CC BY
67
УДК 661.183.2
Е. В. Халимов, Ю. Л. Юрьев, Т. В. Штеба, И. К. Гиндулин
ПИРОЛИЗ БЕРЕЗОВОЙ ДРЕВЕСИНЫ ГОРЕЛЬНИКОВ
Ключевые слова: горельники; древесный уголь; нелетучий углерод, кажущаяся плотность.
В статье затронуты проблемы, касающиеся пожарной опасности горельников и утилизации древесины, поврежденной пожарами. Проведен пиролиз неповрежденной березовой древесины и березовой древесины горельников. Показаны зависимости выхода древесного угля, содержания нелетучего углерода в угле и кажущейся плотности древесного угля от конечной температуры пиролиза. Показана возможность получения качественного угля из древесины горельников.
Keywords: burntwood; charcoal;fixedcarbon, аpparentdensity.
The article deals with problems related to fire danger burnt wood and waste wood, damaged by fires. Held pyrolysis intact Birch wood and Birch burnt wood. A correlations of charcoal yield, fixed carbon and apparent density of charcoal from the pyrolysis temperatureare shown. The possibility of obtaining high-quality charcoal from burnt wood is shown.
Лесные пожары из года в год причиняют огромный ущерб лесному фонду и экосистеме большинства стран мира.
Статистика лесных пожаров в Российской Федерации за 2009-2015 годы свидетельствует, что площадь земель, пройденных пожаром ежегодно,всреднем составляет более 4 млнга, а количество пожаров - около 50 тысяч [1]. Экономический ущерб от лесных пожаров суммируется из огромного количества параметров, но данные по этим параметрамзачастую отсутствуют, что делает подсчет ущербадовольно неточным.
В результате воздействия пожаров увеличивается площадь непродуцирующих земель и снижается потенциальная возможность их использования. Поврежденные пожаром лесные участки, на которых насаждения погибли частично, так называемые горельники, характеризуются пониженной влажностью. В случае повторного возгорания огонь получает быстрое распространение по сухостою. В лесах, не очищенных от завалов мертвой сухой древесины, даже малокалорийный источник огня может вызвать крупный и очень интенсивный пожар, что приведет к еще болеез начительному ущербу. Избежать подобной опасности и последствий возможно вовлечением древесины горельников в переработку. Однако в горельниках древесина, подвершаяся воздействию огня, достаточно быстро теряет свои физико-механические свойства вследствие развития гнили, трещин, синевы, повреждений насекомыми, что резко сужает области её применения.
Таким образом, актуальность темы нашего исследования обусловлена двумя основными причинами: повышенной пожарной опасностью горельников и нерешенной проблемой утилизации древесины, поврежденной пожаром.
Нами проведены исследования на возможность использования березовойдревесины горельников как сырья для получения древесного угля (ДУ). С этой целью подготовлены образцынеповрежденной древесины и древесины горельников, взятые после
пожара в лесных насаждениях поселка Шабровского Свердловской области.
Сырье для пиролиза измельчалось до размеров стандартной щепы (30*20*1 мм).
Установка пиролиза состояла из вращающейся реторты, которая размещалась в муфельной печи с контролируемой температурой обогрева. Образовавшаяся при пиролизе парогазовая смесь проходила через гидрозатвор, а затем поступала в установку для выделения конденсирующихся продуктов пиролиза и их дальнейшего изучения.
Пиролиз древесины проводился в диапазоне температур 400...700 0С при продолжительности 30...40 мин. Эти параметры нами выбраны на основе предыдущих исследований пиролиза древесины, проведенных на кафедре химической технологии древесины, биотехнологии и наноматериалов Уральского государственного лесотехнического университета [2].
Для получения адекватных математических моделей процесса пиролиза составлена матрица планирования полного факторного эксперимента типа 22 В качестве факторов приняты конечная температура пиролиза (Х^ и продолжительность процесса (Х2). В качестве функций отклика были приняты следующие: выход древесного угля (У0, содержание нелетучего углерода (У2), кажущаяся плотность ДУ (У3), содержание золы в ДУ (У4). Выбранные функции отклика являются стандартными показателями качества ДУ [3].
Для указанных диапазонов действующих факторов получены уравнения регрессии. Определены коэффициенты уравнений регрессии, и проведена проверка их значимости. Сопоставление расчетного и табличного критериев Фишера показали адекватность выбранной модели.
Сопоставление зависимостей функций отклика от конечной температуры пиролиза показалодля обоих образцов одинаковый характер. Так, влияние конечной температуры пиролизана выход ДУ ослабевает с ростом температуры (рис. 2), что связано с повышением термоустойчивости образующейся углеродной матрицы.
31 -г
- | --
17 -400 500 600 700
Температура, °С
Рис. 1 - Зависимость выхода ДУ от конечной температуры пиролиза (■ образец из березовой древесины горельника; ♦ образец из неповрежденной пожаром березовой древесины)
Как видно из графика (рис. 1), при невысокой температуре пиролиза (400оС) выход ДУ из неповрежденной древесины существенно ниже, чем из древесины горельника, но с повышением конечной температуры пиролиза это различие сглаживается, а при температуре пиролиза 700 °с выход ДУ для обоих образцов различается менее чем на 1%. Полученную зависимость можно объяснить различием химического состава исходной древесины .Повышенное суммарное содержание целлюлозы и лигнина (68 %) определено для древесины горельника, для образца неповрежденной древесины этот показатель ниже и составил 65,2%.
Наиболее важным показателем качества ДУ является содержание нелетучего углерода. Содержание нелетучего углерода в ДУ определялось нами по стандартной методике [3]. Из рис. 2 видно, что для образца горельникасодержание нелетучего углерода, соответствующее требованиям стандартадля ДУ марки А, достигается при температуре примерно 600 °С.
100
5 400 450 500 550 600 650 700
Конечная температура пиролиза, °С
Рис. 2 - Зависимость содержания нелетучего углерода в ДУиз горельникаот конечной температуры пиролиза
С повышением конечной температуры пиролиза увеличивается содержание нелетучего углерода, но при этом снижается выход ДУ. Поэтому для получения ДУ стандартного качества с наибольшим
его выходом нет смысла повышать температуру пиролиза выше 600 °С.
Одним из показателей качества ДУ является его кажущаяся плотность. Она определяется для ДУ марки А, которая используется как сырье для производства активных углей. Зависимость кажущейся плотности ДУ из древесины горельника от конечной температуры пиролиза показана на рис. 3.
5? 0,25
^ 0,2
400 450 500 550 600 650 700 Конечная температура пиролиза, °С
Рис. 3 - Зависимость кажущейся плотности ДУиз горельника от конечной температуры пиролиза
Из рис. 3 видно, что кажущаяся плотность ДУ из горельникаснижается до температуры пиролиза 5000С,
а затем возрастает. Аналогичная зависимость наблюдается и для ДУ, полученного из неповрежденной пожаром древесины [1, 4]. Выявленный факт объясняется переходом углеродной матрицы ДУ в более упорядоченную структуру с повышением температуры пиролиза.
В исследуемом диапазоне действующих факторов содержание золы в ДУ находилось в обратной зависимости от его выхода и колебалось в пределах 1,5...2 %, т.е. не превышало требований стандарта.
Результаты проведенных нами исследований показали, что полученный уголь по основным качественным характеристикам удовлетворяет требованиям стандарта. Однако при выбранном нами оптимальном режиме проведения процесса наблюдается некоторое уменьшение значения кажущейся плотности угля.
Перспективными направлениями переработки ДУ из древесины горельников, по нашему мнению, может служить получение на его основе активных углей или древесноугольных брикетов[4,5].
Выявлено, что характеристики пиролиза горелой и неповрежденной пожаром березовой древесины, отличаются, но переработка такого некондиционного сырья, как древесина горельников, возможна.
Развитие данного направления перспективно и целесообразно, так как этоможет решить сразу несколько проблем, связанных с лесными пожарами и их негативными последствиями.
Литература
1. http://www.rosleshoz.gov.ru/fdaraa обращения: 10.08.2015).
2. Штеба Татьяна Валерьевна. Получение активных углей из березовой щепы различного качества: Дис. ... канд. техн. наук: 05.21.03 : Екатеринбург, 2004, 174 с.
3. ГОСТ 7657-84. Уголь древесный. Технические условия.
4. Юрьев Ю.Л. Древесный уголь: справочник. Екатеринбург: Сократ, 2007. - 184 с.
5. Юрьев Ю.Л., Штеба Т.В. Исследование закономерностей активации углеродной нанопористой матрицы водяным паром. Вестник технологического университета. -2015, т18, №4, С. 194-197.
© Е. В. Халимов, капитан внутренней службы, преподаватель кафедры пожарной безопасности в строительстве, Уральский институт ГПС МЧС России, [email protected]; Ю. Л. Юрьев, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой химической технологии древесины, биотехнологии и наноматериалов, Уральский государственный лесотехнический университет, [email protected]; Т. В. Штеба, кандидат технических наук, подполковник внутренней службы, заместитель начальника кафедры пожарной безопасности технологических процессов, Уральский институт ГПС МЧС России, [email protected]; И. К. Гиндулин, кандидат технических наук, доцент кафедры химической технологии древесины, биотехнологии и наноматериалов, Уральский государственный лесотехнический университет, [email protected].
© E. V. Khalimov, Captain of the internal service, lecturer of the Department of fire safety in construction; Ural Institute of SBS EMERCOM of Russia, Ekaterinburg, [email protected]; Yu. L. Yuriev, doctor of technical sciences, Professor, head of the Department of chemical technology of wood, biotechnology and nano-materials, Ural State Forest Engeneering University, Ekaterinburg, [email protected]; T. V. Shteba, Ph.d., Lieutenant Colonel, Deputy Head of the Department of fire safety of technological processes. Ural Institute of SBS EMERCOM of Russia, Ekaterinburg, [email protected]; I. K Gindulin, Ph.d., Associate Professor, Department of chemical technology of wood, biotechnology and nano-materials, Ural State Forest Engeneering University, Ekaterinburg, [email protected].
