Экспериментальное исследование процесса влагоудаления из опада лиственных пород деревьев

На современном этапе развития общества при существующих
техногенных нагрузках на окружающую среду чрезвычайно важным является
взаимосвязанное развитие экономики, энергетики и экологии. Создание
энергосберегающих процессов и оборудования, позволющих обеспечить
экономию топливных и энергетических ресурсов, является важнейшей задачей
производства. На фоне острой проблемы – возрастания дефицита топливных
ресурсов, причем не только традиционных, но и возобновляемых, наблюдается
постоянный рост тарифов на энергоносители. Поэтому в последнее время
возникла большая заинтересованность в вовлечении биомассы, являющейся
наиболее доступным видом возобновляемого сырья, в топливно-энергетический
баланс регионов и стран.
В настоящий момент одним из наиболее перспективных видов биомассы
является лесная древесина (или лесные отходы) [1]. Обширные лесные угодья в
Сибири могут ежегодно обеспечивать до 6·106 тонн лесной биомассы. Однако
российский лесопромышленный комплекс по-прежнему остается
ориентированным на сырье. Глубокой переработке подвергается около 20%
древесины, в то время как в странах Скандинавии этот показатель составляет
85%. В этих странах реализована модель интенсивного использования лесных
ресурсов, а в обществе давно культивируется философия безотходного и
энергоэффективного производства [2].
Одой из важнейших проблем современной России является утилизация
отходов древесины. Их использование в настоящее время минимально. А
первичное древесное сырье, образующееся на лесосеках, по завершении работ
собирается в валы и кучи и сжигается для предотвращения лесных пожаров [3].
Экономия невосстанавливаемых энергетических природных ресурсов –
это путь, по которому идет цивилизованный мир, и который позволит России
приблизиться к индустриально развитым странам по показателям удельной
энергоемкости промышленного производства.
Лесная биомасса является относительно дешевым энергоносителем, ведь
ее стоимость обусловлена только транспортными затратами [4]. Использование
лесного горючего материала позволит значительно расширить сырьевую базу
тепловых электростанций и существенно снизить зависимость от стран-
импортеров энергоресурсов от монополистов в экспорте нефти, газа и угля.
Большинство котельных агрегатов, работающих на данном топливе – это
современные энергетические установки, имеющие высокий КПД (от 80 до 85%).
Наряду с экономической эффективностью использование растительной
биомассы в энергетике способствует решению еще одой важной проблемы
современности – защите окружающей среды: высокая реакционная способность
позволяет сжигать ее при более низкой температуре, что уменьшает выбросы
окислов азота; минимальное содержание серы и фосфора (0,1%) позволяет
снизить температуру отходящих газов до 110-120 °С; и, наконец, энергетическое
использование биотоплива является одним из радикальных путей решения
проблемы снижения выбросов парниковых газов и сохранения баланса
углекислого газа в природе, так как его выбросы при сжигании сопоставимы с
количеством, произведенным при фотосинтезе.
Наиболее существенным недостатком лесного горючего материала как
топлива является его нестабильное влагосодержание, которое в зависимости от
вида колеблется в пределах от 8 до 80%, что приводит к снижению теплотворной
способности и, как следствие, к увеличению расхода топлива [5]. Исходя из этого
целесообразно организовать предварительную сушку при сжигании биомассы в
топках котлов.
Во время сушки материалов в результате фазового перехода из жидкого
или твердого состояния в газообразное происходит удаление влаги, что
изначально определяет значительные энергетические затраты на проведение
данного процесса [6].
Предварительная сушка биотоплива связана с дополнительными
энергозатратами на удаление адсорбционной влаги из капиллярно-пористой
структуры древесных материалов. Анализ закономерностей процессов
влагоудаления является одной из первоочередных задач, решение которой
необходимо при использовании лесного горючего материала в качестве
энергетического топлива.
Приоритетное использование в биоэнергетике пород лиственных
деревьев предопределяет перспективу применения их отходов и опада в этой
отрасли в качестве энергетического сырья. Эта гипотеза диктует необходимость
дополнительного изучения процессов массообмена при термической подготовке
такого рода биомассы.
Поэтому для работы сформулирована цель: экспериментальное
исследование основных характеристик процесса влагоудаления (массовой
скорости испарения, парциального давления паров, коэффициента аккомодации)
из опада (листьев и веток) лиственных пород деревьев с целью дальнейшего
усовершенствования прогностических моделей процесса сушки.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Аналитический обзор научных источников в области исследования
процесса влагоудаления из древесной и лиственной биомассы;
2. Подготовка образцов для проведения экспериментов;
3. Изучение закономерностей процесса сушки рассматриваемых
образцов опада (построение графиков зависимости массовой скорости
испарения влаги от времени в различных температурных режимах, расчет
коэффициента аккомодации и парциального давления паров);
4. Анализ полученных результатов и формулирование выводов.
1 Аналитический обзор литературы
1.1 Характеристика и строение лиственной древесины
1.1.1 Древесные растения
Древесными называются растения с деревянистыми надземными и
подземными частями, по характеру развития подразделяются на деревья,
кустарники и лианы. Взрослое дерево имеет ствол, крону и корни. Ствол
связывает корневую систему с кроной дерева (совокупностью ветвей и листьев).
По нему из почвы в восходящем токе перемещаются водные растворы
минеральных веществ, а в нисходящем потоке – растворы органических веществ,
вырабатываемых в листьях. По характеру облиствения деревья разделяют на две
крупные физиономически четко разделяющиеся категории: хвойные деревья и
лиственные деревья. Первые обладают своеобразной формой листьев –
игольчатой или чешуйчатой хвоей, у вторых листья представляют собой
пластины с разветвленным жилкованием [7].
На рисунке 1.1 представлены основные части ствола. Наружная часть –
кора, выполняющая защитную функцию от внешних влияний – резко отличается
от следующей за ней древесины, которая окружает очень небольшую
центральную зону – сердцевину. Между корой и древесиной расположен тонкий
слой живых клеток – камбий, в котором происходит образование новых клеток,
вследствие чего ежегодно образуются новые годичные кольца. В древесине
лиственных пород на разрезе видны отверстия, представляющие собой сечения
сосудов – трубок, каналов, предназначенных для проведения воды.