Расчет теплоты сгорания древесного топлива по элементному составу

УДК

662.63

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2016.6.110

Аннотация

Главным показателем качества твердого топлива является теплота сгорания, которую можно вычислить на основе его элементного состава. Показано, что точность расчета теплоты сгорания древесного топлива по имеющимся универсальным уравнениям недостаточна (более 2%). В работе для 43 различных образцов древесного топлива представлены результаты определения зольности (при температуре 800 ° С), теплоты сгорания и элементного состава (углерод, водород, кислород, сера и азот). Проанализированы данные по элементному составу древесного топлива из других литературных источников: для данных конца XIX в. характерно более высокое содержание углерода и водорода. По 11 уравнениям представлены результаты расчета высшей теплоты сгорания древесного топлива в абсолютно сухом состоянии. Установлено, что для вычисления этого показателя наиболее оптимальными являются уравнения, учитывающие вклад основного компонента (углерода) с корректировкой его либо за счет свободного члена, либо за счет незначительного вклада водорода. Методом наименьших квадратов с использованием экспериментальных данных по 35 образцам произведен расчет коэффициентов при углероде и водороде и предложено уравнение для расчета высшей теплоты сгорания древесного топлива в абсолютно сухом состоянии. Проверка уравнения проведена на основании экспериментальных данных для 28 образцов из трех различных литературных источников. Среднее абсолютное отклонение расчетных значений от экспериментальных (погрешность расчета) составило 1,5%, что соответствует максимальной допустимой погрешности калориметрического определения высшей теплоты сгорания. Содержание водорода и углерода целесообразно определять одновременно с помощью автоматических элементных анализаторов, при этом содержание водорода следует использовать для расчета низшей теплоты сгорания. 

Сведения об авторах

Ю .В. Максимук 1 , канд. хим. наук, доц. 

В .С. Крук 1 , канд. хим. наук, науч. сотр. 

З.А. Антонова 1 , канд. хим. наук, доц. 

Д.А. Пономарев 2 , Д- р х им. наук, проф. 

А .В. Сушкова 1 , мл. науч. сотр.

1 НИИ физико-химических проблем Белорусского государственного университета, ул. Ленинградская, д. 14, Минск, Беларусь, 220030; е-почта: maksimuk@bsu.by

2 Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова, Институтский пер., Д. 5, Санкт-Петербург, Россия, 194021; е-почта: dponоmarev1@mail.ru

Ключевые слова

древесное топливо, высшая теплота сгорания, элементный состав

Для цитирования

Максимук Ю.В., Крук В.С., Антонова З.А., Пономарев Д.А., Сушкова А.В. Расчет теплоты сгорания древесного топлива по элементному составу // Лесн. журн. 2016. № 6. С. 110–121. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.6.110

Литература

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бычков А.Л., Денькин А.И., Тихова В.Д., Ломовский О.И. Расчет теплоты сгорания лигноцеллюлозы на основании данных элементного состава // Химия растит. сырья. 2014. № 3. С. 99-104.

2. Котельные установки: в 2 т. / Под ред. М.В. Кирпичева, Э.И. Ромма, Т.Т. Усенко. Т. 1. М .; Л .: Госэнергоиздат, 1941. 280 с.

3.  Менделеев Д.И.  Горючие материалы // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона. Санкт-Петербург: Тип. И.А. Ефрона, 1893. Т. IX. С. 372-383.

4 . Менделеев Д.И. Основы фабрично-заводской промышленности. Вып. 1. Санкт-Петербург: Тип. В. Демакона, 1897. С. 90.

5. Нормы теплового расчета котельного агрегата. М.: Л .: Госэнергоиздат, 1952.237 с.

6. Равич М.Б. Эффективность использования топлива. М .: Наука, 1977. 344 с.

7. Стрижакова Ю.А., Рыжов А.Н. Чуваева И.В., Смоленский Е.А., лапи ДУС А.Л. Зависимость теплоты сгорания горючих сланцев от их химического состава // Химия твердого топлива. 2011. № 5. С. 11-15.

8. Baldwin SF Boimass Печки: Инжиниринг Desigh, разработка и Распространение . Добровольцы в технической помощи (VITA) . Арлингтон, 1987. 382 с.

9. Channiwala С.А., Парих ПП Единая корреляция для оценки HHV твердых, жидких и газообразных топлив. Топливо, 2002, т. 81, нет. 8, стр. 1051-1063.

10. Фридл А., Padouvas Е., Роттер Х., Varmuza К. Прогнозирование Отопление Значения Биомасса Топлива из элементного состава. Analytica Chimica Acta ., 2005, том. 544, стр. 191-198.

11. Гаур С. Рид ТБ Термические данные для очистки природных и синтетических топлив . Нью-Йорк, 1998. 280 с.

12. Graboski М., Bain R . Свойства биомассы , имеющих отношение к газификации. биомасса Газификация - Принципы и технологии . Издание ИА Рид ТБ. Нью - Джерси, 1981, стр. 41-70.

13 . Дженкинс BM, Ebelling JM корреляции физико-химических свойств Наземные Биомасса с конверсией. Симпозиум Энергия из биомассы и отходов IX IGT , 1985, р. 371.

14. Дженкинс BM, Ebelling JM Физические и химические свойства топлива из биомассы. Сделка ASAE , 1985, т. 28, нет. 3, стр. 898-902.

15. Дженкинс BM, Ebelling JM термохимические свойства топлива из биомассы. С lifornia сельского хозяйства , 1985, май-июнь, стр. 14-16.

16. Себестиен З., Lezsovits Ф., Якаб Е., Varhegyi G . Корреляция между обогревом и термогравиметрического значений данных осадков сточных вод, Herdaceous культур и Образцы древесины. Журнал термического анализа и калориметрии , 2012, т. 110, стр. 1501-1509.

17. Шэн С., Азеведо JLT Оценка Высшую теплотворная топлива из биомассы из элементарного анализа данных. Биомасса и Биоэнергия , 2005, т. 28, нет. 5, стр. 499-507.

18. Тельмо С., Lousada J., Морейра Н. Непосредственные анализ, Backwards Поэтапное ПЕРЕУСТАНОВКИ между валовым прогрессирование теплотворная способность, Ultimate, и химический анализ древесины. Biore- источник технологии , 2010, т. 101, нет. 11, стр. 3808-3815.

19. Тиллман Д. Вуд в качестве источника энергии . Нью - Йорк, 1978. 252 с.

20. Варгас-Морено JM, Кальехон-Ferre AJ, Перес-Алонсо Дж, Веласкес-Martí B. Обзор математических моделей для прогнозирования теплотворная материалов биомассы. Возобновляемые и устойчивой энергетики Обзоры , 2012, Vol. 16, стр. 3065-3083.

21. Инь C.-Y. Прогнозирование высших Отопление значений биомассы из Непосредственные и Окончательный анализ. Топливо, 2011, т. 90, стр. 1128-1132.Поступила 07.07.16

07.07.16 Поступила

Ссылка на английскую версию:

Calculation of the Heating Value of Wood Fuel from the Elemental Composition

UDC 662.63

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.6.110

Calculation of the Heating Value of Wood Fuel from the Elemental Composition

Yu.V. Maksimuk1, Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor

V.S. Kruk1, Candidate of Chemical Sciences, Research Officer

Z.A. Antonova1, Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor

D.A. Ponomarev2, Doctor of Chemical Sciences, Professor

A.V. Sushkova1, Research Assistant

1Research Institute for Physical Chemical Problems of the Belarusian State University, Len- ingradskaya ul., 14, Minsk, 220030, Belarus; е-mail: maksimuk@bsu.by

2Saint Petersburg State Forest Technical University under name of S.M. Kirov, Institutskiy per., 5, Saint Petersburg, 194021, Russian Federation; е-mail: dponоmarev1@mail.ru

The heating value is the main quality indicator of solid fuel, which can be calculated on the basis of its elemental composition. The accuracy of the heating value calculation of wood fuel by the available universal equations is insufficient (over 2 %). The article presents the results of the determination of ash (at 800 °C), heating value and elemental composition (carbon, hydrogen, oxygen, sulfur and nitrogen) for 43 different samples. The elemental composition data of wood fuel from different literary sources are analyzed: the higher con- tent of carbon and hydrogen is characteristic for the data of the end of the 19th century. A c- cording to 11 equations the paper presents the results of the calculation of the high heat val- ue of wood fuel in an absolutely dry state. The equations, which take into account the main component contribution (carbon) with the adjustment by a free member or by a minor con- tribution of hydrogen, are the most optimal for the calculation of this index. By the method of minimum squares and with the use of the experimental data of 35 samples we perform the coefficients calculation of carbon and hydrogen and propose an equation to calculate the high heat value of wood fuel in a completely dry state. The test of equation is carried out on the basis of the experimental data for 28 samples from three different literary sources. The average absolute deviation of the calculated and experimental values (calculation error) is

1.5 %, which corresponds to the peak error of the calorimetric test of the high heat value.

For citation: Maksimuk Yu.V., Kruk V.S., Antonova Z.A., Ponomarev D.A., Sushkova A.V. Calculation of the Heating Value of Wood Fuel from the Elemental Composition. Le- snoy zhurnal, 2016, no. 6, pp. 110–121. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.6.110

The hydrogen and carbon content is advisable to determine simultaneously using the auto- matic elemental analyzers; and the hydrogen content should be used to calculate a low heat value.

Keywords: wood fuel, high heat value, elemental composition.

REFERENCES

1. Bychkov A.L., Den'kin A.I., Tikhova V.D., Lomovskiy O.I. Raschet teploty sgoraniya lignotsellyulozy na osnovanii dannykh elementnogo sostava [The Lignocellulose Heating  Value  Calculation  Based  on  the  Elemental  Composition Data].  Khimiya rastitel'nogo syr'ya [Chemistry of Plant Raw Material], 2014, no. 3, pp. 99–104.

2. Kotel'nye ustanovki [Boilers]. Ed. by M.V. Kirpichev, E.I. Romm, T.T. Usenko.

Мoscow; Leningrad, 1941. vol. 1. 280 p.

3. Mendeleev D.I. Goryuchie materialy [Combustible Materials]. Entsiklopedicheskiy slovar' Brokgauza i Efrona [Brockhaus and Efron Encyclopedic Dictionary]. St. Petersburg,

1893, vol. IX, pp. 372–383.

4. Mendeleev D.I. Osnovy fabrichno-zavodskoy promyshlennosti [Fundamentals of the Manufacturing Industry]. St. Petersburg, 1897, p. 90.

5. Normy teplovogo rascheta kotel'nogo agregata [The Norms of Heat Calculation for Boiler Units]. Мoscow; Leningrad, 1952. 237 p.

6. Ravich M.B. Effektivnost' ispol'zovaniya topliva [Fuel Efficiency]. Moscow, 1977.344 p.

7. Strizhakova Yu.A., Ryzhov A.N. Chuvaeva I.V., Smolenskiy E.A., Lapidus A.L.

Zavisimost' teploty sgoraniya goryuchikh slantsev ot ikh khimicheskogo sostava [The Dependence of the Combustion  Heat of Oil Shale on Their Chemical Composition]. Khimiya tverdogo topliva [Solid Fuel Chemistry], 2011, no. 5, pp. 11–15.

8.  Baldwin  S.F.  Boimass  Stoves:  Engineering  Desigh,  Development  and

Dissemination. Volunteers in Technical Assistance (VITA). Arlington, 1987. 382 p.

9. Channiwala S.A., Parikh P.P. A Unified Correlation for Estimating HHV of Solid, Liquid and Gaseous Fuels. Fuel, 2002, vol. 81, no. 8, pp. 1051–1063.

10. Friedl A., Padouvas E., Rotter H., Varmuza K. Prediction of Heating Values of Biomass Fuels from Elemental Composition. Analytica Chimica Acta., 2005, vol. 544, pp. 191–198.

11. Gaur S., Reed T.B. Thermal Data for Natural and Synthetic Fuels. New York,

1998. 280 p.

12. Graboski M., Bain R. Properties of Biomass Relevant to Gasification. Biomass

Gasification – Principles and Technology. Ed. by T.B. Reed. New Jersey, 1981, pp. 41–70.

13. Jenkins B.M., Ebelling J.M. Correlation of Physical and Chemical Properties of

Terrestrial Biomass with Conversion. Symposium Energy from Biomass and Waste IX IGT,

1985, p. 371.

14. Jenkins B.M., Ebelling J.M. Physical and Chemical Properties of Biomass Fuels.

Trans. ASAE, 1985, vol. 28, no. 3, pp. 898–902.

15. Jenkins B.M., Ebelling J.M. Thermochemical Properties of Biomass Fuels.

California agriculture, 1985, May–June, pp. 14–16.

16. Sebestyen Z., Lezsovits F., Jakab E., Varhegyi G. Correlation between Heating Values and Thermogravimetric Data of Sewage Sludge, Herdaceous Crops and Wood Samples. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 2012, vol. 110, pp. 1501–1509.

17. Sheng C., Azevedo J.L.T. Estimating the Higher Heating Value of Biomass Fuels from Basic Analysis Data. Biomass and Bioenergy, 2005, vol. 28, no. 5, pp. 499–507.

18. Telmo C., Lousada J., Moreira N. Proximate Analysis, Backwards Stepwise Re- gression between Gross Calorific Value, Ultimate and Chemical Analysis of Wood. Biore- source Technology, 2010, vol. 101, no. 11, pp. 3808–3815.

19. Tillman D.A. Wood as an Energy Resource. New York, 1978. 252 p.

20. Vargas-Moreno J.M., Callejón-Ferre A.J., Perez-Alonso J., Velázquez-Martí B. A Review of the Mathematical Models for Predicting the Heating Value of Biomass Materials. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, vol. 16, pp. 3065–3083.

21. Yin C.-Y. Prediction of Higher Heating Values of Biomass from Proximate and

Ultimate Analyses. Fuel, 2011, vol. 90, pp. 1128–1132.

Received on July 07, 2016