00023 0,00023 0,00025 x

Таблица 1 позволяет сделать вывод, что нет статистически значимых ра -зличий между результатами, полученными для механической прочности пеллет из сосновых опилок ^6 и S8) с диаметром 6 мм и 8 мм (р > 0,05). В свою оче -редь обнаружены статистически значимые различия для гранул диаметром 6 мм и 8 мм, изготовленных из смеси опилок и коры ^^ и SK8). На основе этого анализа можно сделать вывод, что увеличение отверстий матрицы с 6 мм до 8 мм привело к увеличению механической прочности для гранул SK6 и SK8. Та -кого эффекта не обнаружено в случае гранулирования опилок без добавления коры. Добавление коры к опилкам привело к снижению механической прочности гранул диаметром 6 мм и 8 мм, что подтверждается статистическим анализом (р < 0,05).

В таблице 2 приведены параметры длины исследуемых гранул. Наибольшее среднее значение длины (18,16 мм) получено для гранул из сосновых опи -лок ^6) с диаметром 6 мм, а наименьшее среднее значение длины получено для гранул из опилок с добалением коры ^О) с диаметром 8 мм (11,6 мм).

Таблица 2. Параметры длины исследуемых гранул [мм]

Пеллеты Мин. Среднее значение Макс. Стандартное отклонение

S6 15,83 18,16 21,08 1,67

S8 13,74 16,70 21,40 2,71

SK6 9,58 12,31 15,17 1,71

SK8 9,08 11,60 15,18 2,01

Наименьшее отклонение получено для гранул диаметром 6 мм, что свиде -тельствует об их наиболее однородной длине. Крупные гранулы более разнооб -разны по длине, что может быть связано с их растрескиванием и разламыванием. В таблице 3 приведены параметры диаметра исследуемых гранул.

Таблица 3. Параметры диаметра исследуемых гранул [мм]

Пеллеты Параметры диаметра [мм]

Мин. Ср. знач. Макс. Станд. откл.

S6 6,11 6,27 6,49 0,10

S8 8,20 8,36 8,57 0,12

SK6 6,09 6,18 6,34 0,08

SK8 8,14 8,19 8,45 0,09

Из таблицы 3 можно сделать вывод, что разница между минимальным и максимальным диаметром гранул из опилок сосны произведенных в грануля -торе с диаметром матрицы 6 мм составила 0,38 мм, а для гранул из опилок с добавлением коры с той же матрицей, эта разница составила 0,25 мм. Наимень -шее стандартное отклонение получено для гранул SK6 (0,08 мм) и SK8 (0,09).

Таблица 4 показывает процентное участие гранул с трещинами.

Таблица 4. Процентное участие гранул с трещинами

Пеллеты Трещины [%]

поперечные продольные смешанные всего

S6 21 9 8 38

S8 29 12 7 48

SK6 32 20 10 62

SK8 31 16 11 58

Исследования по определению количества гранул с трещинами (табл. 4) показали, что добавление коры к гранулам с диаметром 6 мм привело к увели -чению количества трещин на 24%. Для гранул с диаметром 8 мм добавка коры увеличила количество трещин на 10%. В процессе производства необходимо определять количество трещин, так как их увеличение может привести к ломанию. Проведенный статистический анализ тестом X показал отсутствие статистически значимой разницы в количестве трещин рассмотренных гранул.

Результаты

1. Добавление коры к сосновым опилкам в размере 10% привело к уве -личению насыпной плотности с 149,48 до 175,87 кг/м .

2. Самая высокая механическая прочность 97,9% получена для пеллет из сосновых опилок в матрице с диаметром 8 мм, а наименьшая (94,5%), получена для гранул из сосновых опилок с добавкой коры диаметром 6 мм.

3. Использование матрицы с диаметром отверстий 8 мм, позволяет про -изводить пеллеты с более высокой механической прочностью по сравнению с матрицей с диаметром отверстий 6 мм.

4. Гранулирование коры с сосновыми опилками ведет к получению пел -лет меньшей длины.

5. В исследуемых гранулах не обнаружено статистически значимой раз -ницы в количестве трещин.

Литература:

1. European Standard. EN 14774-3:2009. Solid biofuels - Determination of moisture content. Oven dry method. Part 3: Moisture in general analysis sample.

2. European Standard. EN 15210-1:2009. Solid biofuels - Determination of mechanical of pellets and briquettes. Part 1: Pellets.

3. European Standard. EN 16127:2012. Solid biofuels - Determination of length and diameter of pellets.

4. European Standard. EN15103:2009. Solid biofuels - Determination of bulk density.

5. Filbakk T., Raida J., Nurmi J., H0ib0 O. The effect of bark content on quality parameters of Scots pine (Pinus sylvestris L.) pellets // Biomass and Bioenergy. 2011. №35. S. 3342-3349.

6. Lesnictwo 2012. GUS - Glowny Urz^d Statystyczny. Warszawa, 2012.

7. HejftR. Cisnieniowa aglomeracja materialow roslinnych. Warszawa, 2002.

8. Stanisz A. Przyst^pny kurs statystyki w oparciu o program Statistica PL na przykladach z medy-cyny. Krakow, 1998.

9. Tumuluru J.S., Sokhansanj S., Lim C.J., Bi T., Lau A., Melin S., Sowlati T., Oveisi E. 2011.

10. Quality of wood pellets produced in British Columbia for export // Applied Engineering in Agriculture. 2011. №26(6). S.1013-1020.

Марэк Рынкевич, кандидат технических наук

Западнопоморский Технологический Университет в г. Щецине, Польша E-mail: marek.rynkiewicz@zut.edu.pl

This study presents results of research on the physical and mechanical properties of the pellets, made from pine sawdust with oak, ash, walnut and cherry. Depending on the pelleted components mechanical durability ranged from 98.34 to 98.87%. The study showed that the most varied lengths was observed for the pellets, which were produced in the pellet machine hole diameter 8 mm. Keywords: biomass, pellets, mechanical strength.