ChSTU repository

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
КАФЕДРА ХІМІЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ВОДООЧИЩЕННЯ 
 
Реєстраційний №________ На правах рукопису 
УДК 66.074.52.094.3 
   «Допущено до захисту» 
     Завідувач кафедри д.т.н., професор 
_________Віталій ВЯЗОВИК 
                                                            «____»  _________________2025р. 
 
 
 
КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА МАГІСТРА 
на тему 
 
ІНТЕНСИФІКАЦІЯ СПАЛЮВАННЯ ДЕРИВНОЇ СИРОВИНИ 
за спеціальністю 161 «Хімічні технології та інженерія» 
 
 
Науковий керівник           Виконавець роботи 
Д.т.н., професор           магістрант 
  
___________Віталій ВЯЗОВИК           _________Руслан ТКАЧЕНКО 
  
  
  
  
  
  
         Нормоконтроль ______________Наталія ФОМІНА 
  
 
Черкаси 2025 
 
«ЗАТВЕРДЖЕНО» 
Завідувач  кафедри, д.т.н, професор 
________Віталій ВЯЗОВИК  
                 «____» _______________2025р. 
 
ЗАВДАННЯ 
на кваліфікаційну роботу магістра 
Ткаченко Руслана Петровича 
 
1.Тема роботи: Інтенсифікація спалювання деревної сировини  
 
Затверджена наказом по університету від  28 листопада 2025 р.№ 364/03-03 
 
2.Мета дослідження: інтенсифікація процесу спалювання деревної 
сировини за рахунок вдосконалення. конструкції паливного пристрою для 
спалювання здрібненої  біомаси 
3.Вихідні дані:  деревна сировина, здрібнена біомаса, процес 
спалювання. 
 
4.Основні задачі дослідження: роаналізувати обладнання, призначене з метою 
спалення подрібненої біомаса дерев різних видів, а також з відходів деревини та їхніх 
сумішей; встановити умови, за яких математична модель процесу горіння подрібненої 
біомаси може бути коректно застосована; виконати експериментальні дослідження 
процесу згоряння для встановлення кінетичних констант; на основі отриманих результатів 
визначити оптимальні параметри режиму з метою підвищення ефективності спалювання; 
модернізувати конструкцію паливних установок для покращення їхньої 
енергоефективності. 
5.Термін подання роботи до захисту:  24  грудня  2025  р. 
 
6.Дата видачі завдання 8  жовтня  2025  р. 
 
Науковий керівник д.т.н., професор ______________Віталій ВЯЗОВИК 
 
Завдання прийняв до виконання                       Руслан ТКАЧЕНКО           
 
 
ЗМІСТ                   
ВСТУП 4 
1 ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ГОРІННЯ ПАЛИВА І ПРОЦЕСІВ 
6 
КАТАЛІЗУ 
6 
   1.1 Горіння твердого палива, як процеси окиснення 
 
         1.1.1 Термічне розкладання і горіння летких сполук твердого 
6 
палива 
10 
1.1.2. Роль летких сполук в процесі запалення твердого палива 
12 
1.1.3 Горіння коксового залишку 
 
1.1.4 Механізм впливу електричного поля на розповсюдження 
15 
полум’я 
19 
   1.2 Теорія бар`єрного розряду  
24 
   1.3 Висновки до першого розділу  
2 Сучасний стан досліджень згоряння подрібненої деревної біомаси  
26 
   2.1  Специфічні особливості процесу згоряння подрібненої 26 
деревної біомаси 28 
          2.2 Огляд теплоенергетичних властивостей деревної біомаси 28 
      2.2.1  Вологість 32 
      2.2.2 Зольність 34 
      2.2.3 Елементний склад 37 
      2.2.4 Теплота згорання деревної біомаси 38 
 2.3 Властивості та енергетичний потенціал 42 
деревних відходів 46 
 2.4 Гранулометричний (фракційний) склад 46 
подрібненої деревної біомаси 49 
 2.5 Методи згоряння деревної біомаси 50 
       2.5.1 Спосіб горіння у фіксованому  
шарі  
       2.5.2 Вихоровий спосіб спалювання  
       2.5.3 Циклонний спосіб спалювання 51 
           51 
 51 
 53 
 2.5.4 Факельний спосіб спалювання 53 
 2.6 Обладнання та установки для спалювання деревної 54 
біомаси 56 
       2.6.1 Паливні установки з пошаровим (шаровим) 56 
спалюванням 
60 
       2.6.2 Шахтні паливні 
 
       2.6.3 Паливні з шурувальною планкою 
77 
       2.6.4 Паливні з ланцюговими решітками 
 
             2.6.5 Паливні з перештовхувальними решітками 
78 
       2.6.6 Камерні (факельні) паливні 
 
3 ЕКСПЕРЕМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ 
78 
4 ЛАБОРАТОРНІ ТА СТЕНДОВІ УСТАНОВКИ. МЕТОДИКА  
 
ДОСЛІДЖЕНЬ  
82 
   4.1 Матеріали та обладнання, застосовані у проведенні експериментальних 89 
досліджень          
  4.1.1 Експериментальний стенд для визначення кінетичних параметрів 91 
процесу 
95 
         4.1.2 Експериментальне визначення елементного складу 108 
досліджуваних зразків 125 
 4.2 Дериватографія 134 
     4.3 Стендова установка з оптимізації процесу горіння твердого 136 
палива  
5 УДОСКОНАЛЕННЯ КОНСТРУКЦІЇ ПАЛИВНЕВИХ ПРИСТРОЇВ   
6 ОХОРОНА ПРАЦІ ТА БЕЗПЕКА В НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЯХ  
7 ЕКОНОМІЧНІ РОЗРАХУНКИ  
ВИСНОВКИ  
ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ 
 
ВСТУП 
 
 
Сьогодні деревна біосировина займає четверте місце серед найбільш використовуваних 
палив у світі, забезпечуючи близько 14% глобального споживання первинних енергоносіїв 
(у країнах, що розвиваються, цей показник перевищує 30% і подекуди сягає 50–80%). У 
країнах Європи частка біомаси в структурі первинних енергоресурсів у середньому 
становить понад 3%. Деякі держави демонструють значно вищі показники: Фінляндія — 
23%, Швеція — 18%, Австрія — 12%, Данія — 8%, Німеччина — 6%. Україна, як 
європейська країна, має потужний потенціал розвитку альтернативної енергетики й не 
може залишатися осторонь цих тенденцій. 
Лісові ресурси містять значні обсяги недовикористаної деревини та її відходів. 
Спалювання таких відходів у сучасних спеціалізованих установках є екологічно 
безпечним способом їх утилізації. У зв’язку з цим раціональне використання всіх 
доступних паливних ресурсів, серед яких деревна біомаса посідає важливе місце, може 
суттєво сприяти розв’язанню актуальних проблем енергетики. 
Суттєве значення сьогодні надається використанню швидкоростучих порід деревини як 
палива. Під час спалювання деревини в котлах теплогенерувальних підприємств та на 
електростанціях у продукти згоряння надходить вуглекислий газ, проте майже повністю 
відсутні такі шкідливі компоненти, як оксиди сірки. Оскільки СО₂ поглинається 
рослинами в процесі росту, екологічний вплив спалювання деревини є помітно нижчим 
порівняно з використанням викопних видів палива, таких як нафта чи вугілля.  
Ефективність та екологічність спалювання біомаси в паливних установках значною мірою 
визначаються особливостями режиму горіння, зокрема кінетикою процесу. Проте через 
різноманітність і нестабільність властивостей деревної біомаси обрати оптимальний 
режим роботи котла доволі складно. Кінетичні характеристики процесу згоряння залежать 
від фізико-хімічних параметрів конкретного виду деревного палива. 
Тому для організації ефективного спалювання біомаси необхідно дослідити її 
теплоенергетичні характеристики, визначити кінетичні константи горіння для кожного 
типу деревної сировини та розробити математичні моделі, що описують процеси, які 
відбуваються в паливних камерах енергетичних установок. Наявність таких моделей 
дозволяє вдосконалити конструкцію паливних пристроїв, підвищити ефективність 
спалювання подрібненої біомаси, а отже — підвищити загальну результативність роботи 
енергетичних систем і зменшити їхній негативний вплив на довкілля. 
Метою магістерської кваліфікаційної роботи є поглиблення наукових засад процесу 
спалювання подрібненої деревної біомаси та удосконалення паливних пристроїв з метою 
підвищення ефективності її згоряння. 
Для реалізації поставленої мети необхідно виконати такі завдання: 
 здійснити аналіз обладнання, призначеного для спалювання подрібненої біомаси 
різних порід деревини, деревних відходів та їхніх сумішей; 
 визначити умови, за яких може бути застосована математична модель процесу 
згоряння подрібненої біомаси; 
 провести експериментальні дослідження згоряння подрібненої деревної біомаси з 
метою визначення кінетичних констант цього процесу; 
 на основі отриманих результатів встановити оптимальні режими горіння, 
оптимізація яких спрямована на підвищення ефективності процесу спалювання; 
 удосконалити конструктивні рішення паливних пристроїв для підвищення їх 
енергоефективності. 
Об’єктом дослідження є енерготехнологічний процес спалювання 
подрібненої деревної біомаси.  
 
 
 
 
 1 ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ГОРІННЯ ПАЛИВА І ПРОЦЕСІВ 
КАТАЛІЗУ 
 
1.1 Горіння твердого палива, як процеси окиснення 
 
Тверде природне паливо містить вуглець, широкий спектр вуглеводневих сполук, певну кількість 
вологи, золу та інші компоненти. Під час процес нагрівання до моменту досягнення температури займання 
частинок, проходить термічний розклад органічної частини топлива з утворенням летючих речовин. До їх 
складу входить значна частка горючих компонентів, зокрема метан, водень, оксид вуглецю (ІІ) тощо. Саме 
ці сполуки значною мірою визначають умови займання та подальшого горіння природного палива. Після 
виходу летких компонентів залишається твердий кокс, основою якого є вуглець [1; 2]. 
1.1.1 Термічне розкладання і горіння летких сполук твердого палива 
 
Однією з ключових характеристик твердого палива є здатність під час нагрівання, ще до 
досягнення температури займання, виділяти продукти термічного розпаду органічної 
частини — так звані леткі сполуки. До їх складу входять різноманітні органічні смоли (від 
2–6 % у напівантрациті до 20,2 % у торфі), вода розкладання (від 1 % у напівантрациті до 
24,7 % у торфі), а також газоподібні продукти (10–14 % для напівантрациту, до 26,5 % для 
торфу та близько 26 % для бурого вугілля). Окремі види торфу можуть також містити 
кислотні сполуки. [3]. 
Більш інформативною характеристикою складу продуктів термічного розкладання палива є 
квазістаціонарний вихід летких речовин. Під цим розуміють кількість окремих продуктів термолізу, що 
виділяються за певної температури за умови достатньо тривалого перебування палива в безкисневому 
середовищі на заданому температурному рівні. 
Такий показник дає можливість визначити склад летких сполук залежно від температури процесу, а також 
оцінити їхню питому теплоту згоряння та інші властивості (за умови порівняно повільного нагрівання 
палива). 
Термічний розклад окремих компонентів палива полягає у руйнуванні їхніх хімічних зв’язків з 
утворенням численних нестійких активних проміжних продуктів. Ці продукти швидко реагують між собою, 
утворюючи більш стабільні речовини термолізу — смоли, кислоти, неконденсовані гази та інші сполуки. 
Сумарний вихід летких сполук зв’язаний співвідношенням вмісту 
вуглецю і водню в паливі. Так на рисунках. 1.1-1.2 приведено залежності 
сумарного виходу летких сполук від вмісту вуглецю і водню в паливі [3; 4; 5]. 
Ці залежності можуть бути апроксимовані залежностями: для сумарного виходу 
летких в відсотках: 
 
V г
л 8,33Н г /С г 0,165 , (1.1) 
 
Для сумарного вмісту ( в відсотках) вуглецю в летких сполуках С г
л  
 
С г /С г 380 Н г
л /С г  26 . (1.2) 
 
Як видно з рисунків. 1.3-1.4, деякі характеристики летких сполук 
залежать не тільки від відношення кількості водню в паливі до кількості 
вуглецю, а і від паливного коефіцієнту β. Відносний вміст (в відсотках) 
вуглецю  
 
С г
л /V г
л190    25 , (1.3) 
 
Відносний вміст ( в відсотках) кисню в летких сполуках  
 
Рисунок 1.1 - Сумарний вихід летких сполук в залежності від вмісту 
вуглецю і водню в паливі [1; 2] 
 
 
 
Рисунок 1.2 - Сумарний вміст вуглецю в летких сполуках  в залежності 
від вмісту вуглецю і водню в паливі [1; 2] 
 
 
 
Рисунок 1.3 - Відносний вміст вуглецю в летких сполуках [1;2] 
 
 
 
Рисунок  1.4 -  Відносний вміст кисню в летких сполуках [1; 2] 
 
 
О г
л /V г
л 66 220   . (1.4) 
 
де β – паливний коефіцієнт Бунте: 
 
β = 2,37  (Н 0,125 О) /С  
 
Коли температура палива змінюється з часом, визначення виходу летких речовин ускладнюється. У 
такому випадку їхній сумарний вихід за час τ можна обчислити за залежністю: 

E /[( RT ( )]
n k i
0ie d
C (1 e 0
V= 0 ) , (1.5) 
i
i1
 
де С₀ᵢ — якісні показники речовин, що беруть участь у термолізі; k₀ᵢ та Еᵢ — кінетичні параметри 
зв’язків компонентів палива, які піддаються термічному розкладанню [1; 2; 3; 4]. 
Часові зміни температури палива підпорядковуються термодинамічним закономірностям. 
 
1.1.2. Роль летких сполук в процесі запалення твердого палива 
 
Виділення та згоряння летких речовин зазвичай відбуваються раніше, ніж горіння коксу, оскільки 
леткі компоненти, що виходять із поверхні частинок, перешкоджають дифузії окиснювача до шару коксу. 
Проте залежно від розміру частинок і характеристик потоку, що обтікає їх у прикордонному  шарі здатні 
формуватися різноманітні рівні вмісту летких речовин речовин. Для дуже дрібних чи великих частинок у 
зонах за наявності інтенсивного зовнішньо-дифузійного процесу швидкість вивільнення летких компонентів 
з поверхні менша за швидкість їхнього відведення з прикордонного шару, унаслідок чого концентрація 
летких речовин у цьому шарі є незначною. У таких умовах окиснювач може досягати поверхні коксу, 
забезпечуючи його горіння, тоді як леткі сполуки згоряють у факелі між частинками. 
У великих частинок леткі речовини, що виходять із їхньої поверхні, формують у прикордонному 
шарі своєрідну оболонку — горючу суміш летких компонентів та окиснювача. Ця оболонка спалахує тоді, 
коли для цього виникають відповідні умови. Після займання леткі речовини й надалі дифундують від 
частинки до зони горіння, що утворилася. До цієї ж зони надходить кисень із навколишнього середовища та 
вступає в реакцію. Протягом певного часу леткі сполуки, що продовжують виділятися з палива, утримують 
фронт горіння на відстані від поверхні частинки, запобігаючи доступу кисню до коксу. 
Нехтуючи нестаціонарністю процесу дифузії, і вважаючи, що леткі 
сполуки, які виділилися, транспортується скрізь прикордонний шар за 
рахунок дифузії і за рахунок молекулярного переносу - рівняння передачі 
летких сполук має вигляд 
 
dC
Qл  4 2 (D л wCл )  (1.6) 
d
 
де Qл – витрати летких сполук, моль/с; ρ – радіус прикордонного 
плівки, м; С л – концентрація летких, моль/м2; w – швидкість молярного 
переносу, м/с; D – коефіцієнт дифузії летких сполук, м2/с. 
Для витрати окиснювача також можливо записати рівняння  
 
2 dC
Q  4 (D в
в wCв ) , (1.7) 
d
 
де Qв – концентрація окиснювача (повітря) [1; 12].  
1.1.3  Горіння коксового залишку 
 
Горіння вуглецю є гетерогенним процесом, що визначається як кінетичними особливостями 
згоряння (на поверхні або всередині) вуглецевого масиву частинки, за рахунок дифузійного перенесення 
кисню і продуктів реакції до її поверхні Структура вуглецевого матеріалу частинки твердого палива суттєво 
впливає на кінетику цього процесу. 
Кокс за своїм складом майже повністю складається з вуглецю, а його структура подібна до 
графітової — це полікристалічний матеріал, поверхня якого сформована різними кристалографічними 
площинами. Розміри кристалітів можуть варіювати від кількох десятків до десятків тисяч ангстрем. 
Кристалографічні дослідження показали, що кокс містить кристалічні включення і навіть окремі 
монокристали. Кількість таких кристалітів зростає зі збільшенням температури коксування. Подібним 
чином на їх формування впливає й геологічний вік палива. Отже, вуглецевий матеріал палива 
характеризується неоднорідною поверхневою структурою. 
Окрім мікрокристалічної неоднорідності, паливо характеризується ще й пористістю. Вуглецева 
поверхня містить велику кількість мікротріщин і пор різної форми та розміру. Нерівності, шорсткість і 
пористість такої поверхні зумовлені відсутністю чітко впорядкованої кристалічної структури вуглецю в 
паливі. 
Під час гетерогенного горіння вуглецю реакція протікає на його поверхні, куди надходить кисень з 
навколишнього середовища. Існує велика кількість досліджень, присвячених взаємодії вуглецю з киснем та 
іншими газами при різних температурах і концентраціях окиснювача. Сьогодні встановлено, що ця 
взаємодія відбувається за участю проміжних нестійких сполук, які деякий час перебувають у адсорбованому 
стані на зовнішній поверхні пор. Таким чином, процес включає утворення адсорбованого газового шару на 
поверхні вуглецю, схема якого представлена на рисунку 1.5. 
 
 Продовження вуглецевого масиву 
 
 
Рисунок 1.5 - Схема заповнення зв’язків атомів на поверхні вуглецевого масиву [1]. 
За цією моделлю поверхня прагне формувати хімічні зв’язки з речовинами тієї фази, з якою вона 
контактує. 
Під час взаємодії вуглецю коксової частинки з киснем у процесі хемосорбції утворюються оксид та діоксид 
вуглецю. Водночас кисень ніколи не адсорбується у чистому вигляді. Механізм сорбційної взаємодії кисню 
з вуглецем можна подати у вигляді такої схеми: 
 
  СО 
       хімічне
О  сорбц2г ія  О2 сорбований  перетворенняСхОy сорбований десорбція  
 
Рисунок 1.6 – Механізм взаємодії кисню з вуглецем СО2 
 
атомарний кисень, що наближаються до поглинаються на вуглецевій поверхні і утримуються на ній 
хімічними силами. У цей момент між атомами кисню та вуглецю утворюються складні тимчасові сполуки 
типу CₓOᵧ. Через певний час ці сполуки розкладаються з утворенням СО та СО₂. 
За підвищеної вологості палива, коли в продуктах горіння присутня значний об’єм водяної пари, або під час 
взаємодія вуглецю з водяною парою в процесі окиснення, у первинних продуктах можуть з’являтися водень 
і метан. Якщо одночасно утворюється кілька типів первинних продуктів, стає можливою взаємодія вуглецю 
з різними окиснювачами. Тому процес горіння вуглецю відзначається великою різноманітністю реакцій. 
Головним результатом високотемпературного згоряння вуглецю є реакції його взаємодії з киснем за 
рівняннями: 
С+ О2 = СО2 (1.8) 
2С + О = 2 СО. (1.9) 
 
Це первинні реакції. Паралельно з ними на поверхні вуглецевої частинки може відбуватися 
взаємодія оксиду вуглецю (CO) з киснем, що надходить до поверхні шляхом дифузії з об’єму. 
2СО + О2 = 2 СО2, (1.10) 
 
Крім того, на поверхні частинки може відбуватися відновлення діоксиду вуглецю (CO₂). 
СО2 + С= 2 СО. (1.11) 
 
Ці реакції належать до вторинних. Окрім наведених вище, на поверхні можуть також відбуватися 
такі процеси: 
С + Н2О = СО + Н2, (1.12) 
С + 2 Н2О = СО2 + Н2, (1.13) 
С + Н2= СН4, (1.14) 
2 Н2 + О2 = 2 Н2О, (1.15) 
СН4 + 2О2 = СО2 + 2 Н2О,  
СО + Н2О = СО2 + Н2. (1.16) 
Накопичено значний обсяг експериментальних даних щодо кінетичних констант реакцій вуглецю 
різних видів палива з газами. Проте результати, отримані різними дослідниками на різних типах вуглецевих 
матеріалів і за допомогою різних методик, суттєво відрізняються [1; 2]. 
 
1.1.4 Механізм впливу електричного поля на розповсюдження полум’я 
 
При досліджені впливу електричного поля на окремі характеристики 
процесу розповсюдження полум’я  необхідно виділити два випадки:  
- накладання електричного поля з метою максимально можливого 
підвищення ентальпії полум’я; 
- розповсюдження полум’я в електричних полях, які характеризуються 
високою напругою, але малою силою току. 
При цьому зміни характеристик процесу розповсюдження полум’я, яке 
викликане електричним полем, можна пояснити наступними причинами [4]: 
1. йонний вітер, тобто виникнення під дією електричного поля руху 
позитивних йонів і збільшення ними нейтральних часток до негативного 
електроду  - катоду: в результаті створення поля  «механічного руху газів» 
можуть змінюватися форми полум’я, його швидкість розповсюдження, 
поверхня і загальна швидкість процесу згоряння палива; 
2. перетворення енергії електричного поля в теплову в об’ємі полум’я, 
в результаті чого підвищується температура і, в відповідності з законом 
Арреніуса, збільшується швидкість хімічних реакцій. Частним випадком 
цього процесу є локальний розігрів газу і катоду в області катодного падіння 
наруги при наявності тліючого розряду; 
3. прямою дією електричного поля на розвиток хімічних реакцій 
шляхом поляризації реагуючих часток і їх активації при стиканні з 
електронами, котрі набувають в полі деяку додаткову енергію в порівнянні зі 
звичайним станом, без поля. 
Відносно поляризації часток в електричному полі, то цей процес в 
певній мірі існує, тим паче, що частки  в полум’ї більшою частиною 
представляють собою полярні молекули і радикали. З точки зору розвитку 
хімічної реакції поляризація реагуючих часток є фактор, який сприятливо 
впливає на хімічну взаємодію часток, які стикаються. 
На процес розповсюдження полум’я електричне поле впливає 
одночасно через йонний вітер та перетворення енергії поля в теплову, так і 
пряму дію на кінетику хімічної реакції, хоч визначаючим впливом при 
відповідній напруженості поля та його напрямку, може бути один з названих 
напрямків.  
Розглянемо варіанти накладання електричного поля і електричного 
розряду на пальник з можливими змінами їх напрямку і знаку заряду. На 
рисунку 1.7 представлені варіанти накладання поля і заряду.  
 У варіанті (а), поле створюється між негативно зарядженим пальником 
і позитивним електродом, який встановлено в «хвості» полум’я. Таким чином 
організується рух позитивних йонів до пальника вниз і електронів вгору. В 
варіанті (б), полум’я розповсюджується від позитивно зарядженого пальника 
до негативного електроду. В цьому випадку до пальника електричного поля. 
                
а)                                                                       б) 
 
                                 в)                                                              г) 
  
 Рисунок 1.7 - Варіанти накладення електричного поля [5; 6] 
 
спрямовується потік електронів, а позитивні йони отримують 
додаткову кількість руху по ходу потоку. 
Варіанти (в) і (г) відрізняються другим електродом і накладанням 
електричного заряду на пальник. В варіанті (в) і (г) полум’я чітко 
розглядається як індивідуальна система, яка містить електрично заряджені 
частки і здібна до збудження і спотворення  в структурі під дією слабого 
електричного поля. 
В варіанті (в) пальник має негативний заряд, відповідно, позитивні 
йони з об’єму полум’я будуть прямувати до пальника; в варіанті (г) 
спостерігається протилежна картина: до позитивно зарядженого пальника з 
полум’я спрямовується потік електронів. 
В варіантах (в) і (г) виключається можливість впливу на кінетику 
хімічних реакцій теплового ефекту, отриманого при проходженні струму 
через полум’я в результаті перетворення електричного поля в теплову 
енергію. Крім того, змінюючи знак електричного заряду на пальнику, можна 
диференційно і більш чітко виявити вплив йонного вітру на процес 
розповсюдження полум’я. 
Таким чином, створюються передумови для визначення впливу існуючих 
в полум’ї заряджених часток на кінетику хімічних реакцій, так як підвищення 
температури полум’я за рахунок перетворення електричної енергії в теплову 
виключається, а вплив йонного вітру можливо врахувати, змінюючи знак 
електричного заряду на єдиному електроді пальнику. 
Враховуючи можливі дії внутрішніх енергетичних умов на кінетику 
процесу і в першу чергу на швидкість утворення активних центрів, розглянемо 
вірогідні ефекти, які можна очікувати при накладанні на полум’я електричного 
поля чи заряду за схемами, які наведені на рисунку. 1.7. 
 
1. При накладні на полум’я електричного поля чи заряду ( «+» на 
пальнику) повинно відбуватися зменшення висоти внутрішнього конусу і, 
відповідно, поверхні горіння, а в випадку плаского полум’я – його 
наближення до гирла пальника. 
Швидкість горіння в фронті полум’я при постійності вхідних умов 
повинна збільшуватися при накладанні поля в результаті збільшення 
утворення активних центрів. 
2. Якщо електричне поле («+» на пальнику) діє на кінетику процесу 
горіння, то в результаті слід очікувати збільшення швидкості утворення 
активних центрів і зменшення поверхні фронту полум’я, тобто збільшення 
швидкості горіння горючої суміші в зоні хімічної реакції, що в свою чергу 
повинно викликати зростання виділення тепла і температури в зоні реакції. 
3. При накладанні на полум’я електричного поля відбувається 
розширення області стійкого горіння в сторону більш високих значень 
критичної швидкості зриву. 
4. В процесі  розвитку хімічної реакції зв’язок йонізації і швидкості 
хімічної реакції w  i=f(w), але w~u 2
н /a ( u 2
н  - нормальна швидкість), в випадку 
впливу електричного струму на кінетику процесу при накладні поля слід 
очікувати збільшення концентрації заряджених часток і як наслідок, 
електропровідності полум’я [7; 8]. 
 
1.2 Теорія бар`єрного розряду  
 
Бар’єрний розряд це розряд, який виникає в газі під дією прикладеної 
до електродів високої напруги, при цьому хоча б один із електродів повинен 
бути покритий діелектриком. Присутність діелектрика зменшує швидкість 
виходу електрону з поверхні електроду (за рахунок подолання опору 
діелектрика), ослаблює його кінетичну енергію при впливі на молекули газу, 
котрі піддаються впливу розряду, і не дає можливості утворенню лавини 
електронів, які призводять до пробою, а значить перетворенню бар’єрного 
розряду в дугу. Таким чином, спостерігається рівномірне розподілення 
об’єму розряду, що вигідно відрізняється від усіх інших видів отримання 
низькотемпературної плазми [8]. 
Цей тип розряду характеризується з однієї сторони, порівняно високою 
середньою енергією електронів і із іншої – низькою температурою газу, 
виділяється в короткоживучих, малоінтенсивних іскрах – мікророзрядах. 
Сполучення усіх цих умов робить тихий розряд ефективним для проведення 
реакцій конденсації. Умови виникнення бар´єрного розряду показані на 
рисунку 1.8. 
Дві пластини А1 і А2, які виготовлені з електричностійкого діелектрику 
(наприклад, скла чи кварцу), розділені проміжком G, який заповнений газом і 
має атмосферний тиск. При прикладанні на струмопровідні обкладки B1 і B2 
різницю потенціалів від зовнішнього джерела V, відбувається поляризація 
діелектричних бар’єрів. При цьому до середини поверхонь бар’єрів 
виникають поверхневі заряди, які співпадають за знаком з зарядом 
відповідної обкладки. Таким чином, до  
V
- + - +
- + - +
+ - + - + -
- + - +
- + - +
- + - +
- + - +
- + - +
G
A1 A2
 
Рисунок 1.8 -  Схема виникнення бар´єрного розряду 
 
шару газу, який знаходиться між бар’єрами, прикладається різниця 
потенціалів, прямо пропорційна напрузі на обкладках. При підвищенні 
внутрішньої напруги, ця різниця потенціалів збільшується. Тоді відбувається 
пробій між бар’єрами і виникає велике число мікроскопічних розрядів, 
кожний з яких нейтралізує частину заряду на малих ділянках внутрішньої 
поверхні бар’єрів. При цьому різниця потенціалів на межі газового зазору 
дуже швидко ( протягом мікросекунд) знижується настільки, що 
проходження струму через газ припиняється. Якщо обкладки заряджаються 
від джерела змінного струму достатньо високою напруги, описана картина 
буде повторюватися [7]. Накладання знакозмінного струму призводить до 
виникнення (двічі в період) розряду. Виникнення розряду відмічається на 
осцилограмах струму зміною форми кривої. При наявності досить 
широкополосного обладнання на кривих досить чітко видно окремі складові 
високочастотного струму ( рисунок. 1.9 ). Ці імпульси отримали назву 
«волоси». Японськими вченими в 50 роках була помічена залежність між 
виходом продукту ( озону) і сумою цих «волос». На рисунку 1.10 
представлено типові осцилограми струму і напруги [9]. Виникнення 
безпосередньо розряду відмічається на  
           
                          а) б) 
 
а) напруга 10кВ; б) напруга 12кВ. 
 
Рисунок 1.9 - Імпульси струму в бар´єрному розряді в кисні при 
розрядному проміжку 4 мм [ 7 ]. 
 
 
Рисунок 1.10 Зміна напруги і форми току в барьєрному розряді в 
суміші хлор-ксенон  
 
осцилограмі струму спотворенням форми кривої струму. 
При атмосферному тиску бар´єрний розряд ініціюється стримерним 
пробоєм. Початкова фаза пробою в бар´єрному розряді аналогічна до 
розрядів без діелектрика. Коли стример досягає діелектричного бар´єру, 
починається характерне для бар´єрного розряду осадження зарядів на 
діелектричній поверхні і за долі наносекунди  утворюється область катодного 
падіння з великим діелектричним полем. При атмосферному тиску ширина 
цього шару досягає 10 мкм. Під час формування катодного шару в 
мікророзряді виникає максимум ( пік) струму. Відразу за цим піком струму, 
що накопичується, на поверхні діелектрика відбувається до екранування 
електричного поля в області, яка визначена поверхневим зарядом. Імпульс 
струму завершується, розряд переходить в пасивну фазу до виникнення 
наступного пробою після зміни полярності змінної напруги, що прикладена 
до електроду. Завдяки виникненню і зникненню піків струму різної величини 
( визначається заряд певного стримеру) виникнення розряду 
супроводжується появою високочастотного струму, спектр частот якого 
коливається від герц до гігагерц [9]. 
В звичайному бар´єрному розряді індивідуальні мікророзряди 
змагаються за простір на поверхні діелектрику. Щільність мікророзрядів на 
поверхні електроду росте зі збільшенням потужності, яка залежить від 
частоти і пікового значення напруги, що прикладається, а не від її форми. В 
фазі росту зовнішньої напруги додаткові мікророзряди виникають в новій 
області, поскільки присутність залишкового заряду на електроді зменьшує 
електронне поле в тій області, де мікророзряд був присутній. Але при зміні 
полярності напруги наступний мікророзряд буде формуватися в області 
існування попередніх мікророзрядів, поскільки тут необхідна менша напруга 
для створення пробою.   
Бар’єрний розряд формується численними мікророзрядами — приблизно 15–25 за проміжок 10 мс, 
які проходять через газонаповнений проміжок між бар’єрами і тривають близько 10⁻⁸ с. При атмосферному 
тиску ці мікророзряди є слабкими іскровими розрядами. Інтенсивність виникнення розрядів на одиницю 
поверхні та потужність кожного з них визначаються електропровідністю бар’єру: чим вища поверхнева 
провідність, тим легше поверхневому заряду переміщатися до місця утворення розряду. Водночас 
поверхнева провідність сильно залежить від складу газу, що знаходиться між бар’єрами. Зменшення числа 
розрядів у газовому проміжку потребує підвищення активної потужності для підтримки процесу. [51]. 
Час релаксації 0,02 секунди. 
У зв’язку з іскровим характером мікророзрядів заряджені частки 
досягають досить високих енергій і тому мають досить високі температури 
(до 3 000-4 000С). Внаслідок цього окремо взятий мікророзряд має сильну 
деструктивну дію, руйнуючи молекули сполук, з якими стикається, руйнує 
молекули на більш дрібні і вільні атоми.  
В [9] при розглядані двохмірної гідродинамічної моделі барьєрного 
розряду при атмосферному тиску в повітрі було доведено, що 
мікророзрядний канал складається із «дифузійної» і « стримерної» частин. 
«Стримерна» частина характеризується високою, майже однорідною 
електронною щільністю, в той час як в «дифузійній» частині каналу 
мікророзряду концентрація електронів експоненційно зменшується в 
напрямку до аноду. В залежності від гранчиних умов мікророзряд боже бути  
або в «стримерно-» або «дифузійно» подібним [9]. 
 
1.3 Висновки до першого розділу  
 
1. При окисненні вуглеводнів можливо виділити три температурних 
режими, які сильно відрізняються за механізмом процесів, що протікають:  
- низькотемпературний режим (температура ≤160°С) можливо 
охарактеризувати як режим хімічного синтезу. Окиснення в цій області 
протікає лише в присутності каталізатору чи ініціатору, котрі можуть бути 
гомогенними і гетерогенними; 
- середній температурний режим, (250-400°С), який також називається 
областю «холодного» полум’я і який характеризується утворенням олефінів і 
гідроперооксиду. Найбільш характерною рисою окиснення вуглеводнів в 
цьому режимі є автокаталіз процесу. 
- режим горіння. При температурах вище 450°С відбувається гаряче 
займання вуглеводнів. Період індукції практично відсутній  чи дуже 
короткий. Повне окиснення вуглеводнів супроводжується більшим 
виділенням енергії. 
2. Тверде природне паливо складається з вуглецю, різноманітних вуглеводневих сполук, а 
також містить вологу та золу. Ще до того, як паливо досягає температури займання, його 
частинки піддаються нагріванню, у результаті чого органічні складові розкладаються з 
утворенням летких речовин. Серед цих сполук присутні високогорючі компоненти, 
зокрема метан, водень, оксид вуглецю (II) та інші, що визначають умови запалення та 
подальшого горіння природного палива. Після виділення летких речовин залишається 
твердий залишок — кокс, який складається переважно з вуглецю. 
3. Термічне розкладання окремих складових палива полягає у руйнуванні хімічних 
зв’язків у цих речовинах, що призводить до утворення численних нестійких активних 
проміжних сполук. Ці проміжні продукти швидко вступають у взаємодію між собою, 
утворюючи більш стабільні продукти термолізу, такі як смоли, кислоти, неконденсовані 
гази та інші речовини. 
Загальний вихід летких речовин визначається співвідношенням між вмістом вуглецю та 
водню в паливі.  До складу летких сполук можуть входити різноманітні органічні смоли 
та газоподібні продукти. У деяких видах торфу серед летких компонентів також присутні 
органічні кислоти.Виділення та згоряння летких компонентів зазвичай відбувається 
раніше, ніж починається горіння коксу, оскільки леткі речовини, що виходять із поверхні 
частинок, перешкоджають надходженню окиснювача до поверхні коксового залишку. 
Проте залежно від розміру частинок і умов їх обтікання потоком у прикордонному шарі 
можуть формуватися різні концентрації летких сполук. Певний час леткі продукти, що 
виділяються з частинки палива, відсувають зону горіння від її поверхні, фактично 
перешкоджаючи доступу кисню до коксового залишку. Коли інтенсивність виділення 
летких речовин зменшується, кисень поступово проникає до поверхні коксу, після чого 
розпочинається його активне горіння. 
4. Іншим фактором, який впливає на каталітичні властивості матеріалів 
є значення ширини забороненої зони. Так у матеріалів, а особливо у 
напівпровідників, у яких заборонена зона має велику ширину, каталітична 
властивість мала. При зменшенні ширини забороненої зони відбувається 
збільшення каталітичної властивості. У металів, у яких ширина забороненої 
зони наближається до нуля, каталітичні властивості найбільші. 
 
 
 
 
 
 
2 Сучасний стан досліджень згоряння подрібненої деревної біомаси 
 
       2.1  Специфічні особливості процесу згоряння подрібненої деревної 
біомаси 
У деревній біомасі відсутні сірка та фосфор. Загальновідомо, що основні теплові втрати 
котлоагрегатів пов’язані з відведенням теплоти з відхідними газами, а їх величина 
визначається температурою цих газів. Під час спалювання палив, що містять сірку, 
температуру відхідних газів підтримують не нижче 200…250 °С, щоб запобігти 
сірчанокислотній корозії хвостових поверхонь нагріву. При спалюванні деревних відходів, 
які, як зазначено, не містять сірки, температуру відхідних газів можна знизити до у межах 
(80–90)–110…120 °С, що забезпечує суттєве зростання ККД котлоагрегатів. 
Отже, одним із дієвих способів зменшення витрат палива в котельних лісопереробних 
підприємств є оснащення котлоагрегатів, що працюють на деревних відходах, 
додатковими хвостовими поверхнями нагріву [4]. 
Високий вихід летких речовин під час спалювання деревного палива є характерною 
особливістю деревної біомаси. Це забезпечує утворення довгого факела, у якому 
відбувається згорання летких горючих компонентів, сформованих у паливному шарі. 
Такий режим сприяє ефективній роботі радіаційних поверхонь нагріву котлоагрегату [4]. 
Продукт коксування деревної біомаси — деревне вугілля — характеризується підвищеною 
реакційною здатністю порівняно з викопним вугіллям. Завдяки цьому процес горіння 
деревного вугілля може відбуватися за знижених значень коефіцієнта надлишку повітря, 
що позитивно впливає на загальну ефективність роботи котельних установок при 
спалюванні деревної біомаси [4; 5]. 
Однак, попри значні переваги, деревина має властивості, які можуть негативно впливати 
на роботу котлоагрегатів. Передусім це пов’язано з високою здатністю деревини активно 
вбирати вологу, що спричиняє зростання її вологості під час перебування У водному 
середовищі, зокрема під час сплаву, сортування у водних басейнах або відкритого 
зберігання, вологість деревини істотно зростає. 
Гранична водопоглинальна здатність деревини визначається сумарною кількістю зв’язаної 
та вільної вологи. Максимальний уміст зв’язаної вологи обмежується рівнем насичення 
клітинних стінок, тоді як кількість вільної вологи зумовлюється об’ємом міжклітинних 
порожнин і внутрішніх пор клітин. У першому наближенні максимальний уміст вологи 
може бути визначений за відповідною формулою. [6]: 
 
1.54−��
                         �������� = 30 + 0 100                                        (2.1) 
                                                1.54 
 
 
де �������� – гранично допустима абсолютна вологість деревини; γ₀ — густина деревини 
в абсолютно сухому стані. 
Формула (2.1) має наближений характер, оскільки значення вологості на межі 
насичення клітинних стінок та щільності деревинної речовини взяті усередненими. Крім 
того, під час її виведення було прийнято, що всі порожнини деревини повністю заповнені 
водою. Насправді ж частина пустот є недоступною для проникнення вологи, тому 
результати, отримані за цією формулою, завжди дещо перевищують експериментальні 
дані. 
Попри це, для теплотехнічних розрахунків такі значення є цілком прийнятними, адже 
вони дають можливість оцінити граничний уміст вологи та змоделювати найбільш 
несприятливі умови спалювання [6, 7]. 
Однією з характерних рис деревини як палива є дуже низький вміст внутрішньої золи — 
зазвичай не більше 1%. Натомість у відходах лісозаготівель нерідко міститься значна 
кількість зовнішніх мінеральних домішок, і показник зольності може досягати Ас = 20 %. 
Зола, що утворюється при згорянні чистої деревини, є тугоплавкою, тому її видалення із 
зони горіння зазвичай не становить технічних труднощів. Мінеральні ж домішки, 
притаманні деревній біомасі, навпаки — легкоплавкі. За наявності їх великої кількості під 
час спалювання формується спечений шлак, видалити який із високотемпературної 
частини паливневого пристрою значно складніше, що потребує застосування спеціальних 
технічних рішень для забезпечення стабільної роботи обладнання. 
Спечений шлак, що виникає при спалюванні деревини з високим вмістом зольних 
домішок, за хімічним складом подібний до цегли. За високих температур він здатен 
спікатися зі стінками паливні, викладеними цегляною кладкою, що суттєво ускладнює 
процес його видалення. 
Серед методів перероблення деревної біомаси одним із найбільш поширених є термічний, 
який, залежно від кінцевих продуктів, поділяється на піроліз, газифікацію та спалювання 
[7]. 
 
 2.2 Дослідження теплоенергетичних характеристик деревної біомаси 
    2.2.1  Вміст вологи  
 Вміст вологи в деревній біомасі є показником, що відображає кількість води, яка міститься в 
матеріалі. Розрізняють абсолютну та відносну вологість. 
Абсолютна вологість визначається як співвідношення маси вологи, що міститься в біомасі, до 
маси абсолютно сухої деревини [7]: 
��−��
                                                   ��а = 0,   
                                                         ��0                                           (2.2)                                                                                                                                                                                              
 
де ��а — абсолютна вологість у відсотках; m — маса зразка у вологому стані,г; m₀ – маса 
того самого зразка після висушування до сталої величини, г. 
Відносна (або робоча) вологість визначається як частка маси вологи, що міститься в 
біомасі, від маси деревини в її природному, вологому стані [10]: 
��−��
                                                       ��р = 0,                                               (2.3) 
де ��р – відносна, або робоча, вологість. 
Перехід від абсолютної вологості до відносної та навпаки виконується за такими 
формулами [11]: 
р  100��
                                                     ��  = а   ;                                           (2.4) 
100+��а 
 
Під час розгляду процесів сушіння деревини зазвичай оперують абсолютною вологістю 
(2.2). У теплотехнічних же розрахунках переважне застосування знаходить відносна, або 
робоча, вологість (2.4) [10]. 
У складі деревної біомаси розрізняють два основні типи вологи: гігроскопічну, або 
зв’язану, та вільну. Зв’язана волога присутня всередині клітинних стінок і утримується 
там завдяки фізико-хімічним взаємодіям між молекулами.Її видалення потребує 
додаткових енерговитрат і помітно впливає на фізико-механічні властивості деревини. 
Натомість вільна волога розташована в порожнинах клітин і міжклітинних просторах; 
вона утримується переважно механічними силами, легко видаляється і значно менше 
впливає на механічні характеристики деревної речовини. 
Стан деревини, за якого вільна волога повністю відсутня, а стінки клітин містять 
максимально можливу бсяг зв’язаної вологи відповідає рівню насичення, тобто межі 
гігроскопічності [11]. 
Межа насичення Wм.н. визначається як найбільший вміст вологи у речовині клітинних 
стінок свіжозрубаної деревини або деревини, яку тривалий час утримували у воді [11]. 
Межа гігроскопічності Wм.г. — це максимальна вологість клітинних стінок деревної 
речовини, що досягається під час її зволоження в повітрі, насиченому водяною парою. 
Під час перебування деревини на відкритому повітрі між нею та навколишнім 
середовищем відбувається постійний обмін вологою. Якщо деревина містить надлишкову 
кількість вологи, вона поступово висихає; коли ж її вологість нижча за рівноважну, 
деревина, навпаки, поглинає вологу з повітря. Після тривалого перебування в постійних 
умовах температури та Рівень вологості повітря і деревини також вирівнюється. Це 
стається тоді, коли парціальний тиск водяної пари в повітрі стає рівним тиску пари води 
біля поверхні деревини.Отримане значення сталої вологості є однаковим для всіх порід 
деревини, але залежить від того, чи відбувався процес висихання, чи зволоження [11]. 
Дрібна деревина — така як тирса, стружка або тріска — через велику питому поверхню 
має дуже малий гістерезис сорбції. Її стабілізовану вологість за певних умов прийнято 
називати рівноважною ��р. 
Рівноважна вологість деревини не залежить від її породи й визначається виключно 
параметрами повітря, у якому вона перебуває, а саме температурою (t) та відносною 
вологістю (φ). 
За показником вологості стовбурова деревина поділяється на кілька груп: Деревину 
класифікують за ступенем вологості: свіжозрубану (мокру), повітряно-суху, кімнатно-
суху та абсолютно суху. У разі мокрої деревини— це матеріал, який тривалий час 
контактував із водою, наприклад під час сплаву або сортування у водоймах; її вологість 
Wₚ перевищує 50%. Свіжозрубана деревина зберігає природну вологість, властиву 
живому дереву; її показник залежить від породи й становить приблизно Wₚ = 33…50% [4]. 
Середні значення вологості для різних порід свіжозрубаної деревини становлять: ялина — 
48%, модрина — 45%, ялиця — 50%, сосна кедрова — 48%, сосна звичайна — 47%, верба 
— 46%, липа — 38%, осика — 45%, вільха — 46%, тополя — 48%, береза бородавчаста — 
44%, бук — 39%, в’яз — 44%, граб — 38%, дуб — 41%, клен — 33%. 
Повітряно-сухою вважають деревину, яка тривалий час зберігається на відкритому 
повітрі. Поступово випаровуючи вологу, вона досягає стабільного рівня вологості, 
характерного для навколишніх умов. Для повітряно-сухої деревини цей показник 
становить Wₚ = 13…17%. 
Кімнатно-суха деревина – це матеріал, який довго перебував у вентильованому та 
опалюваному приміщенні. Її вологість знижується до Wₚ = 7…11%. 
Абсолютно сухою називають деревину, висушену до сталої маси за температури t = 103 ± 
2 °C. 
У стовбурі живого дерева вологість розподіляється нерівномірно — як по радіальному 
напрямку, так і по висоті. Найбільші коливання спостерігаються в корі. Згідно з 
результатами досліджень [19, 70–74], вологість кори на різних ділянках колод становила: 
у сосни — 40–211%, у ялини — 40–159%, у берези — 38–82% (у перерахунку на 
абсолютну вологість). 
Для сосни характерна суттєва зміна вологості кори залежно від висоти стовбура: у 
прикореневій частині вона нижча, ніж у верхівковій. Натомість у ялини та берези 
вологість кори майже не змінюється по висоті стовбура. 
За даними джерела [11], під час сплаву відносна вологість кори хвойних порід зростає 
до 80…84%, а вологість лубу може досягати 85…90%. З огляду на те, що критична 
відносна вологість кори становить близько 60%, стає очевидним: після сплаву хвойна 
кора перед подачею на спалювання потребує попереднього зневоднення, незалежно 
від обраного технічного способу. 
Гранична вологість стовбурової деревини визначається загальним об’ємом порожнин 
усередині клітин та міжклітинних просторів. У процесі гниття клітинна структура 
руйнується, утворюються додаткові порожнини, що підвищує пористість та рихлість 
матеріалу. Унаслідок цього міцність деревини різко знижується, а її структура стає 
слабкою та неоднорідною відповідно до інтенсивності перебігу гниття. 
Вологість деревної гнилі не має верхньої межі й може досягати настільки великих значень, 
що її спалювання стає малоефективним. Через підвищену пористість така деревина 
відрізняється високою гігроскопічністю та швидко вбирає вологу, перебуваючи на 
відкритому повітрі. 
    2.2.2 Зольність 
Зольність — це кількість мінеральних речовин у паливі, що залишаються після повного згоряння його 
горючої частини. Відомо, що зола є небажаним компонентом палива, оскільки вона зменшує частку 
корисних горючих елементів і ускладнює роботу паливних установок. Під час аналізу зольність визначають 
відносно абсолютно сухої маси палива, а для переходу до робочої маси застосовують відповідну формулу 
[11].                                       
р
    Ар с 100−��
 = А  ( ),                                           (2.5) 
100 
        де А  p– зольність, визначена для робочої маси палива, %; А  p– зольність, розрахована 
на суху масу, %; W  p– робоча вологість палива, %. 
Зола поділяється на два типи: внутрішню, що природно міститься в деревині, та зовнішню, 
яка потрапляє в паливо під час заготівлі, зберігання або транспортування біомаси. 
Залежно від походження та складу зола характеризується різною температурою 
плавлення при нагріванні. Легкоплавкою вважають золу, що переходить у рідкоплавкий 
стан при температурі нижче 1350 °С. Середньоплавка зола має температуру початку 
плавлення у межах 1350–1450 °С, а тугоплавка — понад 1450 °С. Внутрішня зола деревної 
біомаси здебільшого є тугоплавкою, тоді як зовнішня належить до легкоплавкої. Дані 
щодо вмісту золи в окремих частинах дерев різних порід наведені в таблиці 2.1. 
 
 
 
 
             Таблиця 2 .1-  Розподіл вмісту золи між окремими частинами дерева для різних 
порід [11]. 
 Кількість золи в абсолютно сухій масі, % 
Порода Стовбур Кора Гілки, сучки, 
коріння 
Сосна 0.2 .. . 0,7 1.4 . . .2,2 0,3.. . 0.7 
Ялина 0.2 2,3 0,3. . .0,4 
Береза 0,2 .. . 0,4 2.4 0,3.. . 0.6 
Осика 0,2 . . . 0.3 2.7 0,3 
 
Кількість внутрішньої золи в стовбуровій деревині коливається в межах 0,2–1,17%. 
Тому згідно з рекомендаціями нормативного методу теплового розрахунку котельних 
агрегатів [11], у розрахунках паливних установок показник зольності стовбурової деревини 
всіх порід умовно приймають на рівні 1% від сухої маси. Такий підхід є коректним лише за 
умови, що до подрібненої деревини не потрапляють мінеральні домішки. 
 Кора характеризується значно вищою зольністю, ніж стовбурова 
деревина. Це пояснюється, зокрема, тим, що під час росту дерева поверхня 
кори постійно контактує з атмосферним повітрям і акумулює мінеральні 
аерозолі, що в ньому містяться [11]. За даними [12], зольність кори різних 
порід у перерахунку на суху масу становить: сосна — 3,2%, ялина — 3,95%, 
береза — 2,7%, вільха — 2,4%. 
Елементи крони мають ще вищу зольність порівняно зі стовбуровою 
частиною дерева; її значення залежать від породи та умов росту. Згідно з 
[12], зольність листя становить близько 3,5%, а гілки та сучки містять 0,3–
0,7% внутрішньої золи. Водночас у реальних умовах заготівлі їх зольність 
може істотно збільшуватися через потрапляння зовнішніх мінеральних 
забруднень. 
    2.2.3 Елементний склад 
Деревну біомасу в тому вигляді, в якому вона надходить у паливні котлоагрегатів, 
називають робочим паливом. Склад деревної біомаси, тобто вміст у ній окремих 
елементів, характеризується таким рівнянням: 
 
                             Ср + Нр + Ор + Nр + Sр + Aр+Wр=100%,                     (2.7) 
        
  де Ср, Hp, Oр, Np – вміст у деревній масі, відповідно, вуглецю, водню, кисню та азоту,%; 
        Sр  , Ap, Wp – вміст у паливі, відповідно, золи і вологи. 
 
З метою характеристики палива в теплотехнічних розрахунках використовують 
поняття суха маса та горюча маса палива [12]. 
Суха маса палива є в даному випадку біомасою, висушеною до абсолютнос ухого 
стану. Її склад виражається за допомогою такого рівняння: 
 
                              Сc + Нc + Оc + Nc + Ac=100%.                                  (2.8) 
 
 
Горюча маса палива — це частина біомаси, з якої повністю вилучені волога та зольні 
компоненти. Її склад описується таким співвідношенням: 
                              Сг + Нг + Ог + Nг =100%.                                         (2.9) 
 
Індекси біля позначень компонентів біомаси вказують на їхній вміст: р — у робочій 
масі, с — у сухій масі, г — у горючій масі палива [12]. 
Однією з характерних властивостей стовбурової деревини є сталість її елементного 
складу в горючій масі. Елементний склад горючої частини стовбурової деревини 
практично не залежить від породи, що підтверджується даними таблиці 2.2, укладеної на 
основі великої кількості експериментальних вимірювань. 
Таблиця 2.2 - О сновні характеристики горючої маси стовбурової деревини [5] 
Порода дерев Елементарний Вихід летких на Теплота згорання 
склад деревини,% горючу масу,% на горючу масу, 
СГ НГ 0Г NГ кДж / кг 
Хвойні 51.0 6,15 42,25 0,6 85 19 079 
Листяні 50,5 6,10 42,80 0,6 85 18 660 
Змішані 51,0 6,10 42,30 0,6 85 18 870 
 
Зазвичай зміни у вмісті окремих компонентів горючої маси стовбурової деревини 
настільки незначні, що не виходять за межі похибок технічних вимірювань. Тому в 
теплотехнічних розрахунках і під час налагодження обладнання для спалювання 
стовбурової деревини можна без суттєвої похибки використовувати усереднений 
елементний склад (% у горючій масі): С₉ = 51%, Н₉ = 6,1%, О₉ = 42,3%, N₉ = 0,6%. 
Елементний склад кори вивчений недостатньо, оскільки існуючі публікації обмежені й не 
дозволяють робити широкі узагальнення. Аналіз наявних даних свідчить, що показники 
вмісту елементів та зольності кори можуть змінюватися в таких межах: С₉ = 49,0…58,0%; 
Н₉ = 5,2…7,0%; О₉ = 38,0…45,9%; N₉ = 0,5…8,0%. 
Аналіз елементного складу гнилої деревини показав, що під час корозійного гниття 
спостерігається зменшення вмісту лігніну, тоді як кількість целюлози практично не 
змінюється. Прикладами корозійної (комірчастої) гнилі є ураження сосни сосновою 
губкою та коріння ялини, пошкоджене кореневою губкою. 
Під час деструктивного гниття вміст лігніну у деревині збільшується, тоді як частка 
целюлози зменшується. Оскільки лігнін має вищий вміст вуглецю порівняно з целюлозою, 
то за деструктивного типу гниття загальний вміст вуглецю зростає, тоді як за корозійного 
– залишається приблизно незмінним або зменшується значно повільніше. 
Елементний склад компонентів крони досліджений недостатньо. У таблиці 2.3 наведено 
дані щодо елементного складу лісозаготівельних відходів [12]. Автор також провів власні 
дослідження елементного складу деревини, результати яких подані в розділі 3.  
 
Таблиця 2.3 Е лементний склад відходів лісозаготівель у розрахунку на масу сухої 
речовини [12] 
 ��р, Елементний склад сухої 
Речовина н речовини, % 
кДж/кг с с Oс
С Н  + Nс Ас 
Сосна 
Деревина 20 640 50,78 6,02 42,71 0,49 
Кора 20 220 50,02 6,28 40,50 3,2 
Хвоя 19 460 49,66 6,72 40,23 3,34 
Ялина 
Деревина 20 100 51,81 5,97 41,41 0,81 
Кора 20 330 51,09 6,11 38,05 3,95 
Хвоя 20 530 49,68 6,31 39,50 4,51 
Береза 
Деревина 19 540 49,90 6,37 43,98 0,75 
Кора 22 970 52,87 6,68 38,31 2,7 
Вільха 
Деревина 19 800 49,92 6,44 43,20 0,44 
Кора 22 110 52,13 6,62 38,84 2,41 
 
2.2.4 Теплотворна здатність деревної біомаси 
 
При вивченні процесів спалювання деревної біомаси розрізняють 
вищу та нижчу теплоту згоряння. 
Вища теплота згоряння —— це кількість теплової енергії, що 
виділяється під час повного згорання 1 кг біомаси за умови, що всі 
утворені в процесі горіння водяні пари повністю сконденсувалися і 
передали тепло, витрачене на їх випаровування (приховану теплоту 
пароутворення) [12]. 
Вищу теплоту згорання QpQ_pQp обчислюють за формулою Д. І. Менделєєва. 
 
 
                     ��р = 4,187 ∗ (81���� + 300���� − 26(���� − ����))     (2.10) 
  
Нижча теплота згорання — це кількість теплової енергії, що виділяється під час 
спалювання 1 кг біомаси без урахування тепла, необхідного для випаровування водяної 
пари, яка утворюється в процесі горіння. 
Її величину обчислюють за формулою (кДж/кг) [12]: 
��р = 0,339���� + 1,03���� − 0,109(���� − ����) − 0,25���� (2.11) 
н 
 
Теплоту згорання стовбурової деревини визначають з урахуванням двох основних 
чинників — її вологості та зольності. Узагальнена формула, що дозволяє розрахувати 
значення теплоти згорання для деревини будь-якої вологості й зольності, має вигляд [12]: 
��р = 18900 − 214��р − 189Ар, 
н 
 (2.12) 
де ��р – теплота згорання стовбурової деревини при вологості Wр і зольності Ар, кДж / 
н 
кг. 
 Дані щодо теплоти згорання кори дерев різних порід є обмеженими, 
тому зазвичай наводять лише орієнтовні значення цього показника. 
Теплота згорання гнилої деревини, розрахована на одиницю маси, для 
корозійного типу гнилі є нижчою, а для деструктивного типу — вищою 
порівняно зі здоровою деревиною. Розрахунок теплоти згорання гнилої 
деревини з урахуванням її вологості та зольності здійснюється за тією ж 
формулою, що й для кори. Для приблизних теплотехнічних розрахунків 
теплота згорання елементів крони приймається рівною теплоті згорання 
стовбурової деревини відповідної породи [12]. 
 2.3 Аналіз характеристик і потенціалу деревних відходів 
За характером походження деревні відходи умовно поділяють на три основні групи: 
• Лісозаготівельні та лісосічні залишки — це відходи, що утворюються безпосередньо в 
лісі під час заготівлі деревини, а також матеріали, що залишаються на лісових складах. 
• Післяпродукційні відходи — виникають у процесі механічної обробки деревини або 
виготовлення з неї різноманітних виробів. 
• Вторинна (вживана) деревина — це відходи, що утворилися після завершення строку 
експлуатації виробів із деревини та їх утилізації. 
            Деревну сировину, яку отримують у лісозаготівельній галузі, прийнято поділяти на 
основну та додаткову сировину. Основна сировина застосовується для виробництва 
круглих та колотих лісоматеріалів різного призначення, для хіміко-технологічної обробки, 
а також як джерело деревного палива. 
На різних етапах виробництва частина деревини через низьку комерційну цінність не 
залучається до основного процесу та переходить у відходи. Ці матеріали можуть бути 
використані як додаткове джерело деревини для отримання технологічної тріски чи іншої 
корисної продукції. 
У структурі загальної біомаси дерев, що призначені для вирубування, приблизно 82% 
припадає на деревину, 1% — на кору, а 3% — на листя та хвою. Біомаса в стовбурі та 
інших частинах дерева розподілена нерівномірно: до 65% маси становить стовбур, який 
є основним об’єктом лісозаготівлі. Верхня тонка частина стовбура (близько 5%), крона 
(10–15%), пні (5–10%) та корені (10–20%) зазвичай залишаються на лісосіці як відходи. 
Загальна кількість таких лісозаготівельних відходів, залежно від породи дерев, становить 
30–50% від загальної біомаси. 
 
За статистичними даними, відходи лісозаготівель становлять близько 21% від загальної 
маси деревини та приблизно 14% запасу лісосічного фонду [12]. До таких відходів 
належать: 
 Кронові відходи (деревна зелень: хвоя, листя, гілки, сучки, тонкомірні верхівки). 
Їх кількість залежить від породи дерева й становить від 6% для берези до 14% для 
сосни та 18% для ялини від об’єму стовбурної деревини. 
 Пні та коріння, що залишаються на лісосіці після проведення заготівельних робіт. 
Пні становлять у середньому 3% об’єму стовбура, а коріння — близько 18% від 
маси надземної частини дерева (стовбура і крони). 
 Хмиз — дрібні гілки та обрізки. 
 Верхівки та суччя, вихід яких становить: 
o у соснових, кедрових та листяних лісах — 11–14%; 
o у ялинових — 14–17%; 
o у березових, осикових та інших м’яколистяних — 8–10%; 
o у дубових — 10–20%. 
 Відходи у вигляді козирків та відщепів, що утворюються при обторцьовуванні та 
переробці на сортименти (зокрема відкорінків), становлять приблизно 5,5%. 
Якщо потрібно, можу також об’єднати всі джерела відходів у схему або створити коротку 
таблицю. 
У лісопромисловому комплексі на кожен кубічний метр деревини припадає певна маса 
гілок і кори. Для ялини вона становить 50–70 кг, для сосни — 80–100 кг, а для берези — 
90–100 кг. Під час переробки лісових відходів можна отримати 40–55 % матеріалу 
деревної зелені та 25–35% технологічної тріски, яку допускається використовувати як 
паливо [5, 6]. 
Якщо вважати, що обсяг круглого лісу дорівнює 100 %, то частка відходів у лісопильному 
виробництві становить приблизно 35 %, у виготовленні дверних та віконних блоків — 
близько 39 %, при виробництві паркету — близько 30 %, а у меблевій промисловості — 
від 48 до 54 %. Таким чином, серед технологічних процесів деревообробного 
підкомплексу найбільшу частку відходів утворює лісопиляння та виготовлення чорнових і 
чистових заготовок. Так, з об’єму колоди на дошки припадає 58–60%, з об’єму дошок на 
чорнові заготовки — 35–40%, а з об’єму чорнових заготовок на чистові — лише 25–35%. 
У виробництві паркету вихід придатних планок у багатьох випадках становить лише 
близько 11,7% від об’єму чистових заготовок [2–5]. 
Вживана деревина виступає потенційним ресурсом і невикористаною базою деревної 
сировини, запаси якої зростають паралельно з розвитком промисловості та господарської 
діяльності. До цієї категорії відходів відносять демонтовані або відремонтовані дерев’яні 
конструкції будівель, тару (піддони, ящики), залізничні шпали, телеграфні стовпи, 
уживані меблі та інші вироби, що завершили свій експлуатаційний термін.  
У складі вживаної деревини можуть бути присутні антипірени, антисептики, фарби, лаки, 
клеї, штучні плівки, а також металеві, скляні чи інші включення. Основним критерієм її 
придатності, що визначає подальші напрями використання, є вміст шкідливих речовин, які 
потрапили до деревини разом із засобами захисту або оздоблювальними матеріалами. 
Тому переробка вживаної деревини передусім потребує її ретельного сортування, що 
супроводжується додатковими матеріальними витратами. У результаті, в умовах сучасної 
української економіки ця група потенційних деревних ресурсів залишається майже 
невикористаною. 
Наприкінці ХХ ст. цей тип деревних відходів почали активно аналізувати та досліджувати 
[11–14]. У низці європейських країн виконано значний обсяг робіт, спрямованих на 
вивчення можливостей залучення вживаної деревини до виробничих процесів. 
Зокрема, у німецькому законодавстві у сфері поводження з відходами деревини та 
уживаними виробами з деревини передбачено: 
 повна заборона на складування вживаних дерев’яних виробів у недробленому, 
первісному стані; 
 обов’язкове сортування деревних відходів та вживаної деревини на категорії, 
«безпечні» для повторної переробки, із зазначенням виробником рекомендованого 
методу їх утилізації; 
   безпосередня відповідальність власника відходів за їхню правильну 
утилізацію; 
   відшкодування витрат власнику відходів за належне проведення утилізації; 
   надання податкових пільг та дотацій для підприємств, які закуповують і 
переробляють уживану деревину на тріску. 
 фінансові стимули для споживачів, які використовують тріску з уживаної 
деревини як у технологічних процесах, так і для енергетичних потреб. 
В Австрії щорічні обсяги утворення вживаної деревини можуть досягати близько 1,0 млн 
т [11–14]. Для Німеччини аналогічний показник був реальним ще два десятиліття тому, 
проте сучасні дані свідчать про зростання обсягів до 8,0 млн т на рік [11–14]. 
Попри значний потенціал цього ресурсу, промисловість виявляє обмежений інтерес до 
його використання через надзвичайно неоднорідний асортимент вживаної деревини та 
наявність численних забруднень. Унаслідок цього вживана деревина й інші промислові 
деревні відходи здебільшого потрапляють на полігони твердих побутових відходів. 
На багаторічних звалищах накопичено мільйони тонн таких відходів. Їхня маса часто 
перевищує природні можливості систем біодеструкції, що призводить до довготривалого 
збереження деревних залишків у навколишньому середовищі. 
Проте екологічні вимоги, які запроваджуються у більшості європейських держав, 
змушують виробників деревообробної продукції шукати нові підходи до переробки 
вживаної деревини та інших деревних відходів. Починаючи з 1 січня 2006 р., у країнах ЄС 
вживана деревина класифікується як «додаткові обов’язково контрольовані відходи», що 
підлягають спеціальному маркуванню та можуть експортуватися до інших держав, 
зокрема для виробництва деревних плит, гранул та іншої продукції. 
Отже, промислове використання вживаної деревини є не лише вагомим резервом для 
розширення сировинної бази деревообробної галузі, а й поступово стає екологічною 
необхідністю. З метою раціонального використання лісових ресурсів України слід 
прискорити ухвалення законодавчих актів щодо ресурсозбереження та впорядкування 
використання вторинних матеріальних ресурсів. Такі нормативні документи мають 
мотивувати підприємства до екологічно збалансованого ресурсоспоживання, а також до 
впровадження маловідходних і безвідходних технологій. 
У випадках, коли повне усунення утворення відходів є неможливим, повинні бути 
передбачені ефективні методи їх утилізації. Основним напрямом утилізації деревних 
відходів залишається їх використання як вторинної сировини для виготовлення нових 
матеріалів або як енергетичного ресурсу [2–5]. 
Значну частину відходів деревних матеріалів підприємства реалізують приватним 
споживачам для опалення житлових будинків. Хоча для виробників це є зручним 
способом позбутися відходів, такий підхід суперечить принципам екологічної безпеки, 
оскільки сприяє неконтрольованому розповсюдженню потенційно небезпечних 
матеріалів. Забруднення довкілля в цьому випадку виникає внаслідок неправильного 
використання цих відходів: обрізки ДСП, ДВП чи фанери часто спалюються у звичайних 
домашніх печах, які не призначені для цього. У таких умовах можливе виділення 
токсичних сполук, зокрема оксидів азоту та діоксинів. 
Найбільш раціональним способом утилізації деревних відходів є їх спалювання у 
спеціалізованих установках для виробництва теплової чи електричної енергії, що дозволяє 
суттєво знизити витрати на зовнішні енергоносії. 
  
 2.4 Фракційний склад здрібненої деревної біомаси 
 
Подрібнена деревина та її відходи, отримані в різних технологічних процесах механічної 
обробки, характеризуються фракційним складом. Під фракційним складом розуміють 
співвідношення частинок певних розмірів у загальній масі подрібненої деревини, тобто 
частку (%) частинок заданої крупності в сумарній масі палива. 
Цей показник є важливим під час розрахунку процесів вигорання частинок деревного 
палива, проєктування систем пневмотранспорту, умов бункерного зберігання, а також при 
оцінюванні ймовірності його самозаймання. 
Визначають фракційний склад аналогічно до аналізу вугільного пилу — методом ситового 
аналізу з примусовим розсіюванням. Розміри комірок сит при цьому становлять від 20 до 
5000 мкм. У ситовому аналізі загальноприйнято вважати основними показниками залишок 
частинок на кожному ситі та кількість матеріалу, що проходить крізь нього. Залишок 
палива на ситі з комірками розміром x позначають як Rₓ, а частину, що проходить 
наскрізь, — як D. Для цих величин виконується таке співвідношення: 
                                                              Rх + D = 100 %                                   (2.13) 
 
Фракційний склад подрібнених деревних відходів, отриманий за результатами ситового 
аналізу, подано в таблицях 1.5–1.7 [8]. 
Таблиця 2.5 - Фракційний склад тирси 
Вид тирси Фракції менше 5 мм, % 
0 – 0,5 мм 0,5 – 0,8 мм 0,8 – 1,3 мм 1,3 – 2,0 мм 2,0 – 5,0 мм 
Дрібна 2 12,4 16,7 24,4 25,5 
Крупна 7,6 8,3 20,6 23,8 39,7 
 
 
Таблиця 2.6- Фракційний склад відходів деревини 
Вид відходів деревини Залишок на ситах, Rx, % 
10 мм 5 мм 2 мм 1 мм 
Здрібнена 7,9 25,5 62,3 4,4 
деревина 
Кора 3,0 6,5 65,5 25 
Таблиця 2.7 -  Результати досліджень фракційного складу здрібнених відходів 
деревини [8] 
Відходи деревини n b 
Порох від обробки ДСТП 1,976 0,52 
шліфувальними стрічками 
Порох від обробки ДСТП 1,683 0,472 
шліфувальними циліндрами 
Порох від шліфування фанери 0,24 – 1,559 0,27 – 327,6 
(суміш бука і берези) 
Порох від шліфування фанери 0,417 –1,236 1,162 – 191 
(бук) 
Тирса: дрібні частинки 1,771 0,0013 
грубі частинки 1,326 0,055 
 
На основі наведених вище співвідношень у таблиці 2.7 представлено результати дослідження 
фракційного складу подрібнених деревних відходів, зокрема значення параметрів «n» та «b». 
Для розрахунку систем транспортування палива та моделювання процесу згоряння 
подрібнених відходів необхідно враховувати такі показники, як еквівалентний діаметр 
частинок, їх густину, швидкість зависання, природний кут укосу тощо. 
Це пояснюється тим, що під час різних технологічних операцій частинки деревини 
набувають неправильної форми. У розрахунках таку форму замінюють еквівалентним 
діаметром кулі, об’єм якої відповідає об’єму частинки: 
 
                                                                                                                        (2.14) 
 
де Vч – середньоарифметичне значення об’єму однієї частинки заданої фракції. 
Її визначають за відомою густиною матеріалу  , кількістю частинок N в масіп роби G. 
Тобто за V  G /  [12]. 
Еквівалентний діаметр також можна визначити за результатами ситовогоа налізу: 
                                                        dекв  100/  уі / і  ,                                (2.15) 
 
де уі – масова частка частинок % в суміші; і – розмір (діаметр) сита, мм. 
 
Якщо геометричні розміри частинок визначені експериментально, але їх форма суттєво 
відрізняється від сферичної, еквівалентний діаметр визначають за таким співвідношенням: 
                                                             dекв = dк ,                                   (2.16) 
де  – коефіцієнт форми; dк – діаметр кулі, об’єм якої еквівалентний об’єму цієї 
частинки. Для кулеподібних частинок  = 1,0; заокруглених –  = 0,75; кубічної форми –  = 0,66; 
видовжених –  = 0,58; пластинчастих –  = 0,43 та інших форм коефіцієнтів наведено в табл. 
2.8. 
 
Таблиця 2.8 - Значення коефіцієнтів форми 
№ п/п Форма частинки Коефіцієнт  
1 Куля 1,00 
2 Куб 0,806 
3 Призма а х а х 2а 0,769 
4 Призма а х 2а х 2а 0,757 
5 Диск h = r / 3 0,595 
6 Диск h = r / 10 0,33 
7 Циліндр h = 10 r 0,66 
8 Циліндр h = 20 r 0,58 
Еквівалентний діаметр частинок є основним параметром під час моделювання процесу 
згоряння подрібненої деревної біомаси. Значення, наведені в таблиці 1.9, дозволяють 
урахувати геометричну форму частинок біомаси та підвищити точність розрахунків під час 
моделювання горіння біомаси різного складу й якості. 
 2.5 Способи спалювання деревної біомаси 
 
    2.5.1 Спосіб спалювання у шарі 
 
Суть шарового спалювання твердого палива полягає в тому, що крізь шар розпеченого 
кускового палива безперервно подається повітря, яке реагує з ним, утворюючи 
високотемпературні паливні гази, шлак і золу. Гарячі гази обтікають поверхні нагрівання 
топки та передають їм частину теплової енергії. Поверхні нагріву також отримують тепло від 
випромінювання розжарених частинок палива та полум’я, що утворюється внаслідок 
згоряння летких компонентів, які виходять із паливного шару. Золу та шлак видаляють із зони 
горіння вручну або за допомогою механізованого колосникового обладнання. Частину 
топкового простору, де відбувається контакт повітря, палива та продуктів згоряння, 
називають активною зоною або зоною горіння. Вона включає кисневу зону, зону 
відновлення, зону виділення летких речовин та зону сушіння палива. 
Киснева зона — це нижній шар палива, куди подається повітря. Газовий потік, що 
проходить крізь нього, містить кисень. У цій зоні відбувається реакція кисню повітря з 
вуглецем палива, у результаті чого одночасно утворюються чадний газ (CO) і вуглекислий газ 
(CO₂). Верхня межа кисневої зони відповідає тому перерізу шару, де температура досягає 
максимуму, а концентрація кисню стає мінімальною. Висота цієї зони не залежить від 
швидкості подачі повітря, а визначається переважно розміром частинок палива та його 
властивостями. Чим вища реакційна здатність палива, тим меншою буде висота кисневої 
зони; натомість збільшення середнього розміру частинок призводить до її розширення. Якщо 
технологічні умови забезпечують шар палива більшої висоти, ніж протяжність кисневої зони, 
то над нею формується зона відновлення. 
Зона відновлення — це ділянка шару палива, в якій вуглекислий газ (CO₂) реагує з 
поверхнею розжареного вуглецю. Унаслідок цієї взаємодії в продуктах згоряння 
збільшується концентрація чадного газу (CO). Реакція між CO₂ і вуглецем є ендотермічною, 
тобто супроводжується поглинанням тепла, через що температура шару в межах відновної 
зони поступово знижується. 
Над відновною зоною розміщується зона виділення летких речовин та сушіння палива. Якщо 
шар палива має значну висоту, у газах зростає вміст горючих компонентів, що створює 
потребу у додатковій подачі повітря зверху для їх повного згорання. Повітря, яке подають 
над шаром з метою допалювання летких і горючих компонентів паливних газів, називають 
вторинним повітрям. 
Якщо висота шару палива надто мала, через нього проходить значна частина кисню, що не 
встигає прореагувати з паливом. Це призводить до підвищення коефіцієнта надлишку 
повітря, зниження температури паливних газів і, відповідно, зменшення тепловіддачі до 
поверхонь нагріву. 
Отже, під час шарового спалювання можливі два режими роботи паливні. 
Перший режим полягає у підтриманні шару палива висотою, що відповідає протяжності 
кисневої зони. У цьому випадку весь необхідний для горіння кисень проходить крізь шар 
палива. Такий режим доцільний для сухого, висококалорійного палива та використовується у 
найпростіших колосникових топках. 
Другий режим передбачає підтримання більшої висоти шару, щоб над кисневою зоною 
формувалися зони відновлення, виділення летких речовин та підсушування палива. Для 
повного згорання горючих компонентів у цьому випадку застосовують подачу вторинного 
повітря. Такий спосіб спалювання рекомендується для вологого, низькокалорійного палива. 
Паливні пристрої, які працюють із підведенням вторинного повітря, називають півгазовими. 
У шарових паливних системах продуктивність регулюється шляхом зміни лише одного 
параметра — кількості повітря, що подається у топку. 
Переваги шарового спалювання твердого палива полягають у такому: 
 забезпечується можливість ефективного спалювання деревної біомаси з дуже 
широким діапазоном розмірів частинок; 
 створюються сприятливі умови для високого рівня автоматизації роботи паливного 
обладнання; 
 конструкція механізмів подачі палива до зони горіння є простою та надійною; 
 підготовка палива потребує мінімальних витрат. 
Під час шарового спалювання частинки палива містяться у шарі, що дуже повільно 
переміщується в міру їх вигорання, при цьому вони залишаються механічно пов’язаними між 
собою. Швидкість обтікання цих частинок повітрям і продуктами згоряння визначається 
швидкістю руху газів у каналах, сформованих проміжками між частинками. Гранична 
допустима швидкість газового потоку через шар палива обмежується тим, щоб не допустити 
винесення дрібних частинок, що може призвести до утворення прогарів у шарі. 
Довжина кисневої зони визначається переважно середнім діаметром частинок палива. 
Правильно обираючи товщину шару, можна адаптувати шарове спалювання для широкого 
спектра фракційного складу палива. Наприклад, у шахтних топках можна успішно 
спалювати як тирсу, так і дрова. 
Водночас лише один різновид деревних відходів практично не підходить для шарового 
спалювання — шліфувальний пил, частинки якого зазвичай менші ніж 0,5 мм. Спроби його 
спалювання в шарових системах призводили до раптових спалахів та вибухів у топковому 
просторі й газоходах котлоагрегатів. 
Враховуючи наведене, шаровий спосіб спалювання деревної біомаси створює сприятливі 
умови для автоматизації роботи паливних установок. Дійсно, для автоматизованої роботи 
таких топок достатньо лише регулювати подачу повітря, тоді як в інших типах топкових 
процесів необхідно автоматично контролювати як кількість повітря, так і кількість палива, 
що істотно ускладнює систему керування. 
У шарових установках механізація подачі палива максимально проста: вона обмежується 
використанням конвеєра чи паливного рукава, які періодично заповнюються паливом. 
Витрати на підготовку палива при цьому мінімальні – дрібні деревні відходи можуть 
спалюватися без додаткової обробки. Підготовка крупніших фракцій зводиться лише до 
такого ступеня подрібнення, який забезпечує їх безперешкодне проходження через паливні 
рукави та нормальне опускання в шахтах паливних агрегатів. 
Однак шаровий метод спалювання палива має й певні недоліки. Передусім він потребує 
використання масивної колосникової решітки, яка при збільшенні потужності котлоагрегату 
стає складною для вписання в його габарити. Крім того, у ряді випадків у шарі виникають 
прогари та кратероподібне горіння, що обмежує можливу теплову напруженість 
колосникових решіток і не дозволяє досягти бажаних показників при розробленні паливних 
пристроїв великої потужності. 
 2.5.2 Вихоровий спосіб спалювання 
 
Вихровий метод спалювання твердого палива ґрунтується на створенні в об’ємі паливні 
стійкого закрученого потоку газоповітряної суміші, у якому частинки палива рухаються по 
кругових або петлеподібних траєкторіях. Перебуваючи у завислому стані, вони згоряють 
безпосередньо в газовому просторі. Висока швидкість руху частинок разом із значною 
площею їх поверхні сприяють інтенсивному нагріванню, швидкому підсушуванню, виділенню 
летких компонентів і їх згоранню. Для допалювання окремих більших частинок вихрові топки 
додатково обладнуються колосниковими решітками. 
Вихровий рух газоповітряної суміші створюється завдяки спеціально організованому 
підведенню повітря та відведенню продуктів згорання. Завихрення формують таким чином, 
щоб найбільші частинки палива періодично потрапляли в зону з підвищеною швидкістю 
руху газів або повітря, де вони підхоплюються потоком і знову виносяться у паливний об’єм. 
Цей процес повторюється доти, поки частинки, поступово згораючи, не зменшуються 
настільки, що можуть повністю прогорати за один цикл обертання потоку. 
За вихрової технології спалювання немає потреби надто дрібно подрібнювати тверде паливо. 
Такий спосіб підходить для спалювання кам’яного вугілля з розміром частинок 0,5…3 мм, 
фрезерного торфу та багатьох видів деревних відходів — наприклад, тирси чи стружок, які 
можуть використовуватися без додаткової підготовки. 
 Однак під час будь-якого способу спалювання дрібного палива у зваженому 
стані необхідно враховувати, що інтенсивність тепло- та масообміну між 
газовим середовищем і частинками визначається не їхньою абсолютною 
швидкістю, а відносною швидкістю руху частинок щодо потоку газу. За умови 
рівномірного руху ця швидкість не може перевищувати швидкість витання 
частинок у газовому об’ємі, а отже, для дрібних частинок вона має обмежені 
значення. На відміну від шарового спалювання, вихровий метод потребує 
одночасного регулювання і подачі повітря, і кількості палива при зміні 
теплопродуктивності паливні. Це значно ускладнює автоматизацію роботи 
паливних установок вихорового типу. 
    2.5.3 Циклонний спосіб спалювання 
  
 Циклонне спалювання пилоподібного твердого палива за принципом роботи 
подібне до вихорового методу, проте має відмінність у конструкції: паливній 
камері надають циліндричної форми, а повітря подають тангенціально — 
вздовж дотичної до внутрішньої циліндричної поверхні.    
 
 2.5.4 Факельний спосіб спалювання 
  
Факельне спалювання пилоподібного палива ґрунтується на подачі пилоповітряної суміші 
через пальник у камеру згоряння, де вона горить у зваженому стані, утворюючи інтенсивний 
світний факел. 
Щоб забезпечити стабільність горіння, паливо має бути попередньо подрібнене до таких 
розмірів, які гарантують його повне згорання за короткий час перебування в зоні факела. 
Тому факельний метод придатний лише для палива високого ступеня дисперсності; 
фактично без додаткової підготовки можна спалювати лише шліфувальний пил. 
Для цього способу характерний дуже малий запас палива в камері згоряння, що робить 
процес нестійким і чутливим до змін режиму. Керування потужністю можливе лише шляхом 
одночасної зміни кількості повітря та палива, що подаються в пальник. Факельне 
спалювання супроводжується інтенсивним золовим зносом поверхонь нагріву та утворенням 
твердих шлакових нашарувань на футерівці паливної камери. Крім того, даний метод 
вимагає особливо суворого дотримання вимог вибухобезпеки. 
 
 2.6 Паливневі пристрої для спалювання деревної біомаси 
 
     2.6.1 Паливні зі спалюванням у шарі 
 
У топках, де паливо спалюється у шарі, основними трудомісткими операціями є подача 
палива на решітку, його прошурування (пересування та вирівнювання шару), а також 
видалення шлаку. 
Залежно від рівня механізації цих операцій розрізняють топки з ручним обслуговуванням, 
топки з частковою механізацією та повністю механізовані шарові топки. Раніше в невеликих 
котельнях, обладнаних котлами продуктивністю до 10 т пари на годину, майже завжди 
застосовувалися шарові топки з ручним виконанням усіх операцій.  
Останнім часом у таких установках дедалі частіше впроваджуються топки з частковою або 
повною механізацією найбільш трудомістких процесів. 
Широке використання таких паливень у малопотужних установках зумовлене їхньою 
простотою, надійністю, низькою вартістю, здатністю працювати з різними видами твердого 
палива та стабільністю процесу горіння. 
Решітка паливні складається з чотирьох рядів нерухомих колосників, на яких розташовується 
паливо. Колосники можуть бути виготовлені у вигляді чавунних плиток (плиткові) або 
брусків (брускові, балочні). 
У зольник (піддувало) вентилятором подається повітря, яке через отвори чи щілини в 
колосниках і проміжки між ними — тобто через живий переріз решітки — надходить у шар 
палива. Сучасні колосникові решітки зазвичай мають невеликий живий переріз, менший ніж 
15% загальної площі решітки. 
Над решіткою знаходиться паливний простір, а ще вище — променесприймальна поверхня 
нагріву. 
Свіже паливо вручну подається на шар розігрітого палива через завантажувальний 
(шурувальний) отвір. Видалення шлаку здійснюється в зольник за допомогою кількох 
перекидних колосників, які можуть повертатися навколо горизонтальної осі. 
Горизонтальні паливні з ручним обслуговуванням мають низку суттєвих недоліків: вони 
вимагають значних фізичних зусиль для роботи; функціонують періодично; 
характеризуються невисоким коефіцієнтом корисної дії; через обмежену довжину решітки їх 
важко використовувати навіть у невеликих котлах; мають низьку питому потужність при 
продуктивності понад 5 т пари на годину; чутливі до фракційного складу палива; 
малоефективні під час спалювання дрібнодисперсного палива; працюють із підвищеним 
коефіцієнтом надлишку повітря. 
Через перелічені недоліки від використання горизонтальних паливень з ручним 
обслуговуванням у невеликих котельнях нині практично відмовляються та все частіше 
впроваджують паливні з частковою або повною механізацією основних трудомістких 
операцій. 
 
   2.6.2 Шахтні паливні 
 
У невеликих котельних установках для спалювання кускового торфу застосовують шахтні 
паливні з похилим дзеркалом горіння. Колосникова решітка таких паливень складається з 
двох похилих і двох горизонтальних рядів колосників. Торф завантажують у паливний 
бункер великими порціями з вагонетки, після чого він самопливом надходить у шахту, 
розташовану безпосередньо над решіткою. 
У процесі роботи торф рівномірно опускається: у міру його вигорання та видалення 
вогнищевих залишків із нижнього горизонтального ряду колосників нові порції палива зі 
шахти переходять на решітку та просуваються похилими колосниками вниз під дією власної 
ваги. 
У шахтних паливнях, як і в інших установках із похилим або східчастим дзеркалом горіння, 
процес згоряння розподілений за зонами: у верхній частині здійснюється теплова підготовка 
палива, у середній – згоряння коксу, а в нижній – допалювання. 
Порівняно з ручними горизонтальними паливнями, шахтні агрегати значно зменшують 
трудомісткість обслуговування та потребують менших фізичних зусиль від персоналу. 
 
    2.6.3 Паливні з шурувальною планкою 
Основним елементом паливень цього типу є нерухома плоска колосникова решітка, уздовж 
якої переміщується паливо. Його рух забезпечує клиноподібна шурувальна планка, 
встановлена поперек колосникового полотна, яка періодично здійснює поступальні 
переміщення з певним інтервалом. Швидкість її ходу регулюється, а робота виконується за 
заздалегідь заданою програмою, що чергує короткі та довгі переміщення. 
Під час роботи планки відбувається підкидання свіжого палива в шар, його прошарування та 
одночасне видалення шлаку. Паливні з такою шурувальною системою можуть 
використовуватися для спалювання бурого та кам’яного вугілля у котельних агрегатах 
невеликої продуктивності — до 10–12 т пари на годину. 
  
 2.6.4 Паливні з ланцюговими решітками 
 
Найпоширенішим видом механічних шарових паливень є паливні, оснащені ланцюговими 
решітками. 
Ланцюгова решітка являє собою рухоме колосникове полотно, яке переміщується разом із 
паливом, що лежить на ньому. Основу ходової частини такої решітки утворюють два або 
більше ланцюгів, на які закріплені колосники. 
Залежно від конструкції та способу кріплення колосників ланцюгові решітки поділяють на: 
 бімсові — колосники закріплені на спеціальних брусах (бімсах); 
 безбімсові (безпровальні) — колосники кріпляться безпосередньо до ланцюгів, що 
забезпечує простішу конструкцію та зменшує ризик провалювання палива. 
Сьогодні серійно випускають лише безпровальні ланцюгові решітки (БЛР). У порівнянні з 
бімсовими конструкціями, решітки БЛР є значно легшими, дешевшими у виготовленні, 
надійнішими та економічнішими під час експлуатації. Необхідну довжину решітки 
формують із стандартних секцій, що виготовляються серійно. 
У передній частині ланцюгової решітки розташовують відсічний охолоджувальний шибер, 
який забезпечує регулювання товщини шару палива. Наприкінці решітки монтується 
шлакознімач для видалення продуктів згоряння. 
Конструктивне оформлення паливних камер у паливнях з ланцюговими решітками загалом 
подібне до камер для спалювання різних видів твердого палива. Воно передбачає наявність 
низького, витягнутого заднього склепіння та відносно високо розташованого короткого 
переднього склепіння. 
Заднє склепіння спрямовує потік гарячих газів у зону надходження свіжого палива, 
забезпечуючи його надійне й швидке загорання. Переднє склепіння інтенсивно прогрівається 
паливними газами та не екранує зону попередньої підготовки палива від теплового 
випромінювання твердих частинок і продуктів горіння. Завдяки цьому підтримується висока 
температура в передній частині решітки. 
Звуження паливневого простору, сформоване переднім і заднім склепіннями, а також 
характер руху газів під заднім склепінням у напрямку до фронту паливні забезпечують 
активне перемішування газових потоків. Це сприяє повнішому згоранню винесених із шару 
твердих частинок і летких горючих компонентів, формуючи зону підвищених температур і 
покращуючи загальну ефективність процесу горіння. 
За нормальної експлуатації паливні ланцюгова решітка працює в режимі безперервного 
переміщення. Регулювання роботи здійснюється шляхом зміни товщини шару палива 
(деревини) на решітці за допомогою шибера-регулятора, зміни швидкості руху решітки, а 
також вибором відповідних режимів тяги й дуття. Повітряний режим підтримують шляхом 
створення необхідного тиску повітря під окремими ділянками решітки, які зазвичай 
поділяють на 4–5 зон уздовж її довжини. 
Ланцюгові решітки можуть застосовуватися в котлоагрегатах широкого діапазону 
продуктивності; за потреби в одному агрегаті встановлюють дві решітки. Вони забезпечують 
механізацію подачі палива в паливню та видалення шлаку. 
Водночас ланцюгові решітки мають суттєвий недолік: вони не виконують функції 
прошуровування й розрівнювання шару палива. Це зумовлено тим, що паливо, потрапляючи 
на решітку, рухається разом із нею майже без відносного переміщення, що погіршує 
рівномірність горіння та може призводити до нерівномірного розподілу температур у шарі.  
Найкращі результати паливні з ланцюговою решіткою демонструють під час спалювання 
твердого палива з фракційним складом 6–25 мм. За таких умов забезпечується стабільне 
горіння та високий коефіцієнт корисної дії паливні — на рівні 91–94%. 
Через відсутність процесу прошуровування шару ці паливні значно гірше працюють на 
високозольному паливі. Допустимою вважається зольність до 15–20% (на суху масу 
палива). Вищі значення призводять до накопичення шлаку, погіршення тепловіддачі та 
нестабільної роботи. 
Крім того, високовологе паливо для таких паливень є проблемним: без додаткового 
спеціального обладнання вони не здатні забезпечити його ефективне підсушування й 
стабільне згорання. Це зумовлює зниження продуктивності й погіршення економічних 
показників. 
 
    2.6.5 Паливні з перештовхувальними решітками 
 
Існує три основні типи перештовхувальних решіток: похилo-перештовхувальні, каскадні 
та зворотно-перештовхувальні. 
У похило-перештовхувальних конструкціях колосникове полотно складається з чергування 
рухомих і нерухомих колосників, розміщених уздовж решітки. Наприкінці встановлюють 
крупні шлакові колосники. Рухомі колосники здійснюють зворотно-поступальні рухи, 
завдяки чому відбувається переміщення палива по решітці та його прошуровування. 
Амплітуда ходу зазвичай невелика — до 100 мм. 
Паливні цього типу добре придатні для роботи з підвищеною зольністю палива, 
допускаючи значення зольності до 30–35%. Це робить їх ефективними для спалювання 
складних і неоднорідних палив. 
Каскадні та зворотно-перештовхувальні паливні вирізняються значно більшим ходом 
колосників — до 400 мм, що забезпечує дуже інтенсивне прошуровування шару палива. 
Завдяки цьому в таких установках можна ефективно спалювати високозольне паливо з 
вмістом золи до 50%, підтримуючи при цьому високу теплову напругу дзеркала горіння. 
Проте суттєвим недоліком цих паливень є висока вартість автоматизації. Це зумовлено 
складнішою конструкцією обладнання, необхідністю виготовлення колосників із 
хромистого чавуну, а також підвищеними експлуатаційними та ремонтними витратами. 
 
   2.6.6 Камерні (факельні) паливні 
 
Найпоширенішими в практиці сучасної енергетики є камерні (факельні) паливні, які 
застосовують у котлоагрегатах середньої та великої потужності для спалювання 
різноманітних видів твердого палива, зокрема й деревних відходів. 
Камерні паливні поділяють на три основні типи: 
• паливні з киплячим шаром, 
• факельні, 
• вихорові. 
У паливнях з киплячим шаром дрібнозернисті частинки твердого палива подають у нижню 
частину топки, де вони підхоплюються потоком повітря і переходять у псевдозріджений 
стан. У такому "киплячому" або фонтануючому шарі забезпечуються надзвичайно 
інтенсивні процеси масо- і теплообміну, що сприяє швидкому перебігу реакцій горіння. 
Фонтануючий (киплячий) шар доцільно застосовувати лише в паливнях порівняно малої 
потужності, оскільки зі збільшенням розмірів топки ускладнюється рівномірний розподіл 
повітря, стабільність киплячого шару та керованість процесу горіння. 
Спалювання в киплячому або циркулюючому шарі дає змогу досягти підвищеної 
ефективності та економічності завдяки майже повному (приблизно 100%) згоранню 
палива при істотно нижчому рівні емісії шкідливих продуктів згорання порівняно з 
традиційним прямим спалюванням. Завдяки високій інтенсивності тепло- і масообміну, а 
також рівномірному розподілу температури в об’ємі топки, спалювання у киплячому шарі 
забезпечує стабільний режим горіння навіть для важкогорючих або нерівномірних за 
складом палив. 
Метод ефективно використовується в комерційних та муніципальних котельнях, а також на 
ТЕЦ у широкому діапазоні потужностей — від 5 до 600 МВт, забезпечуючи виробництво як 
електричної, так і теплової енергії. Важливою перевагою є універсальність щодо виду 
палива: можливість спалювання не лише якісних, а й низькосортних та відходових палив — 
бурого або низькосортного вугілля, торфу, твердих побутових відходів, деревних та 
сільськогосподарських відходів, залишків целюлозно-паперової промисловості тощо. 
У факельних паливнях процес спалювання відбувається в потоці газоповітряної суміші, 
швидкість руху якого перевищує швидкість витання частинок палива. За таких умов 
частинки перебувають у завислому стані, переміщуються разом із потоком і згоряють під час 
їх транспортування в межах топкового об’єму. Для забезпечення повного згорання палива 
без випадання незгорілих залишків необхідно, щоб процес горіння відбувався повністю 
всередині паливневого об’єму, що потребує попередньої ретельної підготовки палива: 
 тверде паливо подрібнюють до пилоподібного стану, 
 рідке — розпилюють у дрібнодисперсний туман, 
 газоподібне паливо — ретельно змішують з окислювачем. 
Така підготовка забезпечує інтенсивний характер горіння, характерний для факельних 
паливень, і робить цей спосіб особливо ефективним у великих енергетичних котлах. 
Ступінь подрібнення твердого палива оцінюють за залишком R% (у відсотках від початкової 
маси) на ситах певного стандартного розміру. Найпоширенішим контрольним ситом є сито 
№ 70 з діаметром отворів 88 мкм. Для кожного різновиду палива встановлюють таку 
тонкість помелу, за якої досягається мінімум експлуатаційних витрат. При цьому враховують 
два фактори: зменшення витрат палива за рахунок дрібнішого помелу та збільшення витрат 
енергії на саме розмелювання. 
Ключовою властивістю палива, що визначає оптимальний ступінь подрібнення, є вміст 
летких речовин. Чим менший їх вихід, тим дрібнішим повинен бути помел. Для палив із 
високим вмістом летких компонентів допускається значно більший залишок на ситі R₈₈ — до 
50% і навіть більше. 
Час перебування частинок твердого палива в камерних (факельних) топках є дуже коротким. 
Для забезпечення їх повного згоряння за такий обмежений період паливо необхідно 
подрібнювати до пилоподібного стану. Таке подрібнення значно збільшує сумарну поверхню 
реагування (м²/кг), що суттєво полегшує перебіг процесів горіння. 
Факельні паливні можуть мати одну або кілька камер. Однокамерні конструкції мають 
недоліки в структурі золового балансу: разом із продуктами згоряння виноситься в 
середньому близько 85% зольних компонентів, які переходять у летку золу. Це спричиняє 
інтенсивний зольний знос і засмічення поверхонь нагріву, змушує зменшувати швидкість 
газового потоку в конвективних каналах, що, у свою чергу, знижує коефіцієнт теплопередачі. 
Крім того, виникає потреба у використанні громіздкого та потужного золовловлювального 
обладнання. 
У багатокамерних паливнях здрібнена деревина спалюється в камері з додатковою зоною 
допалювання, що забезпечує більш рівномірний розподіл теплових потоків і формування 
інтенсивного завихрення газопаливної суміші. Це завихрення підвищує ефективність 
процесу горіння. Така схема має суттєві експлуатаційні переваги, оскільки дає змогу досягти 
повнішого згоряння палива, зменшити концентрацію NOx у димових газах і, відповідно, 
позитивно вплинути на екологічний стан довкілля. 
Застосування паливень такої конструкції підвищує ефективність роботи котлоагрегатів за 
рахунок інтенсифікації процесу спалювання деревної біомаси та дозволяє раціонально 
утилізувати відходи деревообробної промисловості. Повніше згоряння стабілізує 
температурний режим, знижує інтенсивність шлакування паливні та скорочує витрати 
електроенергії на власні потреби. Саме тому такі паливні широко впроваджуються в багатьох 
деревоспалювальних котлоагрегатах. 
У циклонних паливнях забезпечується найвища швидкість спалювання палива. На відміну 
від прямотокового (факельного) методу, під час циклонного спалювання частинки палива 
багаторазово циркулюють по організованій траєкторії потоку доти, доки не відбудеться їх 
повне згорання. Така інтенсивна циркуляція газоповітряної суміші (окислювача) формується 
завдяки виникненню коаксіального вихору при подачі повітря у паливневий об’єм, що 
втягуює частинки палива у безперервний обертальний рух. 
У вихорових паливнях застосовують тверде паливо з розмірами частинок 2…5 мм і більше. 
Процес горіння в таких умовах може здійснюватися з рідким шлаковидаленням, при цьому 
досягається високий ступінь уловлювання золи — близько 80…90 %. 
3 ЕКСПЕРЕМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ 
 
Дослідження електронно-каталітичного спалювання деревини були 
проведенні на стендовій установці, яка описана в розділі 4. В якості палива при 
дослідженні використовували березові і соснові дрова. Дрова мали вологість 
11-12 %. Брали наважку 500 г дров. Більша кількість дров не дозволяла 
коректно проводити дослідження, так як полум’я, яке утворювалося при 
спалюванні деревини, займало увесь об'єм камери спалювання котла і впливало 
на нагрів теплоносія в котлі. 
Результати дослідження представлені на рисунках 3.1- 3.6 . 
Як видно з рисунків 3.1 – 3.6 найбільша різниця температур між 
контрольним дослідом і дослідом з обробкою, досягається при напрузі 3,5- 5 кВ 
і може досягати 2,5-3 ºС ( що становить збільшення теплотворної здатності на 
71-75 %). 
8
7
6
2
5
4
1
3
2
1
0
0 100 200 300 400 500
Час, С
 
 
1 – без обробкиу=-0,02182+0,02038х-0,00013х2+4,9·10-7х3-4,52·10-10х4; 
2 – з обробкою у=-0,00396835 -0,005434·х+0,0000429·х2+4,5546·10-8·х3.. 
 
Зміна температури, С
Рисунок 3.1- Графік залежності температури від часу під час спалювання дров при прикладеній 
напрузі 3 
8
7
6
5
2
4
3 1
2
1
0
0 100 200 300 400 500
Час, с
кВ.  
1 – без обробкиу=-0,04761 -0,0033068·х+0,00004133·х2-3,215·10-7·х3; 
2 – з обробкою у=-5,97·х-15+0,0174·х-0,000145·х2+6,752·10-7·х3-8,04·10-10·х5. 
 
Рисунок 3.2 - Графік залежності температури від часу під час спалювання дров при прикладеній 
напрузі 3,5 
7
6
2
5
4
3
1
2
1
0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Час, с
кВ.  
1 – без обробки у=-0,002 -0,002856·х+0,00009·х2-2,279·10-7·х3+1,71·10-10·х4; 
2 – з обробкою у=0,00191-0,00052·х+0,000149·х2-3,78·10-7·х3+3,014·10-10·х5. 
Змiна температури, С
Зміна температури, С
 
Рисунок 3.3 - Графік залежності температури від часу під час спалювання дров при прикладеній 
напрузі 5 
кВ.
2
1,8
1,6
1,4
2
1,2
1 1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0 100 200 300 400 500
Час, с  
1 – без обробки; 2 – з обробкою. 
Рисунок 3.4 - Графік залежності потужності від часу під час спалювання дров при прикладеній 
напрузі 3 
2
1,8
1,6
1,4
1,2
2
1
0,8
0,6 1
0,4
0,2
0
0 100 200 300 400 500
Час, с
кВ.  
Потужність, кВт
Потужність, кВт
1 – без обробки; 2 – з обробкою 
 
Рисунок 3.5 - Графік залежності потужності від часу під час спалювання березових дров при 
прикладеній напрузі 3,5 
кВ.
1,6
1,4
1,2
2
1
0,8
0,6 1
0,4
0,2
0
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Час, с
 
1 – без обробки; 2 – з обробкою. 
 
Рисунок 3.6 - Графік залежності потужності від часу під час спалювання березових дров за 
прикладеної напруги 5 кВ. 
При нижчих напругах ця різниця температур значно менша і становить 
1,5 ºС ( біля 27 %). При напругах більше 5 кВ спостерігається поступове 
зменшення цієї різниці і вона не перевищує 1-1,5 ºС ( 15-20 %). 
В таблиці 3.1 наведені витрати електроенергії при використанні 
електронно-каталізу при спалюванні деревини. В тій же таблиці наведені 
кількості отриманого тепла при спалюванні дослідної проби і результати 
розрахунків кількості тепла, які можна отримати при спалюванні з 
використанням електронно-каталізу 1 тони деревини і яку кількість енергії 
необхідно надати ( в кВт·год, кДж і відсотках від отриманої енергії). 
 
Потужність, кВ
 
 
 
 
Таблиця 3.1 - Енергетичні характеристики електронно-каталітичного 
спалювання деревини 
Витрачена Витрачена енергія для 1 тони 
енергія, палива, додаткова
Додаткова Відсоток отримана 
Напруга, отримана від енергія з 
кВ кВт·год кДж енергія, кДж тепла, тони 
кВт·год 
кДж що палива, 
виділи- кДж 
лося 
3 0,01 36 2149 20 72 000 1,67 4 299 000 
3,5 0,011 38,3 1672 21,277 76 600 2,29 3 344 000 
5 0,011 39,13 1433 21,739 78 260 2,73 2 866 000 
 
Як видно з таблиці 3.1 найбільший енергетичний ефект досягається при 
напругах в проміжках 3-5 кВ. При підвищенні напруги енергетичний ефект 
зменшується.  
Аналізуючи відсоток споживаємої енергії для проведення електронно-
каталізу від кількості енергії, яку можна отримати від спалювання 1 тони 
деревини, видно, що при напругах 3-3,5 кВ відсоток найнижчий і не перевищує 
2-2,3 %. При вищих напругах цей відсоток зростає і при напругах 7-8 кВ і 
перевищує 4 %. Але при всіх напругах, незважаючи на зменшення 
енергетичного ефекту, цей відсоток не перевищує кількості надлишкової 
енергії, яка виділилася  при використанні електронно-каталізу. 
Аналогічні дослідження були проведені при електронно-каталітичному 
спалюванні пеллет.  
Результати дослідження представлені на рисунках  3.7- 3.12 [10]. 
Як видно з рисунків 3.7- 3.12 , найбільша різниця температур між 
контрольним дослідом і дослідом з обробкою, досягається при напругах 5 кВ і 
досягає 4 ºС. При менших напругах (3-4 кВ) ця різниця менша. Так при напрузі 
3 кВ вона не перевищує 0,5 ºС, що не більше помилки досліду. При напрузі 4 
кВ ця різниця досягає вже 2 ºС. При напругах більше 5 кВ енергетичний ефект 
зменшується до 2ºС і стабільно тримається. 
Аналізуючи динаміку горіння пеллет при напругах 4-6 кВ ( рис. 5.41-5.63) 
видно, що в порівнянні з контрольним спалюванням, при горінніпеллет, з 
використанням електронно-каталізу, перші 100-180 секунд пригальмовується 
процес горіння, а після проходження 180 секунд відбувається більш інтенсивне 
горіння пеллет, ніж при контрольному спалюванні. Це можна пояснити 
протіканням більш інтенсивних процесів сушіння і руйнування складних 
сполук. Як вже згадувалося раніше, пеллети не мають повітряних пор, в яких 
при електронно-каталізі відбувалося б накопичення і транспортування до 
поверхні летких сполук, Привикористанні електронно-каталізу відбувається 
більш інтенсивне виділення летких сполук і з більш глибоких шарів, в наслідок 
чого відбувається утворення пор, через які спочатку виводяться на поверхню 
леткі сполуки, а пізніше відбувається інтенсивна дифузія кисню в глиб гранули, 
яка при звичайному спалюванні не відбувається. В наслідок цього відбувається 
значно інтенсивніше горіння пеллет і, як наслідок, виділення значно більшої 
кількості тепла. 
 
1 – без обробкиу=8,98·10-11+0,013·х-3,26·10-6·х2-7,435·10-9·х3+9,21·10-12·х4; 
2 – з обробкою у=2,146·10-11+0,04х-3,129·10-4х2+1,314·10-6х3-2,4·10-9·х4. 
 
Рисунок 3.7 - Графік зміни температури у часі під час спалювання пелет за прикладеної напруги 3 
12
10
2
8
1
6
4
2
0
0 100 200 300 400 500 600 700 800
кВ. Час, С  
1 – без обробки у=8,98·10-11+0,013·х-3,26·10-6·х2-7,435·10-9·х3+9,2·10-12·х4; 
2 – з обробкою у=-3,22·10-11-10,014х+1,91·10-4·х2-8,5·10-7·х3+2,4·10-9·х4; 
 
Зміна температури, С
Рисунок 3.8 - Графік температурної динаміки під час спалювання пелет за прикладеної напруги 4 
12
10
8
2
6
4 1
2
0
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Час, С
кВ.  
1 – без обробкиу=-8,3·10-11-0,03х+4,4·10-4·х2-2,5·10-6х3+6,7·10-9·х4; 
2 – з обробкою у=2,13·10-11+0,019·х-3,08·10-4·х2+1,54·10-6·х3-2,7·10-9·х4. 
 
Рисунок 3.9 - Графік температурної еволюції під час спалювання пелет за прикладеної напруги 5 
2,5
2
2
1,5
1
1
0,5
0
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Час, с
кВ.  
1 – без обробки; 2 – з обробкою. 
Рисунок 3.10 - Графік динаміки потужності під час спалювання пелет за напруги 3 кВ. 
Зміна температури, С
Потужність, Вт
3
2,5
2
2
1
1,5
1
0,5
0
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Час, С
 
1 – без обробки; 2 – з обробкою 
 
Рисунок 3.11 - Графік динаміки потужності під час спалювання пелет при прикладеній напрузі 4 
кВ..  
3
2,5
2
2
1,5
1
1
0,5
0
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Час, с
 
1 – без обробки; 2 – з обробкою. 
Рисунок 3.12 - Динаміка зміни потужності під час спалювання пелет за напруги 5 кВ 
Потужність, Вт
Потужність, Вт
Аналогічно, як для горіння деревини, були визначені енергетичні 
характеристики спалювання пеллет, які наведені в таблиці 3.2. 
 
Таблиця 3.2 - Енергетичні характеристики електронно-каталітичного 
спалювання пеллет 
Витрачена Витрачена енергія для 1 тони 
енергія, палива, 
Відсоток від 
кВт·год кДж кВт·год кДж тепла, що 
виділи-лося 
3 0,0081 29,03 2 149 11,52 41 470 1,35 3 071 000 
4 0,0085 30,51 2 627 12,11 43 580 1,16 3 753 000 
5 0,0096 34,62 2 627 13,74 49 450 1,32 3 753 000 
 
Як видно з таблиці 3.2 найбільша кількість тепла виділяється при 
напругах 4-5 кВ, що також підтверджується залежностями, які наведені вище. 
При цих напругах відсоток витраченої енергії на протікання процесу 
електронно-каталізу не перевищує 1,5 %, особливо при напрузі 4 кВ, що значно 
менше, ніж при електронно-каталітичному спалюванні деревини, а тепла при 
використані цих напруг виділяється значно більше.  
Були проведені стендово-промисловоі випробування і перевірка 
технологічного процесу електронно--каталітичного горіння твердого палива. 
Встановлено, що даний ефект приводить до більш інтенсивного згоряння 
твердого палива і зменшення викидів в навколишнє середовище за рахунок 
більш повного вигоряння продуктів горіння. 
 Для проведення випробувань був придбаний серійний котлоагрегат 
виробництва компанії "АТЕМ" ( м.Житомир, Україна) і на його базі змонтована 
електронно-каталітична система.  
Результати дослідів і розрахунків представлені в таблиці 3.3 і на рисунках 
3.13-23. На рисунках. 3.13, 3.16, 3.19, 3.22 представлені дослідні залежності 
Напруга, кВ 
Додаткова 
отримана 
енергія, кДж 
Отримана 
енергія з тони 
палива, кДж 
зміни температур води від часу при спалюванні 700 г дров при різних напругах 
при обробці і без.  
На рисунках 3.14, 3.15, 3.17, 3.18, 3.20, 3.21, 3.23  представлені 
розрахункові залежності зміни теплового потоку від часу при спалюванні 700 г 
дров при різних напругах при обробці і без.  
Результати визначення виділення тепла і витрати електроенергії при 
спалюванні дров ( дуб) представлено в таблиці 3.3 
 
 
 
 
 
 
 
Таблиця 3.3 - Результати визначення виділення тепла і витрати 
електроенергії при спалюванні дров ( дуб) 
Збільшення Витрата 
теплотворної електроенергії  
здатності 
кДж/кг % кВт∙год/кг кДж/к
г 
3 7542 7703 161 2,13 0,01395 0,050 0,031 
4,8 7542 9428 1886 25 0,01449 0,052 2,765∙10-3 
5,8 7542 8841 1299 17,2 0,01635 0,059 4,531∙10-3 
6,2 7542 8799 1257 16,7 0,014341 0,052 4,107∙10-3 
 
Аналізуючи ці залежності , видно, що при усіх дослідах система перші 
200 секунд не чинить суттєвого впливу. Це пояснюється тим, що в цей час 
температура палива нижча температури запалювання каталізатору і система має 
нестабільний потік електронів. Тому перші 200 секунд не використовуємо для 
Напруга, кВ 
Теплотворна 
здатність без 
обробки 
кДж/кг 
Теплотворна 
здатність з 
обробкою, кДж/кг 
Відсоток електро-
енергії від 
надлишку тепла, 
% 
визначення середнього відсотка зміни потоку тепла згідно  Наступні 700 секунд 
горіння дров, при стабільній роботі процесу електронно-
каталізуспостерігаються наступні середні значення збільшення відсотка зміни 
потоку тепла: 
 
1 - без обробки; 2  - з обробкою. 
 
Рисунок 3.13 - Графік зміни температури води в часі при напрузі 3 кВ і завантаженні дров 700 г 
 
1 без обробки; 2  - з обробкою. 
 
Рисунок 3.14 - Графік зміни теплового потоку з часом при напрузі 3 кВ і завантаженні дров 700 г  
14
13,0
12
10
9,1
8
7,1
6
4
3,1 2,9
2
1,1
0 0,0 0,0 0,0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Час, сек
 
Рисунок 3.15 Графік відсоткових змін теплового потоку з часом при 3 кВ та завантаженні дров 
700 г 
 
1 - без обробки; 2  - з обробкою. 
 
Рисунок 3.16 - Графік зміни температури води в часі при 4,8 кВ і завантаженні дров 700 г 
Зміна теплового потоку, %
 
 
1 - без обробки; 2  - з обробкою 
 
Рисунок 3.17 - Графік зміни теплового потоку в часі при 4,8 кВ і завантаженні дров 700 г. 
 
 
25
22,2
20 20,6
15
12,5 12,5
10
7,1
5
0 0,0 0,0 0,0 0,0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
-5
Час, сек
 
Рисунок 3.18 - Графік зміни (у %) теплового потоку від часу при напрузі 4,8 кВ і масі палива 700 
г 
Зміна теплового потоку, %
 
1 - без обробки; 2 - з обробкою 
 
Рисунок 3.19 - Зміна температури води в часі за умови напруги 5,8 кВ та маси палива 700 г. 
 
 
1 - без обробки; 2  - з обробкою. 
 
Рисунок 3.20 - Крива зміни теплового потоку у часі при напрузі 5,8 кВ і масі дров 700 г 
16
14 14,3
12,5
12
11,1 11,1
10
9,1
8
6
4
2
0 0,0 0,0 0,0 0,0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Час, сек
 
Рисунок 3.21 -  Залежність відсотка зміни потоку тепла від часу при 
напрузі 5,8 кВ і масі дров 700 г. 
25
2
20
15 1
10
5
0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Час, сек
 
1 - без обробки; 2  - з обробкою. 
Зміна температури, С Зміна теплового потоку, %
Рисунок 3.22 -  Крива зміни температури води у процесі горіння при 6,2 кВ і масі дров 700 
6
2
5
4
1
3
2
1
0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Час, сек
Ряд1 Ряд2
г.  
Ряд 1 - без обробки; ряд 2  - з обробкою. 
 
Рисунок 3.23 -  Зміна теплового потоку в часі за умов напруги 6,2 кВ та маси палива 700 г 
18
17,1
16
14,7
14
12
10
9,4
8
7,1
6
4
2
0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Час, сек
 
Рисунок 3.23 -   Залежність відсотка зміни потоку тепла від часу при 
напрузі 6,2 кВ і масі дров 700 г. 
Зміна теплового потоку, %
Потік тепла, кДж
 
Тобто, найбільш оптимальною напругою для електронно-каталітичної 
системи при спалюванні дров є напруга біля 4-5 кВ. 
В таблиці 3.3 наведені значення теплотворної здатності, що здається, в 
перерахунку 1 кг дров без обробки і з обробкою без урахування ККД котла. В 
тій же таблиці наведені значення витрат спожитої електроенергії на проведення 
електронно--каталітичного процесу (в кВт∙год і кДж) і відсоток цієї 
електроенергії від надлишкової кількості тепла ( розрахунок проводився для 
кількості електроенергії в кДж), чим можна знехтувати. 
Як видно з цієї таблиці збільшення теплотворної здатності дров в 
залежності від напруги коливається від 2,13 % ( для 3 кВ) до 25 % ( для 4,8 кВ). 
при цьому кількість затраченої електроенергії при різних напругах коливається 
від 0,031 % ( для 3 кВ) до 2,765∙10-3 % ( для 4,8 кВ). 
 
 
 
4 ЛАБОРАТОРНІ ТА СТЕНДОВІ УСТАНОВКИ. 
МЕТОДИКА  ДОСЛІДЖЕНЬ  
 
Під час дослідження реакцій, що відбуваються у процесі спалювання деревної біомаси, 
використовують як методи хімічної термодинаміки, так і хімічної кінетики. Хімічна 
термодинаміка дає змогу визначити тепловий ефект реакції, а також оцінити можливість її 
перебігу та стан рівноваги. Для цього необхідні термодинамічні характеристики всіх 
компонентів лише в початковому та кінцевому станах системи. 
Однак для практичного застосування важливо знати не лише можливість протікання реакції, 
а й швидкість її перебігу. Відповідь на це питання надає хімічна кінетика. На відміну від 
термодинаміки, для встановлення кінетичних закономірностей необхідно враховувати не 
лише початковий і кінцевий стани, а й механізм реакції — шлях, за яким вона проходить, і 
який зазвичай заздалегідь невідомий. Саме тому отримати кінетичні закономірності значно 
складніше, ніж термодинамічні. 
Знаючи кінетичну модель процесу спалювання деревної біомаси та її параметри, можна 
розрахувати швидкість реакції та визначити оптимальні умови її перебігу в реальних 
енергетичних установках. 
Для математичного моделювання процесу спалювання деревини необхідно володіти 
інформацією про її елементний склад. З огляду на це, у межах роботи слід виконати такі 
експериментальні дослідження: 
2. провести елементний аналіз деревини та визначити теплотехнічні характеристики 
деревного біопалива різних порід, зокрема швидкоростучих; 
3. виконати комплексний термічний аналіз зразків деревного біопалива; 
4. дослідити процес спалювання деревної біомаси та визначити кінетичні константи 
цього процесу. 
 4.1 Матеріали та устаткування, що використані в 
експериментальних  дослідженнях 
                     4.1.1 Експериментальна установка для дослідження кінетичних 
констант 
 
Для дослідження кінетичних констант процесу спалювання здрібненої деревної 
біомаси застосовано дериватограф – багатофункційний прилад, що дає змогу одночасно 
здійснювати простий і диференційний термометричний аналіз, термогравіметричний 
аналіз й отримувати залежність, яка відображає зміну швидкості втрати маси взірця із 
зміною його температури. Дослідження основних теплофізичних характеристик 
здрібненої деревини проводилися на експериментальній установці (дериватографі) Q-
1500 D системи Paulik-Erdey, загальний вигляд якого зображений на рисунку 4.1. 
Під час дослідження зразків фіксували такі показники: 
 температуру матеріалу (Т); 
 зміну маси деревинного зразка (ТГ) у функції температури; 
 швидкість втрати маси (ДТГ) залежно від температури; 
 тепловий ефект реакції (ДТА). 
- За допомогою дериватографа Q-1500 D можна проводити аналіз як рідких, так і твердих 
зразків. Дослідженню підлягають порошкоподібні, гранульовані та рідкі матеріали масою 
від 5 до 1000 мг. 
Під час безперервного програмованого нагрівання зразка реєструються зміни, що 
відбуваються в його структурі та властивостях. 
- втрата маси (ТГ), що спричинена виділенням летких речовин або перебігом хімічних 
реакцій, які супроводжуються зміною маси зразка (наприклад, розклад із 
утворенням летких продуктів); 
- поглинання чи виділення тепла (ДТА), яке відбувається внаслідок фазових 
переходів (тверде–тверде, рідина–газ, тверде–рідина тощо), а також процесів 
адсорбції або хімічних реакцій. 
 
 
Рисунок 4.1. Екпериментальна установка (дериватограф)  
           Q-1500 D системи Paulik-Erdey 
 
Цей тип дериватографа забезпечує такі технічні можливості: 
 нагрівання зразка від кімнатної температури до 1000–1500 °С; 
 регулювання швидкості нагрівання в діапазоні від 0,6 до 20 °С/хв; 
 вимірювання зміни маси з точністю до 0,1 мг при робочому діапазоні мас від 20 до 2000 
мг; 
 проведення аналізу як у повітряному середовищі, так і в потоці інертного газу.  
Під час нагрівання безперервно реєструються зміна маси зразка, швидкість цієї зміни (ТГ), а 
також різниця температур між зразком і еталоном (ДТА). 
Принципову схему дериватографа системи Paulik–Paulik–Erdey Q-1500 D наведено на рисунку 
4.2. 
Прилад оснащено аналітичними термовагами (4), на коромислі яких закріплено керамічний 
тримач (3) для зразків і еталону. На цьому тримачі встановлено три заводськи відкалібровані 
термопари. Дві з них призначені для розміщення тиглів із зразками (1), а на третю встановлюють 
тигель з еталонною речовиною (2). 
Дериватограф може працювати у двох режимах: режимі простої термометрії та режимі 
диференційної термометрії. 
У першому варіанті використовується одна термопара, на якій розташовано тигель із зразком. 
У другому режимі задіюється диференційна термопара, що складається з двох термопар, 
з’єднаних однойменними полюсами. На одну з них встановлюють тигель із зразком, а на іншу — 
тигель з еталоном. 
— з еталонною речовиною. Перехід між режимами здійснюється за допомогою перемикача, 
розміщеного на передній панелі приладу. 
 
 
 
Рисунок 4.2. Принципова схема дериватографа Q-1500 D  
системи Paulik-Paulik-Erdey 
На другому коромислі термоваг розташовано два пристрої, призначені для визначення втрати 
маси зразка та швидкості цієї втрати. Їхня робота базується на принципі магнітної індукції.  
Для реєстрації зміни маси використовується диференційний трансформатор (5), який складається 
з трьох котушок, розташованих вертикально на одній осі. Трансформатор жорстко закріплений у 
корпусі приладу. Усередині нього знаходиться металевий сердечник, підвішений до коромисла 
ваг. Коли маса зразка змінюється, сердечник зміщується. 
При подачі змінного струму на середню котушку (первинну обмотку) у двох інших котушках, що 
виконують роль вторинної обмотки та з’єднані між собою зустрічно (диференційно), виникає 
індукційний струм. У положенні, коли сердечник симетрично розташований відносно вторинних 
котушок, сумарна напруга на них практично дорівнює нулю — це вихідний баланс ваг. 
При зміщенні сердечника сумарна напруга змінюється пропорційно амплітуді зсуву. Таким чином 
диференційний трансформатор перетворює переміщення коромисла ваг в електричний сигнал, 
який реєструється записувальним пристроєм. Пристрій відзначається високою чутливістю та 
точністю вимірювання. 
Криву DTG отримують за допомогою пристрою, що складається з постійного магніту (6) та 
індукційної котушки (7). Котушка підвішена до термоваг і розташована в полі постійного магніту. 
Коли маса зразка змінюється, котушка зміщується в однорідному магнітному полі. Під час цього 
руху у її витках виникає індукційний струм, величина якого пропорційна швидкості зміни маси. 
Сигнали, що надходять від термопар, диференційного трансформатора та індукційної котушки, 
передаються через аналогово-цифровий перетворювач до комп’ютера. У результаті на одній 
термограмі одночасно реєструються криві простого (T) і диференційного термічного аналізу 
(DTA), крива втрати маси (TG) та крива швидкості втрати маси (DTG) (рисунок 4.3). 
 
Рисунок 4.3 - Термограма взірця «кора+стовбурова деревина осики» віком 10 років 
 Дериватограф Q-1500 D дає змогу здійснювати термічний аналіз не 
лише в динамічному режимі, як описано вище, але й у квазіізотермічному. Цей 
режим застосовують у випадках, коли необхідно дослідити процес розкладання 
речовини за сталої температури. 
  
 4.1.2 Експериментальне визначення елементного складу 
досліджуваних зразків. 
 
Елементний аналіз речовини — це метод дослідження, за допомогою якого встановлюють, які 
хімічні елементи входять до її складу та яким є їхній відсотковий вміст. Проте цей аналіз не дає 
інформації про ступені окиснення елементів чи характер зв’язків між ними. 
До складу деревини входять такі елементи, як вуглець (C), водень (H), кисень (O), азот (N) та деякі 
інші. Виявлення цих елементів здійснюють такими методами. 
Вуглець зазвичай можна визначити прямим способом — шляхом простого нагрівання: органічна 
речовина під час нагрівання або горить майже безбарвним полум’ям із кіптявою чи світінням, або ж 
обвуглюється. 
Непряме виявлення вуглецю у формі карбон(IV) оксиду здійснюють двома методами: 
• спалюванням горючих сполук; 
• сильним нагріванням негорючих сполук у присутності оксиду міді(ІІ). 
Карбон(IV) оксид, що утворюється в обох випадках, визначають за допомогою вапняної води. 
СО2+Са(ОН)2→СаСО3+Н2О                                       (4.1) 
Кальцій карбонат, що водночас утворюється, дає біле помутніння або білий осад. 
Водень окислюється під час спалювання або нагрівання в присутності оксиду міді (ІІ), 
утворюючи воду, яка легко виявляється за допомогою смужки паперу, просоченого кобальт 
хлоридом. Колір змінюється з синього на рожевий. 
За перебігу процесу піролізу органічної сполуки (термічному розщеплюванні без доступу 
повітря), утворення крапельок води свідчить про одночасну присутність зв’язаного водню і кисню. 
Пряме виявлення кисню можливе також при прожарюванні сполуки з магнієм. 
У цьому разі утворюється білий магній оксид [14]. 
 
 
 
 
Рисунок 4.4 - Процес прямого виявлення кисню 
 
 
 
 
Під час нагрівання сполук амінів та амінокислот, що містять азот, у суміші натрій гідроксиду та 
кальцій оксиду утворюється амоніак. Його наявність визначають за характерним запахом, а також 
за допомогою вологого індикаторного паперу або димучої (концентрованої) хлоридної кислоти. 
При нагріванні сполук, що містять сірку, з натрій гідроксидом утворюється сірководень. Цю 
речовину виявляють реакцією з іонами свинцю (плюмбум). 
��2�� + ����2+ → ������ + 2��+ (4.2) У результаті реакції утворюється чорний, малорозчинний 
свинець(ІІ) сульфід. 
Використовуючи наведені вище принципи визначення елементного складу деревини та стандартні 
методики, описані в джерелах [14, 15], автором проведено аналіз елементного складу деревини. 
Отримані результати подано в таблиці 4.1. 
У подальших розділах дані елементного аналізу будуть використані для дослідження процесу 
спалювання здрібненої деревної біомаси. 
Таблиця 4.1 -  Елементний склад гнилої деревини порівняно з корою та відходами 
деревообробки 
Назва деревинних 
№ п/п C, % H, % S, % O, % N, % 
матеріалів 
Деревинні відходи 
1 Стовбурова деревина 51 6,1 0 42,3 0,6 
2 Стружка, опилки, тріска 50 6 0 43,4 0,6 
Деревинно-шліфувальна 
3 43,55 5,63 3,1…3,5 41,62 3,7 
пилюка 
Кора 
4 Сосна 58,39 8,56 5,49 27,56  
5 Ялина 52,1 5,9    
6 Пихта 54,48 6,02 0,102 35,8  
7 Тополя 52,2 6,7 0,103 40,2  
 Береза 70,59 9,805 5,94 13,66  
9 Дуб 49,27 1,17 10,39 33,17  
10 Бук 43,85 6,12 10,38 39,65  
11 Осика 53,92 5,78 0,03 31,1  
Гнила деревина 
Сосна  
12 51,25 5,03 0 42,82 
(деструктивний тип розрізу) 
13 Сосна (не пошкоджена) 51,65 6,13 0 42,82  
14 Дуб (не пошкоджений) 49,24 5,47 0 45,29  
15 Дуб (корозійний) 49,24 5,59 0 45,07  
16 Ялина (не пошкоджена) 44,51 6,76 0 -  
Ялина  
17 41,4 6,7 0 - 
(корозійний тип розрізу) 
Ялина  
18 49,5 5,73 0 - 
(деструктивний тип розрізу) 
19 Модрина (не пошкоджена) 42,86 5,85 0 52,29  
Модрина  
20 53,98 5,82 0 40,19 
(деструктивний тип розрізу) 
Дров’яна сировина 
21 Сосна (стовбурова) 49,57 6,11 0,037 34,2 1,0 
Осика 35÷45 років 
22 48,57 6,08 0,07 35,0 0,27 
(стовбурова) 
Вільха 20÷25 років 
23 53,92 5,78 0,03 31,0 0,71 
(стовбурова) 
Тополя 25÷30 років 
24 52,15 5,79 0,04 30,1 0,87 
(стовбурова) 
Однорічні пагони (верба 
25 47,3 4,18 0 13,72 0,6 
Salix) 
26 Дворічні пагони (верба Salix) 51,82 4,57 0 10,2 0,51 
27 Трирічні пагони (верба Salix) 55,75 4,72 0 8,01 0,36 
 
У дослідницькій практиці широко використовують групу методів, що об’єднуються під 
назвою «термічний аналіз». Ці методи базуються на взаємодії речовини з тепловою 
енергією, а їх сутність полягає у вимірюванні певного параметра досліджуваної 
системи в залежності від температури. 
Найчастіше застосовують методи, засновані на реєстрації теплових ефектів, які є 
причиною або наслідком хімічних реакцій. Рідше використовують методи, що 
ґрунтуються на виділенні чи поглинанні теплоти внаслідок фізичних процесів [15]. До 
останніх належать переходи між модифікаціями речовини, зміна агрегатного стану та 
інші процеси, пов’язані зі зміною міжмолекулярних взаємодій, наприклад під час 
розчинення чи розведення. 
У таблиці 4.2 наведено найбільш поширені методи термічного аналізу. 
  Таблиця 4.2- Методи термічного аналізу 
 
Вимірюваний Вимірювальний 
Назва методу 
параметр прилад 
Термогравіметрія 
Зміна маси Термоваги 
(ТГА) 
Термогравіметрія по   
похідній Швидкість зміни маси Термоваги 
(ДТГ) 
Термічний (ТА) та  
Апаратура 
диференційно Теплота, яка виділяється 
диференційного 
термічний аналіз або поглинається 
термічного аналізу 
(ДТА) 
Диференційна  
скануюча Диференційний 
Теплота, яка виділяється 
калориметрія скануючий 
або поглинається 
калориметр 
(ДСК) 
Термометричне Адіабатний 
Зміна температури 
титрування калориметр 
Теплота, яка виділяється Адіабатний 
Ентальпієметрія 
або поглинається калориметр 
Дилатометрія Зміна температури Дилатометри 
Катарометрія Зміна температури Катарометри 
 
Найбільш широке застосування отримали методи динамічної термогравіметрії (ТГ) та 
диференційного термічного аналізу (ДТА). 
Зазвичай вимірювання виконують за певної швидкості підвищення температури зразка, 
розміщеного у спеціальній печі. У термогравіметрії (ТГ) фіксують масу зразка m, а в 
термогравіметрії за похідною (ДТГ) — швидкість зміни маси dm/dt залежно від 
температури T. 
Додаткові дані про перетворення, що відбуваються в речовині під час її нагрівання (або 
охолодження) з визначеною швидкістю, отримують шляхом запису кривої ДТА. Ця 
крива відображає різницю температур ΔT між зразком та інертним еталоном (зазвичай 
Al₂O₃). 
Для реєстрації кривої ДТА використовують дериватограф, принципову схему якого 
показано на рисунку 4.2. 
          Наведене з’єднання термопар двох тиглів (диференційна термопара) дає змогу 
чітко фіксувати перетворення у зразку, пов’язані зі зміною його ентальпії. Екзо- та 
ендоефекти легко розрізняються за напрямком піків на кривій ДТА. 
Класичний метод ДТА дозволяє точно визначати температури переходів і їхній 
характер (екзотермічний чи ендотермічний). Однак за його допомогою складно 
отримати кількісні дані щодо зразка або величину теплового ефекту конкретного 
перетворення. Це пояснюється тим, що залишаються невідомими важливі параметри — 
питома теплоємність і теплопровідність зразка до та після переходу. 
На площу під екзотермічним чи ендотермічним піком впливають також швидкість 
нагрівання, розташування термопар та інші експериментальні умови. 
Для отримання кількісних даних необхідно перетворити відсік для розміщення зразків 
у приладі ДТА на диференційний калориметр. З цією метою зазвичай застосовують 
диференційний скануючий калориметр (ДСК) з коміркою ізотермічного типу. Метод 
термічного аналізу в такому випадку називають диференційною скануючою 
калориметрією [15]. 
Метод термометричного титрування використовують для дослідження залежності 
температури аналізованої системи (зазвичай розчину речовини) від об’єму титранту, 
який додають за адіабатичних умов — тобто тоді, коли теплота, що виділяється, 
передається набагато швидше, ніж відбувається теплообмін із навколишнім 
середовищем. 
Для проведення титрування застосовують автоматичні бюретки, а вимірювання 
температури здійснюють за допомогою високочутливих термопар або термісторів. 
Отримані дані фіксують електронними чи мікропроцесорними реєстраторами. 
Ентальпієметрія базується на визначенні кількості речовини за зміною температури, що 
відповідає змінам ентальпії ∆H. У розчин проби, поміщений в адіабатичний 
калориметр, одразу додають надлишок концентрованого розчину реагенту. Такий 
спосіб проведення вимірювань називають прямою інжекційною ентальпієметрією. 
Якщо теплоємність системи K відома, то за зміною температури та стандартною 
ентальпією ∆H⁰ можна розрахувати кількість речовини. Метод вирізняється дуже 
високою чутливістю — наприклад, дає змогу визначати 3·10⁻⁹ моль/дм³ нітрит-іонів за 
їхньою реакцією із сульфаміновою кислотою. 
Метод, який ґрунтується на зміні лінійних або об’ємних розмірів речовини залежно від 
температури, називають дилатометрією. Це різновид термічного аналізу, що дає змогу 
досліджувати насамперед структурні перетворення. Під час фазових переходів 
змінюється коефіцієнт лінійного розширення α, унаслідок чого відбувається відповідне 
збільшення об’єму чи довжини [16]. 
 
                                                   l    T.                                                   (4.3) 
 
 
Дилатометрію переважно використовують для дослідження полімерних матеріалів, 
оскільки вона дає можливість отримати дані про їх теплове розширення, ступінь 
полімеризації та рівень кристалічності. Цим методом також визначають зміни об’єму 
розчинів і встановлюють кінцеву точку титрування — так зване дилатометричне 
титрування. 
Під час такого титрування відстежують зміну об’єму досліджуваного розчину ∆V або 
відповідну зміну довжини ∆l, яка є пропорційною до об’єму, залежно від кількості 
доданого титранту. 
Зміна температури ∆Т у цьому процесі є пропорційною кількості теплоти, що 
виділяється. 
 
 
 
Т =  n  H 0                                                  
                                                                                         К                                                                 (4.4) 
 
    де К – теплоемність посудини та її вмісту, кДж/К. 
 
Якщо теплоємність системи К відома, то за зміною температури та стандартної 
ентальпії ∆H⁰ можна розрахувати кількість речовини. Цей метод є надзвичайно 
чутливим. Наприклад, він дає змогу визначати концентрацію нітрит-іона на рівні 3•10⁻⁹ 
моль/дм³ у реакції з сульфаміновою кислотою. 
Ще одним методом термічного аналізу є катарометрія, яка базується на вимірюванні 
теплопровідності газових сумішей залежно від їхнього складу. 
У присутності різних газоподібних компонентів теплопровідність газової суміші 
відрізняється від теплопровідності чистого газу-носія. Якщо в потік газу помістити 
розігріту нитку, то інтенсивність її охолодження визначатиметься складом суміші.  
Катарометрію широко використовують для дослідження технічних газових сумішей, 
зокрема для контролю викидних газів промислових підприємств. 
 
 
4.2 Дериватографія 
 
        Найбільш уживаним методом термічного аналізу, який базується на 
одночасній реєстрації та подальшому аналізі кривих ТГ, ДТГ, ДТА і температури 
взірця Т, є дериватографія. Прилади, що застосовують для цього методу, 
називають дериватографами. У роботі використовували дериватограф Q-1500 
виробництва фірми МОМ, який складається з блока живлення, програматора 
для встановлення швидкості нагрівання, печного блока (дві циліндричні печі), 
вагового блока та шестиканального самописця (задіяно 4 канали). На рисунку 
4.5 наведено приклад дериватограми [17].  
Рисунок 4.5 - Приклад дериватограми 
 
 
Крива Т зазвичай має майже лінійний характер, однак у зонах, що відповідають 
вираженим екзо- чи ендотермічним процесам у зразку, її форма дещо змінюється. 
Нанесення температурної шкали на криву Т здійснюють за допомогою спеціального 
планшета. 
Крива ДТА демонструє відхилення від горизонтальної лінії: піки, спрямовані вгору, 
відповідають екзотермічним, а ті, що спрямовані вниз — ендотермічним ефектам. За 
формою та амплітудою цієї кривої можна оцінити кількість активної фази, що зазнає 
перетворення. 
 
 
 
4.3. Стендова установка з оптимізації процесу горіння твердого 
палива 
 
Схема стендової установки з оптимізації процесу горіння твердого 
палива ( антрацит, деревина та пеллети) представлена на рисунку 4.6. 
Стендова установка складається з котла з потужністю 12 кВт, що оснащений 
керамічною камерою, пристроєм для підготовки палива та системою запалювання. 
Призначення керамічної камери — мінімізація втрат тепла у довкілля та запобігання можливому 
короткому замиканню на металевий корпус чи інші елементи котла. Її виготовлено з термостійкої 
кераміки з товщиною стінки 10 мм. Камера не має дна і встановлена на керамічних опорах (1) на висоті 
150 мм від днища котла (рисунок 4.7). У нижній частині камери змонтовано систему розподілення
 
. 
         1 - котел; 2 - циркуляційна ємність; 3 - розширювальний бачок; 4 - колектор подачі води; 5 - колектор 
природного газу; 6 - головний стояк; 7 - лінія переливу; 8 - спускний вентиль; 9 - вентиль живлення системи; 10 - 
вентиль подачі води на підігрівач; 11 - регулювальні вентилі; 12 - зворотний трубопровід; 13 - прямий 
трубопровід;14 - керамічна камера; 15 - електроди; 16 - підвищуючий трансформатор 
 
        Рисунок - 4.6 Схема стендової установки з оптимізації горіння твердого палива.  
.
 
 
 
1 – керамічні опори (шамотна цегла) для підтримки камери спалювання; 2 – 
керамічна ізоляція (шамотна цегла) для тепло – і електроізоляції; 3 – корпус 
котла ( 2 металеві стінки між ними базальтова ізоляція); 4 – теплоізоляційна вата; 
5 – керамічна камера спалювання; 6 – електрод низької напруги; 7 – керамічні 
опори електроду низької напруги; 8 – електрод високої напруги; 9 – система 
розподілення газоповітряної сіміші. 
 
Рисунок 4.7 - Топка спалювання твердого палива 
 
 
Газоповітряна суміш для запалювання 9 формувалася за допомогою газового пальника та 
системи розподілу повітря. Подача повітря в камеру горіння вугілля здійснювалася за рахунок 
витяжної вентиляції, під’єднаної до димоходу, що створювало примусову тягу. 
Система підготовки палива включала комплекс електродів, один з яких був високовольтним, а 
інший — заземлювальним. На поверхні високовольтного електрода розміщувалося вугілля. 
На корпусі котла була змонтована система циркуляції води 2, яка складалася з циркуляційної ємності 
діаметром 200 мм і висотою 1000 мм. Ємність з’єднувалася з котлом у верхній та нижній частинах за допомогою 
труб діаметром 50 мм. У систему було залито 60 дм³ дистильованої води. Температуру води вимірювали в 
циркуляційній ємності за допомогою промислового термометра розширення з точністю ±1 °С. 
Процес дослідження здійснювали таким чином. У камеру підготовки палива (керамічну камеру 14) 
завантажували 0,7–1,0 кг палива з розміром частинок 10–20 мм. На керамічні опори встановлювали заземлюючий 
електрод 13 на висоті 10 мм від поверхні палива. Під високовольтним електродом встановлювалася система 
запалювання вугілля, яку включали на 20 хвилин. Цього часу вистачало для підсушування, прогріву та 
запалювання палива. 
Від моменту запалювання палива фіксували час нагрівання води, проводячи вимірювання через кожні 2 
ºС. 
Кожна серія дослідів включала нульовий (без обробки) дослід та дослід з обробкою. Для зменшення похибки, 
пов’язаної з неконтрольованою циркуляцією води, між нульовим і основним дослідами установку повністю 
охолоджували. Температура запалення для всіх дослідів залишалася сталою і становила 350 ºС. 
 
 
5 УДОСКОНАЛЕННЯ КОНСТРУКЦІЇ ПАЛИВНЕВИХ ПРИСТРОЇВ  
 
Дослідження показують, що на формування NOx під час спалювання твердого 
палива впливають конструкція топки й пальників, режим горіння, коефіцієнт надлишку 
повітря, температурний рівень у топковому просторі, тривалість перебування палива та 
окисника в зоні високих температур та інші фактори. Оскільки під час експлуатації котлів 
на деревній біомасі складно окремо оцінити внесок кожного з цих чинників, для 
забезпечення оптимального процесу горіння з мінімальним утворенням NOx необхідно 
використовувати узагальнені залежності від основних режимних параметрів і умов 
роботи топки. Спроби знизити концентрацію NOx у димових газах лише технологічними 
методами можуть спричинити порушення оптимального функціонування топкової 
камери, що, своєю чергою, призведе до зниження надійності та ефективності котлів. 
Тому екологічні аспекти слід розглядати комплексно — у тісному зв’язку з оптимізацією 
топкового процесу. 
Ефективність процесу горіння забезпечується завдяки правильному вибору та стабільному 
підтриманню коефіцієнта надлишку повітря. Найвища економічність досягається тоді, коли 
цей коефіцієнт є мінімально можливим, але водночас достатнім для уникнення втрат тепла 
через хімічний недопал. Результативність згоряння палива на всіх етапах значною мірою 
визначається раціональним розподілом і безперервною подачею повітря, необхідного для 
процесу горіння. Варто враховувати, що для запалювання та горіння летких компонентів 
потрібно значно більше повітря, ніж для підігрівання палива чи допалювання коксового 
залишку. 
Економічність спалювання деревинного пилу зростає зі зменшенням розміру частинок 
деревної біомаси, оскільки це знижує теплові втрати в топці (q3 і q4). Проте зі збільшенням 
тонкості помолу різко зростають експлуатаційні витрати на подрібнення біомаси (наприклад, 
для отримання деревинного пилу). 
Кількість котелень, що використовують біопаливо та виробляють тепло шляхом спалювання 
здрібненої деревної біомаси, постійно збільшується. Основною проблемою при такому способі 
спалювання є підвищення ККД паливного пристрою та установки загалом. Досягти цього 
можна шляхом удосконалення конструкції топки та підтримання оптимального режиму 
горіння біопалива. 
На основі проведених досліджень автором сформульовано ключові інженерні рішення щодо 
створення котельні, що працює на здрібненому деревному біопаливі та характеризується 
підвищеним коефіцієнтом корисної дії. 
Комплекс котельні являє собою цілісну, логічно узгоджену систему, яка охоплює всі етапи — 
від забезпечення та транспортування біопалива до будівлі котельні, його зберігання й подачі, 
до процесу спалювання та вироблення теплової енергії. До її складу входять такі основні 
елементи: 
• комплекс для приймання, зберігання та транспортування біопалива, що включає паливний 
приймальний вузол, завантажувальне обладнання та паливний склад; 
• установка для подрібнення біомаси до необхідної гранулометричної фракції; 
• паливний блок, у якому здійснюється спалювання біопалива та утворення теплової енергії;  
• система відведення та очищення димових газів; 
• обладнання для видалення золи; 
• система моніторингу та керування, що забезпечує автоматичне дозування палива та 
оптимізацію процесів горіння й теплообміну всередині котла. 
Для підвищення технологічності виготовлення обладнання котельні, скорочення обсягу 
монтажних робіт, покращення ремонтопридатності та зручності експлуатації доцільно 
об’єднувати елементи котельні в окремі модулі. 
Під час оцінювання перспективності будь-якого проєкту слід враховувати не лише початкові 
капітальні витрати на впровадження технології, а й подальшу економію ресурсів у процесі 
виробництва теплової енергії на котельних установках. 
З огляду на технічні особливості існуючих методів спалювання палива можна стверджувати, 
що для котлів малої потужності найефективнішим є використання локальних твердих видів 
біопалива. 
Отже, актуальним залишається подальший розвиток та удосконалення технологій для 
спалювання різних видів деревини — вторинної, швидкоростучої, а також відходів 
деревообробної промисловості [17–20]. 
Вибір твердопаливного котла значною мірою залежить від наявних у регіоні енергетичних 
ресурсів — відходів деревообробної галузі, продукції лісових господарств, 
сільськогосподарських відходів, а також місцевих корисних копалин (торфу, бурого чи 
кам’яного вугілля тощо). 
На практиці часто доводиться обирати між газовими котлами, які є найзручнішими з погляду 
постачання палива, та твердопаливними. У зв’язку з цим нами було виконано розрахунок 
економічної доцільності заміни природного газу деревним паливом для котлів потужністю 1–2 
МВт — саме такі установки найчастіше використовують для теплопостачання комунальних 
об’єктів і промислових підприємств. 
У таблиці 5.1 наведено розраховану кількість деревини, необхідної для виробництва 
відповідної теплової потужності котлами з різним ККД. На рисунку 5.1 представлено вартість 
енергії, отриманої зі спалювання деревини, яка може замістити енергію, що виробляється при 
спалюванні 1000 м³ природного газу [110]. 
Таблиця 5.1-  Розрахунок кількості відходів деревини для використання їх як палива у 
котлах 
потужністю 1 та 2 МВт 
 
 Потужність котельної установки, МВт 
1 2 
Вид деревного 
ККД, % 
палива 
87 90 93 87 90 93 
Необхідна кількість палива, м3/добу 
Суміш деревини       
сосни, берези і       
осики 
(Q р=14400 22,75 22,17 21,6 45,79 44,35 42,91 
н 
кДж/кг, W=20 
%) 
 
З даних таблиці 5.1 видно, що ключовою перевагою твердопаливних котлів у порівнянні з газовими 
є значно нижча вартість альтернативних видів палива — деревини та її відходів — у порівнянні з 
природним газом. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3000   2790  
2356 
2130 
2000 1631 
1000 
 
 
0 
 Природній газ Дуб Береза Сосна Осика 
Рисунок 5.1 - Вартість заміщення деревиною теплової енергії, яка виробляється  
під часс палювання 1000 м3 газу 
Деревина є матеріалом, фізико-хімічні властивості якого зазнають змін під час 
нагрівання та горіння. Для визначення енергетичної цінності деревини та її відходів 
проведено дослідження її теплофізичних, теплотехнічних і кінетичних параметрів [16–18, 20–
23]. Отримані результати показали, що теплова характеристика деревної біомаси загалом 
характеризується теплотою згоряння в межах 12–19 МДж/кг, низькою зольністю (0,8–1,5%) і 
вологістю 10–40%. Фізико-механічні властивості, зокрема щільність і розмір частинок, можна 
змінювати шляхом подрібнення та ущільнення. Тому для підвищення ефективності 
спалювання біомаси та зменшення викидів забруднювальних речовин необхідно враховувати 
ці параметри на етапі підготовки палива. 
Виокремлено групу порід деревини, що найчастіше застосовуються як паливо для твердопаливних котлів: сосна, береза, 
осика, вільха та швидкоростуча верба (Salix Viminalis). Для цієї групи визначено теплотехнічні й кінетичні 
характеристики [34, 41] та вдосконалено математичну модель горіння подрібненої деревної біомаси. Наявність такої 
моделі разом із експериментально встановленими кінетичними параметрами окремих порід забезпечує підґрунтя для 
дослідження процесів спалювання не лише чистих порід, а й їхніх сумішей. Таким чином, створено теоретичну основу 
для аналізу горіння сумішей зазначених видів біомаси та модернізації відповідних паливних пристроїв.  
Спираючись на результати проведених досліджень, нами розроблено конструкцію паливні, що забезпечує максимально 
можливий ККД під час спалювання подрібненої деревної біомаси. Її схема наведена на рисунку 5.2.
 
 
 
1, 2 – зовнішня обмурівка паливні; 3 – її підлога; 4 – робоча перегородка із закрилкою; 5 – захисний 
дашок; 6 – додаткова перегородка; 7, 8 – виступи конструкції; 9 – пальник для допалювання газів; 
10 – шнековий механізм подачі палива; 11 – економайзерна колосникова решітка; 12 – трубка для 
подавання підігрітого повітря; 13 – основна камера згоряння; 14 – камера допалювання; 15, 16, 17 – 
люки для очищення від золи; 18 – вихідний отвір для димових газів. 
Рисунок 5.2 – Камерна паливня для спалювання подрібненої деревної біомаси. 
 
Подрібнену деревну біомасу за допомогою шнекового подавача 10 разом із потоком повітря, що 
підсилює інтенсивність горіння, транспортують до основної камери згоряння 13, де вона 
підпалюється факелом знизу крізь економайзерну колосникову решітку 11 через люк, розміщений у 
нижній частині підлоги паливні 3. Для підтримання процесу горіння підігріте повітря подається по 
трубці 12, інтегрованій у робочу перегородку 4. Шнекова подача 10 встановлена під кутом до 
підлоги 3, що дає змогу ефективно перемішувати паливну масу та рівномірно розподіляти її по 
площині решітки. 
Для створення додаткової турбулентності продуктів згоряння у верхній частині камери 13 на 
внутрішній обмурівці 2 та робочій перегородці 4 передбачені виступи 7 і 8. Завдяки цим елементам 
утворений у головній камері вихор забезпечує кращу циркуляцію та повніше вигорання палива 
навіть за незначного надлишку повітря, що, у свою чергу, сприяє зниженню утворення оксидів 
азоту в димових газах. 
Перша стадія допалювання більших частинок палива реалізується у верхній зоні камери 
спалювання 14. Для цього вище дашка 5, встановленого під кутом до підлоги паливні, розташовано 
пальник 9, який забезпечує їхнє додаткове допалювання. Друга стадія, що стосується допалювання 
найбільших частинок, відбувається в нижній частині камери допалювання, розділеній допоміжною 
перегородкою 6. Таке конструктивне рішення формує додаткове завихрення газового потоку, що 
сприяє повнішому згорянню масивніших частинок. 
Для видалення золових відкладень передбачені люки 15–17. Відведення димових газів здійснюється 
через отвір 18, розташований збоку стінки камери допалювання, що забезпечує ефективне 
завершення процесу згоряння та безпечний вихід продуктів спалювання. 
Запропонована конструкція паливні забезпечує низку переваг: 
 можливість ефективного спалювання палива з підвищеною вологістю (W = 20…40%); 
 збільшений час перебування частинок у паливному об’ємі завдяки наявності двох виступів, 
що формують вихровий рух у основній камері згоряння, а також додаткового пальника в 
камері допалювання, який створює додаткове завихрення деревної суміші; 
 покращений розподіл теплових потоків, що досягається за рахунок конструктивних 
удосконалень, зокрема півсферичної форми стелі основної камери спалювання та камери 
допалювання; 
 підвищення ефективності процесу згоряння деревної біомаси шляхом одночасної подачі 
повітря для інтенсифікації горіння разом із шнековою подачею паливної сировини в основну 
камеру. 
 використання економайзерної колосникової решітки дає змогу знизити енергозатрати на 
підігрів води та скоротити витрати металу під час її виготовлення. 
Конструкція паливні, наведена на рисунку 5.3, рекомендована для котлів малої та середньої 
потужності. Для обладнання середньої та великої потужності запропоновано іншу 
модифікацію, у якій передбачено подачу подрібненої деревної сировини на обертову 
колосникову решітку. 
Зовнішній вигляд такої конструкції подано на рисунку 5.4. 
 
 
1 – 2 – обмурівка паливні; 
3 – пережим; 
4 – півсферична стеля паливні; 
5 – розділювальна стінка із закрилкою; 
6 – обертова колосникова решітка; 
7 – шнекова подача палива; 
8 – камера згоряння; 
9 – секція догорання. 
Рисунок 5.3 – Камерна паливня з обертовою колосниковою решіткою для спалювання подрібненої 
деревної біомаси. 
 
       Паливну камеру пропонується оснащувати обертовою колосниковою решіткою, призначеною 
для шарового спалювання твердого палива (кори, тирси, тріски тощо). Така конструкція дає 
можливість ефективно спалювати паливо з вологістю до 65% без зниження теплової потужності 
агрегату. Колосникова решітка має конусоподібну форму, завдяки чому деревна суміш рівномірно 
переміщується по рухомих кільцях. 
У процесі такого переміщення відбувається підсушування паливної суміші та одночасне згорання 
більш сухої фракції. Як розрахункове паливо для котельного агрегату прийнято суміш: 70% 
деревної тріски та 30% енергетичної верби. 
Камера згорання (ПК) виконує функцію висхідного газоходу. У її нижній частині розміщено 
колосникову решітку (КР), а сама ПК має циліндричну форму. У верхній частині передбачено 
пережим, який переходить у секцію догорання. 
 
 Камера згорання, пережим і секція догорання обладнані газощільними екранними панелями, які 
формують випарні поверхні нагріву. У верхній частині фронтовий екран виконує функцію 
стельового перекриття. 
Задня стінка паливної камери одночасно слугує передньою стінкою конвективної шахти (КШ). 
Конвективна шахта котла є опускним газоходом. Її стеля, задня та бокові стінки також екрановані 
газощільними панелями, що входять до складу випарної системи котла. 
 
У нижній частині конвективної шахти розміщено конвективний випарник. Сукупність паливних 
екранів і панелей КШ формує так звану екранну коробку. 
Для очищення димових газів від золових частинок застосовується електрофільтр. 
Система подачі палива включає накопичувач і стрічковий транспортер, з якого паливо за 
допомогою гідравлічних штовхачів, проходячи через пристрій вирівнювання подачі, надходить на 
інший стрічковий транспортер, обладнаний магнітним уловлювачем для вилучення металевих 
домішок. Далі паливна маса проходить через просіювальний пристрій для відокремлення 
довгомірних елементів і ланцюговим скребковим транспортером подається в накопичувальну 
ємність. 
Накопичувач виконує функцію паливного буфера для колосникової решітки (КР). Усередині нього 
два розвантажувальні шнеки переміщують паливну масу до живильного стокер-шнека, який подає її 
в центральну частину КР. Шнек встановлений консольно під невеликим кутом; крок його витків 
зростає у напрямку до вільного кінця. Продуктивність подаючого шнека регулюється відповідно до 
продуктивності котельного агрегата. 
Ключовим конструктивним елементом удосконаленої паливні є безпровальна колосникова решітка. 
Вона має круглу, конічну форму та розташована в нижній зоні камери згорання (ПК). Її діаметр 
визначено з урахуванням забезпечення повного вигорання палива. 
Колосникова решітка складається з кількох кілець різного діаметра: верхнє має найменший діаметр, 
а кожне наступне — більше, з частковим перекриттям попереднього. Таким чином формується 
ступінчаста структура. У ступенях виконані отвори для подачі первинного повітря. Нижнє кільце є 
плоским. Непарні кільця виконують обертальний рух, тоді як парні залишаються нерухомими; 
обертання сусідніх кілець є зустрічним. 
     Завдяки обертанню кілець колосникової решітки (КР) паливна маса поступово переміщується від 
центральної зони до периферії, при цьому повністю вигораючи. Процес згорання завершується ще 
до того, як паливо досягає останнього кільця решітки. Привід КР може бути електричним або 
гідравлічним. 
Регулювання інтервалів між увімкненнями обертових кілець дає можливість встановити 
оптимальну швидкість переміщення палива залежно від його горючих властивостей та фракційного 
складу. 
Видалення золи здійснюється через крайове кільце решітки, оснащене скребками та приводом від 
електродвигунів. Це кільце спрямовує шлак і золу у піддон — шлаковий накопичувач, 
розташований під КР. 
Пережим конструктивно забезпечує відбиття променистого тепла від футерованих поверхонь і 
полум’я у центральну зону решітки, що інтенсифікує процес підсушування сирої паливної суміші, 
яка надходить на КР. 
Повне допалювання залишкових газів і твердих частинок відбувається в секції догорання камери 
згорання (ПК). Первинне повітря надходить у зону горіння крізь спеціальні отвори в пластинах 
колосникової решітки та проходить через шар палива. Вторинне повітря подається через сопла, 
розміщені по периметру нижньої та верхньої частин ПК, а третинне – через сопла, встановлені в 
секції догорання. 
Такий розподіл повітряних потоків дозволяє керувати процесом спалювання у паливні, 
забезпечуючи повне вигорання палива. При цьому основна частина золи залишається всередині 
паливні та видаляється із системи механічним способом, а не виноситься з димовими газами в 
атмосферу. 
Експериментальні дослідження, вимірювання параметрів, виконання розрахунків та оформлення 
результатів проводилися відповідно до вимог чинних нормативних документів [39]. У розрахунку 
величини q2 температура холодного повітря приймалася рівною температурі на вході в систему 
перед дуттьовим вентилятором і становила 25 °C. Поправочні коефіцієнти, що враховують зміну 
режимних параметрів, визначалися як експериментально, так і аналітичним шляхом. 
Температури повітря та димових газів у газоповітряному тракті визначали за допомогою додатково 
встановлених переносних вимірювальних приладів і реєстраторів. Показники витрат перегрітої 
пари та живильної води коригували до номінальних параметрів, передбачених для вимірювальних 
діафрагм. 
Вимірювання температур здійснювали цифровим термоелектричним термометром ТТЦ-1200. 
Технічні характеристики палива — деревної тріски та суміші тріски з енергетичною вербою, 
зокрема її теплота згоряння, зольність, вологість (Wp) і вміст сірки (Sp) — визначали за 
стандартними методиками. 
Відбір проб продуктів згоряння для оцінювання параметрів паливного процесу виконували 
безпосередньо з газоходу. Аналіз складу димових газів здійснювали за допомогою автоматичного 
газоаналізатора «Testo-330». Енергетичні показники дослідного зразка котла під час спалювання 
деревної тріски та її суміші з енергетичною вербою у співвідношенні 70/30 наведено в таблиці 5.2. 
 
 
Таблиця 5.2 -   Розрахункова таблиця для енергетичних характеристик експериментального зразка котла при спалюванні суміші 
деревної тріски і енергетичної верби в співвідношенні 70/30 відповідно і деревної тріски 
Назва Числове значення параметра 
параметра 
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 
Паропродуктивність котла, т/год 22,9 19,4 16,5 12,8 10.2 21,6 18,6 15,0 12,0 9,4 
Тиск перегрітої пари, бар 61,6 61,5 61,5 61,4 61,4 61,5 61,5 61,4 61,5 61,5 
Температура перегрітої пари, °С 485 485 485 468 452 485 485 485 483 460 
Ентальпія перегрітої пари, ккал/кг 808,5 808,0 808,4 798,4 789.0 808,2 808,2 808,2 807,4 793,8 
Теплопродуктивність, Гкал/год 15,52 13,11 11,17 8,56 6,72 15,17 13,03 10,52 8,39 6,44 
Температура повітря на вході в систему, °С 25 
Коефіцієнт надлишку повітря, αбс 1,28 1,28 1,28 1,30 1.33 1,28 1,29 1,30 1,32 1,33 
Температура відхідних газів, °С 162,2 159,2 151,2 148,0 145,9 148,9 140,5 134,5 128,8 121,7 
суміш деревної тріски і енергетичної 
Паливо деревна тріска 
верби, 70/30 
Нижча робоча теплота згорання, ��р, кДж/кг 8500 8100 
н 
Волога робоча, Wp, % 45,4 48,9 
Волога приведена, Wn, %/кДж/кг 5,5 5,9 
Зольність робоча, Ар  , % 6,2 1,2 
Вміст горючих в шлаці, Сшл, % 3,8 1,4 
Частка виносу з золою / шлаком, [-] 0,15/0,85 
 
 
Кінець таблиці 5.2 
 
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 
Втрати тепла з відхідними газами, q2, % 9,574 9,367 8,842 8,739 8,723 8,877 8,341 7,984 7,642 7,201 
Втрати тепла з хімічним недопалом, q3, % 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 
Втрати тепла з механічним недопалом, q4, % 0,825 0,821 0,821 0,824 0.826 0,062 0,058 0,059 0,058 0,060 
Втрати тепла в навколишнє середовище, q5, % 1,088 1,286 1,511 1,942 2.441 1,153 1,343 1,664 2,085 2,667 
Втрати тепла з фізичним теплом шлаку, q6, % 0,291 0,291 0,291 0,291 0,291 0,057 0,057 0,057 0,057 0,057 
ККД котла брутто, % 88,22 88;23 88,54 88,20 87,72 89,85 90,20 90,24 90,16 90,02 
ККД котла нетто, % 87,02 86,95 87,30 86,77 86,02 88,60 88,90 88,78 88,47 88,10 
Витрата натурального палива, т/год 8,88 7,50 6,37 4,90 3,87 8,57 7,34 5,92 4,73 3,63 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ВИСНОВКИ 
 
У магістерській кваліфікаційній роботі представлено результати розв’язання науково-технічної 
проблеми, спрямованої на підвищення ефективності енерготехнологічного процесу спалювання 
подрібненої деревної біомаси. На основі виконаних аналітичних та експериментальних досліджень 
сформульовано такі висновки: 
1. Проведено аналіз специфіки процесу спалювання подрібненої деревної біомаси з розміром 
частинок 0,08–1 мм, її теплоенергетичних властивостей та конструкцій паливних 
пристроїв. Установлено, що для ефективного спалювання такої біомаси доцільним є 
використання камерних топок, які забезпечують можливість спалювання суміші різних 
фракцій, включно з пилоподібною (до 200 мкм), та дають змогу досягати високого 
коефіцієнта корисної дії — до 90%. 
2. Окреслено діапазони варіації безрозмірних параметрів процесу згоряння подрібненої 
деревної біомаси. Це дозволило застосувати математичну модель теплового 
самозаймання біомаси, проаналізувати особливості протікання процесу з урахуванням та 
без урахування тепловідведення, а також сформулювати вимоги щодо ефективного її 
спалювання в паливних установках. 
3.   На основі експериментальних досліджень зразків енергетичної верби Salix визначено 
кінетичні характеристики процесу її згоряння — енергію активації та 
передекспоненційний множник — для діапазону ступеня перетворення α ≤ 0,55. Це дає 
можливість здійснити поглиблений аналіз кінетики спалювання даної деревної породи в 
паливних пристроях енергетичних систем. 
4.   Досліджено вплив коефіцієнта надлишку повітря αₚ на умови горіння генетично 
модифікованої деревини. За результатами експериментів зі спалювання подрібненої 
деревної біомаси встановлено, що для забезпечення ефективного процесу горіння 
необхідно підтримувати αₚ у межах 1,1–1,35. 
5. Удосконалено конструкцію паливного пристрою для спалювання подрібненої 
 
біомаси: у основній камері згоряння передбачено спеціальні виступи, а стеля камер 
згоряння та допалювання виконана у півсферичній формі. Така геометрія сприяє 
формуванню додаткового вихрового потоку деревної суміші, що покращує 
розподіл теплових потоків і забезпечує повніше згорання подрібненого деревного 
палива. 
6. Запропоновано вдосконалену конструкцію паливного пристрою, у якій 
застосовано конусну рухому колосникову решітку. Це рішення інтенсифікує 
контакт частинок деревини з повітрям, зменшуючи втрати від механічного 
недопалу. Використання такої паливні дає можливість підвищити коефіцієнт 
корисної дії котельної установки на 1,0–2,0%. 
Отримані результати показують, що під час проєктування котлів для спалювання 
деревної біомаси обов’язково слід враховувати її ключові фізико-хімічні властивості. 
Процес горіння такої сировини вимагає коректного регулювання подачі повітря залежно 
від вологості та інших характеристик біомаси, тобто правильного вибору коефіцієнта 
 
надлишку повітря. Оптимальне значення коефіцієнта надлишку кисню αп має 
підтримуватися в межах 1,1–1,35. Забезпечення ефективного режиму згорання палива 
підвищує економічність роботи котла та зменшує негативний вплив на довкілля.