Щепа — это куски древесины небольшого и среднего размера, образующиеся в результате резки или измельчения более крупных кусков древесины , таких как деревья , ветки , остатки лесозаготовок, пни , корни и древесные отходы. [1] [2]
Древесная щепа может использоваться в качестве твердого топлива из биомассы и является сырьем для производства древесной массы . [3] Их также можно использовать в качестве органической мульчи в садоводстве , ландшафтном дизайне и восстановлении экосистем ; в биореакторах денитрификации ; [4] и в качестве субстрата для выращивания грибов . [5]
Процесс изготовления щепы называется щепой и осуществляется с помощью измельчителя древесины . Типы щепы, образующейся после измельчения древесины, зависят от типа используемой дробилки древесины и материала, из которого она изготовлена. [6] К разновидностям древесной щепы относятся: лесная щепа (из лесных массивов), древесная щепа (из необработанных древесных отходов, переработанной древесины и обрезков), щепа из остатков распиловки (из отходов лесопиления) и лесная щепа с коротким оборотом (из энергетических культур). ). [6]
Сырьем для производства щепы могут быть балансовая древесина , древесные отходы и остаточная древесина сельского хозяйства , ландшафтного дизайна , лесозаготовок и лесопилок . [7] Щепу также можно производить из оставшихся лесных материалов, включая кроны деревьев , ветки, непродаваемые материалы или низкорослые деревья. [8]
Лесозаготовительные предприятия обеспечивают сырье, необходимое для производства древесной щепы. [9] Практически любое дерево можно переработать в щепу, однако тип и качество древесины, используемой для производства щепы, во многом зависит от рынка. [1] Например, хвойные породы, как правило, более универсальны для использования в качестве щепы, чем лиственные породы, поскольку они менее плотные и быстрее растут. [1]
Дробилка древесины — это машина, используемая для резки древесины на более мелкие куски (щепу). [10] Существует несколько типов измельчителей древесины, каждый из которых используется по-разному в зависимости от типа обработки, которой подвергается щепа. [11]
Древесная щепа, используемая для производства целлюлозы, должна быть относительно однородной по размеру и не содержать коры. Оптимальный размер зависит от породы древесины. [12] Важно избегать повреждения древесных волокон, поскольку это важно для свойств целлюлозы. Для круглого леса чаще всего используют дисковые измельчители. Типичный размер диска составляет 2,0–3,5 м в диаметре, толщина 10–25 см, вес до 30 тонн. Диск оснащен от 4 до 16 ножами и приводится в движение двигателями мощностью ½ –2 МВт. [12] Барабанные измельчители обычно используются для переработки древесных отходов лесопилок или других деревообрабатывающих предприятий. [12]
Существует четыре возможных метода перемещения щепы: пневматический , ленточный конвейер , бункер с прямым желобом и порционная система (ручная транспортировка). [13] [ ненадежный источник? ] [14]
Дисковая дробилка древесины имеет стальной маховик и измельчающие ножи с прорезными дисками. Лезвия прорезают древесину по мере подачи материала через желоб. Ножи, расположенные в горловине измельчителя, разрезают древесину в противоположном направлении. Эта конструкция не так энергоэффективна, как другие стили, но обеспечивает получение щепы одинаковой формы и размера. [15] [16]
Барабанная дробилка древесины имеет вращающийся барабан с параллельными сторонами, прикрепленный к двигателю, с усиленными стальными лезвиями, прикрепленными в горизонтальном направлении. Древесина втягивается в желоб под действием силы тяжести и вращения барабана, где она измельчается стальными лезвиями. Барабанный тип шумит и создает крупную неровную стружку, но он более энергоэффективен, чем дисковый тип. [15] [16]
Винтовая дробилка древесины содержит коническое лезвие винтовой формы {необходима ссылка}. Вращение лезвия происходит параллельно отверстию, поэтому древесина втягивается в измельчитель спиральным движением. Ролики винтового типа, также называемые роликами с высоким крутящим моментом, популярны для использования в жилых помещениях, поскольку они бесшумны, просты в использовании и безопаснее, чем дисковые и барабанные типы. [15] [17]
Щепа используется преимущественно как сырье для технической обработки древесины. В промышленности переработку щепы коры часто разделяют после лущения бревен из-за различных химических свойств.
Для изготовления целлюлозы пригодны только сердцевина и заболонь. Кора содержит относительно мало полезных волокон, ее удаляют и используют в качестве топлива для получения пара для использования на целлюлозном заводе . Большинство процессов производства целлюлозы требуют, чтобы древесина была измельчена и просеяна для получения щепы одинакового размера. [ нужна цитата ]
Древесная щепа также используется в качестве мульчи для ландшафтного дизайна и сада , для сохранения воды , борьбы с сорняками, а также уменьшения и предотвращения эрозии почвы . Щепа, используемая в качестве мульчи, имеет толщину не менее трех дюймов. В садоводстве он имеет неоднозначную репутацию.
Его предлагалось использовать в проектах по восстановлению среды обитания . По мере разложения разветвленной древесины улучшаются структура почвы, проницаемость, биологическая активность и доступность питательных веществ в почве.
Древесная щепа не соответствует стандартам Американского общества по испытаниям и материалам для использования в качестве материала для покрытия игровых площадок, а с 2011 года ее использование в качестве покрытия для игровых площадок запрещено в США, поскольку она не одобрена ADA в соответствии с рекомендациями Министерства юстиции США. [18]
Щепу также можно использовать для придания аромата и дымного вкуса мясу и овощам, приготовленным на гриле. В зависимости от желаемого вкуса можно использовать несколько разных пород дерева. Для получения мягкого сладкого фруктового вкуса можно использовать яблоневую древесину, а гикори придает дымный вкус, напоминающий бекон. Другими используемыми породами древесины являются вишня, мескит и орех пекан. [19]
Щепу можно загружать в «денитрифицирующий биореактор », который уже несколько десятилетий используется в качестве новой биотехнологии для очистки сельскохозяйственных сточных вод путем удаления нитратов . [20] [21] [22] [23] Это подземная система, в которой денитрификация микроорганизмами с использованием источника углерода (в качестве донора электронов) превращает нитрат в безвредный газообразный азот . [21] Денитрифицирующий биореактор на древесной щепе имеет низкие затраты на строительство и эксплуатацию, а также сравнительно длительный срок службы — до 15 лет. [24] Интерес к такому методу в последние годы возрос и распространился на горнодобывающую промышленность. [25] [26]
Эксперимент 2013 года показал, что через 70 дней после запуска куча щепы, загруженная жидким свиным навозом из расчета 5 л/м 2 /день, через месяц удалила в среднем 90% нитратов. [27] Однако, если условия окружающей среды не поддерживают полную денитрификацию, могут образовываться нежелательные парниковые газы , такие как закись азота и метан . [20] [28] [29] [30] [31]
Древесная щепа традиционно использовалась в качестве твердого топлива для отопления помещений или на энергетических станциях для выработки электроэнергии из возобновляемых источников . Основной источник древесной щепы в Европе и большинстве стран [ каких? ] занимались заготовкой остатков. Ожидается, что в будущем доля пней и круглого леса увеличится. [32] По состоянию на 2013 год [обновлять]в ЕС оценки потенциала биомассы для производства энергии, доступные в текущих условиях 2018 года, включая устойчивое использование леса, а также обеспечение древесиной традиционных лесных секторов, составляют: 277 миллионов м 3 для надземных территорий. биомассы и 585 млн м 3 общей биомассы. [33]
В новых топливных системах для отопления используются либо древесная щепа, либо древесные гранулы . Преимущество щепы – стоимость, преимущество пеллет – контролируемая ценность топлива. Использование древесной щепы в автоматизированных системах отопления основано на надежной технологии. [32]
Размер щепы, содержание влаги и сырье, из которого она изготовлена, особенно важны при сжигании щепы на небольших предприятиях. К сожалению, существует не так много стандартов для определения фракций древесной щепы. Однако по состоянию на март 2018 года Американский национальный институт стандартов утвердил стандарт качества топлива для отопления на древесной щепе AD17225-4. Полное название стандарта: ANSI/ASABE AD17225-4:2014 FEB2018 Твердое биотопливо. Спецификации и классы топлива. Часть 4. Классифицированная древесная щепа. [34] Одной из распространенных категорий микросхем является GF60, которая обычно используется на небольших предприятиях, включая небольшие предприятия, виллы и многоквартирные дома. «GF60» известен как «Мелкая сухая мелкая щепа». Требования к GF60 заключаются в том, что влажность составляет от 10 до 30 %, а фракции щепы распределяются следующим образом: 0–3,5 мм: <8 %, 3,5–30 мм: <7 %, 30–60 мм: 80–100. %, 60–100 мм: <3%, 100–120 мм: <2%. [32]
Содержание энергии в одном кубическом метре древесины обычно выше, чем в одном кубическом метре бревен, но может сильно варьироваться в зависимости от влажности. Влажность определяется обработкой сырья. Если деревья срубить зимой и оставить сохнуть на лето (с чаем в коре и накрыть их, чтобы дождь не мог добраться до них), а затем расколоть осенью, содержание влаги в щепе будет примерно 20–25%. Таким образом, энергосодержание составляет примерно 3,5–4,5 кВтч/кг (~ 150–250 кг/кубический метр). [32]
Угольные электростанции были переоборудованы для работы на щепе, что довольно просто сделать, поскольку обе они используют один и тот же тепловой двигатель с паровой турбиной , а стоимость топлива из щепы сопоставима со стоимостью угля . [32]
Твердая биомасса является привлекательным топливом для решения проблем энергетического кризиса и изменения климата , поскольку это топливо доступно по цене, широко доступно, близко к углеродно-нейтральному и, следовательно, климатически нейтральному с точки зрения выбросов углекислого газа (CO 2 ), поскольку в идеале В этом случае в атмосферу снова выбрасывается только углекислый газ, который был втянут во время роста дерева и накоплен в древесине. [32]
По сравнению с проблемами утилизации твердых отходов угля и ядерного топлива, проблемы утилизации отходов древесной щепы менее серьезны; В исследовании 2001 года летучая зола от сжигания древесной щепы содержала 28,6 мг кадмия на кг сухого вещества. По сравнению с летучей золой от сжигания соломы, кадмий связывался сильнее, при этом выщелачивалось лишь небольшое количество кадмия. Его определили как форму оксида кадмия , силиката кадмия (CdSiO 3 ); авторы отметили, что добавление его в сельскохозяйственные или лесные почвы в долгосрочной перспективе может вызвать проблему накопления кадмия. [35]
Как и уголь, сжигание древесины является известным источником выбросов ртути , особенно в северном климате зимой. Ртуть находится как в газообразном состоянии в виде элементарной ртути (особенно при сжигании древесных гранул) или оксида ртути, так и в виде твердых твердых частиц PM2,5 при использовании необработанной древесины. [36]
Когда для отопления помещений используется сжигание древесины, внутри помещений увеличиваются выбросы 1,3-бутадиена , бензола , формальдегида и ацетальдегида , которые предположительно или известны как канцерогенные соединения. Риск развития рака после воздействия древесного дыма в развитых странах оценивается как низкий. [37]
Определенные методы сжигания древесной щепы приводят к производству биоугля – по сути, древесного угля – который можно либо использовать в качестве древесного угля, либо вернуть в почву, поскольку древесную золу можно использовать в качестве богатого минералами удобрения для растений . Последний метод может привести к созданию эффективной системы с отрицательным выбросом углерода, а также действовать как очень эффективный кондиционер почвы, улучшая удержание воды и питательных веществ в бедных почвах. [38]
В отличие от гладкой и однородной формы производимых древесных гранул , размеры древесной щепы различаются и часто смешиваются с ветками и опилками. У этой смеси выше вероятность заклинивания в мелких механизмах подачи. Таким образом, рано или поздно может произойти одно или несколько застреваний. Это снижает надежность системы, а также увеличивает затраты на техническое обслуживание. Несмотря на то, что могут сказать некоторые производители печей на пеллетах, исследователи, имеющие опыт работы с щепой, говорят, что она несовместима со шнеком диаметром 2 дюйма (5 см), используемым в печах на пеллетах. [13]
Древесная щепа похожа на древесные гранулы в том смысле, что перемещение и обращение с ней более автоматизированы, чем кордовая древесина, особенно для небольших систем. Производство древесной щепы дешевле, чем древесных гранул, которые необходимо перерабатывать на специализированных предприятиях. Избегая затрат, связанных с рафинированием, более низкая плотность и более высокое содержание влаги в древесной щепе снижает ее теплотворную способность , существенно увеличивая количество сырья, необходимого для выработки эквивалентного количества тепла. Более высокие требования к физическому объему также увеличивают расходы и влияние выбросов при транспортировке, хранении и/или транспортировке древесины.
Древесная щепа дешевле, чем шнуровая древесина , поскольку заготовка происходит быстрее и более автоматизирована. Древесная щепа более распространена, отчасти потому, что все части дерева можно расколоть, тогда как для преобразования небольших ветвей и ветвей в кордовую древесину может потребоваться значительный труд. Древесину шнура обычно необходимо «выдержать» или «сушить», прежде чем ее можно будет сжечь чисто и эффективно. С другой стороны, системы щепы обычно предназначены для чистого и эффективного сжигания «зеленой щепы» с очень высоким содержанием влаги - 43–47% (влажная основа). [13] (см. газификация и древесный газ )
По сравнению с традиционной заготовкой древесины, заготовка щепы оказывает большее воздействие на окружающую среду, поскольку удаляется большая часть биомассы. [39] Увеличение использования древесной щепы может иметь негативные последствия для стабильности и долгосрочного роста лесов, из которых она вывозится. Например, было показано, что вырубка лесных деревьев увеличивает удаление питательных веществ для растений и органических веществ из экосистемы, тем самым снижая как питательные вещества, так и содержание гумуса в почве. [39] Одним из вариантов сбалансировать негативные последствия сбора щепы является возвращение золы щепы в лес, что восстановит часть потерянных питательных веществ обратно в почву. [39]
Если древесная щепа собирается как побочный продукт устойчивого лесного хозяйства, то это считается источником возобновляемой энергии . [40]
Теоретически, сбор щепы с целых деревьев не имеет такой высокой эффективности использования солнечной энергии по сравнению с порослью с коротким вращением ; однако это может быть энергоэффективный и недорогой метод сбора урожая. [41]
Древесная щепа и щепа коры могут использоваться в качестве наполнителя при промышленном компостировании бытовых биоразлагаемых отходов, особенно твердых биологических веществ . [42]
Заготовку щепы можно использовать совместно с созданием искусственных противопожарных полос , которые используются в качестве барьеров на пути распространения лесных пожаров . Подлесок идеально подходит для рубки щепы, а более крупные деревья можно оставить на месте, чтобы затенить лесную подстилку и снизить скорость накопления топлива. [ нужна цитата ]
Стоимость щепы обычно зависит от таких факторов, как расстояние от пункта доставки, тип материала (например, кора, остатки лесопиления или щепа из целых деревьев), спрос на других рынках и способ транспортировки древесного топлива. Чипсы, доставляемые непосредственно на станцию (электростанцию) на грузовике, обходятся дешевле, чем те, которые доставляются... и отправляются железнодорожным транспортом. Диапазон цен обычно составляет от 18 до 30 долларов США за поставленную (мокрую) тонну. [43]
В 2006 году цены на северо-востоке составляли 15 и 30 долларов США за влажную тонну. [44]
За 20 лет, предшествовавших 2008 году, цены колебались от 60 до 70 долларов США за метрическую тонну сушеного продукта (одмт) в южных штатах и от 60 до 160 долларов США за тонну на Северо-Западе. [45]
Древесная щепа использовалась в качестве источника отопления частных домов в Канаде с первых дней заселения, но разработка нефти и природного газа резко сократила ее использование. Большая часть древесной щепы используется в таких объектах, как школы, больницы и тюрьмы. На острове Принца Эдуарда (PEI) больше всего заводов по производству древесной щепы из-за высоких тарифов на электроэнергию и субсидий со стороны федерального правительства. В Новой Шотландии имеется система сжигания древесной щепы мощностью 2,5 МВт, которая обеспечивает электроэнергией текстильную фабрику, а также системы, обеспечивающие электроэнергией птицеперерабатывающий завод, две больницы и сельскохозяйственный колледж. [46]
Университет Нью-Брансуика эксплуатирует систему печи для сжигания древесной щепы, обеспечивающую теплом университет, несколько промышленных зданий, жилой комплекс и больницу. [46] Использование древесной щепы для отопления в Квебеке невелико из-за низких тарифов на гидроэлектроэнергию, но небольшой город использует древесную щепу в качестве альтернативы дорожной соли для обледенения дорог. EMC3 Technologies начала производство древесной щепы, покрытой хлоридом магния, в ноябре 2017 года для города и заявила, что она сохраняет сцепление с дорогой при -30 градусах Цельсия по сравнению с обычной дорожной солью при -15 градусах Цельсия. [47] В Онтарио предприятия по производству щепы включают колледж в Броквилле, несколько средних школ в Северном Онтарио, а также котел, работающий на щепе, в Национальном институте лесного хозяйства в Петававе. [46] В конце 1980-х годов правительство провинции Онтарио совместно с федеральным правительством субсидировало строительство трех когенерационных электростанций рядом с лесопилками. Первый завод был построен в 1987 году в Шапло, за ним последовал завод в Кокрейне в 1989 году, а самый крупный завод в Киркланд-Лейк был построен в 1991 году. [46]
В некоторых хорошо лесистых европейских странах (например, в Австрии, Финляндии, Германии, Швеции) щепа становится альтернативным топливом для семейных домов и более крупных зданий из-за большого количества щепы, что приводит к низким затратам на топливо. Европейский Союз продвигает использование древесной щепы для производства энергии в Плане действий ЕС по лесам на 2007–2011 годы. Общий долгосрочный потенциал производства древесной щепы в ЕС оценивается в 913 миллионов м 3 . [33]
Древесная щепа используется в Японии в бумажной промышленности. Для этой цели большие объемы щепы хвойных пород импортируются из таких стран, как США и Австралия. [48]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )