Основа производства твердого биотоплива

В основе технологии производства топливных гранул, как и топливных брикетов лежит процесс прессования измельченных отходов древесины, соломы, лузги и др.

Сырьё (опилки, солома и т.д.) поступает в дробилку, где измельчаются до состояния муки. Полученная масса поступает в сушилку, из неё — в пресс-гранулятор, где древесную муку прессуют в гранулы. Сжатие во время прессовки повышает температуру материала, лигнин, содержащийся в древесине размягчается и склеивает частицы в плотные цилиндрики.

На производство одной тонны гранул уходит 3—5 кубометров древесных отходов естественной влажности. Готовые гранулы охлаждают, пакуют в большие биг-бэги (по несколько тонн) или мелкую упаковку от нескольких кг до нескольких десятков кг. Различают промышленные (доставляются насыпью без упаковски или в биг-бэгах) и потребительские гранулы (в мелкой расфасовке, ориентированные на частных и небольших промышленных потребителей).

Древесные топливные гранулы (пеллеты, ДТГ) – это небольшие цилиндрические прессованные древесные изделия диаметром 4-12 мм, длиной 20-50 мм, переработанные из высушенных остатков деревообрабатывающего и лесопильного производства: опилки, стружка, древесная мука, щепа, древесная пыль и т.д. Гранулы используются в котлах для получения тепловой и электрической энергии путем сжигания. Преимуществом использования древесных гранул перед другими видами топлива является:
- снижение вредных выбросов в атмосферу: древесное биотопливо признано СО2 – нейтральным, т.е. при его сжигании количество выделяемого углекислого газа в атмосферу не превышает объем выбросов, который бы образовался путем естественного разложения древесины (см. табл.1);
- бoльшая теплотворная способность: по сравнению со щепой и с кусковыми отходами древесины. Энергосодержание одного килограмма древесных гранул соответствует 0,5 литра жидкого дизельного топлива; древесные гранулы не уступают по теплотворной способности ни углю, ни мазуту (см. табл.2);
- низкая стоимость по сравнению и дизтопливом и отоплением электричеством,
- чистота помещения, в котором установлен котел,
- возможность автоматизации котельных.

Технология производства древесных топливных гранул

Расстановка оборудования на каждом предприятии может быть разная. Однако принципы – общие с момента возникновения технология производства пеллет в 1947 году. Сам по себе процесс гранулирования - пеллетизации происходит в специальных кольцевых штампах (пресс-формах) вращающимися роторными вальцами, которые впрессовывают в многочисленные отверстия - фильеры пресс-формы, активизированное паром измельченное древесное сырье, после чего, срезанные с наружной стороны штампа специальным ножом гранулы, должны быть охлаждены и отделены от мелких частиц.
Весь процесс производства условно можно разделить на несколько этапов:
• Измельчение
• Сушка
• Доизмельчение
• Водоподготовка
• Прессование
• Охлаждение
• Фасовка и упаковка
Рассмотрим подробнее каждый этап производства:
• Измельчение древесного сырья. Рубительные машины (Дробилки) измельчают древесное сырьё до фракции с размерами не более 25х25х2 мм для дальнейшей сушки. Лучше всего для снижения энергозатрат на сушку измельчать до более мелкой фракции.
• Сушка. Древесное сырье перед прессованием должно иметь влажность 10 % ± 2 %. Сырье с большей или меньшей влажностью требует дополнительного увлажнения или дополнительной сушки. Сушилки делятся на два типа: барабанного и ленточного. Ленточного типа: дороже, но безопасней. По типу применяемого сушильного агента они подразделяются на сушилки на топочных газах, горячем воздухе и водяном паре. По типу применяемого вида топлива для производства ДТГ: газовые и на древесных отходах.
• Доизмельчение сухого сырья. Для устойчивой работы пресса входная фракция должна быть не более 4 мм. Такую фракцию может обеспечить молотковая мельница, стружечный станок или дезинтегратор.
• Водоподготовка. Сырье с влажностью менее 8% плохо поддается прессованию, поэтому требуется, устройство дополнительного увлажнения сырья. Лучший вариант - это шнековые смесители, имеющие возможность подачи воды или пара. Пар применяют для снижения прочности и увеличения пластичности древесного сырья твердых пород. Прессы некоторых производителей из-за конструктивных особенностей не требуют добавления пара. Некоторые применяют пар для старого, слежавшегося сырья, но таким сырьем сложно получить гранулы хорошего качества.

В основе всего процесса гранулирования или в сердце его находится пресс. Сегодня существует несколько десятков производителей прессов из разных стран мира (CPM, Andritz, Salmatec, Amandus Kahl, Buhler, Munch и многие другие). Многие прессы конструктивно различаются по видам матриц:
- пресс с круглой матрицей
- пресс с плоской матрицей.

Пресс с круглой матрицей разрабатывался для комбикормовой, пищевой и химической промышленности. А пресс с плоской матрицей изначально для утилизации промышленных и бытовых твердых отходов. На сегодняшний день прессы обеих модификаций, используемые в гранулировании, работают по одинаковому принципу. Бегущие катки создают контактное напряжение смятия сырья на матрице, и через отверстия в матрице продавливают сырье, которое обрезается ножами. Прессы выполнены из особо прочных материалов с жесткими мощными корпусами. Матрица и катки изготовлены из специальных закаленных износостойких сплавов. Гранулирование древесины, как материала имеющего высокую плотность, требует повышенного усилия для прессования. При прессовании происходит уплотнение древесного сырья до 3 раз. Удельное потребление электроэнергии составляет от 30 до 50 кВт в час на тонну. Из-за сил трения и адиабатических процессов, происходящих при резком сжатии сырья, температура в рабочей зоне пресса достигает 100°С.
• Охлаждение. Чем выше усилия прессования и выше температура сырья, тем лучше гранулы по качеству. При увеличении температуры прессования свыше 120°С происходят необратимые процессы в гранулируемом сырье, которые приводят к ухудшению качества гранул. Охлаждение необходимо для кондиционирования гранул после прессования. У хороших производителей оборудования в технологическом процессе, после охладителя существуют системы для очистки готовых гранул от пыли, что существенно улучшает качество выпускаемой продукции.
• Фасовка и упаковка. Фасовка и упаковка топливных гранул зависит от того, какая система хранения существует у потребителя.
- в свободном виде - насыпью.
- в мешках биг-бэг, от 500 до 1200 кг.
- в мелкой расфасовке по 10…20 кг.

Способы расфасофки топливных гранул

• В свободном виде - насыпью
Подразделяется на две группы:
- Первая идет на крупные ТЭЦ, требования по качеству невысокие, цена также небольшая: промышленные пеллеты.

- Вторая - высокого качества для котлов небольшой мощности и дальнейшей фасовки в мелкую упаковку, требования высокие, цена также достаточно высокая.

• Фасовка в биг-бэги
Фасовка в биг-бэги применяется для индустриальной транспортировки сыпучих продуктов. Биг-бжги изготавливаются из прочного полимера, имеют петли для механизации погрузо-разгрузочных работ, а также позволяют сохранять постоянную требуемую влажность ДТГ при открытом складировании. Цена ДТГ в биг-бэгах выше, чем при доставке насыпью.

• Мелкая расфасовка
Самая дорогая группа. Цены на гранулы в мелкой расфасовке наиболее высокие, и превышают 200 Евро за тонну. К данной группе ДТГ предъявляются повышенные требования по качеству. Очень удобна для тех заказчиков, кто не может иметь склада для хранения в насыпном виде. Перевозится на паллетах (поддонах). Массой до одной тонны. На снимках показаны варианты транспортного пакета и мешка 20 кг.

При подготовке абзаца использовалась информация из справочника "Древесные топливные гранулы в России и СНГ", Ракитова О.С, Овсянко А.Д., Александрова С.Е., СПб, 2005

Оборудование для сжигания биотоплива

Для каждого вида топлива существует своя технология сжигания, обоснованная, как технически, так и экономически. Топливную гранулу можно сжигать на различном оборудовании. Однако максимальной эффективности можно добиться лишь с помощью котлов и горелок, специально для этого предназначенных.
Процесс получения тепловой энергии из гранул можно назвать горением только с большой натяжкой, т.к. гранулы не горят в прямом смысле этого слова, а тлеют. При этом котел, исчерпав топливо в контейнере, может продолжать снабжение теплом в течение 24 часов за счет малой скорости протекания процесса.
В Европе больше половины котлов на древесных гранулах имеют среднюю мощность от 100 кВт до 1 МВт. Обычно такие печи устанавливаются в больших частных домах, школах, на небольших предприятиях.
Кроме котельных на пеллетах, существуют также камины на гранулах и брикетах. Подобные камины работают не как котлы, а как воздухонагреватели, поэтому не требуют системы трубопроводов. Чаще они используются (как и традиционные камины) в качестве дополнительного средства обогрева.
На сегодняшний день на рынках стран СНГ представлены и горелки для переоборудования жидкотопливных котлов под гранулу, и котельное оборудование большой мощности, и промышленные парогенераторы на биотопливе, и маломощные автоматизированные котлы для частных домов, и комнатные камины для сжигания топливной гранулы. Большая часть оборудования импортируется. Однако и целый ряд отечественных предприятий предлагает оборудование, предназначенное для сжигания пеллет.
Кстати, первые котлы на биотопливе появились вообще в России. До 60-х годов ХХ века в СССР было разработано и смонтировано немало таких котлов. Однако задача тогда ставилась иная: «утилизировать отходы». На Западе была другая цель: добиться максимального КПД для того, чтобы снизить себестоимость производимой энергии, поэтому европейцы пошли дальше россиян в изучении нюансов сжигания биотоплива. Например, при сжигании хвои образуется щелочь натрия, которая губительно влияет на стальные котлы, но сегодня уже есть технологии, позволяющие нейтрализовать подобные вредные эффекты.
Для каждого вида биотоплива существует своя специальная и специфическая технология. Котельные, предназначенные для биомассы влажностью менее 30%, не будут эффективны ни для сжигания влажного биотоплива с содержание воды около 50%, ни для рафинированного биотоплива. Влажное сырье не будет гореть из-за того, что ему необходима очень высокая температура внутри котла. Древесные гранулы (рафинированное биотопливо) будут сгорать в таком котел, но при этом потеряют экономическую целесообразность, поскольку стоимость котла на гранулах ниже, чем на влажной или сухой (до 35%) биомассе – опилках, щепе и т.д.
В настоящее время в Европе разработан достаточно широкий ряд типов котлов на биотопливе:
- котлы на прессованом биотопливе – гранулах и брикетах,
- котлы на сухом биотопливе (влажность до 30%),
- котлы на влажном биотопливе (влажность до 55%)
- котлы для сжигания торфа и смесей из торфа,
- котлы для сжигания коры и смесей из коры,
- котлы для сжигания другого органического сырья.
В зависимости от характеристик котлы ориентируются на разные сегменты рынка: от частных потребителей до крупных предприятиях и муниципальных котельных.
(Выдержки из справочника "Древесные топливные гранулы в России и СНГ" под ред. Ракитовой О., СПб. 2005)

Технология производства топливных брикетов

В основе технологии производства топливных брикетов лежит процесс прессования шнеком агро-отходов (шелухи подсолнечника, гречихи и др.) и мелко измельченных отходов древесины (опилок) под высоким давлением при нагревании от 250 до 350 С°. Получаемые топливные брикеты не включают в себя никаких связующих веществ, кроме одного натурального — лигнина, содержащегося в клетках растительных отходов. При использовании агросырья возможно добавление связующих элементов. Температура, присутствующая при прессовании, способствует оплавлению поверхности брикетов, которая благодаря этому становится более прочной, что немаловажно для транспортировки брикет.

Сырьем для производства брикетов является тот же материал, что и для изготовления гранул – опилки различных пород древесины, щепа, лузга подсолнечника, гречихи, солома и многие другие растительные отходы. Технология производства брикетов схожа с технологией гранулирования, но более простая.Брикеты бывают разных форм – в виде кирпича, цилиндра или шестигранника с отверстием внутри. Стандартных размеров у данной продукции нет.
Основным фактором, определяющим механическую прочность, водостойкость и калорийность брикета, являются его плотность. Чем плотнее брикет, тем выше показатели его качества. Чем ниже плотность брикетов, тем меньше их калорийность. Например, при плотности брикета 650-750 кг/м3 калорийность брикетов равна 12-14 МДж/кг; при плотности 1200-1300 кг/м3 — 25-31 МДж/кг.
Качество брикетов в значительной мере зависит от влажности исходной смеси. Различают оптимальную и критическую влажности. Оптимальная влажность составляет 4-10 %, при ней достигаются наилучшие механические характеристики брикетов (следует учитывать, что для некоторых видов сырья верхним пределом влажности является 6-8%). Критической называется влажность, при которой возможно образование брикетов, но в нем появляются трещины — таким образом, брикет товарного вида не имеет. Критическая влажность находится в пределах 10-15 %. При более высокой влажности полученный брикет будет «разорван» внутренним давлением влаги, возникающем при сжатии измельченной массы.
Существует 3 основных типа топливных брикетов. Они отличаются по форме, которая зависит от метода производства. «В народе» прижилось три названия, которые произошли из имен компаний, выпускающих оборудование для производства того или иного брикета. Таким образом, выделяют брикеты RUF, брикеты NESTRO и брикеты Pini-Kay. Однако, кроме упомянутых производителей брикетирующего оборудования, существуют и другие фирмы — например C.F.Nielsen (Дания), UPM (Литва), Bogma (Швеция), Pawert-SPM AG (Швейцария), DI-PIU (Италия).

Брикеты подразделяются по двум принципам:
Первое - по сырью, из которого они изготовлены. Здесь выделяют: брикеты из древесных отходов (стружка и опил без коры, отходы с корой, кора, отходы производства МДФ, шлифпыль, отходы фанерных производств, лигнин, брикеты из сельскохозяйственных отходов); брикеты из агробиомассы (солома , шелуха подсолнечника, шелуха злаковых, отходы хлопка, сено, камыш); брикеты из прочих материалов (бумага, картон, целлюлоза, полимеры, торф).
Второе — по способу прессования и форме. Брикеты бывают трех видов: цилиндрические, экструдерные и в виде кирпичика.

Цилиндрические брикеты
Этот вид брикетов получается путём прессования на оборудовании ударно-механического типа. Они имеют бесконечную длину, и могут быть разделены как на шайбы, так и на поленья. Имеют очень высокую плотность, пользуются большой популярностью в Европе.
Такие брикеты могут иметь не только круглую, но и квадратную или восьмиугольную форму, иметь или не иметь отверстие. Вид брикета заказывает покупатель, он зависит от того, какие формы больше популярны в каждой отдельно взятой стране. Данные брикеты охотно покупают такие страны, как Германия, Дания, Великобритания, Норвегия, Швеция, Италия. На внутреннем рынке, чаще всего используют кусковые брикеты, изготовленные по данной технологии, в качестве топлива для твёрдотопливных котлов.
Экструдерные брикеты
Эти брикеты обязательно имеют отверстие внутри и обожженную верхнюю поверхность.
В основе экструзивной технологии производства брикетов лежит процесс прессования шнеком под высоким давлением при нагревании от 250 до 350 С°. Температура, присутствующая при прессовании, способствует оплавлению поверхности брикетов, которая благодаря этому становится прочной, что немаловажно для транспортировки брикета.
Такие брикеты закладываются вручную в топку котла или в печку, они пользуются спросом в Прибалтике и на внутреннем рынке России.

Брикеты в виде кирпичика

Эта продукция имеет вид прямоугольного параллелепипеда со скошенными углами. Такой брикет получается путём гидравлического прессования, и его размеры зависят от рыхлости сырья, из которого он произведён и давления, которое на него оказано. Они хорошо используются на внутреннем рынке, и также отлично покупаются во все европейские страны.

Технология

Процесс брикетирования - это процесс сжатия материала под высоким давлением, с выделением температуры от силы трения. За счет данного воздействия в древесине происходит выделение лигнина, который является связующим веществом для формирования брикета. Для брикетов не из древесного сырья, могут применяться экологически чистые добавки (не более 2%). При производстве данной продукции следует обратить особое внимание на влагу – очень важный параметр, влияющий на плотность брикета. В случае превышения 14% влажности сырья брикет разваливается на произвольные куски из-за избытка влаги.
Объем брикета составляет 1/10 от объёма затраченного на его производство сырья, что дает значительную экономию при транспортировке и хранении биотоплива.

Для производства древесных брикетов применяют поршневые и шнековые прессы, сырье – опилки и стружки. Перед прессованием материал дополнительно измельчают и подсушивают (влажность не должна превышать 12 – 14%)
Поршневой пресс работает циклически – при каждом ходе поршня продавливают определенное количество материала через коническое сопло, на брикетах четко различимы соответствующие цик-лам слои. В приводе всегда применя-ется маховик, позволяющий выровнять нагрузку двигателя. Износ поршня неве-лик, поскольку относительное переме-щение между прессуемым материалом и поршнем мало, быстро изнашивается сопло. Поршневые прессы относительно дешевы и поэтому широко распространены.

Шнековый пресс легче поршневого, поскольку отсутствуют массивные поршни и маховики. Продукция выходит непрерывно, поэтому ее можно разрезать на нужные куски. Плотность выше, чем у поршневых прессов. Шнековые прессы менее шумные, благодаря отсутствию ударных нагрузок. К недостаткам можно отнести больший расход энергии и быстрый износ шнека.

Топливные брикеты имеют широкое применение и могут использоваться для всех видов топок, котлов центрального отопления и пр. Большим достоинством брикетов является постоянство температуры при горении на протяжении 4 и более часов. (параграф подготовлен О.Ракитовой и С.Александровой)
 

Древесный уголь

Технология изготовления древесного угля: В специальную печь загружаются и поджигаются березовые поленья. После первичного прогорания древесины, в печи останавливают подачу кислорода. Начинается процесс обугливания (пиролиз). После охлаждения березовый уголь вынимают, просеивают и упаковывают.

Сейчас также производят древесный уголь из прессованных опилок (брикетов). При этом уголь может быть не только из березовых опилок, но и из любых других.

В России углежжение было давно известно. Старинными способами получения древесного угля считаются технологии «стог» и «кабан». Эти технологии были примитивными, процесс продолжался до месяца и требовал периодического контроля и обслуживания. Все газообразные и жидкие (в парах) продукты распада (а это около двух третей от исходной массы абсолютно сухой древесины) выбрасывались в атмосферу. Массовое производство угля по таким технологиям было возможно только в 17—18 веке, когда плотность населения была низкой и многие территории не освоены. Уже с 19 века в России предпочитали простейшие кирпичные печи для изготовления угля.

В СССР вначале использовали старинные ручнее методы получения угля, а затем начали строить крупные углевыжигательные заводы, которые обеспечивали относительно чистое углежжение.

В России действует ГОСТ на древесный уголь (ГОСТ 7657-84).

Щепа

В основе технологии получения щепы лежит измельчение древесины на специальной технике. Различают топливную и технологическую щепу. Технологическая щепа используется на ЦБК. Она вырабатывается из окорённой стволовой древесины хвойных и лиственных пород, а также из окорённых горбылей, реек, кусковых отходов древесины на ножевых рубильных машинах дискового типа. Топливная щепа может вырабатываться из неокоренных стволов, из низкокачественной тонкомерной древесины от рубок ухода за лесом, вершин и сучьев различных древесных пород на рубильных машинах дискового и барабанного типов. Насчитывается несколько десятков производителей оборудования для производства щепы, наиболее известные Morbark, Brucks, Peterson, Farmi и другие.

Дрова

Технология производства дров связана с лесозаготовкой. Низкокачественную древесину, которая не может быть использована в качестве деловой (фанкряж, пиловочник, балансы) превращают в дрова путем распиловки и расколки. Существует ГОСТ на дрова (см. рубрику Документы).

Биогаз

Биогаз образуется с помощью бактерий в процессе разложения органического материала при анаэробных (без доступа воздуха) условиях и представляет собой смесь метана и других газов в следующих пропорциях:

Состав биогаза

Теплотворная способность одного кубометра биогаза составляет в зависимости от содержания метана 20-25 МДЖ/ м3, что эквивалентно сгоранию 0,6 - 0,8 литра бензина, 1.3 - 1.7 кг дров или использованию 5 - 7 кВт электроэнергии.

Технология производства биогаза заключается в следующем. Биомасса (отходы или зеленая масса) периодически подаются с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утепленный резервуар, оборудованный миксерами. Стройматериалом для промышленного резервуара чаще всего служит железобетон или сталь с покрытием. В малых установках иногда используются композиционные материалы. В реакторе живут полезные бактерии, питающиеся биомассой. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма, подогрев до 35-38 °С и периодическое перемешивание. Образующийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), затем проходит систему очистки и подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен.

Для сбраживания некоторых видов сырья в чистом виде требуется особая двухстадийная технология. Например, птичий помет, спиртовая барда не перерабатываются в биогаз в обычном реакторе. Для переработки такого сырья необходим дополнительно реактор гидролиза. Такой реактор позволяет контролировать уровень кислотности, таким образом бактерии не погибают из-за повышения содержания кислот или щелочей. Возможна переработка этих же субстратов по одностадийной технологии, но при коферментации (смешивании) с другими видами сырья, например, с навозом или силосом.

Существуют промышленные и кустарные установки. Промышленные установки отличаются от кустарных наличием механизации, систем подогрева, гомогенизации, автоматики. Наиболее распространённый промышленный метод — анаэробное сбраживание в метантенках.

Биоэтанол

Биоэтанол – это обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива. Его производство схоже с производством пищевого спирта.

Современная промышленная технология получения спирта этилового из пищевого сырья включает следующие стадии:

- подготовка и измельчение крахмалистого сырья — зерна (ржи, пшеницы и т.п.)

- ферментация. На подавляющем большинстве спиртовых производств мира ферментативное расщепление крахмала до спирта при помощи дрожжей оставлено. Для этих целей применяются рекомбинантные препараты альфа-амилазы, полученные биоинженерным путем — глюкамилаза, амилосубтилин.

-брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах (например, «Комсомолец»). Отходами бродильного производства являются барда и сивушны масла. Барда используется для производства кормов.

Реальной альтернативой этанолу в наши дни становится биобутанол, так как он обладает более высоким энергетическим потенциалом, менее летуч и может использоваться в автомобилях без каких-либо изменений в конструкции их двигателей. Так, гибридное топливо БИО100 представляет собой смесь 65% биоэтанола с добавлением третбутилового эфира. Такое моторное топливо снижает на 1/3 тепловую нагрузку на двигатель, повышая тем самым сроки его эксплуатации.

Биодизель

В основе технологии получения биодизельного топлива лежит реакция переэтерификации любого растительного масла, или животного жира, в присутвии катализатора в биодизель (метиловые эфиры жирных кислот). Биодизель получают из рапса и ряда других культур.

Liquid-to-biofuel (биотопливо второго поколения).

Различные виды топлива, получаемые различными методами пиролиза биомассы. Быстрый пиролиз позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. Из жидкости можно произвести автомобильное топливо, или топливо для электростанций. Из биотоплив второго поколения, продающихся на рынке, наиболее известны BioOil производства канадской компании Dynamotive и SunDiesel германской компании CHOREN Industries GmbH.

Технология производства SunDiesel компании CHOREN Industries GmbH

Через двухступенчатый процесс газификации очищенный газ охлаждается, затем в процессе последующего очищения и кондиционирования очищенный синтетический газ (в основном CO и H_{2 )} подается в реактор Fischer-Tropsch, производящий углеводородные цепочки, которые в конце превращаются в SunDiesel. Выход холодного газа – 80%. (см. рисунок 1)

Двухступенчатый процесс газификации   Очистка газа и кондиционирование  Fischer-Tropsch синтез и превращение в SunDiesel