ХАРАКТЕРИСТИКА ТОПЛИВ И СПОСОБЫ ИХ ЗАГОТОВКИ

Древесные чурки

Древесина является наиболее распространенным видом местного твердого топлива.

Общая площадь лесов в России достигает 900 млн. га; запас древесины на этой площади эквивалентен 18 млрд. т условного топлива теплотворностью 7000 ккал/кг.

Древесина состоит из органической (горючей) массы и балласта.

В состав органической массы входят углерод С, водород Н, кислород О и азот N. К балласту топлива относятся зола А^с и гигроскопическая влага W^р

Соотношение между отдельными компонентами органической массы древесины почти не зависит от породы и в среднем составляет (в % по весу):

Низшая теплотворность органической массы равна примерно 4400 ккал/кг. Зольность сухой древесины в, зависимости от породы изменяется от 0,4 до 1 %. Зольность в сучьях и корнях превышает указанное значение (табл. 2).

В корнях содержание золы достигает 5%.

Влажность древесины изменяется в широких пределах. В свежесрубленной древесине содержание влаги достигает 80-110%. Влажность воздушно-сухой древесины составляет 20-25%.

Эти цифры характеризуют абсолютную влажность, которая определяется в процентах как отношение веса влаги к весу абсолютно сухой древесины.

Относительная влажность W_omн (или влажность рабочего топлива W^p) представляет собой отношение веса влаги к весу сырой древесины в процентах.

Допустим, что вес влажной древесины А г, вес древесины после удаления из нее гигроскопической влаги (путем высушивания) Б г, тогда абсолютная влажность (в %)

а относительная влажность

Пересчет абсолютной влажности в относительную и обратно производится по формулам

Количество влаги, содержащейся в древесине, влияет на теплотворность рабочего топлива. Чем выше влажность древесины, тем ниже ее теплотворность (табл. 3).

При сухой перегонке древесины, т. е. при нагревании ее без доступа воздуха, она дает ряд продуктов. В табл. 4 показан процентный состав (по весу) продуктов сухой перегонки, выделяющихся из различных пород древесины.

Взятая для опытов древесина содержала 7—9 % влаги, в результате же сухой перегонки выделилось от 22 до 27% воды. Следовательно, в процессе сухой перегонки образовалось значительное количество химической влаги. Поэтому при газификации даже абсолютно сухой древесины в газогенераторе все же происходят реакции образования водяного газа.

Образующиеся в процессе сухой перегонки древесины побочные продукты (смола, уксусная кислота) вредны для двигателя.

Древесина является прекрасным топливом для транспортных -газогенераторов. Газификация древесины не представляет каких-либо затруднений.

Незначительная зольность древесины и высокая температура плавления золы (более 1400°) не вызывают осложнений при газификации древесины, а высокая реакционная способность древесного угля, который образуется из древесины в процессе сухой перегонки, способствует образованию горючего газа в относительно небольшом по высоте слое топлива.

Важно только, чтобы древесина, употребляемая как газогенераторное топливо в виде чурок определенного размера, имела влажность W_абс не более 22% и давала прочный древесный уголь.

Последнему условию удовлетворяет древесина твердых пород (береза, бук, граб, ясень, клен, вяз, ильм, лиственница). Мягкие породы дерева (ель, осина, ольха, липа, кедр, пихта) дают уголь более слабый, который крошится при транспортировке и при использовании в газогенераторных автомобилях. В этом случае повышается сопротивление слоя топлива проходу газа и требуется более частая чистка зольника газогенератора.

Относительная прочность древесных углей может быть выражена следующими цифрами: береза—1,00, сосна — 0,58, осина — 0,46, ель — 0,43, пихта — 0,39.

Древесина, предназначенная для газификации в автомобильных газогенераторах, должна быть разделана на чурки, т. е. на куски любой формы: по длине от 4 до 7 см, по ширине и толщине от 3 до 6 см. При большем размере чурок затрудняется осадка топлива в бункере (происходит зависание топлива). Разделка древесины на чурки меньших размеров связана с большой затратой времени и увеличивает их стоимость.

В соответствии с ГОСТ 2720-44 «Топливо древесное для газогенераторных автомашин и тракторов» для заготовки чурок может быть использована как ствольная часть дерева, так и сучья толщиной не менее 3 см. Чурки мягких пород можно применять только в смеси с чурками твердых пород (50% мягких пород и 50% твердых пород). Сосновые чурки должны применяться без примеси мягких пород.

В чурках допускаются все пороки древесины (сучковатость, трещины и т. п.) за исключением ситовой, трухлявой и белой гнили.

Сырье заготовляется в виде длинных (2 м и более) или коротких (от 0,5 до 1,75 м) дров.

Длинные дрова (долготье) сначала распиливают на плашки, которые потом разделывают на чурки. Короткие дрова обычно раскалывают на тонкие поленья, которые потом распиливают на чурки.

Разделка сырья на чурки должна производиться, как правило, механизированным путем, т. е. с применением механических пил и колунов или пильно-кольных агрегатов.

Для распиловки бревен применяют балансирные пилы с электроприводом, производительность которых за смену (8-часовой рабочий день) составляет около 8 м³ (плотных).

Для расколки плашек на чурки применяют механизированные колуны самых разнообразных конструкций (Сибирского научно-исследовательского института лесного хозяйства и лесоэксплуатации, Центрального-научно-исследовательского института механизации и энергетики лесной промышленности и др.). Ротационный колун СИБНИИЛХЭ имеет производительность 30 м³ (плотных) за смену. Для расколки круглых дров на поленья служат цепные колуны ЦНИИМЭ, а также колуны Чусовского завода производительностью 80—100 м³ (плотных) за смену.

В настоящее время для разделки древесины на газогенераторное топливо применяют также пильно-кольные агрегаты ЦНИИМЭ. Производительность этих агрегатов составляет 10 м³ (плотных) за смену.

Сушка древесины производится естественным или искусственным путем. Естественная сушка в бревнах занимает от 1¹/₂ до 2 лет.

Сушка дров, сложенных в поленницы, длится от 2 до 4 мес. Чурки, заготовленные из свежесрубленной древесины, обычно сушат на эстакадах (деревянных настилах), на которые они насыпаются слоем в 0,3—0,5 м. Срок сушки чурок от 2 недель до 2 мес. весенне-летнего периода в зависимости от метеорологических условий. Если после естественной сушки влажность чурок превышает 20—22%, то их подсушивают в специальных сушилках передвижного или стационарного типа.

Естественная сушка чурок может быть полностью заменена искусственной сушкой в сушилках. Но искусственная сушка связана с дополнительной затратой рабочей силы, расходом древесины на отопление сушилок (до 30% веса чурок), значительными капиталовложениями и т. п., что значительно увеличивает себестоимость готового топлива.

Так, если себестоимость 1 т чурок естественной сушки принять за 100%, то себестоимость 1 т чурок искусственной сушки составит 180%.

Следовательно, искусственная сушка увеличивает себестоимость чурок почти в 2 раза.

Количество чурок измеряют в насыпных кубических метрах, или же по весу (в килограммах). Вес 1 м³ (насыпного) чурок воздушной сушки может быть принят следующим (в кг):

Объем чурок определяют посредством мерных ящиков или измерением пространства, занимаемого насыпанными чурками.

Древесный уголь

Выжигание угля из древесины не представляет больших затруднений и широко применяется для нужд металлургии и в лесохимической промышленности. Особенно целесообразно выжигать порубочные остатки лесосек, которые так или иначе должны быть уничтожены по законам лесной охраны.

Древесный уголь, обладая высокой реакционной способностью, является одним из лучших видов топлива для транспортных газогенераторов, обеспечивающим наиболее высокие эксплуатационные качества газогенераторных автомобилей. К недостаткам древесного угля следует отнести его малую прочность и большую гигроскопичность.

Древесный уголь может быть получен путем нагревания и разложения древесины без доступа воздуха (сухая перегонка в ретортах) или при ограниченном доступе воздуха (углежжение в ямах, печах, кострах).

Углежжение отличается от сухой перегонки более высокой температурой процесса за счет сгорания части древесины. При этом уголь получается более прочным, с большим содержанием углерода.

В табл. 5 приведены конечные температуры процесса выжига угля и состав угля в зависимости от способа его получения.

Из таблицы видно, что с увеличением температуры выжига выход угля уменьшается за счет уменьшения содержания летучих. Практически при углежжении влажной древесины, имеющей абсолютную влажность 30—35%, выход угля составляет 21—24% веса заложенного сырья. Таким образом, из 1 м³ древесины получается около 70—75 кг древесного угля теплотворностью около 7000 ккал/кг.

Уголь с меньшим содержанием летучих более легкий по весу, трудновоспламеняемый; при газификации он дает менее калорийный газ.

Сухая перегонка древесины в ретортах широко применяется в лесохимическом производстве для добычи смол, скипидара и древесного спирта. Древесный уголь в этом случае является побочным продуктом. Существуют самые разнообразные системы реторт, емкостью от 1¹/₂ до 400 м³. Длительность процесса перегонки в ретортах, включая загрузку и выгрузку, колеблется от 12 час. до 20 дней в зависимости от емкости реторты.

Углежжение в стационарных печах широко применяют в металлургической промышленности. При емкости печей от 50 до 200 м³ процесс углежжения (и охлаждения) длится от 100 до 200 час. в зависимости от объема, влажности и породы древесины.

Наиболее старым и примитивным способом является углежжение древесины в кострах или кучах. Костры устраивают объемом от 20 до 300 м³. Сложенную в костер древесину покрывают сверху угольной мелочью и землей и поджигают. Продолжительность углежжения в кострах составляет от 6—8 дней до нескольких недель в зависимости от объема костра (или кучи) и влажности древесины. Углежжение в кострах — очень трудоемкий процесс и должен производиться опытными углежогами. Поэтому стоимость такого угля выше стоимости печного угля.

В настоящее время получили распространение переносные угле- выжигательные печи. Сырьем для этих печей служат порубочные остатки древесины. При емкости печей 2,5 м.³ за 12 час. выжигается около 150 кг древесного угля. Стоимость угля, полученного в этих печах, значительно ниже чем стоимость угля, полученного в кострах.

Уголь, выжженный из сучьев, по своим качествам не хуже угля, выжженного из ствольной части древесины, но содержит большее количество золы.

Предназначенная для углежжения древесина должна быть предварительно отсортирована по породам, размерам и влажности. Примесей других пород при выжиге должно быть не более 5%.

Выжиг древесного угля для транспортных газогенераторов может быть осуществлен по любому способу, но наиболее качественный уголь дают ретортный и печной способы выжига.

Химический состав печного древесного угля (в % по весу):

В древесном угле для газогенераторных автомобилей не должно быть камней, земли, песка, щепы, опилок и других посторонних примесей, а также головней и недожога. По внешнему виду уголь должен быть плотным и иметь в изломе блестящий черный цвет.

В зависимости от породы исходной древесины древесный уголь в соответствии с ГОСТ 4635-49 «Уголь древесный для газогенераторных автомобилей и тракторов» распределяется на следующие три группы:

1-я группа — береза, бук, граб, ясень, клен, вяз, ильм, дуб и лиственница;

2- я группа — сосна;

3- я группа — осина, ольха, липа, кедр, ель и пихта.

По данным ЦНИИМЭ, механические свойства и насыпной вес древесного угля указанных групп характеризуются следующими показателями (табл. 6).

Для транспортных газогенераторов следует применять угли 1-й и 2-й групп. Угли 3-й группы могут быть использованы только в смеси с углями 1-й группы в количестве не более 50 %. При этом насыпной вес смеси должен быть порядка 160—170 кг/м³.

По содержанию летучих древесный уголь делится на два класса (табл. 7).

Размер кусков древесного угля, применяемого для газогенераторов поперечного процесса газификации, должен быть в пределах 6—20 мм, для других типов газогенераторов—от 21 до 40 мм.

Древесный уголь должен быть расфасован в бумажные крафт-мешки. При хранении древесный уголь должен быть обязательно защищен от атмосферных осадков (дождя, воды, снега) и от пыли.

Если принять стоимость угля, полученного в стационарных печах, за 100%, то стоимость угля, полученного в переносных печах, составит 137%, а в кострах — 250%.

Особенно выгодно использование отходов металлургического древесного угля (размером менее 25 мм). Их стоимость составляет не более 20—25% стоимости крупного древесного угля, получаемого в стационарных печах.

Древесноугольная мелочь может быть с успехом использована для изготовления брикетов. Обладая всеми положительными качествами кускового древесного угля, брикеты лишены его недостатков, так как они не гигроскопичны и более прочны. Большой удельный вес брикетов обеспечивает длительную работу газогенераторного автомобиля на одной заправке бункера.

Древесноугольные брикеты, изготовленные посредством перемешивания со смолой (связующий элемент), прессования, сушки и прокалки древесноугольной массы, должны иметь следующие показатели.

Торф

Торф, как и древесина, является наиболее распространенным топливом. Торф относится к наиболее молодым по геологическому возрасту ископаемым топливам. Он представляет собой продукт полураспада отмерших растений в условиях влажной безвоздушной среды. В естественном виде это весьма влажное и зольное топливо.

По составу горючей массы торф мало отличается от древесины. Состав горючей массы торфа следующий (в % по весу):

Средняя теплотворность горючей массы 5600 ккал/кг.

По месту залегания торфяных болот различают следующие два вида торфа: 1) торф верховых болот, 2) торф низинных болот. Первый вид торфа содержит меньше золы и серы, чем второй. Отдельные его сорта содержат от 2 до 6% золы. Зольность торфа низинных болот достигает 12—15% и выше. Температура плавления золы колеблется в пределах от 1010 до 1500° при среднем ее значении 1200°.

В зависимости от возраста торф разделяется на молодой, средний и старый. Чем старше торф, тем выше степень разложения растительной массы, из которой он образовался, и тем лучше качество торфа.

В зависимости от способа добычи торф подразделяют на резной, машиноформовочный, фрезерный и гидроторф.

Резной торф представляет собой вырезанные и высушенные куски торфяной залежи, сохранившие естественную структуру.

Машиноформовочный торф заготовляется в виде кирпичей, отформованных из перемешанной и уплотненной торфяной массы.

Фрезерный торф добывается при помощи фрезерных машин, которые срезают слой залежи и размельчают его в крошку.

Для получения гидроторфа залежи размывают сильной струей воды при помощи гидромонитора, затем жидкую торфяную массу перекачивают на сушильные поля и после сушки режут на кирпичи.

Для газификации в автомобильных газогенераторах наиболее пригодным является машиноформовочный торф верховых болот, имеющий следующие показатели.

Основными недостатками торфа являются малая механическая прочность, высокая зольность и легкоплавкость золы, вследствие чего при газификации торфа образуется большое количество мелочи и шлака, которые накапливаются в камере газификации газогенератора. Поэтому торфяные газогенераторы должны иметь специальные устройства для удаления из камеры очаговых остатков.

Торфяные брикеты, спрессованные из торфяной мелочи, обладают большой механической прочностью и малой гигроскопичностью. В этом их преимущество перед обыкновенным торфом. Недостатком торфобрикетов является малая термическая прочность. При нагревании брикеты рассыпаются и дают большое количество мелочи. Для газификации торфобрикетов необходимы специальные газогенераторы.

Если торф подвергнуть сухой перегонке, то из него получается кокс — продукт, сходный с древесным углем. Выжиг кокса из торфа производится аналогично выжигу древесного угля из древесины.

В табл. 8 приведены основные данные, по торфу, торфяным брикетам и торфяному коксу.

При зольности не выше 6% торфяной кокс является хорошим топливом для автомобильных газогенераторов, так как он обладает высокой реакционной способностью.

Бурый уголь

Бурый уголь по своему возрасту и содержанию углерода, количество которого повышается с возрастом ископаемого топлива, занимает среднее положение между торфом и каменным углем. Значительные запасы бурых углей в различных районах Советского Союза (в Московской области, на Украине, Урале, в Средней Азии, Сибири и на Дальнем Востоке) обусловливают целесообразность широкого его применения как энергетического топлива, в том числе и для транспортных газогенераторов.

Для газификации в автомобильных газогенераторных установках пригодны только те бурые угли, которые содержат незначительное количество золы (до 10%) и серы (не более 1%).

Более высокое содержание серы недопустимо, так как она переходит в газ в виде различных соединений, вызывающих коррозию деталей газогенераторной установки и двигателя.

В табл. 9 приведены основные показатели пригодных для газификации бурых углей.

Размер кусков бурого угля должен быть равным примерно 50 X 50 X 60 мм.

Газификация бурых углей затруднена вследствие их низкой механической прочности и большой склонности к шлакообразованию. Большим недостатком бурых углей является их свойство распадаться в мелочь и самовозгораться при хранении. Поэтому бурый уголь должен храниться в ямах, накрытых дерном или глиной, или в сараях, где он укладывается штабелями. В этом случае уголь, будучи защищен от воздействия ветра и солнца, почти не подвергается разрушению.

Каменные угли

Каменные угли относятся к группе наиболее старых ископаемых топлив. Самым старым из каменных углей является антрацит. Чем старше каменный уголь, тем больше он содержит углерода и тем меньше в нем летучих. Содержание летучих в каменных углях изменяется в пределах от 30 до 45% для длиннопламенных и газовых углей, от 16 до 30% для паровичных жирных и газовых углей и от 4 до 16% для тощих углей и антрацитов; содержание золы изменяется в пределах от 2 до 30% и выше; содержание серы достигает 5%, но есть сорта, которые содержат не более 1 —1,5% серы.

Высокое содержание серы, золы и летучих, спекаемость некоторых сортов каменного угля, а также невысокая температура плавления золы затрудняют применение этих углей в транспортных газогенераторных установках.

Из всех каменных углей в качестве генераторного топлива наиболее пригодны тощие угли и антрациты с содержанием золы до 7—10% и серы не выше 1—1,5%.

Спекающиеся сорта каменных углей с высоким содержанием летучих непригодны для использования в газогенераторах. Отдельные сорта этих углей с малым содержанием золы и серы можно применять, предварительно подвергнув их процессу полукоксования (сухой перегонке). Выделившиеся при полукоксовании летучие используют для получения искусственного жидкого топлива и других ценных продуктов, а оставшийся полукокс может быть с успехом использован в транспортных газогенераторах. По своим качествам он занимает среднее положение между древесным углем и антрацитом.

В настоящее время в Кузбассе производится полукоксование ленинских углей (Журинский пласт). Согласно ГОСТ 4597-49 «Полукокс каменноугольный для газогенераторных автомобилей и тракторов» полукокс, поставляемый для газогенераторных автомобилей и тракторов, должен иметь следующие показатели.

Полукокс, предназначенный для автомобильных газогенераторных установок, в соответствии с ГОСТ 4597-49 не должен иметь недопала. Его наличие может привести к засмолению впускного трубопровода и клапанов двигателя при прямом или поперечном процессах, обычно применяемых для газификации полукокса.

Как видно из данных, приведенных в табл. 10, отсеивание и отмывка рядового полукокса путем погружения в воду не только понижают до требуемой величины количество летучих за счет удаления недопала, но и значительно снижают зольность топлива.

Кондиционный полукокс имеет насыпной вес порядка 400— 450 кг/м³.

В Донецком бассейне имеются большие запасы антрацита. Антрацит по сравнению с другими видами твердых топлив имеет ряд преимуществ. Он прочен и не гигроскопичен, вследствие чего удобен для транспортировки и хранения. Большой удельный вес антрацита и его высокая теплотворность обеспечивают значительную дальность хода газогенераторных автомобилей при небольших габаритах бункера газогенератора. К числу отрицательных качеств антрацита следует отнести плохую его воспламеняемость, низкую реакционную способность, наличие серы и образование шлака при газификации. Ниже приведена характеристика антрацитов Донского бассейна.

По размеру кусков различают антрациты плитный АП (более 100 мм), крупный орех АК (25—100 мм), мелкий орех AM (13—

25 мм), семечко АС (6—13 мм), зубок АЗ (3—6 мм) и рядовой АРШ (от 0 до 100 мм).

Для транспортных газогенераторов следует использовать антрациты AM и АС. Антрацит в соответствии с ГОСТ 4578-49 «Антрациты для газогенераторных автомобилей и тракторов» должен иметь следующие показатели (табл. 11).

Мелочи (кусков размером менее 6 мм) должно быть не более 5% для антрацита AM (13—25 мм) и не более 8% для антрацита АС (6—13 мм).

ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫЕ АВТОМОБИЛИ
КТН Г.Г.Токарев
1955