Древесина. Древесное топливо
При правильном ведении лесного хозяйства на топливо может расходоваться только естественный прирост древесины. Превышение количества расходуемой древесины по сравнению с естественным приростом ведет к уничтожению лесных массивов, изменению климата, пересыханию рек, ухудшению условий, способствующих развитию всякого рода растительности.
Древесина в большинстве топочных устройств сжигается в виде дров, и только в энергетических котельных крупного масштаба, оборудованных мощными котлами, дрова заменяют рубленой щепой, которую и сжигают в механических топках.
Котельный завод "Энергия М" производит котлы на древесине различной мощности.
Состав и теплотворная способность древесины
В состав растительной ткани входят целлюлоза и лигнин как основные вещества, образующие клеточки и сосуды, наполненные соком и воздухом. Кроме того, древесина содержит небольшое количество смолы, дубильных веществ, белков и др.
Состав органической массы древесины (одновременно и состав горючей массы, так как древесина имеет только следы серы) весьма устойчив и мало изменяется в зависимости от породы дерева, что подтверждается цифровыми значениями (табл. 8). Также мало изменяется и теплотворная способность органической массы.
Засоренность древесного топлива золой очень небольшая и мало изменяющаяся.
Зольность на сухое вещество составляет Aс=1%, и только для сплавных дров она иногда повышается вследствие засорения древесины песком. Повышение это вообще незначительно, и отмечаются только единичные случаи, когда зольность доходит до Ас=2%.
Второе слагаемое внешнего балласта - влага, - наоборот, колеблется в дровах в больших пределах. Свежесрубленное дерево, если к тому же оно срублено не зимой, когда влажность меньше, имеет влажность, доходящую до 50 % и более. Пролежав после рубки около года в лесу, дрова высыхают, и их влажность доходит до 30%. Эти так называемые воздушносухие дрова и следует использовать для сжигания. Вывозить из леса свежесрубленные дрова нерационально, так как приходится расходовать энергию на перевозку большого количества находящейся в них воды.
Если древесина доставляется на место сжигания сплавом, то влажность несколько повышается, однако после выдерживания их на складе восстанавливается прежняя влажность. Раньше предполагали, что в сплавных дровах вследствие их длительного нахождения в воде происходит выщелачивание горючих составных частей, вследствие чего понижается теплотворная способность дров; однако проведенные в этом направлении опыты этих предположений не подтвердили.
Присутствие влаги в любом топливе всегда снижает его рабочую теплотворную способность, но особенно резко это сказывается на дровах и торфе, теплотворная способность органической массы которых невысока, а влажность, наоборот, очень высокая.
Пример 4. Определить рабочую теплотворную способность смешанных дров при влажности Wp, равной 30 и 50%.
Таким образом, воздушносухие дрова имеют теплотворную способность, колеблющуюся около 3000 ккал/кг. Эта теплотворная способность мало зависит от породы дров, что на первый взгляд кажется странным, так как всем известно, что березовые или дубовые дрова лучше еловых или осиновых. Это недоразумение происходит потому, что приобретают дрова не по весу, а по объему, а вес 1 м3 дубовых или березовых дров больше, чем еловых или осиновых.
Правда, различные породы деревьев отличаются друг от друга по молекулярному строению древесины, что сказывается, например, на размерах и цвете факела при горении.
Требования, предъявляемые к древесине
Дрова подразделяются на однородные и смешанные. Примесь иных пород в однородных дровах допускается до 5%, считая по кубатуре сдаваемой партии. Также классифицируются дрова по влажности, причем различают сухие, полусухие и сырые.
В сухих дровах влажность не превышает 25%. Сырыми считаются дрова, влажность которых превышает 35%.
Если анализа на влажность не производят, то сухими считают дрова, пролежавшие в лесу или на складе год после заготовки. К полусухим относят дрова весенней заготовки, пролежавшие не менее шести месяцев после рубки, в том числе не менее двух летних месяцев.
Сортируют дрова по породам и количеству допускаемой гнили, разбивая на четыре группы.
Поленья пилят следующих размеров: 0,35; 0,5; 0,75; 1,0 м. Допускается заготовка дров и комбинированной длины для последующей перерезки на стандартные размеры.
Наиболее распространен метровый размер полена.
Объемной единицей измерения служит кубический метр, весовой - тонна.
Вес древесины
Удельный вес плотной древесины, исключая пустоты, почти одинаков для всех пород дерева и равен 1,5. Кажущийся удельный вес древесины непостоянен и зависит от пористости той или иной породы.
Ниже приведены цифры кажущегося удельного веса (включая воздух и воду) для древесины различных пород с влажностью на рабочий состав, равной 30%.
Кажущийся удельный вес дерева
- Дуб - 0,96;
- Сосна - 0,67;
- Береза - 0,84;
- Осина - 0,66;
- Ель - 0,58.
Практически приходится определять вес дров, сложенных в поленницы, причем этот вес будет в значительной степени зависеть от влажности дров. Для определения веса 1 м3 дров любой влажности при нормальной его выкладке можно пользоваться табл. 9, в которой приведены веса дров в зависимости от породы и влажности.
Задаваясь той или иной влажностью в процентах, по весу можно просто произвести требующийся пересчет при одном только допущении, что с увеличением влажности объем кладки не изменяется.
Обозначая вес 1 м3 дров заданной влажности через Вр, а табличной влажности W - через В, производим подсчет по формуле
Вр = В*100 - W/100 - Wр (14)
Дрова - топливо малотеплотное, т. е. в единице объема содержится мало калорий; поэтому дрова невыгодно перевозить на значительное расстояние от места заготовки, так как железнодорожные вагоны не догружаются по весу.
Являясь местным топливом, древесина в лесных районах СССР зачастую бывает единственным видом топлива. Условия ее сжигания хорошо изучены. При пониженной теплотворной способности у дров имеются и существенные преимущества - это легкая воспламеняемость, отсутствие серы и малозольность, что позволяет ограничиваться весьма примитивными и в то же время работающими достаточно эффективно топочными устройствами. Благодаря этим особенностям дрова являются топливом, широко распространенным в быту.
Древесная рубленая щепа
Применение механических топок и механизация подачи древесного топлива в котельных установках большой мощности заставили перейти к дроблению дров на щепу размерами 50X30X5 мм.
В таком виде древесина перемещается при помощи устройств, аналогичных используемым для кусковых топлив. Угольные механические топки лишь со сравнительно незначительными видоизменениями приспосабливают к сжиганию этого рода топлива.
Расходы на рубку, включая сюда затраты на дроворубочные машины и электроэнергию (около 7,5 квт-ч/т), окупаются тем, что дрова, идущие на рубку, можно значительно увеличивать по длине и не колоть. Подобную же разделку на мелкие части приходится производить при сжигании пней или отбросов лесопильных заводов.
Вес 1 м3 абсолютно сухой щепы равен в среднем 150 кг/м3 для таких же условий вес древесных опилок равен 180 кг/м3.
К топливам, по своей структуре близко подходящим к древесине, принадлежат: одубина, лузга подсолнуха, льняная костра, рисовая шелуха, солома и т. д.
В табл. 10 приводятся характеристики горючей массы теплотворной способности и балласта для части этих топлив.
Как топливо иногда используется городской мусор. Он имеет зольность на сухое вещество около 40-45% и влажность от 50 до 60%, в зависимости главным образом от сезона; весной и осенью влажность повышается. В среднем можно принимать засоренность Ар =20% и WР = 52%; рабочая теплотворная способность мусора равняется Qрп = 900 ккал/кг.
Количество мусора, приходящееся на одного жителя, в среднем может быть принято равным 0,5 кг в сутки.
Древесный уголь
При накаливании топлива без доступа воздуха, как уже указывалось выше, топливо распадается на летучие вещества и твердый остаток - кокс.
На этом принципе основано и углежжение. В примитивных формах оно может производиться в ямах, куда складываются дрова, сверху накрываемые слоем земли. Дрова частично поджигают, в процессе горения развивается высокая температура; остальная, большая часть дров начинает газифицироваться, а количество проникающего в кучу кислорода воздуха настолько невелико, что уголь и летучие вещества в своей значительной массе не сгорают.
Такой способ добычи угля до некоторой степени может быть оправдан небольшими единовременными затратами и отсутствием необходимости перевозки дров на значительные расстояния.
Более рациональным способом является сухая перегонка древесины в печах с использованием летучих веществ для получения из них высокоценных продуктов, например, метилового спирта, уксусной кислоты и пр. Древесный уголь в этом производстве получается как промежуточный продукт.
Древесный уголь является по сравнению с дровами топливом более теплоплотным, в нем значительно уменьшен внутренний балласт, снижена влажность и только несколько повышен процент зольности. Благодаря отсутствию серы древесный уголь является лучшим топливом для металлургических процессов. Конечно, современный масштаб потребления топлива гигантскими установками черной металлургии не дает возможности базироваться на этом топливе, и древесный уголь по преимуществу расходуется в более мелких устройствах.
Большое применение он находит в бытовом потреблении топлива. В связи с развитием механизации сельского хозяйства открываются широкие перспективы использования древесного топлива, в частности угля, и соломы в качестве местного горючего для тракторов взамен дальнепривозного жидкого топлива.
В итоге процесса углежжения получается выход угля около 25%, считая от веса загруженного топлива. Состав органической массы древесного угля следующий:
Выход летучих, считая на органическую массу, около 11%, зольность на сухое вещество Ас около 2%, влажность около 10%. Древесный уголь сильно гигроскопичен, способен поглощать влагу и газы. Удельный вес его плотной массы близок к древесине и также может быть принят равным 1,5. Складочный вес 1 м3 зависит от породы дерева и может быть принят для березового угля 200 кг, для хвойного - 150 кг.