Энергия древесины

ВЛАЖНОСТЬ, ЗОЛЬНОСТЬ, ПЛОТНОСТЬ

Влажность древесной биомассы — это количественная характеристика, показывающая содержание в биомассе влаги. Различают абсолютную й относительную влажность биомассы.

Абсолютной влажностью называют отношение массы влаги к массе сухой древесины:

Wa= т~т° 100,

Щ

Где №а — абсолютная влажность, %; т — масса образца во влажном состоянии, г; т0 — масса того же образца, высушен­ного до постоянного значения, г.

Относительной или рабочей влажностью на­зывают отношение массы влаги к массе влажной древесины:

WP т-то т

Где Wр — относительная, или рабочая, влажность, 10

Пересчет абсолютной влажности в относительную и наобо­рот производится по формулам:

WP = 100 ^ ; Wa = 100^Р. (2.1)

100 +№а 100— WP

При расчетах процессов сушки древесины используется аб­солютная влажность. В теплотехнических расчетах применя­ются только относительная, или рабочая, влажность. С учетом этой установившейся традиции в дальнейшем мы будем пользо­ваться только относительной влажностью.

Различают две формы влаги, содержащейся в древесной био­массе: связанную (гигроскопическую) и свободную. Связан­ная влага находится внутри стенок клеток и удерживается физико-химическими связями; удаление этой влаги сопряжено с дополнительными затратами энергии и существенно отража­ется на большинстве свойств древесинного вещества.

Свободная влага находится в полостях клеток и в межклеточных пространствах. Свободная влага удержива­ется только механическими связями, удаляется значительно легче и оказывает меньшее влияние на механические свойства древесины.

Состояние древесинного вещества, при котором свободная влага отсутствует, а клеточные стенки содержат максимальное количество связанной влаги, соответствует пределу насыщения или пределу гигроскопичности.

Пределом насыщения №п. н называют максимальную влажность древесинного вещества клеточных стенок свежесруб - ленной древесины или древесины, увлажненной путем длитель­ного выдерживания в воде.

Пределом гигроскопичности №п. г называют мак­симальную влажность клеточных стенок древесинного веще­ства при увлажнении его в насыщенном влагой воздухе.

При выдерживании древесины на воздухе происходит об­мен влагой между воздухом и древесинным веществом. Если влажность древесинного вещества очень высока, то при этом обмене происходит высыхание древесины. Если влажность его низка, то древесинное вещество увлажняется. При длительном пребывании древесины на воздухе, стабильных температуре и относительной влажности воздуха влажность древесины ста­новится также стабильной; это достигается тогда, когда упру­гость паров воды окружающего воздуха сравняется с упруго­стью паров воды у поверхности древесины. Величина устойчи­вой влажности древесины, выдержанной длительное время при определенной температуре и влажности воздуха, одинакова для всех древесных пород, но зависит от направления про­цесса. В процессе сушки древесины устойчивая влажность выше той, которая получается в процессе увлажнения древе­сины. Разницу между устойчивыми значениями влажности при сушке и увлажнении принято называть гистерезисом сорбции.

Мелкая древесина (опилки, стружка, щепа) с большой удельной поверхностью имеют ничтожно малый гистерезис сорбции и ее устойчивую влажность называют равновес­ной wl.

Равновесная влажность одинакова у древесины различных пород и полностью определяется параметрами воздуха, в среде которого она находится, т. е. его температурой t и относи­тельной влажностью <р.

Влажность стволовой древесины. В зависимости от вели­чины влажности стволовую древесину подразделяют на мок­рую, свежесрубленную, воздушно-сухую, комнатно-сухую и абсолютно сухую.

Мокрой называют древесину, длительное время находив­шуюся в воде, например при сплаве или сортировке в водном бассейне. Влажность мокрой древесины Wp превышает 50 %•

Свежесрубленной называют древесину, сохранившую влагу растущего дерева. Она зависит от породы древесины и изменяется в пределах №р = 33.. .50 %.

Средняя влажность свежесрубленной древесины составляет, %, У ели 48, у лиственницы 45, у пихты 50, у сосны кедровой 48, у сосны обыкновенной 47, у ивы 46, у липы 38, у осины 45, у ольхи 46, у тополя 48, у березы бородавчатой 44, у бука 39, у вяза 44, у граба 38, у дуба 41, у клена 33.

В о з д у ш н о - с у х а я—это древесина, выдержанная дли­тельное время на открытом воздухе. Во время пребывания на открытом воздухе древесина постоянно подсыхает и ее влаж­ность постепенно снижается до устойчивой величины. Влаж­ность воздушно-сухой древесины 13.. .17 %.

Комнатно-сухая древесина —это древесина, дли­тельное время находящаяся в отапливаемом и вентилируемом помещении. Влажность комнатно-сухой древесины Wv = 7... ...11 %■

Абсолютно сухая—древесина, высушенная при тем­пературе £=103±2 °С до постоянной массы. В растущем де­реве влажность стволовой древесины распределена неравно­мерно. Она изменяется как по радиусу, так и по высоте ствола.

Влажность коры. Влажность коры в свежесрубленной со­стоянии изменяется в широких пределах. По исследованиям Н. Л. Леонтьева [24], влажность коры отдельных участков бре­вен колебалась у сосновых сортиментов от 40 до 211 %, у ело­вых от 40 до 159 % и у березовых от 38 до 82 % абсолютной влажности. У коры сосны влажность существенно изменяется по высоте ствола, при этом влажность коры комлевых бревен ниже влажности вершинных. У ели и березы влажность коры по высоте ствола почти одинакова.

По данным А. В. Жидкова [12], относительная влажность коры хвойных пород увеличивается при сплаве до 80. ..84 %, влажность луба при этом доходит до 85. ..90 %. Поскольку от­носительная критическая влажность коры составляет 60%, то очевидно, что кора хвойных пород после сплава перед сжига­нием должна быть обезвожена тем или другим способом.

Интересные данные по водопоглощению компонентов коры получены СвердНИИПДревом (табл. 2).

Влажность древесной гнили. Различают два вида гниения древесины: коррозионное и деструктивное. При коррозион­ном гниении в древесине образуются отверстия, которые по-

Степенно увеличиваются, и древесина приобретает характерную ячеистую структуру. При деструктивном гниении происхо­дит равномерное растворение оболочек клеток без образования крупных отверстий.

Максимальная влажность стволовой древесины ограничена суммарным объемом полостей клеток и межклеточных прост­ранств. При гниении древесины ее клетки разрушаются, в ре­зультате чего образуются дополнительные внутренние полости, структура гнилой древесины по мере развития процесса гние­ния становится рыхлой, пористой, прочность древесины при этом резко снижается.

По указанным причинам влажность древесной гнили не ог­раничена и может достигнуть столь высоких значений, при ко­торых ее сжигание станет неэффективным. Увеличенная пори­стость гнилой древесины делает ее очень гигроскопичной, нахо­дясь на открытом воздухе, она быстро увлажняется.

Влажность элементов кроны. В Крестецком леспромхозе в те­чение многих лет осуществлялась вывозка деревьев. Элементы кроны — ветви, сучья, вершины измельчались на нижнем складе в топливную щепу с помощью рубительной машины ДУ-2 и ис­пользовались в качестве топлива для энергохимической уста­новки или в котельной. В составе щепы были также хвойные лапки, листья, неодревесневшие побеги. Влажность такой щепы, по данным С. И. Головкова и J1. Т. Опомах, приведена в табл. 3.

Приведенные данные показывают, что значительная часть щепы из лесосечных отходов вследствие широкого варьирования

Рассматриваемого параметра имеет влажность более 50%. Среднее значение влажности щепы близко к 50%.

Зольность. Зольностью называют содержание в топ­ливе минеральных веществ, остающихся после полного сгорания всей горючей массы. Зола является нежелательной частью топ­лива, так как снижает содержание горючих элементов и затруд­няет эксплуатацию топочных устройств.

При проведении анализов содержание золы подсчитывается на сухую массу топлива. Пересчет зольности на рабочую массу проводится по формуле

Ар = Ас( M~WP V (2.2)

V юо у

Где Лр —содержание золы в расчете на рабочую массу, %;ЛС — содержание золы на сухую массу топлива, %; Wv—рабочая влажность топлива, %.

Зола подразделяется на внутреннюю, содержащуюся в древесном веществе, и внешнюю, попавшую в топливо при заготовке, хранении и транспортировании биомассы. В зависи­мости от вида зола имеет различную плавкость при нагревании до высокой температуры. Легкоплавкой называется зола, имеющая температуру начала жидкоплавкого состояния ниже 1350°. Среднеплавкая зола имеет температуру начала жидкоплавкого состояния в пределах 1350—1450 °С. У туго­плавкой золы эта температура выше 1450 °С.

Внутренняя зола древесной биомассы является тугоплавкой, а внешняя — легкоплавкой. Содержание золы в различных ча­стях деревьев различных пород показано в табл. 4.

Зольность стволовой древесины. Содержание внутренней золы стволовой древесины изменяется в пределах от 0,2 до 1,17%. На основании этого в соответствии с рекомендациями по нормативному методу теплового расчета котельных агрегатов [58] в расчетах топочных устройств зольность стволовой древе­сины всех пород должна приниматься равной 1 % сухой массы

Древесины. Это правомерно, если попадание минеральных вклю­чений в измельченную стволовую древесину исключено.

Зольность коры. Зольность коры больше зольности стволовой древесины. Одной из причин этого является то, что поверхность коры все время роста дерева обдувается атмосферным возду­хом и улавливает при этом содержащиеся в нем минеральные аэрозоли.

По наблюдениям, проведенным ЦНИИМОД для сплавной древесины в условиях архангельских лесопильных и деревообра­батывающих предприятий, зольность отходов окорки составляла

У ели 5,2, у сосны 4,9%- Повышение зольности коры в этом случае объясняется загрязнением коры во время сплава хлыстов по рекам.

Содержание золы в различных составных частях коры, по данным В. М. Никитина, показано в табл. 5.

Зольность коры различных пород на сухую массу, по дан­ным А. И. Померанского [40], составляет: сосна 3,2 %, ель 3,95, береза 2,7, ольха 2,4 %. По данным НПО ЦКТИ им. И. И. Пол - зунова, зольность коры различных пород варьирует от 0,5 до 8%.

Зольность элементов кроны. Зольность элементов кроны превышает зольность древесины и зависит от породы древе­сины и места ее произрастания. По данным В. М. Никитина, зольность листьев 3,5 %. Ветки и сучья имеют внутреннюю зольность от 0,3 до 0,7%. Однако в зависимости от типа тех­нологического процесса заготовки древесины их зольность су­щественно изменяется из-за загрязнения их внешними мине­ральными включениями. Загрязнение ветвей и сучьев в про­цессе заготовки, трелевки и вывозки наиболее интенсивно при влажной погоде весной и осенью.

Плотность. Плотность материала характеризуется отношением его массы к объему. При изучении этого свойства применительно к древесной биомассе различают следующие по­казатели: плотность древесинного вещества, плотность абсо­лютно сухой древесины, плотность влажной древесины.

Плотность древесинного вещества — это отно­шение массы материала, образующего стенки клеток, к зани­маемому им объему. Плотность древесинного вещества одина­кова для всех пород древесины и равна 1,53 г/см3.

Плотность абсолютно сухой древесины есть отношение массы этой древесины к занимаемому ею объему:

P0 = m0/V0, (2.3)

Где ро — плотность абсолютно сухой древесины; то — масса об­разца древесины при №р=0; V0 — объем образца древесины при №р=0.

Плотность влажной древесины представляет собой отношение массы образца при данной влажности к его объему при той же влажности:

Р w = mw/Vw, (2.4)

Где рту — плотность древесины при влажности Wp; mw — масса образца древесины при влажности Vw — объем, за­нимаемый образцом древесины при влажности Wр.

По рекомендации комиссии СЭВ, все показатели физико - механических свойств древесины определяются при абсолютной влажности 12 % и пересчитываются на эту влажность.

Плотность стволовой древесины. Величина плотности ство­ловой древесины зависит от ее породы, влажности и коэффи­циента разбухания /Ср. Все породы древесины по отношению к коэффициенту разбухания КР разделяются на две группы. К первой группе относятся породы, у которых коэффициент разбухания /Ср = 0,6 (белая акация, береза, бук, граб, листвен­ница). Ко второй группе относятся все остальные породы, у ко­торых /<р=0,5.

По первой группе для белой акации, березы, бука, граба, лиственницы плотность стволовой древесины можно вычислить по следующим формулам:

Pw = 0,957-------- —------ р12, W< 23%;

100-0.4WP ' (2-5)

= loo-УР р12' №р>23% •

J6

Для всех остальных пород плотность стволовой древесины вычисляется по формулам:

0* = П-Ш.00-0.5ГР Л7Р<23%; (2.6)

Ріг = °,823 100f°lpp Ри. її">'23%,

Где ріг — плотность при стандартной влажности, т. е. при абсо­лютной влажности 12 %.

Величина плотности при стандартной влажности определя­ется для различных пород древесины по табл. 6.

Плотность коры. Плотность коры исследована гораздо меньше. Имеются лишь отрывочные данные, которые дают довольно пеструю картину этого свойства коры. В настоящей работе будем ориентироваться на данные М. Н. Симонова [52] и Н. Л. Леонтьева [24]. Для расчета плотности коры при­мем формулы той же структуры, что и формулы для расчета плотности стволовой древесины, подставив в них коэффици­енты объемного разбухания коры. Плотность коры будем под­считывать по следующим формулам: коры сосны

(100-ТГР)Р13 ^р<230/

103,56— 1.332ГР' ' (2.7)

1,231(1-0,011ГР)' ^>23%-'

Коры ели Pw

Р w - (100 — WP) р12 102,38 — 1,222 WP

Pl2

1,253(1 _0,01WP)

(100— WP)pia 101,19 — 1,111WP

1,277(1 —0,01 WP)

Плотность коры при стандартной влажности р12 приведена в табл. 7.

Плотность луба значительно выше, чем плотность корки. Об этом свидетельствуют данные А. Б. Большакова (Сверд - НИИПдрев) о плотности частей коры в абсолютно сухом со­стоянии (табл. 8).

Плотность гнилой древесины. Плотность гнилой древесины в начальной стадии гниения обычно не понижается, а в неко­торых случаях даже увеличивается. При дальнейшем развитии процесса гниения плотность гнилой древесины уменьшается и в конечной стадии становится значительно меньше плотности здоровой древесины,

Зависимость плотности гнилой древесины от стадии пораже­ния ее гнилью приведена в табл. 9.

Гнили осины и сосны р15 (100— WP)

Р W-

107,5 — 1,575 №Р

Р» 100

1,203 (100—WP)'

Гнили березы

_. рц(ЮО-ІГР) 106- 1.46WP

Ри ЮО

1,222(100— WP)

Значение pis гнилой древесины равно: гниль осины pi5 = = 280 кг/м3, гниль сосны pS5=260 кг/м3, гниль березы р15 = = 300 кг/м3.

Плотность элементов кроны деревьев. Плотность элементов кроны практически не изучена. В топливной щепе из элементов кроны преобладающим по объему компонентом является щепа из сучьев и ветвей, близкая по показателям плотности к ство­ловой древесине. Поэтому при проведении практических расче­тов в первом приближении можно принять плотность элементов кроны равной плотности стволовой древесины соответствующей породы.