4.1: Деревина

Last updated
Save as PDF

Page ID: 31739

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

4.1 Деревина

Історія спалювання дров

Деревина використовувалася як джерело енергії протягом тисяч років (перше відоме використання вогню було визначено, коли археологи зробили відкриття людей, які жили 400 000 років тому), а дерево було очевидним джерелом для розпалювання вогню. В Америці в 1637 році жителі Бостона страждали від дефіциту деревини. Це стало першою енергетичною кризою Америки після менш ніж одного століття врегулювання. В кінці 1700-х років Бенджамін Франклін винайшов чавунну піч для внутрішнього використання. Він тримав тепло в приміщенні після того, як пожежа згоріла. Однак у нього був дефект конструкції в тому, що він не мав можливості витягнути повітря, тому пожежі гасли швидко. Тож Девід Р. Ріттенхаус додав димохід та вихлопну трубу, щоб покращити його.

Спалювання деревини

Спочатку ми розглянемо, де зберігається енергія в матеріалах, починаючи з молекули метану. Спалювання метану є екзотермічним (виділяє тепло в міру протікання реакції), але реакція повинна бути ініційована, перш ніж вона збереже себе при постійній доступності метану та кисню. Формула нижче показує реакцію в стехіометричному форматі:

СН4+4О ₂ →СО _2+Н ₂ О (плюс тепло!)

На малюнку 4.1 показані ті ж реагенти і продукти, але з зв'язками до реакції і після реакції, на молекулярному/атомному рівні. Кількість атомів у кожній молекулі не змінюється, але те, як вони розташовані та з'єднані. Єдина реальна зміна полягає в тому, як атоми пов'язані - це хімічні зв'язки. Оскільки ENERGY виходить з системи горіння, то це повинно означати, що більше енергії зберігається в 4 C-H зв'язках і 2 O-O зв'язках, ніж в 4 H-O і двох C-O зв'язках. ЕНЕРГІЯ, що виділяється під час хімічного згоряння, надходить від ЕНЕРГІЇ, що зберігається в хімічних зв'язках палива та кисню.

реакція метану та кисню, що показує зв'язки до і після реакції - див. Текстовий опис нижче зображення — Рисунок 4.1:1 реакція метану та кисню 2, що показує зв'язкові з'єднання до і після реакції горіння.

**Натисніть тут для текстового опису того, що відбувається в реакції**

**Реагенти:** Метан вступає в реакцію з двома молекулами кисню. Всі чотири водню в метані з'єднані з одним атомом вуглецю 4 одиночними зв'язками. Молекули кисню - це кожні два атома кисню, з'єднані подвійним зв'язком.

**Під час горіння** атоми переставляються і утворюють нові зв'язки.

**Продукти:** Атом вуглецю з'єднується з 2 атомами кисню з подвійним зв'язком між вуглецем і кожним киснем, утворюючи одну молекулу вуглекислого газу. Крім того, кожен з інших атомів кисню, що залишилися, утворює 2 одиночних зв'язку з 2 залишилися атомами водню з утворенням молекули води. Чистими продуктами реакції є 1 молекула СО2 і молекули 2Н2О.

Зараз ми знаємо хімію реакцій спалювання метану, але деревина - набагато складніший матеріал, ніж метан. Деревина містить до 50% води. Вода в дровах знизить нагрівальну здатність дров, а якщо дрова дуже вологі, це призведе до задимленого вогню. Основними компонентами деревини (ми розглянемо це більш глибоко в наступному уроці) - целюлоза (з чого виготовляється папір) і лігнін (частина дерева, яка робить його міцною структурою). Для того, щоб почати пожежу, ви зазвичай повинні запалити матеріал, який легко згорає, щоб почати нагрівання деревини (це може бути газета або «пожежний стартер»). Компоненти починають розкладатися від спеки (тому технічно ми поки не «горимо»), яка виробляє пари і вугілля. Пари називаються «летючими речовинами», а вугілля складається з вуглецю та золи. Летючі речовини - це те, що насправді починає горіти, виробляючи полум'я. Багате вуглецем вугілля виробляє світяться вугілля або «вугілля», які необхідні для підтримки вогню. Деревина зазвичай не містить сірки, тому оксиди сірки (або SOx) не утворюються.

Можуть виникнути проблеми зі спалюванням дров. Дим надходить від частинок, які не горіли або лише частково згоріли, які можуть забруднювати атмосферу, і зазвичай надходять із смол на деревах. Це не проблема, коли один або дві людини спалюють дрова, а коли тисячі людей спалюють дрова в каміні. У Стейт-коледжі штату Пенсільванія взимку можна побачити дим в повітрі від камінів. Дров'яні пожежі в камінах також можуть відкладати сажу і креозот в димоходах, які, якщо їх періодично не чистити, можуть запалюватися. Спалювання деревини (або насправді більшість речей) призведе до утворення зольного матеріалу (мінерали в деревині та вугіллі, які реагують з повітрям в умовах горіння); золу потрібно утилізувати. Деревний дим також містить різноманітні хімічні речовини, які можуть бути канцерогенними.

Тепер давайте почнемо обговорювати різні джерела біомаси, як ми вимірюємо різні властивості різних біомас і як визначити атомний склад біомаси.