Хемијске карактеристике остатака дрвета

Дрво у апсолутно сувом стању састоји се од угљеника, водоника и кисеоника. Осим ових основних елемената у састав дрвета у мањем проценту улазе азот, сумпор као и микроелементи, који су основни састојци пепела добијеног након сагоревања дрвета. Елементарни хемијски састав дрвета зависи од: врсте дрвета, старости, дела дрвета одакле се узима узорак и сл.

Елементарни хемијски садржај угљеника, кисеоника и водоника најзаступљенијих врста дрвећа у Војводини је:: буква   48,5%, 45,2%, 6,4%, храст 49,4%, 44,5%, 6,1%, топола 49,7%, 44,0%, 6,3%, јела 50%, 43,6%, 6,4% и смрека 49,6%, 44,0%, 6,4%. 

У дрвету се угљеник (Ц), водоник (Х) и кисеоник (О) налазе пре свега у оквиру угљоводоничних једињења. Водоник, чији је присуство утврђено елементарном анализом, поред тога што улази у састав присутне влаге, спојен је са кисеоником, у оквиру угљоводоничних једињења, у хидроксилне групе (ОХ). Такође, део кисеоника је хемијски везан за угљеник, односно азот (Н), а део је у слободном стању. 

Основне компоненте које чине структуру дрвета су целулоза, хемицелулоза и лигнин. Дрво садржи и мале количине екстрактивних материјала, које могу имати великог утицаја на топлотну вредност и гориве карактеристике дрвета. Процентуално учешће поменутих компоненти у дрвној супстанци мења се од врсте до врсте, али и за различите делове стабла које се анализира. У сувом дрвету лишћара целулоза просечно учествује са 43 – 45%, лигнин са 19 – 26%, хексозани 3 – 6% и пентозани 21 – 26%. Код четинара целулозе има више, тј. између 53 – 54%, лигнина 26 – 29%, хексозана 13% и мање пентозана, тј.   10 – 12%.

Стварни енергетски ефекти, који би се добили сагоревањем дрвета, су увек мањи од енергетског потенцијала и зависе од вишег фактора. На првом месту је свакако садржај влаге потенцијалног биогорива. Топлотни потенцијал дрвета директно зависи од његовог садржаја влаге. Дрвени отпадак из процеса прераде може имати:

-   спољашњу влагу, ако је лежало у води, или заливано водом, снегом или ледом. Ова влага се одстрањује отапањем и цеђењем. Обично се примењује цеђење под дејством силе гравитације.

-  сопствену влагу, у којој разликујемо воду у порама ћелија, тзв. слободну воду и воду хигроскопно везану за зидове ћелије, тзв. везану воду. Сопствена влага се отклања природним или индустријским (вештачким) сушењем. Обе врсте сушења имају своје предности и мане. Основне мане су код природног сушења време потребно за сушење, а код индустријског сушења велики је утрошак енергије. Коначна влажност дрвета, до које се дрво суши, зависи од места његовог даљег коришћења.

 У науци о дрвету је уобичајено да се релативно учешће влаге (тзв. влажност) у дрвету рачуна у односу на апсолутно суву материју:

в = 100 (Мвл - Мо)/Мо         (%)

  где су: в – влажност дрвета, у процентима;      

      Мв  - маса влажног дрвета, у килограмима;

      Мо  - маса апсолутно сувог дрвета осушеног на температури од 103 оС, у килограмима.

Влажност насталог отпатка зависи од врсте и фазе процеса у коме је настао, односно од влажности сировине у тренутку обраде:

Влажност шумских остатака се креће између 40% и 60%;

У пилани остаци имају влажност која одговара влажности трупаца и креће се између 40 % и 50 %;

Фурнирски остаци имају влажност :

- у фази мокрог третмана 60% до 70% и       

- у фази сувог третмана 8% до 10%;     

Остаци при изради плоча иверица имају влажност од 7% до 9%;

Остаци у финалној преради имају влажност :

- у производњи намештаја од 6% до 9% и       

- у производњи грађевинске столарије око 12%;     

У хемијској преради дрвета влажност износи :

- у механичкој припреми између 40% и 50% и     

- после прања и корања, а након цеђења влажност коре може бити и преко 100%. 

Енергетске карактеристике остатака дрвета   

Основне енергетске карактеристике дрвета су: топлотна моћ, садржај волатила (испарљивих састојака дрвета), Во/К (однос масеног учешћа волатила и коксног остатака), количина и састав пепела, густина и садржај влаге, тј. влажност дрвета, као релативни масени однос, обично изражен у процентима.

 

Употребна вредност дрвета као горива може се проценити уколико је измерена или израчуната његова горња топлотна моћ на основу хемијског састава дрвета. Горња топлотна моћ ксилема и коре неких домаћих врста дрвета су: буква 18,82 и 18,00 МЈ/кг, храст 18,36 и 19,70 МЈ/кг, црна топола 17,26 и 19,70 МЈ/кг, смрека 19,66 и 21,20 МЈ/кг, јела 19,46 и 21,00 МЈ/кг и бор 21,21 и 20,62 МЈ/кг,

Из наведених података се види да се горња топлотна моћ дрвета (у апсолутно сувом  стању) разликује од врсте до врсте. Ове разлике су у корелацији са учешћем основних компоненти и екстрактивних материја у структури дрвета. Опште узевши, четинари имају већу топлотну моћ од лишћара што зависи од количине смоластих материја у дрвету.

Горња топлотна моћ дрвета (Ег) може се довољно тачно израчунати, када знамо елементарни хемијски састав дрвета, уз помоћ посебно прилагођене једначине.

  Ег = 340 Ц + 1.420,5 (Х – О/10), (кЈ/кг)   

где су: Ц , Х и О – процентуална масени удели угљеника, водоника и кисеоника у апсолутно сувом стању дрвета. 

Класични образац немачког стручног удружења ВДИ-а је модификован и уместо броја 8 (како је то у основном обрасцу) у горњој једначини уврштен је делилац 10, због сједињавања кисеоника са угљеником, водиником и азотом. 

Дрво повећане влажности има нижу топлотну моћ и мању ефикасност при сагоревању. Влага при сагоревању представља некористан састојак који додатно смањује топлотну моћ дрвета. Део топлоте ослобођене сагоревањем дрвета користи се за испаравање влаге и прегревање водене паре до вредности температуре у ложишту. У ложишту котла троши се приближно 2.500 кЈ/кг за испаравање воде и нешто мања количина топлоте за њено прегревање. На ову количину ослобођене воде треба додати и воду насталу сагоревањем водоника из горива. На све ово треба додати и топлоту која је потребна за ослобађање везане воде из дрвета. Овај губитак, према Дунлапу, износи 314 кЈ по килограму испарене воде.

Доња топотна моћ горива (Ед) реалније одражава енергетски потенцијал горива. Једначина за доњу топотну моћ дрвета, која узима у обзир све наведене губитке гласи:

Ед = (Ег - 2500 (в + 9Х)/100) (100/100 + в)     (МЈ/кг)

 где су:  в – влажност дрвета, у процентима;    

      Х - масено учешће водоника у елементарном хемијском саставу дрвета, у процентима, 

Надаље, дати су подаци о количини топлоте која се реално може искористити из масе од 1 кг дрвета за различите садржаје влажности. При томе су узети у обзир и влажност дрвета и одговарајући степен искоришћења ложишта при сагоревању дрвета. Тако на пример, за садржај влажности у дрвету 0, 10, 40, и 70% имамо горњу топлотну моћ 19,8, 17.8. 14,5 и 12 МЈ/кг, респективно. За степен искориштавања ложишта 80, 78, 74 и 72%, може да се добије корисна топлота од 15,8, 13,9, 12,1 и 8,6 МЈ/кг, респективно.

Испарљиви састојци у дрвету (волатили) су углавном лакши угљоводоници (ЦХ). Масено учешће волатила у дрвету одређује се мерењем чврстог остатака након седмоминутног загревања узорка дрвета у пећи, на температури од 900 оС и то без присуства кисеоника. Средње масено учешће волатила у домаћим врстама дрвета је око 75%, коксног остатака од 15% до 20% и пепела до 0,6%, Наведене вредности се разликују за различите врсте дрвета и делове стабла одакле се узима узорак.

Најчешћи елементи који остају након сагоревања дрвета у облику пепела су: калијум, натријум, магнезијум. У кори обавезно има више минералних материјала него у самом дрвету. Разлике од узорка до узорка су велике, јер на количину и састав минералних материјала има великог утицаја и стање, односно састав земљишта на коме је дрво расло. Тако на пример, садржај минералних материјала у дрвету у је: буква 0,55%, храст 0,52% и бор 0,32%. Наведени подаци су важни при избору ложишта котла намењеног за сагоревање дрвног отпатка.