Gęstość właściwa cząstek biomasy pochodzenia leśnego o różnych wymiarach i wilgotności pomniejszona o objętość porów wewnętrznych

Transkrypt

1 PROBLEMY INŻYNIERII ROLNICZEJ 216 (IV VI): z. 2 (92) PROBLEMS OF AGRICULTURAL ENGINEERING s Wersja pdf: ISSN Wpłynęło r. Zrecenzowano r. Zaakceptowano r. A koncepcja B zestawienie danych C analizy statystyczne D interpretacja wyników E przygotowanie maszynopisu F przegląd literatury Gęstość właściwa cząstek biomasy pochodzenia leśnego o różnych wymiarach i wilgotności pomniejszona o objętość porów wewnętrznych Kamil ROMAN ABCDEF Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach, Oddział w Warszawie, Zakład Analiz Ekonomicznych i Energetycznych Do cytowania For citation: Roman K Gęstość właściwa cząstek biomasy pochodzenia leśnego o różnych wymiarach i wilgotności pomniejszona o objętość porów wewnętrznych. Problemy Inżynierii Rolniczej. Z. 2 (92) s Streszczenie Gęstość właściwa pomniejszona o objętość porów wewnętrznych (GWZ) analizowanego materiału jest istotnym parametrem w procesach zagęszczania ciśnieniowego surowców roślinnych. Wyniki pomiaru GWZ obrazują strukturę zewnętrzną szkieletu surowca drzewnego. W pracy opisano pomiar GWZ zrębków z sosny pospolitej (Pinus sylvestris L.) przeprowadzony w zwymiarowanym pojemniku z użyciem wody czystej chemicznie. Do ustalenia korelacji między GWZ a mierzonymi parametrami surowca, materiał podzielono w zależności od procentowego udziału wilgotności (1, i 5%) i grup frakcji ( 1, 1 4, 4 8 i 8 16 mm). Średnia wartość GWZ we wszystkich przypadkach wynosiła,84 g cm 3. Za pomocą metody statystycznej wskazano grupę parametrów istotnie wpływających na pomiar gęstości właściwej. W trakcie badań porównano wymiary cząstek i wilgotność surowca z założonym kryterium klasyfikacji w postaci gęstości właściwej. Słowa kluczowe: biomasa, pozostałości zrębowe, gęstość właściwa, analiza wariancji Wstęp Biomasa jest substancją odpadową [GRZYBEK 25; ROMAN 2], dla której podstawową fazą jest masa organiczna. Pozostały skład biomasy uzależniony jest od procentowego udziału wilgotności i zawartości mineralnej [NUREK, ROMAN 214]. Na nieregularność stanu skupienia biomasy wpływają pory zewnątrz- i wewnątrzcząsteczkowe. W przypadku biomasy leśnej, drewno jako główny element składu może magazynować ciecz i powietrze [MALCZEWSKI 199]. Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach, 216

2 Kamil Roman Z uwagi na niejednorodność cząstek, rozdrobnioną masę drzewną trudno jest scharakteryzować pod kątem objętości. Pomiar objętościowy biomasy leśnej nie odzwierciedla rzeczywistej charakterystyki, szczególnie w przypadku wyznaczonej objętości przestrzennej. Zależność objętości przestrzennej do objętości właściwej może być kilkukrotna i wynikać z niejednorodności ułożenia cząstek materiału roślinnego [RO- MAN, ŚWIĘTOCHOWSKI 216]. Gęstość właściwa biomasy leśnej, w porównaniu ze średnią gęstością struktury komórkowej czystego drewna o wartości kg m 3 [KOLLMAN i in. 1968], obrazuje odstępstwa między surowcami. Dodatkowo pomiar gęstości właściwej pozwala oszacować wartość surowca pod kątem ekonomicznym [WIELECHOWSKI, ROMAN 212]. Metoda pomiaru gęstości właściwej materiałów rozdrobnionych o charakterze silnie higroskopijnym za pomocą wody czystej chemicznie nie jest tak dokładna, jak w przypadku metody ciśnieniowej z wykorzystaniem piknometru z gazem. W związku z powyższym zastosowana metoda określa jedynie gęstość właściwą pomniejszona o objętość porów wewnętrznych (GWZ). Obraz wypełnienia porów wewnętrznych oszacować można na podstawie wilgotności w badanym surowcu. Określona wartość GWZ może być parametrem charakteryzującym maksymalną, teoretyczną wartość kompresji materiału w trakcie procesu brykietowania. Zastosowana metoda pomiarowa w prosty sposób dostarcza informacji o zakresie właściwości fizycznych biomasy [RYNKIEWICZ 213], charakteryzując teoretyczną zewnętrzną strukturę szkieletu poszczególnych wymiarów cząstek surowca [RASLAVIČIUS i in. 211; WIE- MANN, WILLIAMSON 212]. Metoda badań Badanie polegało na wypełnieniu cieczą dostępnych szczelin powietrznych materiału w taki sposób, aby odczytując pojemność wypartej wody można było oszacować sumę objętości poszczególnych cząstek analizowanej biomasy. Badanym surowcem były rozdrobnione odpady drzewne z sosny pospolitej (Pinus sylvestris L.), których skład był znacząco nieregularny. W składzie wyszczególnić można było wióry drzewne oraz domieszkę innych odpadów biodegradalnych, takich jak kora czy igliwie. W trakcie pomiaru wartości GWZ surowca brano pod uwagę prawo Archimedesa, mówiące, że objętość wypartego płynu odpowiada rzeczywistej objętości zanurzonego w nim ciała. Analizowaną biomasę pochodzenia leśnego podzielono na grupy o frakcji 1, 1 4, 4 8 i 8 16 mm i wilgotności, i 5%. Luźno usypany surowiec o objętości przestrzennej 2 cm 3 (indywidualnie dla każdej z prób) wsypywano do zlewki zawierającej 4 ml wody. Mieszaninę każdorazowo dociskano sitkiem tak, aby zrębki znalazły się pod powierzchnią lustra wody. Określona, zsumowana objętość poszczególnych cząstek biomasy była podstawą do obliczenia gęstości właściwej, pomniejszonej o objętość porów wewnętrznych. Wartość GWZ, jako iloraz masy ciała do jej objętości rzeczywistej [MOLTEBERG 24], oznaczono, wykorzystując wzór (1): ρgwz (1) cz 86 ITP w Falentach; PIR 216 (IV VI): z. 2 (92) m V

3 Gęstość właściwa cząstek biomasy pochodzenia leśnego o różnych wymiarach... gdzie: ρ GWZ = gęstość właściwa pomniejszona o objętość porów wewnętrznych [g cm 3 ]; m = masa [g]; V cz = suma objętość poszczególnych cząstek biomasy [cm 3 ]. Przygotowane próbki dla każdej grupy frakcji i wilgotności zmierzono w trzech powtórzeniach. Dokładność pomiaru była zależna od odczytu lustra wody, które w niektórych przypadkach mogło być zakłócone drobnymi cząstkami drewna utrzymującymi się na powierzchni cieczy. Wartość GWZ surowca, którą wyznaczono za pomocą wody, określa rzeczywistą gęstość materiału bez uwzględnienia porów wewnętrznych. Według założeń GWZ charakteryzuje teoretyczną granicę sprężystości zagęszczanych zrębek. Współczynnik kompresji surowca wyliczono jako stosunek sumy objętości poszczególnych cząstek materiału do objętości przestrzennej badanej masy. Wyniki badań Analiza wyników badań pozwoliła scharakteryzować poszczególne kombinacje próbek biomasy drzewnej pod kątem gęstości właściwej pomniejszonej o objętość porów wewnętrznych. Zestawienie kombinacji czynników wraz z wartościami charakteryzującymi współczynnik zgęszczenia surowca przedstawia tabela 1. Wartości parametrów poddano badaniom statystycznym metodą analizy wariancji ANOVA. Korelacja umożliwiła wyszczególnienie zachodzącej zależności między wartością GWZ surowca, a badanymi czynnikami w postaci wielkości frakcji i wilgotności materiału. Wpływ analizowanych parametrów na wartość GWZ zaprezentowano na rysunkach 1. i 2. Dalsze opracowanie statystyczne wymagało przeprowadzenia testu funkcjonującego na zasadzie porównań wielokrotnych. Wykonany test Duncana był narzędziem do klasyfikacji poszczególnych czynników na grupy jednorodne [PARLIŃSKA, PARLIŃSKI 211]. Charakterystykę grup jednorodnych dla korelacji czynników i ich kombinacji przedstawiono w tabelach 2., 3. i 4. Analiza statystyczna podzieliła badane grupy frakcji surowca według gęstości właściwej pomniejszonej o objętość porów wewnętrznych do odpowiednich grup jednorodnych. Podział przeprowadzono w zależności od grupy frakcji, wilgotności i ich interakcji. W przypadku pomiaru wpływu wielkości frakcji na wartość GWZ zauważono, że rozdrobniony surowiec o rozmiarach 1 mm, w przeciwieństwie do pozostałych przedziałów frakcji, tworzy indywidualną grupę jednorodną. W pomiarze wpływu wilgotności surowca na wartość GWZ zauważono, że sosnowy materiał zrębowy o wilgotności 5% wyróżniał się na tle innych grup o wartość,1 g cm 3. Zależność interakcji między parametrami długością frakcji i wilgotności surowca do gęstości właściwej pomniejszonej o objętość porów wewnętrznych, wykazywała zróżnicowanie, tworząc cztery grupy jednorodne. ITP w Falentach; PIR 216 (IV VI): z. 2 (92) 87

4 Kamil Roman Tabela 1. Zestawienie kombinacji pomiarów badanego surowca roślinnego Table 1. The summary of measured feedstock sample combination Frakcje Fractions Wilgotność Moisture [%] Masa próbki Sample weight [g] Źródło: wyniki własne. Source: own study. Suma objętości poszczególnych cząstek The sum of individual particles volume [cm 3 ] Gęstość właściwa pomniejszona o objętość porów wewnętrznych The specific density without internal pore volume GWZ [g cm 3 ] Współczynnik kompresji surowca The raw material compression ratio 43,93 4,32 1,9,2 4,72 44,39,92,22 43,19 41,33 1,4,21 43,35 43,51 1,,22 35,5 34,95 1,,17 28,9 31,55,92,2 37,49 39,29,95,2 4,33 47,8,86,24 49,94 43,97 1,14,22 41,2 56,13,73,28 45,3 53,13,85,27 39,32 51,93,76,26 38,16 42,32,9,21 4,75 47,29,86,24 3,37 44,62,68,3 39,39 48,48,81,24 43,34 51,35,84,26 4,18 53,68,75,27 23,39 38,6,61,19 35,59 41,36,86,21 27,78 54,22,51,27 27,59 37,84,73,19 22,46 33,35,67,17 21,7 32,9,68,16 53,34 51,46 1,4,26 32,61 28,34 1,,14 35,9 29,59 1,19, 33,81 53,32,63,27 33,32 55,56,6,28 3,58 54,4,56,27 36,24 57,41,63,29 34,77 52,79,66,26 32,95 46,72,71,23 53,31 58,32,91,29 5,75 54,11,94,27 51,66 48,56 1,6,24 88 ITP w Falentach; PIR 216 (IV VI): z. 2 (92)

5 Gęstość właściwa cząstek biomasy pochodzenia leśnego o różnych wymiarach... GWZ [g cm 3 ] Wilgotność Moisture [%] 5 Frakcje Fractions [mm] Źródło: opracowanie własne. Source: own elaboration. Rys. 1. Wpływ frakcji o poszczególnej wilgotności na wartość GWZ analizowanego surowca Fig. 1. The influence of fractions of individual moisture content on GWZ value GWZ [g cm 3 ] Frakcje Fractions [mm] ; 1) 1; 4) 4; 8) Wilgotność Moisture [%] 8; 16) Źródło: opracowanie własne. Source: own elaboration. Rys. 2. Wpływ wilgotności o poszczególnej frakcji na wartość GWZ analizowanego surowca Fig. 2. The influence of individual moisture content of fractions on GWZ value ITP w Falentach; PIR 216 (IV VI): z. 2 (92) 89

6 Kamil Roman Tabela 2. Grupy jednorodne GWZ w poszczególnych przedziałach frakcji Table 2. The homogeneous groups GWZ for individual group of fractions Frakcje Fractions [mm] Średnia Mean [g cm 3 ] Grupa jednorodna Homogeneous group 1 2 1,99 X 1 4,8 X 4 8,83 X 8 16,75 X Źródło: wyniki własne. Source: own study. Tabela 3. Grupy jednorodne GWZ w poszczególnych pomiarach wilgotności Table 3. The homogeneous groups GWZ for individual moisture Wilgotność Moisture [%] Średnia Mean [g cm 3 ] Grupa jednorodna Homogeneous group 1 2,76 X,77 X 5,97 X Źródło: wyniki własne. Source: own study. Tabela 4. Grupy jednorodne GWZ w interakcji frakcji i wilgotności Table 4. The homogeneous groups GWZ for moisture and fraction interaction Frakcje Fractions [mm] Wilgotność Moisture [%] Źródło: wyniki własne. Source: own study. Podsumowanie Średnia Mean [g cm 3 ] Grupa jednorodna Homogeneous group ,2 X,97 X X 5,98 X,78 X,81 X X 5,8 X,66 X X,69 X X 5 1,12 X,6 X,67 X X 5,97 X X Na podstawie przeprowadzonych badań określono teoretyczne wartości materiałowe, wyznaczając współczynnik kompresji wynikający ze stosunku sumy objętości poszczególnych cząstek surowca do objętości przestrzennej badanego materiału. Zauważono, że objętość przestrzenna biomasy pochodzenia leśnego w rozkładzie 9 ITP w Falentach; PIR 216 (IV VI): z. 2 (92)

7 Gęstość właściwa cząstek biomasy pochodzenia leśnego o różnych wymiarach... naturalnym jest o 75% większa od sumy objętości poszczególnych cząstek. Z analizy statystycznej grup jednorodnych, określającej wpływ parametrów fizycznych na gęstość właściwą można wywnioskować, że wraz ze wzrostem frakcji i wilgotności przydział do grup jednorodnych jest bardziej rozproszony. Oznacza to, że pomiar GWZ z użyciem wody w mniejszych grupach frakcji ( 1 mm), mimo niskiej tolerancji, może wykazywać większą dokładność niż w przypadku pozostałych grup frakcji. Średnia wartość gęstości właściwej biomasy pochodzenia leśnego pomniejszonej o objętość porów wewnętrznych we wszystkich występujących grupach frakcji i wilgotności wynosi,84 g cm 3. Bibliografia GRZYBEK A. 25. Wykorzystanie pelet jako paliwa [The use of pallets as fuel]. Czysta Energia. Nr 6(46) s KOLLMAN F., COTE W Principles of wood science and technology. 1. Solid wood. Berlin, Heidelberg, New York. Springer s MALCZEWSKI J Mechanika materiałów sypkich [Mechanics of granular materials]. Warszawa. Wydaw. PW ss. 7. MOLTEBERG D. 24. Methods for the determination of wood properties, kraft pulp yield and wood fibre dimensions on small wood samples. Wood Science and Technology. Vol. 37 s DOI 1.17/s NUREK T., ROMAN K Effect of mineral matter content on specific density of forest biomass. Annals of Warsaw University of Life Sciences SGGW. Agriculture (Agricultural and Forest Engineering). No. 64 s PARLIŃSKA M., PARLIŃSKI J Statystyczna analiza danych z Excelem. Warszawa. SGGW s RASLAVIČIUS L., GRZYBEK A., DUBROVIN V Bioenergy in Ukraine Possibilities of rural development and opportunities for local communities. Energy Policy. Vol. 39. Iss. 6 s ROMAN K. K., ŚWIĘTOCHOWSKI A X-Ray analysis of biomass wood briquette structure. Agricultural Engineering. Vol. 2. No. 1 s ROMAN M. 2. Compost heap in agrotourism farm as an example of the renewable source of energy. Economic and Regional Studies. Vol. 8. No. 3 s RYNKIEWICZ M Physical and mechanical properties of pellets made of pine tree sawdust with addition of deciduous tree sawdust. Agricultural Engineering. Vol. 17. Iss. 2(143) s WIELECHOWSKI M., ROMAN M The Essence of fair trade and its importance in the world economy. Acta Scientiarum Polonorum. Oeconomia. No. (11)4 s WIEMANN M., WILLIAMSON B Density and specific gravity metrics in biomass research. United States Department of Agriculture, General Technical Report FPL GTR 28 s ITP w Falentach; PIR 216 (IV VI): z. 2 (92) 91

8 Kamil Roman Kamil Roman SPECIFIC DENSITY OF FOREST BIOMASS FOR DIFFERENT PARTICLE SIZE AND MOISTURE CONTENT Summary The analysis of specific density without internal pore volume (GWZ) is an important parameter of feedstock compaction process. The GWZ analysis results may deliver a broad range of physical characteristic of wood raw material. This paper describes the GWZ measurement of wood chips from Scots pine (Pinus sylvestris L.) in the container of normalized size with chemically pure water. Correlation was determined between the GWZ and the measured parameters. During research the feedstock was divided into groups according to moisture (1, and 5%) and fractions ( 1, 1 4, 4 8 and 8 16 mm). The mean value of GWZ for all cases was.84 g cm 3. The statistical method indicated groups of parameters that significantly affecting on GWZ measurement. During the research, the particle size and the material moisture content with GZW was compared. Key words: biomass, forest residues, specific density, analysis of variance Adres do korespondencji: mgr inż. Kamil Roman Instytut Technologiczno-Przyrodniczy Oddział w Warszawie ul. Rakowiecka 32, Warszawa tel ; k.roman@itp.edu.pl 92 ITP w Falentach; PIR 216 (IV VI): z. 2 (92)