Древесная щепа — это куски древесины небольшого и среднего размера, полученные путем резки или измельчения более крупных кусков древесины, таких как деревья , ветки , лесосечные отходы, 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] Она также может использоваться в качестве органической мульчи в садоводстве , ландшафтном дизайне и восстановлении экосистем ; в биореакторах для денитрификации ; [4] и в качестве субстрата для выращивания грибов . [5]
Процесс изготовления щепы называется измельчением древесины и осуществляется с помощью измельчителя древесины . Типы щепы, образующейся после измельчения, зависят от типа используемого измельчителя древесины и материала, из которого она сделана. [6] Разновидности щепы включают: лесную щепу (из лесных массивов), щепу из древесных отходов (из необработанных древесных отходов, переработанной древесины и обрезков), щепу из отходов пиления (из отходов лесопилки) и щепу из лесозаготовок с коротким оборотом (из энергетических культур). [6]
Сырьем для древесной щепы может быть балансовая древесина , древесные отходы и остатки древесины от сельского хозяйства , ландшафтного дизайна , лесозаготовок и лесопилок . [7] Древесную щепу также можно производить из остатков лесного сырья, включая кроны деревьев , ветки, нереализуемые материалы или низкорослые деревья. [8]
Лесное хозяйство обеспечивает сырье, необходимое для производства щепы. [9] Почти любое дерево можно переработать в щепу, однако тип и качество древесины, используемой для производства щепы, во многом зависят от рынка. [1] Например, хвойные породы деревьев, как правило, более универсальны для использования в качестве щепы, чем твердые породы деревьев, поскольку они менее плотные и быстрее растут. [1]
Измельчитель древесины — это машина, используемая для резки древесины на более мелкие куски (щепу). [10] Существует несколько типов измельчителей древесины, каждый из которых имеет свое применение в зависимости от типа обработки, которой будет подвергаться щепа. [11]
Древесная щепа, используемая для химической целлюлозы , должна быть относительно однородной по размеру и без коры. Оптимальный размер зависит от породы древесины. [12] Важно избегать повреждения древесных волокон, так как это важно для свойств целлюлозы. Для круглой древесины чаще всего используют дисковые рубильные машины. Типичный размер диска составляет 2,0–3,5 м в диаметре, 10–25 см в толщину и вес до 30 тонн. Диск оснащен 4–16 ножами и приводится в движение двигателями мощностью ½–2 МВт. [12] Барабанные рубильные машины обычно используются для древесных отходов с лесопильных заводов или других предприятий деревообрабатывающей промышленности. [12]
Существует четыре возможных метода перемещения щепы: пневматический , ленточный конвейер , бункер с прямым желобом и пакетная система (ручная транспортировка). [13] [ ненадежный источник? ] [14]
Дисковая измельчительная машина для древесины имеет маховик из стали и режущие лезвия с прорезными дисками. Лезвия разрезают древесину, когда материал подается через желоб. Ножи, расположенные в горловине измельчителя, режут древесину в противоположном направлении. Конструкция не такая энергоэффективная, как другие стили, но производит щепу постоянной формы и размера. [15] [16]
Барабанный измельчитель 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 шумный и создает большие неровные щепки, но более энергоэффективен, чем дисковый тип. [15] [16]
Винтовой измельчитель древесины содержит коническое, винтообразное лезвие {нужна ссылка}. Вращение лезвия установлено параллельно отверстию, поэтому древесина втягивается в измельчитель спиральным движением. Винтовой тип, также называемый роликами с высоким крутящим моментом, популярен для бытового использования, поскольку он тихий, простой в использовании и более безопасный, чем дисковые и барабанные типы. [15] [17]
Древесная щепа используется в основном как сырье для технической обработки древесины. В промышленности переработка коры часто осуществляется отдельно после лущения бревен из-за различных химических свойств.
Только сердцевина и заболонь пригодны для производства целлюлозы. Кора содержит относительно мало полезных волокон и удаляется и используется в качестве топлива для получения пара, используемого на целлюлозном заводе . Большинство процессов варки целлюлозы требуют, чтобы древесина была измельчена и просеяна для получения щепы одинакового размера. [ необходима цитата ]
Древесная щепа также используется в качестве мульчи для озеленения и сада , для сохранения воды , борьбы с сорняками, а также для уменьшения и предотвращения эрозии почвы . Древесная щепа, используемая в качестве мульчи, имеет толщину не менее трех дюймов. Она имеет неоднозначную репутацию в садоводстве.
Его продвигали для использования в проектах по восстановлению среды обитания . Поскольку древесная щепа разлагается, она улучшает структуру почвы, проницаемость, биоактивность и доступность питательных веществ в почве.
Древесная щепа не соответствует стандартам Американского общества по испытаниям и материалам для использования в качестве покрытия игровых площадок, и с 2011 года ее использование в качестве покрытия игровых площадок в США незаконно, поскольку она не одобрена ADA в соответствии с рекомендациями Министерства юстиции США. [18]
Древесная щепа также может использоваться для придания аромата и усиления дымного вкуса жареному мясу и овощам. В зависимости от желаемого вкуса можно использовать несколько различных пород древесины. Для мягкого, сладкого фруктового вкуса можно использовать древесину яблони, в то время как гикори придает дымный, беконный вкус. Другие различные виды используемой древесины - вишня, мескит и пекан. [19]
Древесную щепу можно загружать в «денитрифицирующий биореактор на основе щепы », 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, использующими источник углерода (в качестве донора электронов), восстанавливает нитраты до безвредного азотного газа . [21] Денитрифицирующий биореактор на основе щепы имеет низкие затраты на строительство и эксплуатацию при сравнительно большом сроке службы, достигающем 15 лет. [24] Интерес к такой технологии в последние годы возрос и распространился на горнодобывающую промышленность. [25] [26]
Эксперимент 2013 года показал, что после 70 дней запуска куча древесной щепы, загруженная жидким свиным навозом в количестве 5 л/м2 / день, удалила в среднем 90% нитрата за один месяц. [27] Однако, если условия окружающей среды не способствуют полной денитрификации, 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 установках для выработки электроэнергии из возобновляемых источников энергии . Основным источником лесной щепы в Европе и в большинстве стран [ каких? ] были отходы лесозаготовок. Ожидается, что доля пней и круглого леса в будущем увеличится. [32] По состоянию на 2013 год [обновлять]в ЕС оценки потенциала биомассы для получения энергии, доступные в текущих условиях 2018 года, включая устойчивое использование леса, а также поставку древесины в традиционные лесные секторы, составляют: 277 миллионов м 3 для надземной биомассы и 585 миллионов м 3 для общей биомассы. [33]
В новых топливных системах для отопления используются либо древесная щепа, либо древесные гранулы . Преимущество древесной щепы — стоимость, преимущество древесных гранул — контролируемая топливная ценность. Использование древесной щепы в автоматизированных системах отопления основано на надежной технологии. [32]
Размер щепы, влажность и сырье, из которого она сделана, особенно важны при сжигании щепы на небольших заводах. К сожалению, существует не так много стандартов для определения фракций щепы. Однако по состоянию на март 2018 года Американский национальный институт стандартов утвердил стандарт качества щепы для отопления AD17225-4. Полное название стандарта: ANSI/ASABE AD17225-4:2014 FEB2018 Твердое биотопливо — Технические характеристики и классы топлива — Часть 4: Сортированная щепа. [34] Одной из распространенных категорий щепы является GF60, которая обычно используется на небольших заводах, включая небольшие предприятия, виллы и многоквартирные дома. «GF60» известно как «Мелкая, сухая, мелкая щепа». Требования к GF60 заключаются в том, что влажность должна быть от 10 до 30%, а фракции древесной щепы должны быть распределены 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 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 сушиться летом (с чаем в коре и накрытыми, чтобы дождь не мог добраться до них), а затем измельчить осенью, содержание влаги в щепе составит приблизительно 20–25%. Содержание энергии, таким образом, составляет приблизительно 3,5–4,5 кВт·ч/кг (~150–250 кг/кубический метр). [32]
Угольные электростанции были переведены на работу на древесной щепе, что довольно просто сделать, поскольку обе используют идентичный паровой турбинный тепловой двигатель , а стоимость древесной щепы в качестве топлива сопоставима с углем . [32]
Твердая биомасса является привлекательным топливом для решения проблем энергетического кризиса и изменения климата , поскольку это топливо доступно по цене, широко распространено, близко к углеродно-нейтральному и, следовательно, климатически нейтрально с точки зрения выбросов углекислого газа (CO2 ) , поскольку в идеальном случае только углекислый газ, который был поглощен во время роста дерева и сохранен в древесине, снова выбрасывается в атмосферу. [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/кг сухого вещества. По сравнению с летучей золой от сжигания соломы, кадмий был связан сильнее, и только небольшое количество кадмия выщелочивалось. Он был определен как форма оксида кадмия , силиката кадмия (CdSiO 3 ); авторы отметили, что добавление его в сельскохозяйственные или лесные почвы в долгосрочной перспективе может вызвать проблему с накоплением кадмия. [35]
Как и уголь, сжигание древесины является известным источником выбросов ртути , особенно в северном климате зимой. Ртуть бывает как газообразной, как элементарная ртуть (особенно при сжигании древесных гранул) или оксида ртути, так и твердой, как твердые частицы PM2.5, когда используется необработанная древесина. [36]
Когда сжигание древесины используется для отопления помещений, внутренние выбросы 1,3-бутадиена , бензола , формальдегида и ацетальдегида , которые являются предполагаемыми или известными канцерогенными соединениями, увеличиваются. Риск рака от них после воздействия древесного дыма оценивается как низкий в развитых странах. [37]
Определенные методы сжигания древесной щепы приводят к производству биоугля – фактически древесного угля – который может быть либо использован в качестве древесного угля, либо возвращен в почву, поскольку древесная зола может быть использована в качестве богатого минералами удобрения для растений . Последний метод может привести к эффективному углерод-отрицательному удобрению, а также действовать как очень эффективный почвенный кондиционер, улучшая удержание воды и питательных веществ в бедных почвах. [38]
В отличие от гладкой, однородной формы изготовленных древесных гранул , размеры щепы различаются и часто смешиваются с ветками и опилками . Такая смесь имеет более высокую вероятность застревания в небольших подающих механизмах. Таким образом, рано или поздно, вероятно, произойдет одно или несколько застреваний. Это снижает надежность системы, а также увеличивает расходы на техническое обслуживание. Несмотря на то, что могут сказать некоторые производители пеллетных печей, исследователи, имеющие опыт работы с древесной щепой, говорят, что она несовместима с 2-дюймовым (5 см) шнеком, используемым в пеллетных печах. [13]
Древесная щепа похожа на древесные гранулы , в том, что перемещение и обработка более поддаются автоматизации, чем кордовая древесина, особенно для небольших систем. Древесная щепа менее затратна в производстве, чем древесные гранулы, которые должны обрабатываться на специализированных предприятиях. Избегая затрат, связанных с очисткой, более низкая плотность и более высокое содержание влаги в древесной щепе снижают ее теплотворную способность , существенно увеличивая количество сырья, необходимое для получения эквивалентного количества тепла. Большие требования к физическому объему также увеличивают расходы и воздействие выбросов при перевозке, хранении и/или доставке древесины.
Древесная щепа менее дорогая, чем кордовая древесина , потому что сбор урожая происходит быстрее и более автоматизирован. Древесная щепа более доступна, отчасти потому, что все части дерева могут быть измельчены, в то время как небольшие ветви и сучья могут потребовать значительного труда для преобразования в кордовую древесину. Кордовая древесина, как правило, должна быть «выдержана» или «высушена», прежде чем ее можно будет сжечь чисто и эффективно. С другой стороны, системы древесной щепы, как правило, 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 обычной заготовкой древесины, заготовка щепы оказывает большее воздействие на окружающую среду, поскольку удаляется большая доля биомассы. [39] Более широкое использование щепы может иметь отрицательные последствия для стабильности и долгосрочного роста лесов, из которых она удаляется. Например, было показано, что измельчение деревьев в лесах увеличивает удаление питательных веществ для растений и органических веществ из экосистемы, тем самым уменьшая как содержание питательных веществ, так и содержание гумуса в почве. [39] Одним из вариантов уравновесить отрицательные эффекты заготовки щепы является возврат золы щепы в лес, что восстановит часть потерянных питательных веществ обратно в почву. [39]
Если древесная щепа заготавливается как побочный продукт устойчивой лесной практики, то она считается источником возобновляемой энергии . [40]
Теоретически, заготовка щепы из целых деревьев не имеет такой высокой эффективности использования солнечной энергии по сравнению с коротким оборотом рубки ; однако, это может быть энергоэффективным и недорогим методом заготовки. [41]
Древесная щепа и щепа из коры могут использоваться в качестве наполнителей при промышленном компостировании муниципальных биоразлагаемых отходов, в частности, твердых биоотходов . [42]
Сбор щепы можно использовать совместно с созданием искусственных противопожарных полос , которые используются в качестве барьеров для распространения лесных пожаров . Подлесок идеально подходит для сбора щепы, а более крупные деревья можно оставить на месте, чтобы затенить лесную подстилку и снизить скорость накопления топлива. [ необходима цитата ]
Стоимость щепы обычно зависит от таких факторов, как расстояние от пункта доставки, тип материала (например, кора, отходы лесопиления или щепа из цельного дерева), спрос на других рынках и способ транспортировки древесного топлива. Щепа, доставляемая непосредственно на (электростанцию) на грузовике, дешевле, чем та, которая доставляется ... и отправляется по железной дороге. Диапазон цен обычно составляет от 18 до 30 долларов США за (мокрую) тонну доставки. [43]
В 2006 году цены составляли 15 и 30 долларов США за тонну сырого сырья на северо-востоке. [44]
За 20 лет до 2008 года цены колебались в пределах 60–70 долл. США за тонну сухой сушки в южных штатах и от 60 до 160 долл. США за тонну сухой сушки на северо-западе. [45]
Древесная щепа использовалась в качестве источника отопления для индивидуального жилья в Канаде с первых дней заселения, но разработка нефти и природного газа резко сократила ее использование. Большая часть древесной щепы используется такими предприятиями, как школы, больницы и тюрьмы. На острове Принца Эдуарда (PEI) находится больше всего заводов по производству древесной щепы из-за высоких тарифов на электроэнергию и субсидий от федерального правительства. В Новой Шотландии есть система сжигания древесной щепы мощностью 2,5 МВт, которая обеспечивает электроэнергией текстильную фабрику, а также системы, которые обеспечивают электроэнергией птицеперерабатывающий завод, две больницы и сельскохозяйственный колледж. [46]
Университет Нью-Брансуика эксплуатирует систему печей, сжигающих древесную щепу, для снабжения теплом университета, нескольких промышленных зданий, жилого комплекса и больницы. [46] Использование древесной щепы для отопления в Квебеке невелико из-за низких тарифов на гидроэлектроэнергию, но небольшой городок использует древесную щепу в качестве альтернативы дорожной соли для обледенелых дорог. Компания EMC3 Technologies начала производить древесную щепу, покрытую хлоридом магния, в ноябре 2017 года для города и заявила, что она сохраняет сцепление при -30 градусах Цельсия по сравнению с обычной дорожной солью при -15 градусах Цельсия. [47] В Онтарио операции по переработке древесной щепы включают колледж в Броквилле, несколько средних школ в Северном Онтарио, а также котел 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 установок рядом с лесопилками. Первый был построен в 1987 году в Шапло, за ним последовал завод в Кокрейне в 1989 году, а самый большой в Киркланд-Лейк был построен в 1991 году. [46]
В нескольких богатых лесом европейских странах (например, Австрия, Финляндия, Германия, Швеция) древесная щепа становится альтернативным топливом для семейных домов и больших зданий из-за обильного наличия древесной щепы, что приводит к низкой стоимости топлива. Европейский союз продвигает древесную щепу для производства энергии в плане действий ЕС по лесам на 2007–2011 годы. Общий долгосрочный потенциал древесной щепы в ЕС оценивается в 913 миллионов м 3 . [33]
Древесная щепа используется в Японии для производства бумаги. Большие поставки хвойной щепы импортируются из таких стран, как США и Австралия, для этой цели. [48]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )