ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ СОСТАВ ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

по дисциплине «Энергетическое использование древесной биомассы»

Лабораторная работа №1

«Определение основных параметров характеризующих свойства различных видов

древесной биомассы»

Древесной биомассой называют все многообразие органических веществ, образующихся в результате жизнедеятельности древовидных растений. Древесной биомассой, таким образом, являются все вещества, из которых состоят листья, хвоя, неодревесневшие побеги, сучья, ветви, вершины, ствол дерева, кора и корневая система. Физико-химические и теплотехнические свойства различных видов древесной биомассы имеют некоторые различия, оказывающие определенное влияние на эффективность их использования в энергетических целях. Это делает целесообразным изучение основных характеристик различных видов древесной биомассы.

Из всего многообразия различных видов древесной биомассы разумно выделить следующие основные, имеющие наибольшее практическое значение при энергетическом использовании биомассы, а именно: стволовую древесину, кору, древесную гниль и биомассу элементов кроны деревьев. Рассмотрим основные характеристики этих видов древесной биомассы.

ВЛАЖНОСТЬ, ЗОЛЬНОСТЬ, ПЛОТНОСТЬ

ВЛАЖНОСТЬ.Влажность древесной биомассы – это количественная характеристика, показывающая содержание в биомассе влаги. Различают абсолютную и относительную влажность биомассы.

Абсолютной влажностью называют отношение массы влаги к массе сухой древесины

где W_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

где W^p– относительная, или рабочая, влажность.

Пересчет абсолютной влажности в относительную и наоборот производится по формулам:

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 W_п.н называют максимальную влажность древесинного вещества клеточных стенок свежесрубленной древесины или древесины, увлажненной путем длительного выдерживания в воде.

Пределом гигроскопичности W_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 присушке 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 W^р_р.

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 .

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 W^p превышает 50%.

Свежесрубленной называют древесину, сохранившую влагу растущего дерева. Она зависит от породы древесины и изменяется в пределах W^p = 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.

Воздушно-сухая – 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 W^p= 13-17 %.

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

Абсолютно сухая – древесина, высушенная при температуре t=103±2°C 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, 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, 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.

Данные по водопоглощению компонентов коры приведены в табл. 2.

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

где А^р – содержание золы в расчете на рабочую массу, %; А^с – содержание золы на сухую массу топлива, %; W^p – 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 °С. 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 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 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 показано в табл. 5.

Зольность коры различных пород на сухую массу составляет: сосна 3,2 %, ель 3,95, береза 2,7, ольха 2,4 %.

Зольность элементов кроны. Зольность элементов кроны превышает зольность древесины и зависит от породы древесины и места ее произрастания. 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

где r_о – плотность абсолютно сухой древесины; т₀ – масса образца древесины при W^р=0; V₀ – объем образца древесины при W^р=0.

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

где r_w – плотность древесины при влажности W^р; m_w – масса образца древесины при влажности W^р, V_w – объем, занимаемый образцом древесины при влажности W^p.

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 К_Р. Все породы древесины по отношению к коэффициенту разбухания К_Р разделяются на две группы. К первой группе относятся породы, у которых коэффициент разбухания К_Р = 0,6 (белая акация, береза, бук, граб, лиственница). Ко второй группе относятся все остальные породы, у которых К_Р=0,5.

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

Для всех остальных пород плотность стволовой древесины вычисляется по формулам:

где r₁₂ – 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.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

коры ели

коры березы

Плотность коры при стандартной влажности r₁₂ приведена в табл. 7.

Плотность луба значительно выше, чем плотность корки (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.

В первом приближении плотность древесной гнили может быть определена по следующим формулам:

гнили осины и сосны

гнили березы

Значение r₁₅ гнилой древесины равно: гниль осины r₁₅ = 280 кг/м³, гниль сосны r₁₅=260 кг/м³, гниль березы r₁₅ = 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.

КОЛИЧЕСТВО ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ

Количество отходов при производстве конкретного вида товарной продукции из древесины определяется по ее доле, которая осталась не использованной в данном технологическом процессе.

Количество образующихся древесных отходов исчисляется обычно в процентах от объема древесного сырья, использованного при производстве продукции. Оно зависит от вида производимой продукции.

Отходы лесозаготовок. На основании многочисленных исследований, проведенных ЦНИИМЭ, ВНИПИЭИлеспромом, а также различными авторами при составлении массовых таблиц и других таксационных материалов, установлено, что имеется зависимость между количеством вывозимой стволовой древесины и количеством отходов лесозаготовок. В первом приближении эта зависимость принимается линейной. Средние данные о количестве отходов лесозаготовок по классам и видам приведены в табл. 13.

Отходы лесопиления. В процессе лесопиления получаются различные кусковые отходы, которые в ряде случаев используются для энергетических целей. Кусковые отходы лесопиления образуются из периферийной части бревен и при отсутствии предварительной окорки бревен имеют в своем составе такое количество коры, при котором использование их для варки целлюлозы и производства древесных плит невозможно.

Объемы образования различных видов древесных отходов в процентах от объема распиливаемого сырья приводятся в табл. 14.

Примечание. По уточненным данным ВНИПИЭИлеспрома, для лесонасаждений Советского Союза количество ветвей, сучьев и вершинок на растущих деревьях в среднем составляет 13—14 %. При валке, трелевке, вывозке часть этих отходов теряется, и на нижний склад леспромхоза при вывозке деревьев в летних условиях поступает сучьев, ветвей и вершинок ие более 7,5 % от объема вывезенной древесины. В зимних условиях, когда древесина сучьев и ветвей становится хрупкой, на нижний склад поступает этого вида отходов не больше 4 % от объема вывозки.

При проведении расчетов топливного баланса объединения или предприятия в зависимости от местных условий количество древесных отходов лесопиления от объема распиливаемого сырья (%) следует принимать в следующих пределах:

Горбыль .............. 5. . .10

Стульчаки ............. 2. . .5

Рейки ............... 10. . .15

Вырезки .............. 2. . .5

Опилкн............... 10. . .15

Отходы шпалопиления. При производстве шпал для железнодорожных линий широкой колеи средний выход продукции и

древесных отходов от перерабатываемого сырья (%) составляет:

Шпалы по ГОСТ 78—65.......... 50

Необрезные доски ............. 13

Деловой горбыль ............. 16

Опилки и срезки ............. 13

Усушка.................. 8

При проведении практических расчетов эти цифры должны быть уточнены на основании изучения местных условий.

Отходы окорки древесины. Количество коры, находящейся на древесине, зависит главным образом от породы, а также от возраста деревьев, условий их произрастания, диаметра ствола и т. п.

Общее количество коры, получаемой при окорке древесины на предприятиях, с учетом потери коры в процессе лесозаготовок, изменяется в пределах от 10 до 14,5 % объема ликвидной древесины. При транспортировании древесины сплавом часть коры отваливается и фактический выход коры в среднем составляет 8 ... 10 % от объема окоренной древесины.

В практических расчетах количество коры принимается ЦНИИМОДом в размере 10 % от объема окоренной древесины. Такое высокое содержание коры на древесине определяет важность проблем полезного использования отходов окорки древесины, учитывая все возрастающие объемы целлюлозно-бумажного производства, где окорка древесины обязательна.

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

по дисциплине «Энергетическое использование древесной биомассы»

Лабораторная работа №1

«Определение основных параметров характеризующих свойства различных видов

древесной биомассы»

Древесной биомассой называют все многообразие органических веществ, образующихся в результате жизнедеятельности древовидных растений. Древесной биомассой, таким образом, являются все вещества, из которых состоят листья, хвоя, неодревесневшие побеги, сучья, ветви, вершины, ствол дерева, кора и корневая система. Физико-химические и теплотехнические свойства различных видов древесной биомассы имеют некоторые различия, оказывающие определенное влияние на эффективность их использования в энергетических целях. Это делает целесообразным изучение основных характеристик различных видов древесной биомассы.

Из всего многообразия различных видов древесной биомассы разумно выделить следующие основные, имеющие наибольшее практическое значение при энергетическом использовании биомассы, а именно: стволовую древесину, кору, древесную гниль и биомассу элементов кроны деревьев. Рассмотрим основные характеристики этих видов древесной биомассы.

ВЛАЖНОСТЬ, ЗОЛЬНОСТЬ, ПЛОТНОСТЬ

ВЛАЖНОСТЬ.Влажность древесной биомассы – это количественная характеристика, показывающая содержание в биомассе влаги. Различают абсолютную и относительную влажность биомассы.

Абсолютной влажностью называют отношение массы влаги к массе сухой древесины

где W_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

где W^p– относительная, или рабочая, влажность.

Пересчет абсолютной влажности в относительную и наоборот производится по формулам:

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 W_п.н называют максимальную влажность древесинного вещества клеточных стенок свежесрубленной древесины или древесины, увлажненной путем длительного выдерживания в воде.

Пределом гигроскопичности W_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 присушке 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 W^р_р.

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 .

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 W^p превышает 50%.

Свежесрубленной называют древесину, сохранившую влагу растущего дерева. Она зависит от породы древесины и изменяется в пределах W^p = 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.

Воздушно-сухая – 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 W^p= 13-17 %.

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

Абсолютно сухая – древесина, высушенная при температуре t=103±2°C 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, 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, 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.

Данные по водопоглощению компонентов коры приведены в табл. 2.

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

где А^р – содержание золы в расчете на рабочую массу, %; А^с – содержание золы на сухую массу топлива, %; W^p – 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 °С. 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 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 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 показано в табл. 5.

Зольность коры различных пород на сухую массу составляет: сосна 3,2 %, ель 3,95, береза 2,7, ольха 2,4 %.

Зольность элементов кроны. Зольность элементов кроны превышает зольность древесины и зависит от породы древесины и места ее произрастания. 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

где r_о – плотность абсолютно сухой древесины; т₀ – масса образца древесины при W^р=0; V₀ – объем образца древесины при W^р=0.

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

где r_w – плотность древесины при влажности W^р; m_w – масса образца древесины при влажности W^р, V_w – объем, занимаемый образцом древесины при влажности W^p.

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 К_Р. Все породы древесины по отношению к коэффициенту разбухания К_Р разделяются на две группы. К первой группе относятся породы, у которых коэффициент разбухания К_Р = 0,6 (белая акация, береза, бук, граб, лиственница). Ко второй группе относятся все остальные породы, у которых К_Р=0,5.

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

Для всех остальных пород плотность стволовой древесины вычисляется по формулам:

где r₁₂ – 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.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

коры ели

коры березы

Плотность коры при стандартной влажности r₁₂ приведена в табл. 7.