Технологии получения и применения пиролизного биотоплива
Энергетика

Виды биотоплив и технологии их производства

Категории и виды биотоплив

В мировой практике существуют два совершенно разных подхода к выбору конкретного вида биотопливного сырья. В то время как первый из них предусматривает подбор аналогов, способных заменить ископаемое углеводородное сырье в тех или иных применениях, в основу второго положена задача поиска энергетического применения углеродсодержащим отходам. До настоящего времени не разработаны универсальные технологии, оптимально сочетающие оба принципа.

В таблице 2.1 представлены характеристики основных технологий энергетического использования биотопливного сырья. Все виды биотоплива можно условно разделить на две категории качества. В первую категорию выделены биотоплива, пригодные для применения в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), т. е. биотоплива «моторного качества». Известно, что качество топлива существенным образом влияет на надежность работы и ресурс двигателя, поэтому действующими стандартами установлены жесткие требования к большому числу физико-химических параметров моторных топлив.

Основные технологии получения биотоплива
Таблица 2.1
Основные технологии получения биотоплива

К биотопливам второй группы относятся продукты переработки органического сырья, которые не могут заменять моторные топлива, но по своим характеристикам соответствуют требованиям, предъявляемым к котельному и печному топливу. При необходимости, биотоплива первой категории могут использоваться в тепловых установках вместо котельного или печного горючего, хотя это и не целесообразно с экономической точки зрения.

Биотоплива второй группы могут находиться в любом из трех возможных исходных агрегатных состояний (твердое, жидкое, газообразное), в то время как моторные биотоплива, в силу специфики принципа работы ДВС, могут быть только в жидком или газообразном состоянии. Это объясняется тем, что перед подачей в камеру сгорания ДВС топливо распыляется и смешивается с воздухом, образуя топливовоздушную смесь, способную воспламениться и практически полностью окислиться за очень короткое время соответствующего такта рабочего цикла. Так, при скорости движении 100 км/ч автомобиля с обычным четырехцилиндровым двигателем время рабочего такта составляет тысячные доли секунды. Очевидно, что частички твердого топлива, даже очень малых размеров, не смогли бы сгорать полностью за такое короткое время.

Подавляющее большинство ДВС для современного автотранспорта автомобилей рассчитано на использование жидкого (бензинового или дизельного) топлива. Поэтому развитие биотопливной энергетики происходит по пути поиска аналогов бензина и дизельного топлива, произведенных с использованием возобновляемого органического сырья. Значительно реже применяется природный или сжиженный газ. В этом случае осуществляют доработку двигателя в заводских условиях или на специальных станциях технического обслуживания. Такие двигатели могут работать как на биогазе, так и на пиролизном газе после соответствующей очистки от нежелательных примесей.

Биотопливными аналогами бензина и дизельного топлива являются, соответственно, спирт (биоэтанол, биопропанол) и биодизельное топливо, в качестве базового компонента которого используют метиловые эфиры жирных кислот (МЭЖК). В чистом виде спирты и МЭЖК обычно не применяют, а добавляют их, соответственно, к бензину или обычному дизельному топливу в разных нормируемых стандартами количествах.

Как следует из данных, приведенных в таблице 2.1, в технологиях приготовления жидких биотоплив моторного качества либо используется дорогое сельскохозяйственное сырье традиционно пищевого назначения, либо эти технологии предполагают применение сложного производственного цикла, как это имеет место в случае получения гидролизного биоэтанола из лигноцеллюлозы, или синтетических биотоплив из газообразных продуктов ее пиролиза.

Физико-химические процессы, используемые при производстве биотоплива

Процессы, применяемые в технологиях производства различных видов биотоплива, можно условно разделить на две группы: «неглубокая» и «глубокая» переработка.

Неглубокая переработка включает в себя механические и тепловые низкотемпературные процессы, не приводящие к заметным изменениям химического состава компонентов органического сырья. Обычно она применяется при производстве печного топлива, предназначенного для прямого сжигания в твердом виде. К таким топливам относятся, в частности, топливная щепа, топливные гранулы (пеллеты) и брикеты (торфяные брикеты, «евродрова»). Целью такой переработки является приведение основных физико-химических свойств биотоплива (размеры, влажность, калорийность и т. п.) в соответствие с требованиями существующих стандартов. Наиболее энергозатратной стадией такой обработки является удаление влаги. Тем не менее, такие затраты оказываются оправданными, поскольку конечный энергетический продукт обладает более высокими потребительскими свойствами по сравнению с исходным сырьем, и его производство оправдано даже при транспортировке на значительные расстояния для реализации на внешних рынках. Эти виды печного биотоплива обладают строго нормированными физико-химическими параметрами, что обеспечивает стабильность и горения и возможность автоматизированного дистанционного контроля в процессе сжигания. В настоящее время на рынке широко представлены котлы с микропроцессорным управлением для муниципального и индивидуального теплоснабжения, работающие на топливных брикетах в автономном цикле. Такие котлы способны в течение достаточно продолжительного времени поддерживать заданный температурный режим в помещениях в отсутствии оператора.

Глубокая переработка биотопливного сырья предусматривает конверсию исходного органического сырья в продукты, существенно отличающиеся от него по своему компонентному и химическому составу. Для этого могут быть использованы любые факторы внешнего воздействия, вызывающие физикохимические процессы, приводящие к изменению химического состава и агрегатного состояния продуктов переработки исходного биотопливного сырья. К таким факторам относятся, например, нагрев, воздействие мощных источников света, электромагнитной плазмы, токов высокой частоты, жизнедеятельность микроорганизмов, и т. д. В настоящее время широко применяются четыре основные технологии глубокой переработки органического сырья в различные виды биотоплива: пиролиз, переэтерификация растительных масел, этанольное (бутанольное) сбраживание сахаров и крахмала и метаногенез. Кроме того, в технологии производства биоэтанола может применяться предварительная гидролизная обработка исходного сырья с целью получения сахаров из лигноцеллюлозного сырья.

Пиролиз

Пиролизом называется термическое воздействие на исходное органическое сырье в безвоздушной среде. В результате нагрева при температуре выше 300 °С высокомолекулярные компоненты разлагаются с образованием парогазовой смеси, состоящей из соединений, молекулярные массы которых находятся в очень широком диапазоне. После охлаждения наиболее легкие фракции продуктов разложения, такие как водород, окислы углерода азота и серы, низшие углеводороды и т. п., остаются в газообразном состоянии. Более тяжелые соединения конденсируются, образуя жидкую фракцию, известную под названиями «пиролизная жидкость», «бионефть». Пиролизная жидкость состоит из большого числа разнородных компонентов, в силу чего является нестабильной, и со временем деградирует и расслаивается. Такой продукт не может использоваться в качестве моторного топлива, но может найти применение в качестве компонента печного или котельного биотоплива.

Максимальная рабочая температура в реакторе ограничена термохимической стойкостью материалов, из которых он изготовлен, и обычно не превышает 1000 °С. Даже при этой температуре не удается полностью перевести исходное сырье в низкомолекулярные соединения. Поэтому определенная часть общей массы продуктов пиролиза остается в твердом состоянии. При пиролизе растительного сырья твердая фракция пиролиза по своим физико-химическим свойствам аналогична древесному углю и аккумулирует в себе практически все неорганические компоненты исходного сырья.

Массовые соотношения газообразного, жидкого и твердого продуктов пиролиза в значительной степени зависят от технологических условий. Этот факт используется на практике в целях достижения максимально возможного выхода требуемого продукта. Так при производстве древесного угля процесс пиролиза проводят при относительно низких температурах (300-400 °С) в течение достаточно продолжительного времени (несколько часов). В целях получения пиролизной жидкости обработку проводят при средних температурах (500-600 °С). При этом обеспечивают условия для максимально быстрого вывода парогазовой смеси из горячей зоны в конденсатор, чтобы минимизировать эффект дальнейшего разложения первичных продуктов с образованием неконденсирующихся компонентов. Соответственно, чтобы произвести больше пиролизного газа, температуру в реакторе повышают, а время пребывания парогазовой смеси в горячей зоне увеличивают, обеспечивая более полное разложения органического сырья.

Переэтерификация

Переэтерификацию в биотопливной индустрии применяют при переработке растительного масла в метиловый эфир жирных кислот (МЭЖК), применяемый в качестве заменителя дизельного топлива. В ходе этого процесса остатки жирных кислот отщепляются от связывающего их глицерольного стержня и присоединяют к себе радикалы спирта. Эта реакция имеет достаточно высокий барьер, поэтому ее скорость невелика при температурах ниже точки кипения спирта. Чтобы обеспечить приемлемую для промышленной технологии производительность, применяют различные катализаторы (обычно щелочной катализатор).

Продуктом реакции переэтерификации является смесь метиловых эфиров различных жирных кислот, состав которой определяется выбором конкретного вида растительного масла. В серийных дизельных двигателях применение МЭЖК в чистом виде не предусмотрено. Как правило, их добавляют в стандартное дизельное топливо в количестве от 5 до 15-20 %. Полученная смесь получила название «биодизель». При необходимости эксплуатации двигателя с использованием более концентрированных смесей МЭЖК необходима доработка в его топливной системе.

Этанольное (бутанольное) сбраживание

Биоэтанол (биобутанол) является альтернативным видом моторного топлива для бензиновых двигателей. При производстве топливного биоэтанола применяют традиционную технологию анаэробного (т. е. без доступа воздуха) сбраживания сахаров. Под действием ферментов, производимых специальными микрокультурами (дрожжами), сахара разлагаются с выделением метилового спирта и углекислого газа. (Чтобы получить биоэтанол, используют другие штаммы микроорганизмов, в результате жизнедеятельности которых образуется не этиловый, а бутиловый спирт.) Так же как и в случае МЭЖК, биоэтанол в чистом виде применяется только на доработанных двигателях внутреннего сгорания. В обычных ДВС производителями разрешается использовать только этанольно-бензиновые смеси с относительно небольшим (10-15 %) содержанием спирта.

Кислотный гидролиз

Поскольку в природе не существуют (и пока еще не созданы методами генной инженерии) микроорганизмы, способные эффективно разлагать высокомолекулярные компоненты лигноцеллюлозного сырья с образованием спиртов, при производстве биоэтанола из древесины этанольному сбраживанию предшествует процесс «осахаривания» – разложения на сахариды. Обычно осахаривание осуществляют с помощью серной кислоты.

Метаногенез

Метаногенезом называют процесс анаэробного сбраживания органической массы, в результате которого выделяется «биогаз», основным компонентом которого является метан. По своим основным физико-химическим параметрам биогаз соответствует газовым топливам моторного качества и поэтому иногда используется в дизель-генераторных установках для автономного производства тепловой и электрической энергии. К недостаткам биогазовой технологии следует отнести относительно низкую удельную производительность и энергетическую эффективность, что обусловлено довольно большим потреблением тепла на поддержание рабочей температуры в реакторе. Так в условиях умеренного климата средней полосы РФ в холодное время года биогазовая установка может потреблять до 70 % произведенного газа. Данную технологию используют, прежде всего, в целях эффективной утилизации стоков животноводческих ферм, представляющих серьезную экологическую проблему.

Биотопливо для прямого сжигания

Прямое сжигание древесного топлива является древнейшим способом хозяйственного использования биомассы. До недавнего времени сельские дома в России и на значительной части территории бывшего СССР отапливались, преимущественно, дровами и углем. Общая по стране тенденция изменения структуры потребления энергоносителей на отопление состоит в снижении доли твердого топлива вообще и дров, в частности, по отношению к доле природного газа, что объясняется продолжающимся интенсивным развитием газовых сетей и инфраструктуры. Тем не менее, дровяное топливо остается одной из основных статей в энергетическом балансе сельских регионов. В 2007 г. 13 % всех домохозяйств в РФ использовали дровяные отопительные печи. В этот период порядка 4,5 млн. т. дров в год заготавливалось централизованным способом, а выработка тепловой энергии дровяными печами составляла более 12 млн. Гкал.

Это касается только того объема топливного ресурса, который поставлялся населению по инициативе и на средства, находящееся в распоряжении сельских администраций, а также через торговые сети. Однако, по субъективной оценке автора, объемы самозаготовок дров для хозяйственных нужд могут многократно превышать указанные выше значения, но их регулярная и методически обоснованная оценка не проводилась. Это, в частности, нашло отражение в статистических отчетах Минэнерго, в которых фактическая доля ВИЭ существенно занижена именно в результате отсутствия учета потребления дровяного топлива.

К недостаткам дров следует отнести довольно значительный разброс физических параметров топлива, и соответственно, невозможность получать стабильную теплоотдачу при сжигании в отопительных печах. В первую очередь это относится к теплотворной способности, которая определяется влажностью, и зольностью, зависящей, в первую очередь, от процентного содержания коры в общей массе топлива. Предельная теоретическая калорийность древесного топлива практически не зависит от породы деревьев, поскольку ее компонентный состав примерно одинаков. Известно, что стволовая древесина содержит лишь 1-3 % минеральных веществ, которые при сжигании образуют золу. Органическая часть состоит, в основном из целлюлозы и гемицеллюлозы (примерно 60 %) и лигнина (30 %). Доля других органических веществ составляет 7-9 %.

Помимо дров, в энергетике в течение нескольких десятилетий используется древесная щепа с нормируемой влажностью и размерными параметрами, использование которой обеспечивает возможность автоматизировать загрузку и значительно эффективней контролировать процесс горения. Позднее на рынке топлива из древесной и другой растительной биомассы появились новые виды продукции, такие как «евродрова», брикеты, гранулы (пеллеты), производимые из измельченного сырья путем прессования или экструзии.

Стандарты

Согласно принятым нормам, древесная масса топливного назначения классифицируется по способу получения (источнику). Так, различные коды присваиваются щепе, произведенной из древесины, добытой следующими способами:

  • санитарные рубки, прокладка и чистка просек и трасс;
  • из отходов деревообработки;
  • переработка промышленных отходов, не содержащих химических примесей, и утилизируемых деревянных конструкций (столярные изделия, крепеж, европалеты, и т. п.).

Российские нормативные документы, устанавливающие основные требования к топливной щепе по трем основным параметрам – размеры, влажность и зольность разработаны на основе двух широко распространенных стандартов: австрийского ÖNORM M7133 и общеевропейского CEN/TS 14961 (таблицы 2.2-2.4).

Распределение фрагментов древесной щепы по размерам (по ГОСТ Р 54188)
Таблица 2.2 Распределение фрагментов древесной щепы по размерам (по ГОСТ Р 54188)

Твердое биотопливо, в том числе и древесную щепу, производят также из древесины, заготовленной на специальных плантациях быстрорастущих деревьев и кустарников (тополь и др.), а также при проведении ландшафтных работ и мероприятий по зачистке территорий отчуждения вдоль нефте- и газопроводов, автомобильных и железных дорог. В последнем случае, а также при использовании некоторых видов древесных отходов, встает вопрос об экологической безопасности такой продукции, поскольку растения в течение их жизненного цикла способны поглощать и накапливать в биомассе различные вредные вещества, включая тяжелые металлы и радионуклиды.

Категории качества древесной щепы по содержанию влаги (ÖNORM M7133, CEN/TS 14961)
Таблица 2.3 Категории качества древесной щепы по содержанию влаги (ÖNORM M7133, CEN/TS 14961)

В соответствии с российскими действующими стандартами, для древесного сырья категорий B1 и В2, к которым отнесены «побочные продукты и отходы деревообрабатывающей промышленности» и «использованная древесина», устанавливается предельно допустимое содержание ряда химических элементов в соответствии с таблицей 2.5.

Классификация древесной щепы по зольности
Таблица 2.4 Классификация древесной щепы по зольности

Сегодня в странах ЕС потребляется порядка 170 млн. м3 дров и 65 млн. м3 переработанной древесины в виде топливных брикетов, гранул и щепы. При этом наблюдается устойчивый рост доли щепы, гранул и брикетов, которая к 2050 г. должна достигнуть 190 млн. м3, в том числе, за счет снижения потребления дровяного топлива.

Допустимое содержание химических элементов в древесном твердом топливе (категории В1, В2)
Таблица 2.5 Допустимое содержание химических элементов в древесном твердом топливе (категории В1, В2)

В России щепа давно используется на многих деревообрабатывающих предприятиях в производственных целях на операциях, требующих затрат тепловой энергии. В ЖКХ некоторых регионов РФ (Кировская и Ленинградская области, Республика Карелия и др.) находятся в эксплуатации котельные с модернизированными котлами, работающими на древесной щепе, однако широкого распространения в жилищно-коммунальном секторе страны этот вид биотоплива, к сожалению, не получил несмотря на его очевидные преимущества. Энергетическое применение щепы, произведенной из низкосортной древесины и отходов лесозаготовки, позволяет, с одной стороны, обеспечить окупаемость мероприятий по уходу за лесными угодьями, с другой – способствовать повышению энергоэффективности в ЖКХ за счет вовлечения в хозяйственный оборот резервов местного дешевого возобновляемого органического сырья и частичного замещения топлива ископаемого происхождения. Однако реализация этой концепции требует серьезного изменения структуры энергоснабжения в пользу автономных систем производства и распределения тепловой и электрической энергии, что невозможно без соответствующих решений в нормативно-правовой и административной сферах.

В этом плане весьма полезным может оказаться опыт таких европейских стран, как Германия, где в сельских и лесных районах значительные объемы потребности в тепловой энергии (порядка 70%) покрываются за счет применения котлов малой мощности, находящихся в личных хозяйствах. При этом частные владельцы отдают предпочтение именно щепе, а не брикетам и гранулам, по чисто экономическим соображениям, так как себестоимость ее производства в расчете на единицу произведенной тепловой энергии существенно ниже. Дополнительная экономия расходов хозяйства достигается за счет того, что заготовка топливной щепы, как правило, осуществляется самостоятельно с помощью собственных или арендованных измельчителей (шредеров) в стационарном или мобильном исполнении.

Сегодня в РФ остается практически без применения более 50 млн. т малоценной древесины: порубочные остатки, отходы лесопилок и другие виды низкосортных древесных материалов. Недоиспользование добываемой древесины в таких лесных регионах, как Урал, Сибирь, Забайкалье и Дальний Восток, происходит, в частности, по причине отсутствия предприятий по переработке сухостойной древесины, тонкомера и других низкосортных видов древесного сырья, образующегося при проведении мероприятий по воспроизводству лесных угодий, рубок ухода и т. п.

Все это представляет собой реальный резерв для производства топливной щепы, за счет которого можно было бы обеспечить теплом населенные пункты, находящиеся на расстоянии до 30-50 км от места заготовки. В результате перевода котельных коммунального сектора в таких районах с угля на щепу, можно устранить зависимость удаленных территорий от поставки углеводородных энергоносителей. Благодаря уменьшению стоимости тепловой энергии и повышению занятости, снизится нагрузка на местный бюджет, что позволит высвободить больше средств на социально-экономическое развитие.

В регионах, где низкое качество лесных массивов не позволяет вести хозяйственную деятельность по заготовке древесины коммерческого использования, в дело может пойти также, так называемая, «зеленая» щепа, содержащая относительно большое количество коры, веток и сучьев, непригодная для производства древесных плит и не используемая в гидролизном процессе.

Учитывая относительно невысокую ценность древесного материала биотопливного применения, в основу технологического цикла заготовки топливной щепы должен быть положен принцип минимизации объемов материальных затрат и ручного труда. Помимо этого, если заготовка производится в лесных угодьях общего пользования и, тем более, на территориях с особым экологическим статусом, то необходимо максимально избегать отрицательного воздействия на окружающую среду.

Заготовка древесного топлива

Производственный цикл заготовки топлива включат в себя следующие основные стадии (рисунок 2.1): сбор древесины, ее измельчение с получением топливной щепы и ее доставку на место использования. В этой технологической цепочке операция превращения исходного сырья в топливную щепу является, как правило, наиболее энергоемкой. Это обусловлено ярко выраженной анизотропией механической прочности волокнистой структуры древесины. Она легко расщепляется в направлении, параллельном оси ствола или ветки, но обладает очень высокой прочностью на разрыв волокон и оказывает большое сопротивление при деформации сдвига, создаваемой при поперечном срезе.

Технологическая схема заготовки топливной щепы
Рисунок 2.1. Технологическая схема заготовки топливной щепы

В типовых условиях работы большинства типов измельчителей фрагменты древесины могут попадать под режущие кромки рабочих органов при произвольной ориентации волокон, поэтому расчет приводных механизмов проводят для наименее выгодного с энергетической точки зрения случая. Требуемую мощность приводного механизма установки по нарезке топливной щепы можно ориентировочно определить из графика, приведенного на рисунке 2.2.

Мощность приводного устройства измельчителя барабанного типа
Рисунок 2.2. Мощность приводного устройства измельчителя барабанного типа

На рисунке 2.1 показаны три варианта организации процесса заготовки древесной щепы. В первом случае древесное сырье собирают и перерабатывают в щепу непосредственно на делянке или удобной для подъезда примыкающей площадке, после чего ее загружают в транспортное средство и перевозят на объект потребителя для хранения и применения. Такая технологическая схема не предполагает использования измельчителей большой производительности, поскольку ее транспортировка и развертывание на делянке могут быть ограничены отсутствием подъездных путей и площадок базирования, отвечающих требованиям нормальной эксплуатации.

Второй вариант более предпочтителен для применения производительных средств дробления древесины. К недостаткам такой организации процесса следует отнести увеличение количества погрузочно-разгрузочных операций, а также необходимость создания и обслуживания специального промежуточного пункта, что может быть также связано с проблемой землеотведения.

В третьем варианте нет ограничений по производительности измельчительных установок, но могут возникнуть дополнительные транспортные расходы из-за неэффективного использования емкости бункеров транспортных средств вследствие низкой плотности укладки древесины (тонкоствольная с фрагментами кроны, насыпные порубочные остатки). Данную технологическую схему можно рекомендовать для заготовок, производимых на территориях с низкой удельной плотностью ресурса древесной массы (при уходе за разделительными лесопосадками, в ходе санитарных рубок и т. п.), когда организация промежуточного пункта переработки нецелесообразна. В данном случае также имеет смысл рассматривать разновидность второго варианта технологического цикла с использованием мобильного промежуточного пункта переработки.

Таким образом, положение операции измельчения в технологической цепи определяет общее количество ее звенев, а также состав применяемых технических средств, специфических требований к ним и степень зависимости от характеристик механизмов, применяемых на предыдущих операциях.

Оборудование для производства щепы

Существуют различные типы и конструкции измельчителей для получения щепы (рисунок 2.3). Их производительность изменяется в очень широком диапазоне, в зависимости от области применения. По типу рабочих органов измельчители подразделяют на барабанные, дисковые и шнековые. Наиболее распространены рубительные машины дискового и барабанного типов. Несколько реже встречаются шнековые измельчители.

В общем случае рубительная машина имеет в своем составе станину, на которой закреплен рабочий узел с режущими (или дробительными ) элементами.

Барабанная дробильная установка, имеющая основной рабочий орган в виде вращающегося барабана, на котором установлены режущие элементы (ножи или резцы), является наиболее универсальной, поскольку позволяет перерабатывать древесные отходы во всем их ассортименте. Измельчители барабанной конструкции характеризуются достаточно большим проходным сечением и, соответственно, более высокой предельной производительностью, а также возможностью загрузки более крупногабаритного материала по сравнению с рубительными машинами других типов. По техническим условиям на большинство моделей, предлагаемых на рынке, допускается переработка кругляка диаметром до 300 мм. Существуют и более мощные машины, рассчитанные на загрузку обрезков стволов диаметром 500-600 мм.

Рабочим органом дисковой дробильной машины, как следует из ее названия, является режущий диск, плоскость которого, как правило, ориентирована под углом к древесным волокнам. Процесс резки происходит с помощью нескольких ножей, установленных на ножевом диске (роторе) и, так называемого, контрножа, который установлен на приемном патроне. При этом выступ ножей определяет длину щепы. Ножи устанавливают радиально или под некоторым углом по отношению радиальным направлениям. Величина выступа ножа может регулироваться в небольших пределах в целях изменения длины щепы.

Шнековые измельчители по своей конструкции напоминают мясорубку и предназначены для дробления небольших по размерам древесных фрагментов, поступающих на рабочие органы в произвольной ориентации волокон. Их целесообразно применять при производстве топливных гранул и евродров.

В производстве используются как стационарные, так и мобильные устройства для дробления древесины. Стационарные машины имеет смысл применять на теплоэлектростанциях, а также на деревообрабатывающих комбинатах и мебельных фабриках, где в рабочем цикле образуются большие объемы древесных отходов. На лесосеках удобно пользоваться мобильными компактными измельчителями, например такими, которые устанавливаются на трактор и приводятся в действие от вала отбора мощности. Этот вариант дробильного устройства считается наиболее оправданным в экономическом плане. С помощью такого агрегата легко решается проблема доставки на объект, к которому не подведены хорошо подготовленные подъездные пути.

Топливные гранулы (пеллеты) и брикеты, евродрова

Размеры щепы могут варьировать в довольно широких пределах и могут иметь в своем составе некоторое количество веток сучков и опилок, что вызывает трудности, связанные с автоматической подачей в топку котла, особенно, если речь идет о маломощных системах индивидуального отопления и ГВС. Время от времени может происходить заклинивание приводного механизма, и возникает необходимость в устранении неполадки. Это снижает показатели готовности и надежности и увеличивает эксплуатационные затраты.

От этого недостатка свободны тепловые установки, спроектированные для работы на топливных гранулах – «пеллетах». Для приготовления пеллет используют или только стволовую древесину, или древесину с добавлением коры, а также некоторых видов отходов растениеводства (лузга, солома и т. п.). В последнем случае зольность топлива возрастает с увеличением доли таких добавок, снижая сортность и качество продукта. Для применения в бытовых отопительных печах и водогрейных котлах рекомендуются пеллеты зольностью не выше 1,5 %.

В соответствии с действующими стандартами, пеллеты классифицируют по содержанию золы на несколько классов, обозначаемых как: A0.5, A0.7, A1.0, A1.5, A2.0, A3.0, A5.0, A7.0 и A10.0, где цифры после латинской буква A (от англ. Ash – зола) обозначают массовую долю золы в процентах.

Как было показано выше, исключительно важным параметром органического топлива, определяющим его калорийность, является содержание воды. Стандартом предусмотрено два класса влажности пеллет: W10 и W15 (массовая доля воды не более 10 % и 15 %, соответственно).

Процесс производства пеллет включает в себя следующие стадии:

  • крупное дробление предварительно подготовленного сырья;
  • сушка полученного полуфабриката крупного помола до относительной влажности 8-12 % в сушилках барабанного или конвейерного типа;
  • мелкое дробление сухой массы с применением молотковых мельниц;
  • увлажнение массы мелкого помола водой или паром для последующего склеивания в процессе прессовки с применением шнековых смесителей;
  • прессование с помощью плоских или цилиндрических матриц;
  • охлаждение;
  • просеивание в целях отделения древесной мелочи и пыли;
  • расфасовка и упаковка готового продукта.

Геометрические размеры пеллет должны отвечать требованиям стандартов. Выпускают пеллеты диаметром 6, 8, 10, 12 и 25 мм при допуске ± 1 мм. Длина (L) пеллет номинальным диаметром 6, 8 и 10 мм должна быть в пределах 3,15 мм ≤ L ≤ 40 мм. Для пеллет номинального диаметра 12 мм должна составлять 3,15 мм ≤ L ≤ 50, а для пеллет номинального диаметра 25 мм – 10 мм ≤ L ≤ 50 мм.

Брикеты и евродрова получают путем прессования опилок и более крупных фрагментов древесины. На заключительной стадии их подвергают термообработке (отжигу), в результате которой на поверхности образуется темный прочный, влагоотталкивающий слой.

В их состав не входят клеящие синтетические вещества. Естественным связующим материалом является лигнин – полимер, так называемого, «пространственно-сшитого» типа (в отличие от линейных полимеров, таких как целлюлоза), содержащийся в любой растительной ткани.

Евробрикеты и евродрова бывают прямоугольной формы, а также в форме неправильного многогранника с цилиндрическим осевым отверстием внутри.

Благодаря низкому содержанию воды и, соответственно, высокой теплотворной способности, 1 т евробрикетов или евродров заменяет примерно 5 м3 дров воздушной сушки. Из-за присутствия достаточно большого количества влаги даже в сухих дровах, на ее выпаривание затрачивается дополнительная энергия, что снижает КПД печи или котла на 20-30 %. При использовании евродров и брикетов эти потери можно снизить в 2-3 раза.

Обладая высокой объемной плотностью, брикеты и евродрова горят в 4 раза медленнее, чем дровяное топливо, поэтому их закладка осуществляется реже. При этом они отдают в 2 раза больше тепла, что сравнимо с энергоотдачей каменного угля. Они горят ровно, не производя искр при минимальном выделении дыма. Сам процесс горения более управляемый, позволяющий поддерживать постоянную температуру. Благодаря более полному сгоранию, выделение вредных веществ в воздушную среду минимален. В отличие от обычных дров, в результате сгорания которых могут оставаться угли и шлак в объеме до 30 % от объема закладки, брикеты и евродрова оставляют не более 2 % золы и углей. Это упрощает обслуживание печей и существенно уменьшает эксплуатационные трудовые и материальные затраты.

Технологии получения и применения пиролизного биотоплива

Термохимический процесс (называемый также «пиролизом» или «термолизом») можно условно рассматривать состоящим из нескольких стадий, представленных на рисунке 2.3. Начальная стадия включает в себя выделение под действием нагрева до температуры ниже 300 °С экстрактивных компонентов с низкой температурой кипения (включая, воду) и разложения, а также самих продуктов разложения таких компонентов. Далее, при температуре 300-800 °С происходит деструкция термоустойчивых соединений органического вещества с переходом большей части образовавшихся (первичных) продуктов в газообразное и парообразное состояние.

Схема термохимического процесса
Рисунок 2.3. Схема термохимического процесса

Важное замечание: Иногда в научной или технической литературе можно встретить описание термохимических процессов, в которых органическое сырье нагревают до некоторой температуры, якобы, превышающей 750-800 °С. Дело в том, что для каждого вещества существует предельная температура существования в конденсированном (твердом или жидком) состоянии. Так для воды это, как известно, критическая температура (примерно 374 °С), выше которой она не может оставаться в жидком состоянии ни при каком, сколь угодно высоком, внешнем давлении. Все известные, даже самые термоустойчивые, органические соединения распадаются на более легкие компоненты при температуре ниже 750-800 °С. Ошибка заключается в следующем: Когда температура в реакторе, измеряемая неким термодатчиком составляет, например, 100 °С, это означает лишь то, что такого значения она может достигать лишь на поверхности нагреваемого вещества, находящегося в твердом или жидком состоянии, в то время как температура в его объеме, в силу инертности теплообменных процессов, остается ниже предельного значения, характерного для каждого конкретного органического компонента.

При необходимости получения максимального выхода наиболее легких (вторичных) продуктов паро-газовую смесь подвергают нагреву при более высокой температуре (выше 800 °С).

Для разделения продуктов, имеющих разные значения температуры кипения, их направляют в конденсатор для последующего охлаждения. В результате получают жидкую и газообразную фракции – пиролизную жидкость («бионефть») и пиролизный (генераторный, синтез-) газ.

Количество и состав не разложившегося при термическом воздействии (углеподобного) остатка зависит от состава исходного сырья, а также от температуры и продолжительности нагрева. Чем ниже температура и чем дольше происходит нагрев, тем больше образуется твердого продукта. В случае пиролиза лигноцеллюлозного сырья это объясняется, так называемой, «конденсацией» лигнина – наиболее термически устойчивого органического компонента растительной биомассы.

Мы рассматриваем термохимический процесс, протекающий без доступа воздуха из атмосферы. В реальных технологических циклах это условие не всегда выполняется. Более того, существуют целый класс термохимических технологий, в которых чистый кислород или воздух используются для окисления части органического сырья, и за счет выделившейся при этом теплоты, собственно, и осуществляется нагрев. Это, безусловно, влияет на состав и теплотворную способность продуктов во всех трех агрегатных состояниях.

Несомненным преимуществом термохимической технологии получения биотоплива является ее универсальность, поскольку она позволяет использовать практически любое сырье, содержащее органические компоненты. Кроме того, она обеспечивает возможность получения различных видов биотоплива, находящихся во всех трех агрегатных состояниях. При этом массовые доли твердого, жидкого и газообразного продуктов переработки можно регулировать в широких пределах путем изменения технологических параметров процесса.

В зависимости от температуры и продолжительности обработки органического сырья, различают три разновидности технологического процесса (таблица 2.6), целью которых является достижение максимального выхода того или иного конечного продукта.

Типовой состав продуктов пиролиза древесины в различных технологических условиях
Таблица 2.6 Типовой состав продуктов пиролиза древесины в различных технологических условиях

Так для получения большого количества древесного угля при пиролизе древесины обработку производят при относительно низких температурах (300-400 °С) в течение нескольких часов. Этот процесс, известный нашим предкам с давних времен, получил название «карбонизация».

Наоборот, при очень высоких температурах (выше 700-800 °С) и при длительном воздействии на первичные парообразные продукты термической деструкции получают максимально возможные объемы пиролизного газа, преимущественно состоящего из легких, не конденсирующихся при нормальных условиях, углеводородов, моноокиси углерода, водорода и паров воды. Пиролизный газ также называют «генераторным» газом, реже – синтез-газом (в строгом определении синтез-газ представляет собой смесь только водорода и монооксида углерода), а сам процесс – «газификацией».

Третий процесс, названный «быстрым пиролизом», протекает при температурах, достаточных для перевода возможно большего количества органических компонентов в первичные продукты деструкции (450-700 °С). При этом чрезвычайно важно как можно быстрее вывести эти продукты из высокотемпературной зоны в конденсатор, чтобы минимизировать образование вторичных, – более легких, – продуктов разложения.

На этот метод в последнем десятилетии прошлого века возлагали большие надежды в плане замены нефтяных моторных топлив жидким продуктом пиролиза возобновляемого органического сырья. Однако, интенсивные теоретические исследования и многочисленные эксперименты в этой обрасти не увенчались заметным успехом. В настоящее время известны лишь единичные примеры коммерческого использования чистой бионефти, причем не в качестве моторного топлива. Дело в том, что пиролизная жидкость (бионефть) по своим физико-химическим параметрам существенно отличается от жидких углеводородов, применяемых на транспорте (таблица 2.7).

Параметры дизельного топлива и бионефти
Таблица 2.7 Параметры дизельного топлива и бионефти

Она имеет вдвое меньшую теплотворную способность, а ее вязкость в десятки раз выше, по сравнению со моторными топливами, получаемыми из минеральной нефти. Низкая калорийность бионефти объясняется наличием в ней кислорода (около 30 %) и воды (до 20 %, в зависимости от влажности исходного сырья и специфики технологического цикла). Она не растворяется в дизельном топливе или бензине, интенсивно впитывает влагу. Бионефть состоит из различных по химической природе компонентов и, поэтому, проявляет тенденцию к расслаиванию во время хранения. В литературе данные относительно опыта ее применения в качестве топлива ДВС практически отсутствуют, за исключением отдельных экспериментов по приготовлению эмульсий на основе дизельного топлива с добавлением не более 20 % бионефти. В этом случае в целях стабилизации эмульсии использовали специальные поверхностно-активные вещества (ПАВ). К настоящему времени исследования в области адаптации параметров бионефти к условиям применения почти не ведутся, а в качестве альтернативы рассматриваются технологии синтеза моторных топлив из газообразной фракции пиролиза дешевого лигноцеллюлозного сырья.

В начале 2000-х годов сообщалось о строительстве и вводе в эксплуатацию первого крупного комбината по производству бионефти из древесных отходов максимальной производительностью по сырью 10 т в час, построенного компанией DynaMotive Energy Systems в Канаде. Его проектная загрузка составляла 100 т древесных отходов в сутки. Деревообрабатывающее предприятие рассчитывало за счет использования отходов на значительную годовую экономию природного газа – 400 ТДж (в энергетическом выражении).

Пиролизное жидкое биотопливо не пригодно для использования в качестве моторного, но может найти коммерческое применение в автономных системах по комбинированному производству тепла и электроэнергии, оснащенных паровым котлом и паропоршневым двигателем (ППД) внутреннего сгорания или двигателем Стирлинга (внешнего сгорания).

Вообще говоря, использование ДВС, работающего в газодизельном режиме одновременно на пиролизном газе и дизельном топливе тоже возможно (рисунок 2.4).

Схема мини-ТЭС на основе ДВС, работающем на пиролизном и дизельном топливе
Рисунок 2.4. Схема мини-ТЭС на основе ДВС, работающем на пиролизном и дизельном топливе

В процессе работы реактор пиролиза, оснащенный конденсатором, производит твердый (углеподобный компонент), жидкий (бионефть) и газообразный (пиролизный газ) продукты. Очищенный и охлажденный пиролизный газ поступает в ДВС дизельгенераторной установки (ДГУ), который вырабатывает электроэнергию. Для нормального воспламенения горючей смеси в ДВС также подают дизельное топливо (ДТ) в количестве не менее 15 % (запальная доза). Теплота, выделяющаяся при работе ДВС, а также теплота, отдаваемая жидкими и газообразными продуктами пиролиза, утилизируется с помощью теплообменника и посредством теплоносителя (горячая вода) подается потребителям для производственных нужд, отопления и горячего водоснабжения (ГВС).

В системе может быть установлен гомогенизатор для добавления некоторого небольшого количества бионефти в дизельное топливо в целях его экономии и повышения эффективности сгорания смеси.

Изменяя рабочую температуру в реакторе пиролиза, можно в весьма широких пределах изменять соотношение массовых долей жидкого и газообразного продуктов разложения органического сырья (рисунок 2.5), в зависимости от фактической тепловой и электрической нагрузки мини-ТЭС.

Типовая зависимость выхода твердого, жидкого и газообразного продуктов пиролиза от температуры в реакторе
Рисунок 2.5. Типовая зависимость выхода твердого, жидкого и газообразного продуктов пиролиза от температуры в реакторе

Рабочую температуру в ректоре рекомендуется выбирать таким образом, чтобы не производить пиролизный газ в объеме, превышающем текущую потребность ДВС в газообразном топливе. При этом отпадает необходимость сооружения газохранилища (газгольдера). Если при этом образуется избыточная пиролизная жидкость, то ее хранение не вызывает технической сложности, ввиду ее значительно более высокой объемной плотности.

Такая комбинация реактора пиролиза и ДГА позволяет добиться уникальной операционной гибкости мини-ТЭС. Так, при высоком уровне электрической нагрузки температуру в реакторе повышают, чтобы увеличить долю пиролизного газа, а при ее снижении долю газу уменьшают, снижая рабочую температуру. Произведенную при этом избыточную пиролизную жидкость направляют в накопитель для последующего использования в качестве котельного биотоплива.

Имеющиеся данные по эксплуатации газодизельных силовых установок на генераторном газе свидетельствуют о существенном улучшении экологических параметров, а также повышении моторесурса ДВС на 40-50 % по сравнению со стандартным режимом работы на дизельном топливе.