Gęstość właściwa cząstek biomasy pochodzenia leśnego o różnych

PROBLEMY INŻYNIERII ROLNICZEJ
Wersja pdf: www.itp.edu.pl/wydawnictwo/pir/
Wpłynęło
Zrecenzowano
Zaakceptowano
07.03.2016 r.
24.03.2016 r.
22.04.2016 r.
A – koncepcja
B – zestawienie danych
C – analizy statystyczne
D – interpretacja wyników
E – przygotowanie maszynopisu
F – przegląd literatury
2016 (IV–VI): z. 2 (92)
s. 85–92
PROBLEMS OF AGRICULTURAL ENGINEERING
ISSN 1231-0093
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. 2016. Gęstość właściwa cząstek biomasy pochodzenia leśnego o różnych wymiarach
i wilgotności pomniejszona o objętość porów wewnętrznych. Problemy Inżynierii Rolniczej. Z. 2 (92) s. 85–92.
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 (10, 15 i 50%)
i grup frakcji (0–1, 1–4, 4–8 i 8–16 mm). Średnia wartość GWZ we wszystkich przypadkach wynosiła 0,84 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 2005; ROMAN 2015], dla której podstawową fazą jest masa organiczna. Pozostały skład biomasy uzależniony jest od
procentowego udziału wilgotności i zawartości mineralnej [NUREK, ROMAN 2014]. 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 1990].
© Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach, 2016
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 [ROMAN, ŚWIĘTOCHOWSKI 2016]. Gęstość właściwa biomasy leśnej, w porównaniu ze
średnią gęstością struktury komórkowej czystego drewna o wartości 1500 kg∙m–3
[KOLLMAN i in. 1968], obrazuje odstępstwa między surowcami. Dodatkowo pomiar
gęstości właściwej pozwala oszacować wartość surowca pod kątem ekonomicznym
[WIELECHOWSKI, ROMAN 2012].
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 2013], charakteryzując teoretyczną zewnętrzną strukturę
szkieletu poszczególnych wymiarów cząstek surowca [RASLAVIČIUS i in. 2011; WIEMANN, WILLIAMSON 2012].
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 0–1, 1–4, 4–8 i 8–16 mm i wilgotności 0, 15 i 50%. Luźno usypany surowiec o objętości przestrzennej 200 cm3 (indywidualnie dla każdej z prób) wsypywano do zlewki zawierającej 400 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 2004], oznaczono,
wykorzystując wzór (1):
ρGWZ 
86
m
Vcz
(1)
© ITP w Falentach; PIR 2016 (IV–VI): z. 2 (92)
Gęstość właściwa cząstek biomasy pochodzenia leśnego o różnych wymiarach...
gdzie:
ρGWZ = gęstość właściwa pomniejszona o objętość porów wewnętrznych [g·cm–3];
m
= masa [g];
Vcz
= suma objętość poszczególnych cząstek biomasy [cm3].
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
2011]. 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 0–1 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 50% wyróżniał się na tle innych grup o wartość 0,1 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 2016 (IV–VI): z. 2 (92)
87
Kamil Roman
Tabela 1. Zestawienie kombinacji pomiarów badanego surowca roślinnego
Table 1. The summary of measured feedstock sample combination
Gęstość właściwa
Współczynnik
Suma objętości
pomniejszona
kompresji
poszczególnych
o objętość porów
Masa próbki
surowca
Wilgotność
cząstek
Frakcje
wewnętrznych
Sample
The raw
Moisture
The sum
Fractions
The specific density
weight
material
[%]
of individual
without internal pore
[g]
compression
particles volume
volume GWZ
3
ratio
[cm ]
–3
[g∙cm ]
43,93
40,32
1,09
0,20
0
40,72
44,39
0,92
0,22
43,19
41,33
1,04
0,21
43,35
43,51
1,00
0,22
0–1
15
35,05
34,95
1,00
0,17
28,90
31,55
0,92
0,20
37,49
39,29
0,95
0,20
50
40,33
47,08
0,86
0,24
49,94
43,97
1,14
0,22
41,02
56,13
0,73
0,28
45,03
53,13
0,85
0,27
0
39,32
51,93
0,76
0,26
38,16
42,32
0,90
0,21
1–4
15
40,75
47,29
0,86
0,24
30,37
44,62
0,68
0,30
39,39
48,48
0,81
0,24
50
43,34
51,35
0,84
0,26
40,18
53,68
0,75
0,27
23,39
38,60
0,61
0,19
0
35,59
41,36
0,86
0,21
27,78
54,22
0,51
0,27
27,59
37,84
0,73
0,19
4–8
15
22,46
33,35
0,67
0,17
21,70
32,09
0,68
0,16
53,34
51,46
1,04
0,26
50
32,61
28,34
1,15
0,14
35,09
29,59
1,19
0,15
33,81
53,32
0,63
0,27
33,32
55,56
0,60
0,28
0
30,58
54,40
0,56
0,27
36,24
57,41
0,63
0,29
8–16
15
34,77
52,79
0,66
0,26
32,95
46,72
0,71
0,23
53,31
58,32
0,91
0,29
50
50,75
54,11
0,94
0,27
51,66
48,56
1,06
0,24
Źródło: wyniki własne. Source: own study.
88
© ITP w Falentach; PIR 2016 (IV–VI): z. 2 (92)
–3
GWZ [g·cm ]
Gęstość właściwa cząstek biomasy pochodzenia leśnego o różnych wymiarach...
Wilgotność
Moisture
[%]
0
15
50
Frakcje Fractions [mm]
Źródło: opracowanie własne. Source: own elaboration.
GWZ [g·cm ]
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
–3
Frakcje
Fractions
[mm]
0; 1)
1; 4)
4; 8)
8; 16)
Wilgotność Moisture [%]
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 2016 (IV–VI): z. 2 (92)
89
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]
0–1
1–4
4–8
8–16
Grupa jednorodna
Homogeneous group
Średnia
Mean
[g·cm–3]
0,99
0,80
0,83
0,75
1
2
X
X
X
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
[%]
0
15
50
Grupa jednorodna
Homogeneous group
Średnia
Mean
[g·cm–3]
0,76
0,77
0,97
1
X
X
2
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]
0–1
1–4
4–8
8–16
Wilgotność
Moisture
[%]
0
15
50
0
15
50
0
15
50
0
15
50
Średnia
Mean
[g·cm–3]
1,02
0,97
0,98
0,78
0,81
0,80
0,66
0,69
1,12
0,60
0,67
0,97
1
Grupa jednorodna
Homogeneous group
2
3
X
X
X
X
X
X
X
X
4
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Źródło: wyniki własne. Source: own study.
Podsumowanie
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
90
© ITP w Falentach; PIR 2016 (IV–VI): z. 2 (92)
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 (0–1 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 0,84 g·cm–3.
Bibliografia
GRZYBEK A. 2005. Wykorzystanie pelet jako paliwa [The use of pallets as fuel]. Czysta Energia.
Nr 6(46) s. 31–33.
KOLLMAN F., COTE W. 1968. Principles of wood science and technology. 1. Solid wood. Berlin,
Heidelberg, New York. Springer s. 1–10.
MALCZEWSKI J. 1990. Mechanika materiałów sypkich [Mechanics of granular materials].
Warszawa. Wydaw. PW ss. 157.
MOLTEBERG D. 2004. 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. 395–410. DOI 10.1007/s00226-003-0204-6.
NUREK T., ROMAN K. 2014. 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. 109–116.
PARLIŃSKA M., PARLIŃSKI J. 2011. Statystyczna analiza danych z Excelem. Warszawa. SGGW
s. 2–3.
RASLAVIČIUS L., GRZYBEK A., DUBROVIN V. 2011. Bioenergy in Ukraine – Possibilities of rural
development and opportunities for local communities. Energy Policy. Vol. 39. Iss. 6
s. 3370–3379.
ROMAN K. K., ŚWIĘTOCHOWSKI A. 2016. X-Ray analysis of biomass wood briquette structure.
Agricultural Engineering. Vol. 20. No. 1 s. 147–154.
ROMAN M. 2015. Compost heap in agrotourism farm as an example of the renewable source of
energy. Economic and Regional Studies. Vol. 8. No. 3 s. 123–130.
RYNKIEWICZ M. 2013. 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. 299–306.
WIELECHOWSKI M., ROMAN M. 2012. The Essence of fair trade and its importance in the world
economy. Acta Scientiarum Polonorum. Oeconomia. No. (11)4 s. 47–57.
WIEMANN M., WILLIAMSON B. 2012. Density and specific gravity metrics in biomass research.
United States Department of Agriculture, General Technical Report FPL–GTR–208 s. 3–4.
© ITP w Falentach; PIR 2016 (IV–VI): z. 2 (92)
91
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 (10, 15 and 50%) and fractions (0–1, 1–4, 4–8 and 8–16
mm). The mean value of GWZ for all cases was 0.84 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, 02-532 Warszawa
tel. 22 542-11-56; e-mail: [email protected]
92
© ITP w Falentach; PIR 2016 (IV–VI): z. 2 (92)