ТЕХНОЛОГИЯ ПИРОГЕНЕТИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

Рассмотрим только те свойства древесины, которые имеют зна­чение при заготовке, хранении, сушке и обугливании древесины.

Пористость древесины

Древесина состоит из клеток и поэтому обладает большой пористостью. Если общий объем куска древесины принять за 100%, то соотношение между объемом стенок клеток и объемом полостей клеток будет таким, как показано в табл. 1.

Пористость сказывается на удельном весе, гигроскопичности, теплопроводности и на других физических свойствах древесины и может быть вычислена на основании объемного веса. Степень пористости сказывается и на продукте пирогенетаческой перера­ботки древесины — древесном угле, который имеет значительно большую пористость по сравнению с древесиной, из которой он получен.

Удельный или объемный вес

Различают удельный вес древесинного вещества и удельный или объемный вес древесины, как физического тела.

Удельный вес древесинного вещества разных пород в среднем составляет около 1,55.

Под удельным или объемным весом древесины подразумевают вес в граммах 1 см3 древесины (выражаемый обычно в г/см3). В основном он зависит от пористости и влажности древесины. По­ристость меняется в связи с породой и возрастом дерева, с усло­виями произрастания его и другими условиями.

Вследствие зависимости объемного веса древесины от влаж­ности, его обычно определяют для абсолютно сухой, воздушно - сухой и свежесрубленной древесины. Средний удельный вес дре­весины в абсолютно сухом состоянии приведен в табл. 2.

Между пористостью и объемным весом древесины в абсо­лютно сухом состоянии существует следующая зависимость:

100. (1)

Где:

С— пористость в %;

7 — объемный вес древесины;

D—удельный вес древесинного вещества.

Объемный вес древесины одной и той же породы значительно колеблется в зависимости от условий произрастания и возраста дерева, смолистости и других условий. Так, у березы он колеб­лется от 0,51 до 0,74, у сосны — от 0,31 до 0,71, у ели — от 0,35 до 0,60 (для абсолютно сухой древесины). Удельный вес древе­сины, взятой из разных частей одного и того же дерева неоди­наков: у основания ветвей он наибольший, в комле больше, чем у вершины, а в ядре больше, чем в заболони.

Вес 1 скл. м3 дров при полнодревесности 68% и при пересчете на абсолютно сухую древесину равен: сосновых — 285, еловых — 253, пихтовых — 250, лиственничных — 385, осиновых — 265, бе­резовых — 354 кг.

Влажность

Вода в древесине находится в полостях клеток и пропитывает клеточные стенки. В соответствии с этим в древесине различают капиллярную (или свободную) и коллоидную (или связанную) воду. Вода, находящаяся в древесине до содержания влаги 30%, является коллоидной водой; вода, содержащаяся в древесине сверх 30%, является капиллярной.

Граница, разделяющая коллоидную воду от капиллярной, на­Зывается точкой насыщения волокон; о«а лежит в зависимости от породы древесины в пределах 23—30% абсолютной влажности.

В разных частях дерева вода распределена очень неравно­мерно. В заболони ее больше, чем в ядре; комловая часть ствола содержит влаги больше, чем вершинная. В дереве, растущем на болотистой почве, содержится влага больше, чем в дереве, расту­щем на сухой почве. Зимой влаги в дереве немного больше, чем летом.

Для пирогенетической переработки древесины содержание влаги имеет первостепенное значение, так как выход ценных про­дуктов обугливания тем меньше н расход тепла на технологиче­ский процесс тем больше, чем выше содержание воды в обугли­ваемых дровах.

Содержание влаги в древесине можно выразить двояко: в про­центах от веса влажной древесины (ш, — относительная влаж­ность) или в процентах от веса абсолютно сухой древесины (и'а—абсолютная влажность).

Для перечисления абсолютной влажности в относительную или наоборот служат следующие формулы:

100 - wa

W0 =------------ — 2)

100 + wa у '

100 w«

100 — wQ

Зависимость между относительной и абсолютной влажностью показана на рис. 1.

Для перевода абсолютной влажности в относительную и на­оборот можно пользоваться номограммой (рис. 2). На оси OW А Отложены проценты абсолютной влажности, а на оси OW —про­центы относительной влажности. Из точки О] по вертикали вниз отложен отрезок, равный 0N. Точка N (назовем ее полюсом) представляет центр пучка прямых, проходящих через точки, харак­теризующие процент влажности древесины.

Пусть абсолютная влажность древесины равна 80%. Для опре­деления относительной влажности следует точку на вертикальной оси с пометкой 80% соединить прямой с полюсом N. Точка пере­сечения прямой с горизонтальной осью 0№> покажет относитель­ную влажность. Если задана относительная влажность, например, 20%, то прямая, проведенная из полюса N до пересечения с вер­тикальной осью ОIV а через точку 20% , даст в точке пересечения с осью OWа процент абсолютной влажности.

Способность к высыханию в естественных условиях

При естественной сушке, при соприкосновении с наружным атмосферным воздухом, находящимся в движении, относительная влажность которого меньше 100%, происходит высыхание древе­
сины. Скорость естественной сушки тем выше, чем выше темпе­ратура воздуха, чем ниже его относительная влажность и чем быстрее его движение. В одну минуту с 1 см2 разных поверхностей древесины выделяется неодинаковое количество влаги: больше всего—с поперечного разреза древеси - ^ ны, меньше — с продольного раскола и всего меньше — с поверхности, покры­той корой.

Испарение из древесины идет с меньшей скоростью, чем испарение со свободной поверхности воды. Чем боль­ше стенок клеток встречает вода при прохождении из внутренних частей ку-

Ска древесины к наружной поверхности, тем этот процесс идет медленнее. На единице такого пути, параллельного оси ствола, стенок клеток меньше, чем на единице пути, перпендикулярного оси ствола. Поэтому через поперечный разрез древесины выде­ляется при сушке в единицу времени с единицы поверхности боль­ше водяного пара, чем с боковой поверхности древесины.

На скорость сушки оказывает весьма большое влияние отно­сительная влажность и температура воздуха. Установлено, что в условиях, например, Урала, наиболее интенсивная сушка дре­весины наблюдается в период апрель — июль; хвойные про - лышенные дрова в течение первого года сохнут не настолько полно, как дрова, очищенные от коры, но в осенние месяцы, вследствие большого поглощения влаги дровами без коры, влаж­ность тех и других дров отличается незначительно; хвойные дрова, не очищенные от коры, в течение первого года высыхают незна­
чительно, в течение второго года кора отпадает и древесина ста­новится воздушно-сухой.

Береза сохнет медленнее, чем хвойные породы. Березовые дрова без коры или пролышенные достигают наибольшей сухо­сти лишь во второй год пребывания на складе, а остающиеся в коре высыхают незначительно.

Дрова с корой, но расколотые, сохнут так же быстро, как и дрова, очищенные от коры.

Среднее содержание влаги в свежесрубленной березе — 56,2% (от 54% до 59%), в сосне —49,9% (от 46% до 53%), в ели— 50,2% (от 44% до 55%) (процент относительной влажности).

При естественной сушке, как бы долго она ни продолжалась, древесина никогда не придет в абсолютно сухое состояние. Соот­ветственно температуре и относительной влажности наружного воздуха будет достигнута лишь равновесная влажность.

При обычных на Урале и в средней полосе СССР климатиче­ских условиях (летом температура 20° и относительная влажность 80%) равновесная влажность древесины равна 18% абсолютной или 15,2% относительной влажности.

Практически при естественной сушке в течение 1,5 лет после рубки относительная влажность воздушно-сухих дров равна 20%.

При лежании (в поленницах в лесу или на складе) дрова по­степенно теряют влагу. Скорость этой естественной сушки зави - X] сит от породы древесины, ее первоначальной влажности, способа разделки, относительной влажности, температуры и скорости дви - жения воздуха.

Л Как сохнут дрова длиной в 1 м, заготовленные в январе, при [N хранении под навесом 1 показывает табл. 3.

Естественная сушка березовых колотых дров при начальной относительной влажности после рубки, равной 45%, проходила так (по Иванову и Тиайну):

Срок, ирош-'ДшIii: после рубки (ме­сяцы) 1 2 6 Ю 20

На скорость естественной сушки значительное влияние оказы­вает способ разделки дров.

Кора сильно задерживает сушку: пролышение, окорка, рас­колка и распшюзка древ на более короткие куски ускоряют сушку.

Относительная влажность воздушно-сухих дров равна 15—20%' и при дальнейшей естественной сушке снижения относительной влажности не происходит.

Относительная впажность сплавных дров, только что выгру­женных из воды, — более 45% ; такие дрова при естественной суш­ке сохнут быстрее, чем несплавные.

В дальнейшем изложении мы будет упоминать только отно­сительную впажность. Если явится необходимость упоминать вели­чины абсолютной влажности, то в каждом отдельном случае будет сделана оговорка.

В насыщенной водой древесине все полости клеток и межкле­точные пространства заполнены водой. При высыхании древесины сначала испаряется капиллярная вода и освобождаемое ею меж­клеточное пространство занимается парами воды и затем возду­хом. В период удаления свободной воды, продолжающийся до влажности 30% (абсолютная впажность), не наблюдается сокра­щения объема древесины (усушки). Дальнейшее испарение влаги происходит за счет связанной воды и оно идет значительно труд­нее, чем испарение свободной воды. Удаление ее, вследствие про­исходящего при этом сближения мицелл, сопровождается усушкой древесины, т. е. уменьшением объема и линейных размеров дре­весины.

Величины полной усушки приведены в табл. 4.

Неодинаковые величины продольной, радиальной и тангенталь - ной усушки зависят от того, что мицеллы в стенке клетки (распо­ложены под небольшим углом к длинной оси клетки. При удале­нии воды из стенки клетки и сближении мицелл длинная ось клетки очень мало изменяется, а поперечные же размеры умень­шаются значительно. В среднем усушка может быть принята рав­ней в продольном направлении — 0,1%, в радиальном—от 3 до 5 % и в тангентальном — от 6 до 10 %.

Усушка древесных пород, имеющих большой удельный вес, больше, чем пород, имеющих малый удельный вес.

Сушка куска древесины, вследствие малой ее теплопроводно­сти, идет неравномерно. Наружные слои древесины сохнут значи­тельно быстрее внутренних. При быстрой сушке толстых и сырых поленьев наружные слои оказываются сухими, в то время как вну­тренние слои еще только начинают терять влагу. Вследствие этого и усушка древесины идет неодинаково; это вызывает образование в ней трещин, идущих от наружной поверхности внутрь по ра­диусу. Трещины в древесине образуются также вследствие более быстрой сушки ядра по сравнению с заболонью.

Влагопоглощение

Поглощение паров воды. Сухая древесина обладает способ­ностью поглощать влагу из воздуха. Искусственно высушенная при 70—80° древесина поглощает влаги приблизительно на 2% мень­ше, чем древесина, не подвергавшаяся искусственной сушке. Дре­весина, высушенная при температуре выше 100°, очень медленно поглощает влагу из воздуха.

Поглощение древесиной влаги до влажности 23% сопровож­дается набуханием, т. е. увеличением линейных и объемных раз­меров древесины. Древесина набухает, как и усыхает, больше всего в тангентальном направлении и меньше — в продольном.

Поглощение воды древесиной протекает с выделением тепла от 14,6 до 19,6 ккал/кг древесины.

Поглощение жидкой воды. При сплаве древесина впитывает воду. Вода впитывается легче всего с поперечных (торцовых) раз­резов, затем с тангентальных и, наконец, с радиальных. Наиболь­шая скорость поглощения воды — в первый день.

Древесина сосны, ели, березы с влажностью 9,2%, 9,4%, 10,2%' после десяти суток нахождения в воде имела соответственно влаж­ность 58,5%, 56,5% и 47,6%,

Теплоемкость

Теплоемкость абсолютно сухой древесины всех пород равна 0,324 ккал/кг, а смолистых веществ — 0,5 ккал/кг.

Теплоемкость сырой и смолистой древесины при w0% отно­сительной влаги и /?„% относительного содержания смолистых ве­ществ равна:

0.32«Х(1"О-»о-Л)+0.5*о-М. ПХ«,. ккал/кг - (4)

100 I I

При нагревании древесины на 1° (в пределах 0°—100°) ли­нейный размер ее, равный 1 м, увеличивается на 0,040 мм в попе­речном и на 0,005 мм — в продольном направлении.

Теплопроводность

Как уже указывалось, поры древесины заполнены воздухом, который является плохим проводником тепла. Поэтому теплопро­водность сухой древесины ниже, чем влажной. Теплопроводность абсолютно сухой древесины в разных направлениях неодинакова (табл. 5). Вдоль волокон она равна от 0,24 до 0,35 ккал/м час ° С, перпендикулярно волокнам — от 0,12 до 0,17 ккал/м час" С.

Таблица о

Теплопроводность древесины в ккал'м час

Вследствие малой теплопроводности древесины и неодина­ковости ее в разных направлениях, при нагревании возникает значительная разница в температуре в разных частях древесины,

Которая тем больше, чем больше размеры куска. Если при сушке и обугливании древесины не обеспечено постепенное и равномер­ное повышение температуры, то получается сильно трещиноватый уголь пониженного качества.

На теплопроводность древесины влияют влажность, трещины, величина отдельных кусков и т. д. Поэтому определить теоретиче­ски точно, через сколько времени прогреется древесина, напри­мер, до 100°, весьма затруднительно. Вследствие этого при проек­тировании сушилок продолжительность сушки приходится брать' на основании данных практики.

Горючесть

Древесина при нагревании при доступе воздуха или в атмо­сфере газов, содержащих свободный кислород, загорается. Осо­бенно легко загорается сухая древесина. В сушилках, где процесс проходит при прямом действии на дрова смеси дымовых газов и воздуха, нередки случаи, когда дрова загорались уже при тем­пературе теплоносителя 180—200°. Если сушат дымовыми газами, при ограниченном содержании свободного кислорода, при созда­нии в сушилке рециркуляции газов и при подводе газов в сушилку не сосредоточенно в одном месте, а через ряд отверстий неболь­шого сечения, равномерно распределенных по длине канала, то газы можно вводить при высокой температуре.

Теплотворная способность

Теплотворная способность топлива есть то количество тепла (в калориях), которое выделяется при сгорании единицы топлива. Если в качестве единицы топлива взят 1 кг, то теплотворную спо­собность выражают в больших калориях (ккал/кг), если же берут 1 г, то теплотворную способность выражают в малых калориях (кал/г); в обоих случаях численная величина для теплотворной способности получается одинаковой. В технике обыкновенно имеют дело с большими калориями, причем для жидких и твердых тел теплотворную способность относят к 1 кг топлива, а для газооб­разного горючего — к 1 м3.

Различают два значения теплотворной способности топлива. Одно значение то, которое получается в калориметре, где водя­ные пары, образующиеся от сгорания водорода топлива, конденси­руются в воду. Это — высшая теплотворная способность. Другое значение теплотворной способности получается, если считать, что вода остается в парах. Это —низшая или полезная теплотворная способность. Только эта теплотворная способность, т. е. полезная низшая теплотворная способность, имеет практическое и теорети­ческое значение.

Теплотворная способность органических соединений никогда не соответствует сумме теплотворных способностей компонентов, ёзятых в отдельности. Теплотворная способность одних соедине­ний ниже теплотворной способности суммы компонентов, а дру­гих — выше. Таким образом, одни вещества имеют положитель­ную теплоту образования, это —соединения эндотермические, & другие —отрицательную, это —соединения экзотермические.

Теплотворная способность зависит не только от состава входя­щих в данное вещество компонентов, но и от их строения. Нагляд­ным примером этому могут служить следующие данные: тепло­творная способность 1 кг — молекулы малеиновой кислоты равна 327 480 ккал, а 1 кг—молекулы фумаровой кислоты—319 278 ккал.

Таким образом, при тождестве состава и полной однородности входящих в эти соединения групп и радикалов, теплотворная спо­собно сть соединении неодинакова.

Теплотворная способность может быть вычислена по эмпириче­ским формулам (на основании данных элементарного анализа) или на основании определения теоретического расхода кислорода при горении, а также сжиганием навески топлива в калориметре.

Для определения теплотворной способности по данным эле­ментарного анализа применяется формула Д. И. Менделеева:

Днизш = fc i С -+- 246Н — 2ь (0 - S) - b W (5)

Где:

•Знизш — низшая теплотворная способность 1 кг влажного, со­держащего золу, топлива;

С— процентное содержание углерода;

Н— то же, водорода;

Q — то же, кислорода;

S — то же, серы;

W — то же, влаги.

Определение теплотворной способности опытным путем, по­средством сжигания навески топлива в атмосфере сгущенного кислорода, производится в калориметре Вертело, модель Малера - Крекера. Этот способ определения теплотворной способности яв­ляется самым лучшим и дает наиболее точные результаты.

Качество всякого горючего определяется его теплотворной спо­собностью, которая зависит, прежде всего, от содержания угле­рода в топливе (табл. 6).

Из табл. 6 видно, что чем больше в топливе углерода, тем выше его теплотворная способность. Дерево, как известно, состоит из лигнина, целлюлозы и гемицеллюлоз. Эти вещества по элементар­ному составу различны. Лигнин более богат углеродом, чем цел­люлоза. Поэтому, чем больше в древесине лигнина, тем выше его теплотворная способность.

Содержание смолы в древесине повышает ее теплотворную спо­собность. Однако большая смолистость дерева на практике может

Понизить теплотворную способность вследствие образования при горении копоти. С увеличением гнили в дереве снижается пиро­метрический эффект (ем. далее) и теплотворная способность еди­ницы объема топлива, так как, во-первых, удельный вес гнилого дерева ниже, чем здорового, и, во-вторых, вследствие большей гигроскопичности, гнилое дерево содержит больше влаги.

У дров, применяемых как топливо, обычно бывает разная влажность. При работе на влажных дровах тепловой коэффици­ент полезного действия установки, в которой происходит сжигание дров, уменьшается. Измерение теплотворной способности дров, в зависимости от содержания в них влаги, можно определить путем расчета. Если взять дрова с относительной влажностью 0; 25; 35 и 50%, при полнодревесности 64%, то в результате получим дан­ные, приведенные в табл. 7.

Отсюда путем расчета легко определить потерю тепловой энер­гии дров разной влажности при сжигании.

Пирометрический эффект

При употреблении дров в качестве горючего для металлургиче­ских печей, кроме теплотворной способности, имеет большое зна­чение пирометрический эффект. Чтобы получить высокую темпе­ратуру нагрева в печи, необходимо, чтобы влажность дров не была слишком высокой. Дрова влажностью 40% и выше не могут обес­печить нормальной работы печей с высоким пирометрическим эф­фектом.

Пирометрический эффект или жаропроизводительная способ­ность топлива есть максимальная температура, которую должны были бы иметь продукты горения при идеальных условиях горе­ния, т. е. при таких условиях, когда: а) горение происходит с тео­ретически необходимым количеством воздуха; б) углерод сгорает до С02, а Н2 — до Н20; в) вся теплота, выделенная при сгорании топлива, идет на нагревание продуктов горения.

Однако на практике при сгорании топлива не все тепло идет на нагревание продуктов горения. Часть его теряется через лучеис­пускание и конвекцию через стенки топки, часть уходит на нагре­вание золы и шлака, часть теряется вследствие неполноты сго­рания топлива.

Для определения максимальной температуры горения топлива служит следующая формула:

F ______ ____________ Р' QHh3hi_________

'макс ^ „ и'

M, ^ - t т.. Ср.., tuj Ср3 г ■ • •

Где:

^макс—максимальная температура горения;

Qhhsuj —низшая теплотворная способность о" дров;

Р—количество сжигаемого топлива в кг;

/я, ,т 2 т■■ — число ч'г молей газа в продуктах горения;

Ср1,Ср.,,Ср3 — средняя теплоемкость 1 ы моля газа.

Средняя теплоемкость 1 кг моля продуктов горения опреде­ляется по следующим формулам приведенным в табл. 8.