CALORIFIC CAPACITY OF SPRUCE WOOD AFFECTED BY ROTS

Research article
DOI:
https://doi.org/10.60797/JAE.2024.46.13
Issue: № 6 (46), 2024
Suggested:
29.05.2024
Accepted:
18.06.2024
Published:
19.06.2024
143
6
XML
PDF

Abstract

Spruce forests of the Northern taiga region are characterized by a high proportion of trees affected by rots of different stages of development. Some of the wood can be used as firewood in accordance with the standard for roundwood. For rational and complete utilization of wood affected by rot of different stages of development, it is necessary to study its calorific capacity. The article presents the results of studying the calorific value of spruce wood affected by rots of different decomposition stages and different types of decay.

The aim of the work was to determine the calorific capacity of spruce wood affected by wood-destroying fungi, depending on the stage and type of rot. The calorific capacity of spruce wood affected by rot was determined using an automated bomb calorimeter ABK-1V. The calorific value of samples with destructive rot is higher than that of healthy wood and varies from 20467.7 to 22411.6 J/g on average. In samples with corrosive rot, the calorific value tends to be lower than that of healthy wood and ranges from 18579.7 to 20169.2 J/g. Depending on the type and stage of rot, the calorific capacity of affected spruce wood varies significantly. The established parameters of calorific value of spruce wood affected by rot can be used as qualitative characteristics of wood pulp for use as biofuel.

1. Введение

Леса имеют первостепенное значение для накопления биомассы и доступности в качестве источника энергии. Использование биомассы в качестве экологически чистого возобновляемого источника энергии вызывает значительный интерес, о чем свидетельствует тот факт, что на использование биомассы приходится примерно 10-14% мирового потребления энергии

,
,
Биомасса обладает преимуществом перед ископаемым топливом. Топливо из биомассы содержит незначительную концентрацию серы, образует меньше золы и выделяет гораздо меньше выбросов в атмосферу по сравнению с ископаемым топливом
. Это приводит к тому, что ее все чаще используют в различных энергетических технологиях, которые находятся в постоянном развитии
. Для рационального использования древесины необходимы исследования ее физических и химических свойств, а также теплотворной способности.

Дереворазрушающие грибы вызывают разложение древесины, изменяя ее химический состав, влияют на выход целлюлозы и структурно-морфологические свойства волокон целлюлозы

,
. Данные изменения влияют и на теплотворную способность древесины ели, пораженной гнилью. В северотаежных ельниках Архангельской области дереворазрушающие грибы представлены различными видами. Причиной пестрой коррозионой гнили являются дереворазрушающие грибы: корневая губка (Heterobasidion annosum (Fr.) Bref) и еловая губка (Phellinus chrysoloma). Деструктивную трещиноватую гниль вызывают трутовик Швейнитца (Phaeolus schweinitzii) и окаймленный трутовик (Fomitopsis pinicola (Sw.: Fr.)). Для всех видов дереворазрушающих грибов характерно преобладание средней степени декомпозиции древесины. Встречаемость корневой губки в 1 и 2 стадиях развития составила 27%, еловой губки – 48%, трутовика Швейнитца – 23%
.

Учитывая невозможность возобновления ресурсов ископаемого топлива, сокращение площади лесов и ухудшение их состояния, важно проводить исследования, для определения теплотворной способности древесины и факторы, влияющие на данный показатель. Изучение этого вопроса будет способствовать более эффективному использованию низкотоварной древесины в качестве сырья в процессах термической или химической переработки.  

2. Методы и принципы исследования

Образцы древесины ели, пораженной гнилью разных видов и стадий декомпозиции, получены в ходе полевых исследований в северо-таёжном лесном районе Архангельской области европейской части России.

Цель работы – выявление теплотворной способности древесины ели пораженной дереворазрушающими грибами в зависимости от стадии и типа гнили. С повышением влажности теплотворная способность материала значительно уменьшается

, поэтому ее определяли в абсолютно сухом состоянии. Древесину ели пораженной гнилью высушивали в сушильном шкафу при температуре 105 °С в бумажных конвертах. После извлечения из сушильного шкафа горячие конверты помещали в эксикатор с хлористым кальцием. После этого теплотворную способность образцов древесины устанавливали при помощи автоматизированного бомбового калориметра АБК-1В. Образцы массой 1,0…1,2 г сжигали в виде спрессованных таблеток в жаропрочных тиглях из нержавеющей стали. В качестве запала использовали медную проволоку диаметром 0,5 мм.

3. Основные результаты

В среднем хвойные породы обладают более высокой теплотой сгорания по сравнению с лиственными

. Это связано с большим содержанием лигнина и экстрактивных (в первую очередь смолистых) веществ
. Качественный состав этих веществ приблизительно постоянный
. По нашим данным установлено, что теплоемкость здоровой древесины ели без коры, составляет 20067,9 Дж/г. Полученные данные близки к справочным значениям и данным других исследователей 
,
.

В зависимости от влияния дереворазрушающих грибов различают три основные стадии разложения древесины: начальную – которая характеризуется появлением цветных пятен и полос, при этом первоначальную структуру и прочность древесина сохраняет; развитую – которая характеризуется появлением видимых нарушений в структуре древесина еще сохраняет определенную твердость, хотя ее плотность и механические свойства уже сильно снижены; конечную – характеризующуюся появлением мягкости и хрупкости, при полной потери нормальной прочности

.

По структуре и особенностям разрушения клеточных стенок выделяют деструктивный и коррозионный тип гниения древесины. У образцов с деструктивным типом гниения происходит разложение целлюлозы, уменьшается объем древесины, она становится хрупкой, в ней появляются трещины. При коррозионном типе гниения происходит делигнификация древесины. Разложению подвергаются отдельные участки пораженной древесины. Объем древесины при этом типе разрушения практически не уменьшается, но резко снижается ее плотность, она сохраняет определенную пластичность и может расщепляться на волокна

Встречается и смешанный тип гниения – коррозионно-деструктивный, когда ферментативный аппарат грибов в равной мере направлен на разрушение и углеводных, и лигнинных комплексов
. У образцов древесины с разными видами гнили, будет изменяться и их теплотворная способность. Значения теплоемкости древесины ели пораженной деструктивной гнилью различных стадий приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Теплотворная способность древесины ели пораженной гнилью деструктивного типа различных стадий

Тип гнили

Стадия гнили

Теплоемкость, Дж/г

Зольность, %

Q1

Q2

Q3

Q ср

А1

А2

А3

Аср

Здоровая

0

19866,81

20361,68

19975,42

20067,97

0,00

0,00

0,00

0,00

Деструктивная

1

20583,90

20293,20

20526,13

20467,74

0,00

0,00

0,00

0,00

Деструктивная

1

20804,64

20423,09

20292,89

20506,87

0,00

0,00

0,00

0,00

Деструктивная

2

21012,36

21051,28

20674,66

20912,77

0,00

0,00

0,00

0,00

Деструктивная

2

21012,01

20980,41

21117,94

21036,79

0,00

0,00

0,00

0,00

Деструктивная

2

21377,36

21539,91

21298,33

21405,20

0,00

0,00

0,00

0,00

Деструктивная

2

22109,06

21830,35

21952,15

21963,85

0,42

0,10

0,09

0,20

Деструктивная

3

21921,30

22661,49

21875,24

22152,68

0,00

0,00

0,00

0,00

Деструктивная

3

22549,00

21879,00

22261,55

22229,85

0,00

0,00

0,00

0,00

Деструктивная

3

22113,10

22402,11

22713,53

22409,58

0,26

0,10

0,11

0,15

Деструктивная

3

22390,45

22611,41

22233,08

22411,65

0,43

0,36

0,26

0,35

Изменение теплоемкости древесины пораженной деструктивной гнилью в зависимости от стадии гнили представлено на рисунке 1.

Изменение теплоемкости древесины ели с деструктивной гнилью в зависимости от стадии гнили

Рисунок 1 - Изменение теплоемкости древесины ели с деструктивной гнилью в зависимости от стадии гнили

Авторами выявлено, что теплотворная способность образцов древесины ели, пораженной деструктивной гнилью всех стадий выше, чем теплотворная способность образца здоровой древесины ели без коры. Корреляционный анализ позволил зафиксировать высокую связь теплоемкости образцов древесины ели пораженной деструктивной гнилью с повышением стадии гнили (коэффициент корреляции равен 0,93). С повышением стадии декомпозиции деструктивной гнили увеличивается и ее теплотворная способность. В целом воздействие деструктивной гнили вызвало увеличение теплотворной способности древесины ели в среднем на 2343,68 Дж/г. При этом в 1 стадии выше на 419,3 Дж/г, во 2 стадии – на 1261,6 Дж/г, в 3 стадии – на 2232,9 Дж/г. В третьей стадии теплоемкость образцов деструктивной гнили достигает 22411,6 Дж/г. Более высокие значения теплотворной способности у образцов древесины ели с деструктивной гнилью, по сравнению со здоровой древесиной, отмечены и в других исследованиях
.

Содержание золы при сжигании образцов с деструктивной гнилью было низким и составляет в среднем от 0,15% до 0,35% по массе, во 2 и 3 стадии гнили. По данным различных исследователей этот показатель варьирует от 0,32% по массе до 0,73% по массе в древесине ели. При этом зольность выше в лесных остатках до 1,79 % по массе 

, 
.

Значения теплоемкости древесины ели пораженной коррозионной гнилью различных стадий приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Теплотворная способность древесины ели, пораженной гнилью коррозионного типа различных стадий

Тип гнили

Стадия гнили

Теплоемкость [Дж/г]

Зольность, %

Q1

Q2

Q3

Q ср

А1

А2

А3

Аср

Здоровая

0

19866,81

20361,68

19975,42

20067,97

0,00

0,00

0,00

0,00

Коррозионная

1

20001,79

20345,58

19645,90

19997,76

0,00

0,00

0,00

0,00

Коррозионная

1

19872,62

19771,74

19573,72

19739,36

0,00

0,00

0,00

0,00

Коррозионная

2

18066,47

17855,30

19817,62

18579,80

0,00

0,00

0,00

0,00

Коррозионная

2

18738,36

18742,17

18740,57

18740,37

0,00

0,00

0,00

0,00

Коррозионная

2

18721,80

18725,55

18734,12

18727,16

0,00

0,00

0,00

0,00

Коррозионная

3

19775,90

19275,53

19133,10

19394,84

0,54

0,47

0,69

0,57

Коррозионная

3

20722,36

20520,94

19264,35

20169,22

0,43

0,50

1,75

0,89

Коррозионная

3

20081,98

20023,18

19753,57

19952,91

0,00

0,00

0,00

0,00

Коррозионная

3

19565,85

19341,19

19180,09

19362,38

1,43

1,25

1,02

1,24

Коррозионная

3

20389,77

19972,67

19373,82

19912,09

0,53

1,15

0,63

0,77

Изменение теплоемкости древесины пораженной коррозионной гнилью в зависимости от стадии гнили представлено на рисунке 2.

 Изменение теплоемкости древесины ели с коррозионной гнилью в зависимости от стадии гнили

Рисунок 2 - Изменение теплоемкости древесины ели с коррозионной гнилью в зависимости от стадии гнили

По нашим данным установлено, что теплотворная способность образцов древесины ели, пораженной коррозионной гнилью ниже, чем теплотворная способность образца здоровой древесины ели без коры. При этом для образцов древесины в 1 стадии декомпозиции теплотворная способность ниже на 199,4 Дж/г, во 2 стадии – на 1385,53 Дж/г, в 3 стадии – на 309,68 Дж/г. Корреляционный анализ не выявил достоверной связи между стадией коррозионной гнили и ее теплотворной способностью (коэффициент корреляции равен 0,24). Снижение теплотворной способности образцов с коррозионной гнилью может быть связано с тем, что при этом типе гниения разрушается лигнин. Такая же тенденция для древесины ели, пораженной коррозионной гнилью, отмечена и в других исследованиях
.

Содержание золы при сжигании образцов с коррозионной гнилью было средним и составляет от 0,57% до 1,24% по массе, в 3 стадии гниения.

Связь теплотворной способности древесины ели, пораженной различными типами гнилей, со стадиями декомпозиции гнили представлена в таблице 3.

Таблица 3 - Связь теплотворной способности образцов различных типов гнилей со стадией разложения

Тип гнили

Уравнение связи

Коэффициент детерминации

Деструктивная

y = 809,3+19796

0,88

Коррозионная

y = -54,5x+19627

0,06

В результате исследования установлена высокая связь между теплотворной способностью и стадией декомпозиции пораженной древесины для деструктивного типа гнили. Для образцов с коррозионным типом гниения выявлена слабая связь между теплотворной способностью и стадией гнили.

Теплотворной способность для различных частей хвойных пород находится в диапазоне в среднем от 18,500 до 20,500 Дж/г

,
. По нашим данным, теплотворная способность образцов с деструктивным типом гнили начиная со второй стадии превышает представленные показатели. При этом теплотворная способность образцов с коррозионным типом гнили всех стадий разложения варьирует в пределах указанного диапазона.

4. Заключение

В проведенном исследовании установили, что тип и стадия гнили имеют значительное влияние на теплотворную способность древесины. Теплотворная способность образцов с деструктивной гнилью варьирует в пределах в среднем от 20467,74 до 22411,65 Дж/г. При этом во всех стадиях декомпозиции деструктивной гнили теплотворная способность образцов выше, чем у здоровой древесины. У образцов с коррозионной гнилью в целом происходит снижение теплотворной способности. При этом во второй стадии коррозионной гнили зафиксировано снижение теплоемкости образцов до 18579,8 Дж/г. В зависимости от типа и стадии гнили теплотворная способность древесины ели значительно варьирует.

Выявили, что увеличение теплотворной способности древесины ели пораженной гнилью деструктивного типа, по сравнению со здоровой древесиной, имеет высокую корреляционную зависимость с повышением стадии гнили. В то же время теплоемкость древесины ели пораженной гнилью коррозионного типа имеет слабую корреляционную зависимость от стадии гнили. Установленные параметры теплотворной способности древесины ели пораженной гнилью могут использоваться как качественные характеристики древесной массы для использования при производстве биотоплива. Следует отметить недостаточность исследований в данном направлении.

Article metrics

Views:143
Downloads:6
Views
Total:
Views:143