Биотопливо

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.