Теплота сгорания древесного топлива

УДК

DOI:

Аннотация

Древесная биомасса является природным ресурсом многоцелевого назначения. Наи-более востребованы в качестве твердого биотоплива древесные гранулы и брикеты, изготавливаемые из отходов переработки древесины и  характеризующиеся высокой энергоемкостью. Теплота сгорания является нормированным показателем качества топлива и основным критерием оценки его энергоэффективности. В работе представлены результаты испытаний 57 различных образцов древесного топлива из хвойных и лиственных пород из всех шести областей Беларуси и Калининградской области Рос-сии, в том числе 18 образцов гранул и 13 брикетов. Для образцов определены влажность, зольность (при температуре 800 °С) и теплота сгорания, измеренная в бомбовых изопериболических калориметрах. Экспериментальные значения высшей теплоты сгорания в пересчете на абсолютно сухое состояние составили, МДж/кг: 19,4…21,2 – для древесины c естественным содержанием коры; 18,9…23,6 – для коры (в том числе для коры березы – 23,6); 20,8±0,5 – для хвойных пород (в том числе для сосны – 20,9±0,3); 20,0±0,7 – для лиственных пород (в том числе для ольхи и осины – 19,9±1,0). Анализ литературных и экспериментальных данных позволяет реко-мендовать к использованию значения высшей теплоты сгорания, МДж/кг: для древесного топлива неустановленного происхождения – 19,8 (с погрешностью ±10,0 % и вероятностью 95 %); для топлив из лиственных и хвойных пород – соответственно 19,6 и 20,5 (с погрешностью ±5,0 %). Наиболее оправдано использование рекомендованных значений для оценки энергоэффективности необлагороженных видов древесного топлива (дрова, щепа) с содержанием воды 30 % и более. Погрешность такой оценки для топлива в рабочем состоянии по сравнению с погрешностью рекомендованных значений на абсолютно сухое состояние пропорционально снижается с увеличением содержания воды в топливе. Максимальная погрешность экспериментального определения теплоты сгорания древесного топлива составляет ±1,5 % при вероятности 95 %. Целесообразность применения расчетных процедур для оценки теплоты сгорания по составу (элементному, компонентному и т. д.) определяется расхождением между расчетными и экспериментальными значениями, величина которого для древесного топлива не должна превышать 2,5 % при вероятности 90 %. 

Сведения об авторах

Ю.В. Максимук¹, канд. хим. наук, доц.

Д.А. Пономарев², д-p хим. наук, проф.

В.Н. Курсевич¹, науч. сотр.

В.В. Фесько¹, мл. науч. сотр.

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

² Санкт-Петербургский государственный лесотехнический университет им. С.М. Кирова, Институтский пер., д. 5, Санкт-Петербург, Россия, 194021;

е-mail: dponоmarev1@mail.ru

Ключевые слова

Для цитирования

Максимук Ю.В., Пономарев Д.А., Курсевич В.Н., Фесько В.В. Теплота сгорания древесного топлива // Лесн. журн. 2017. № 4. С. 116–129. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.4.116

Литература

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

1. Асеева Р.М., Серков Б.Б., Сивенков А.Б. Горение древесины и ее пожароопасные свойства: моногр. М.: Акад. ГПС МЧС России, 2010. 262 с.

2. Белосельский Б.С., Барышев В.И. Низкосортные энергетические топлива: особенности подготовки и сжигания. М.: Энергоатомиздат, 1989. 136 с.

3. Боровиков А.М., Уголев Б.Н. Справочник по древесине. М.: Лесн. пром-сть, 1989. 296 с.

4. Воробьев Л.И., Грищенко Т.Г., Декуша Л.В. Бомбовые калориметры для определения теплоты сгорания топлива // Инж.-физ. журн. 1997. Т. 70, № 5. С. 828–839.

5. Головков С.И., Коперин И.Ф., Найденов В.И. Энергетическое использование древесных отходов. М.: Лесн. пром-сть, 1987. 224 с.

6. Добрынин Ф.Д., Карелин А.И., Кострикин Ю.М. и др. Котельные установки Т. 1. Рабочие тела и процессы котельной установки. Топочные устройства / под ред. М.В. Кирпичева, Э.И. Ромма, Т.Т. Усенко. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1941. 280 с.

7. Кузьмина Р.И., Штыков С.Н., Иванова Ю.В., Панкин К.Е. Оценка теплоты сгорания биотоплива на основе экстрактивных веществ из древесных отходов // Химия и технология топлив и масел. 2009. № 6. C. 40–42.

8. Максимук Ю.В., Фесько В.В., Васаренко И.В., Дубовик В.Г. Метрологическое обеспечение измерений теплоты сгорания твердых и жидких топлив // Приборы и методы измерений. 2014. № 2(9). С. 67–74.

9. Нормы теплового расчета котельного агрегата. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1952. 176 с.

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

11. Рябчук В.П., Юскевич Т.В., Гриб В.М. Физические свойства древесины видов рода сосна // Лесн. журн. 2013. № 5. С. 160–169. (Изв. высш. учеб. заведений).

12. Серков Б.Б., Сивенков А.Б., Тхань Б.Д., Асеева Р.М. Тепловыделение при горении древесины // Вестн. МГУЛ–Лесн. вестн. 2003. № 5(30). С. 74–79.

13. Степанов В.С., Степанова Т.Б., Старикова Н.В. Оценка теплотехнических характеристик древесного топлива // Системы. Методы. Технологии. 2015. № 1(25).
С. 117–123.

14. Фенгел Д., Вегенер Г. Древесина (химия, ультраструктура, реакции). М.: Лесн. пром-сть, 1988. 512 с.

15. Abe F. Calorific Value of Japanese Coniferous Wood // Forest Products Chemistry. 1986. Vol. 36. Pp. 91–100.

16. Baldwin S.F. Biomass Stoves: Engineering Design, Development, and Dissemination. Arlington, USA, 1987. 382 p.

17. Bhatt B.P., Tomar J.M.S. Firewood Properties of Some Indian Mountain Tree and Shrub Species // Biomass and Bioenergy. 2002. Vol. 23, no. 4. Pp. 257–260.

18. Bobkova K.S., Tuzhilkina V.V. Carbon Concentrations and Caloric Value of
Organic Matter in Northern Forest Ecosystems // Russian Journal of Ecology. 2001. Vol. 32, no. 1. Pp. 63–65.

19. Brown H.P., Panshin A.J., Forsaith C.C. Textbook of Wood Technology. Vol. 2. New York, USA, 1952. 783 p.

20. Corder S.E. Properties and Uses of Bark as an Energy Source. Corvallis, Oregon, USA, 1976. 21 р.

21. Ebeling J.M., Jenkins B.M. Physical and Chemical Properties of Biomass Fuels // Trans. ASAE. 1985. Vol. 28(3). Pp. 898–902.

22. Eberhard A.A. Firewood Calorific Value in South Africa // South African Forestry Journal. 1990. Vol. 152. Pp. 17–20.

23. Erakhrumen A.A. Estimating the Extent of Influence of Two Intrinsic Fuelwood Properties on Acceptance / Retention of Some Wood Species in Agroforestry Practices in Southwest Nigeria // Drvna Industrija. 2009. Vol. 60(4). Pp. 209‒218.

24. Friedl A., Padouvas E., Rotter H., Varmuza K. Prediction of Heating Values of Biomass Fuel from Elemental Composition // Analytica Chimica Acta. 2005. No. 544. Pp. 191–198.

25. Gaur S., Reed T.B. Thermal Data for Natural and Synthetic Fuels. New York, USA, 1998. 280 p.

26. Harker A.P., Sandels A., Burley J. Calorific Values for Wood and Bark and a Bibliography for Fuelwood. Report No. G162. Tropical Products Institute. London, UK, 1982. 20 p.

27. Hough W.A. Caloric Value of Some Forest Fuels of the Southern United States // USDA Forest Service. Southeastern Forest Experiment Station. Research Note SE-120. Asheville, NC, USA, 1969. 6 p.

28. Howard E.T. Heat of Combustion of Various Southern Pine Materials // Wood Science. 1973. Vol. 5, no. 3. Pp. 194–197.

29. Kumar N.J.I., Kumar R.N., Patel K., Kumar Bhoi R. An Assessment of Indian Fuel Wood with Regards to Properties and Environmental Impact // Asian J. Energy and Environment. 2009. Vol. 10(2). Pp. 99–107.

30. Lamers J.P.A., Khamzina A. Fuelwood Production in the Degraded Agricultural Areas of the Aral Sea Basin, Uzbekistan // Bois et Forets des Tropiques. 2008. No. 297(3). Pp. 47–57.

31. Nasser R.A., Aref I.M. Fuelwood Сharacteristics of Six Acacia Species Growing Wild in the Southwest of Saudi Arabia as Affected by Geographical Location. BioResources, 2014. no. 9(1). Pp. 1212–1214.

32. Nunez-Requeira L., Rodrguez-Anon J.A., Proupn-Castineiras J., Vilanova-Diz A., Montero-Santovena N. Determination of Calorific Values of Forest Waste Biomass by Static Bomb Calorimetry // Thermochimica Acta. 2001. Vol. 371(1). Pp. 23–31.

33. Puri S., Singh S., Bhushan B. Evaluation of Fuelwood Quality of Indigenous and Exotic Tree Species of India’s Semiarid Region // Agroforestry Systems. 1994. Vol. 26(2).
Pp. 123–130.

34. Reid A.M., Robertson K.M. Energy Content of Common Fuels in Upland Pine Savannas of the South-Eastern US and Their Application to Fire Behaviour Modelling // International Journal of Wildland Fire. 2012. Vol. 21(5). Pp. 591‒595.

35. Senelwa K., Sims R.E.H. Fuel Characteristics of Short Rotation Forest Biomass // Biomass and Bioenergy. 1999. Vol. 17(2). Pp. 127–140.

36. Sheng Ch., Azevedo J.L.T. Estimating the Higher Heating Value of Biomass Fuels from Basic Analysis Data // Biomass and Bioenergy. 2005. Vol. 28(5). Pp. 499–507.

37. Singh T., Kostecky M.M. Calorific Value Variations in Components of 10 Canadian Tree Species // Can. J. For. Res. 1986. Vol. 16(6). Pp. 1378–1381.

38. Telmo C., Lousada J. Heating Values of Wood Pellets from Different Species // Biomass and Bioenergy. 2011. Vol. 35(7). Pp. 2634–2639.

39. White R.H. Effect of Lignin Content and Extractives on the Higher Heating Value of Wood // Wood and Fiber Science. 1987. Vol. 19(4). Pp. 446–452.

40. Zeng W., Tang S., Xiao Q. Calorific Values and Ash Contents of Different Parts of Masson Pine Trees in Southern China // Journal of Foresty Research. 2014. Vol. 25(4). Pp. 779–786.

Поступила 09.09.16

Ссылка на английскую версию:

UDC 662.63

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.4.116

Calorific Value of Wood Fuel

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

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

V.N. Kursevich¹, Research Officer

V.V. Fes’ko¹, Research Assistant

¹Research Institute for Physical Chemical Problems of the Belarusian State University, ul. Leningradskaya, 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

Wood biomass is a natural resource of the multi-purpose use. Wood pellets and briquettes produced from waste products of wood processing are characterized by high energy intensity and are most demanded as solid biofuel. The calorific value is a control parameter of fuel quality and a basic criterion for assessing its energy efficiency. The paper presents the test results for 57 various samples (including 18 samples of pellets and 13 samples of briquettes) of wood fuel from coniferous and deciduous species from 6 areas of Belarus and the Kaliningrad region of Russia. For all samples the moisture content, ash content (at a temperature of 800 °С) and calorific value measured in bomb isoperibolic calorimeters are determined. The experimental values of the highest calorific value in terms of BDH are (mJ/kg): 19.40…21.20 ‒ for wood with natural bark content; 18.9...23.6 ‒ for bark; 20.8±0,5 ‒ for coniferous species (including pine ‒ 20.90±0.30); 20.0±0.7 ‒ for hardwood (including alder and aspen ‒ 19.90±1.00; for birch bark ‒ 23.6). The analysis of literature and experimental data allows us to recommend the gross CV values for wood fuel of unknown origin – 19.8 (with an accuracy of ±10 % and probability of 95 %); for fuels from deciduous and coniferous species – 19.6 and 20.5, respectively (with an accuracy of ±5 %). The use of the recommended values for the energy efficiency assessment of non-purified types of wood fuel (firewood, chips) with a water content of
30 % and more is most justified. The error of such estimate for fuel in operating condition compared with the error of the BDH recommended values is proportionally reduced with the increasing of water content in fuel. The maximum error of the experimental determination of calorific value for wood fuel is ±1,5 % at probability of 95 %. The expediency of calculation procedures for calorific value estimating by composition (ultimate, blend, etc.) is defined by the discrepancy between the calculated and experimental values, which, in our opinion, for wood fuel should not exceed 2.5 %, with a probability of 90 %.

Keywords: higher calorific value, wood fuel, energy efficiency assessment, wood pellet and briquette, non-purified fuel type. 

References

1. Aseeva R.M., Serkov B.B., Sivenkov A.B. Gorenie drevesiny i ee pozharoopasnye svoystva: monogr. [Combustion of Wood and Its Fire-Hazardous Properties]. Мoscow, 2010. 262 p.

2. Belosel'skiy B.S., Baryshev V.I. Nizkosortnye energeticheskie topliva: osobennosti podgotovki i szhiganiya [Low-Grade Energy Fuels: Features of Preparation and Сombustion]. Moscow, 1989. 136 p.

3. Borovikov A.M., Ugolev B.N. Spravochnik po drevesine [Handbook of Wood]. Мoscow, 1989. 296 p.

4. Vorob'ev L.I., Grishchenko T.G., Dekusha L.V. Bombovye kalorimetry dlya opredeleniya teploty sgoraniya topliva [Review Bomb Calorimeters for Determination of the Specific Combustion Heat of Fuels]. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal [Journal of Engineering Physics and Thermophysics], 1997, vol. 70, no. 5, pp. 828‒839.

5. Golovkov S.I., Koperin I.F., Naydenov V.I. Energeticheskoe ispol'zovanie drevesnykh otkhodov [Energy Use of Wood Waste]. Мoscow, 1987. 224 p.

6. Dobrynin F.D., Karelin A.I., Kostrikin Yu.M. et al. Kotel'nye ustanovki. T. 1. Rabochie tela i protsessy kotel'noy ustanovki. Topochnye ustroystva [Boiler Installations.
Vol. 1. Working Bodies and Boiler Plant Processes. Burning Installations]. Ed. by
M.V. Kirpichev, E.I. Romm, T.T. Usenko. Мoscow; Leningrad, 1941. 280 p.

7. Kuz'mina R.I., Shtykov S.N., Ivanova Yu.V., Pankin K.E. Otsenka teploty sgoraniya biotopliva na osnove ekstraktivnykh veshchestv iz drevesnykh otkhodov [Estimating the Biofuel Combustion Heat on the Basis of Extracted Substances from Wooden Wastes]. Khimiya i tekhnologiya topliv i masel [Chemistry and Technology of Fuels and Oils], 2009, vol. 45, no. 6, pp. 40‒42.

8. Maksimuk Yu.V., Fes'ko V.V., Vasarenko I.V., Dubovik V.G. Metrologicheskoe obespechenie izmereniy teploty sgoraniya tverdykh i zhidkikh topliv [Metrological Provision for Measurements of Calorific Value of Solid and Liquid Fuels]. Pribory i metody izmereniy [Devices and Methods of Measurements], 2014, no. 2(9), pp. 67–74.

9. Normy teplovogo rascheta kotel'nogo agregata [Norms of Thermal Calculation of the Boiler Unit]. Мoscow; Leningrad, 1952. 176 p.

10. Ravich M.B. Effektivnost' ispol'zovaniya topliva [Fuel Efficiency]. Moscow, 1977. 344 p.

11. Ryabchuk V.P., Yuskevich T.V., Grib V.M. Fizicheskie svoystva drevesiny vidov roda sosna [Physical Properties of Pine Wood]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2013, no. 5, pp. 160–169.

12. Serkov B.B., Sivenkov A.B., Tkhan' B.D., Aseeva R.M. Teplovydelenie pri gorenii drevesiny [Heat Emission at Wood Combustion]. Vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo universiteta lesa – Lesnoy vestnik [Moscow State Forest University Bulletin – Lesnoy Vestnik], 2003, no. 5(30), pp. 74–79.

13. Stepanov V.S., Stepanova T.B., Starikova N.V. Otsenka teplotekhnicheskikh kharakteristik drevesnogo topliva [Evaluating Burning Characteristics of Wood Fuels]. Sistemy. Metody. Tekhnologii [Systems. Methods. Technologies], 2015, no. 1(25), pp. 117–123.

14. Fengel D., Wagener G. Wood ‒ Chemistry, Ultrastructure, Reactions. Berlin; New York, 1984. 613 p.

15. Abe F. Calorific Value of Japanese Coniferous Wood. Forest Products Chemistry, 1986, vol. 36, pp. 91–100.

16. Baldwin S.F. Biomass Stoves: Engineering Design, Development, and Dissemination. Arlington, USA, 1987. 382 p.

17. Bhatt B.P., Tomar J.M.S. Firewood Properties of Some Indian Mountain Tree and Shrub Species. Biomass and Bioenergy, 2002, vol. 23, no. 4, pp. 257–260.

18. Bobkova K.S., Tuzhilkina V.V. Carbon Concentrations and Caloric Value of Organic Matter in Northern Forest Ecosystems. Russian Journal of Ecology, 2001, vol. 32, no. 1, pp. 63–65.

19. Brown H.P., Panshin A.J., Forsaith C.C. Textbook of Wood Technology. Vol. 2. New York, USA, 1952. 783 p.

20. Corder S.E. Properties and Uses of Bark as an Energy Source. Corvallis, Oregon, USA, 1976. 21 р.

21. Ebeling J.M., Jenkins B.M. Physical and Chemical Properties of Biomass Fuels. Trans. ASAE, 1985, vol. 28(3), pp. 898–902.

22. Eberhard A.A. Firewood Calorific Value in South Africa. South African Forestry Journal, 1990, vol. 152, pp. 17–20.

23. Erakhrumen A.A. Estimating the Extent of Influence of Two Intrinsic Fuelwood Properties on Acceptance / Retention of Some Wood Species in Agroforestry Practices in Southwest Nigeria. Drvna Industrija, 2009, vol. 60(4), pp. 209‒218.

24. Friedl A., Padouvas E., Rotter H., Varmuza K. Prediction of Heating Values of Biomass Fuel from Elemental Composition. Analytica Chimica Acta, 2005, no. 544, pp. 191–198.

25. Gaur S., Reed T.B. Thermal Data for Natural and Synthetic Fuels. New York, USA, 1998. 280 p.

26. Harker A.P., Sandels A., Burley J. Calorific Values for Wood and Bark and a Bibliography for Fuelwood. Report No. G162. Tropical Products Institute. London. UK, 1982. 20 p.

27. Hough W.A. Caloric Value of Some Forest Fuels of the Southern United States. USDA Forest Service. Southeastern Forest Experiment Station. Research Note SE-120. Asheville, NC, USA, 1969. 6 p.

28. Howard E.T. Heat of Combustion of Various Southern Pine Materials. Wood Science, 1973, vol. 5, no. 3, pp. 194–197.

29. Kumar N.J.I., Kumar R.N., Patel K., Kumar Bhoi R. An Assessment of Indian Fuel Wood with Regards to Properties and Environmental Impact. Asian J. Energy and Environment, 2009, vol. 10(2), pp. 99–107.

30. Lamers J.P.A., Khamzina A. Fuelwood Production in the Degraded Agricultural Areas of the Aral Sea Basin, Uzbekistan. Bois et Forets des Tropiques, 2008, no. 297(3), pp. 47–57.

31. Nasser R.A., Aref I.M. Fuelwood Сharacteristics of Six Acacia Species Growing Wild in the Southwest of Saudi Arabia as Affected by Geographical Location. BioResources, 2014, no. 9(1), pp. 1212–1214.

32. Nunez-Requeira L., Rodrguez-Anon J.A., Proupn-Castineiras J., Vilanova-Diz A., Montero-Santovena N. Determination of Calorific Values of Forest Waste Biomass by Static Bomb Calorimetry. Thermochimica Acta, 2001, vol. 371(1), pp. 23–31.

33. Puri S., Singh S., Bhushan B. Evaluation of Fuelwood Quality of Indigenous and Exotic Tree Species of India’s Semiarid Region. Agroforestry Systems, 1994, vol. 26(2),
pp. 123–130.

34. Reid A.M., Robertson K.M. Energy Content of Common Fuels in Upland Pine Savannas of the South-Eastern US and Their Application to Fire Behaviour Modelling. International Journal of Wildland Fire, 2012, vol. 21(5), pp. 591‒595.

35. Senelwa K., Sims R.E.H. Fuel Characteristics of Short Rotation Forest Biomass. Biomass and Bioenergy, 1999, vol. 17(2), pp. 127–140.

36. Sheng Ch., Azevedo J.L.T. Estimating the Higher Heating Value of Biomass Fuels from Basic Analysis Data. Biomass and Bioenergy, 2005, vol. 28(5), pp. 499–507.

37. Singh T., Kostecky M.M. Calorific Value Variations in Components of 10 Canadian Tree Species. Can. J. For. Res., 1986, vol. 16(6), pp. 1378–1381.

38. Telmo C., Lousada J. Heating Values of Wood Pellets from Different Species. Biomass and Bioenergy, 2011, vol. 35(7), pp. 2634–2639.

39. White R.H. Effect of Lignin Content and Extractives on the Higher Heating Value of Wood. Wood and Fiber Science, 1987, vol. 19(4), pp. 446–452.

40. Zeng W., Tang S., Xiao Q. Calorific Values and Ash Contents of Different Parts of Masson Pine Trees in Southern China. Journal of Foresty Research, 2014, vol. 25(4),
pp. 779–786.

Received on September 09, 2016 

For citation: Maksimuk Yu.V., Ponomarev D.A., Kursevich V.N., Fes’ko V.V. Calorific Value of Wood Fuel. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2017, no. 4, pp. 116–129. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.4.116