Биоуголь: современное представление

УДК 674.81

Е. Ю. Разумов, Ф. В. Назипова

БИОУГОЛЬ: СОВРЕМЕННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ

Ключевые слова: биотопливо, биоуголь, торрефикация, пеллеты.

В статье описано развитие производства топливных брикетов на основе отходов деревообрабатывающей промышленности. Так же представлено подробное описание понятия «биоуголь» и «торрефикация». Рассмотрены стадии процесса изготовления торрефицированных пеллет.

Keywords: biofuels, biocoal, torrefikation, pellets.

This article describes the development of the production of fuel briquettes from waste wood processing industry. Also presents a detailed description of the concept of "biocoal" and "torrefikation". Considered stage of the manufacturing process torrefikative pellets.

Введение

В Евросоюзе законодательно ограничено потребление минерального топлива. В соответствии с условиями Киотского протокола и принятыми нормативами во многих странах к выбросам отнесены не только вредные соединения, но и углекислый газ, если он образуется при сгорании не-возобновляемого топлива. Многие котельные и электростанции в Евросоюзе работают на каменном угле. В воздух попадают углекислый газ и определенная часть окислов фосфора, серы, азота. За выбросы предприятия штрафуют. При этом поощряется производство энергии с использованием возобновляемых ресурсов (сжигание биотоплива, использование энергии приливов, ветра, солнца и подобных источников энергии).

Впервые в мире брикетирование отходов древесины и угольного штыба было предложено русским изобретателем А.П. Вишняковым еще в первой половине 19 века. Брикеты он назвал карболеином.

Процесс термической обработки был хорошо изучен русскими учеными. Еще в 1926 году в книге «Очерки по химии древесины» Николай Игнатьевич Никитин описал стадии процесса термического распада древесины и указал на изменение свойств древесины в зависимости от степени разложения. Подробно и с балансами эти процессы обсуждены в книге Василия Николаевича Козлова «Пиролиз древесины», изданной в 1952 году.

Биоуголь - биологический заменитель ископаемого топлива, содержащегося в каменном угле. Сама идея описана еще в 1910 г. Немецким химиком Фридрихом Бергиусом, однако до сих пор не получила развития в виду сильной конкуренции со стороны традиционных источников энергии. Биоуголь может быть сделан из органического материала и получен в процессе пиролиза. В результате получается биогаз для энергетического сжигания, а органика превращается в куски биоугля. Любой органический продукт, такой как сельскохозяйственная или лесная продукция или их отходы, могут использоваться для производства биоугля - отходы лесопе-реработки, остатки срезанной травы, ветки плодовых деревьев и других садовых насаждений и даже куриный помет.

Обжиг твердой биомассы (англ. -torréfaction) и последующее ее гранулирование в пеллеты; подобная технология применяется при обжиге кофейных зерен. Процесс обжига был впервые применен в 1930-е годы во Франции (французский глагол torréfier, который переводится как «жариться», в основном используется для обозначения процесса обжига кофейных зерен). В отличие от зерен кофе, твердая биомасса обжигается без доступа кислорода при температуре 200-330 °С.

Торрефицированные, или биоуголь (черные), пеллеты обладают рядом достоинств по сравнению с обычными, иначе называемыми белыми. Эти достоинства особенно явно проявляются при совместном сжигании торрефицированных пеллет и угля на теплоэлектростанциях (ТЭС).

Современные энергетики чаще всего сжигают уголь в форме пыли, вдуваемой в топку с воздухом. Сущность задачи, связанной с понятием «biocoal», сводится к созданию такого вида возобновимого топлива, которое можно измельчать в пыль и сжигать в топках факельного типа - точно так же, как и уголь. У разных видов каменного угля теплотворная способность от 17 до 29 кДж/кг. Значит, искомое биотопливо должно быть не хуже. Учитывая, что использование возобновляемого топлива поощряется законодательством, биоуголь может быть несколько дороже каменного угля.

Под понятие «биоуголь» подходит материал из любого растительного сырья. Но, ни древесина, ни другие растительные материалы в исходном виде непригодны для сжигания в угольных котлах без внесения изменений в технологию подготовки и сжигания топлива. Эти материалы необходимо высушить и подвергнуть термическому воздействию для придания хрупкости и повышения теплотворной способности.

Торрефицированные пеллеты обладают высокой энергопроизводительностью (около 6 мВт-час/т), не требуют особого обращения и могут храниться на улице. Кроме того, затраты на перевозку и перевалку значительно меньше, чем у других видов биотоплива, что позволяет производству биоугля быть рентабельным на значительном удалении от конечного потребителя. В приведенной ниже таблице представлены характеристики торрефици-

рованных пеллет в сравнении с показателями других видов топлива.

Таблица 1 - Характеристика торрефицирован-ных пеллет в сравнении с показателями других видов топлива

Характеристика Щепа Традиционные древесные пеллеты Торрефици-рованные пеллеты

Низшая теплота сгорания

Влажность, % 30-50 <10 <1

Удельный вес, кг/м3 250-400 650 900

Энергетическая плотность, кВт/м3 815 3150 5085

Химический анализ биомассы после такого обжига показал, что она приобретает большую теплоту сгорания, энергоемкость и улучшенные по сравнению с неторрефицированной биомассой. Процесс обжига применим к любым видам биомассы.

Таблица 2 - Влияние параметров процесса ттор-рефикации на состав торрефицированной древесины

Химический состав и физические характеристики древесины Древесина ивы до торрефи-кации Древесина ивы после торрефикации, режим -250°С,30 мин Древесина ивы после торрефика-ции, режим -300°С, 10 мин

Углерод, % 47,2 53,1 55,8

Водород, % 6,1 5,9 5,6

Кислород, % 45,1 40,9 36,2

Азот, % 0,3 0,4 0,5

Зола, % 1,3 1,5 1,9

Теплота сгорания, МДж/кг 17,6 19,4 21

Масса, кг 1 0,872 0,668

По результатам термодинамических исследований процессов торрефикации и газификации древесины следует, что характеристики торрефици-рованной древесины напрямую зависят от вида используемой древесины, продолжительности и температуры процесса. В табл. 2 приведены результаты сравнения характеристик ивы до торрефикации и после при двух режимах процесса.

Стадии процесса торрефикации

Рассмотрим, как протекает процесс торре-фикации. Перед пиролизом древесина должна быть высушена. Существенную роль для скорости и равномерности сушки играет толщина куска. Невозможно быстро достичь одинаково низкой влажности всех слоев толстого полена. Чем тоньше кусок, тем равномернее меняются его характеристики при прогреве. Это относится и к последующим стадиям термического воздействия на древесину. Поэтому предпочтительнее использовать щепу.

Вторая стадия процесса сводится к отщеплению от сложных молекул, составляющих древе-

сину, наиболее термолабильных боковых цепей. По данным исследователей (Никитин Н. И. Химия древесины и целлюлозы. М.-Л., 1962), уже при 240оС полностью разрушаются пентозаны, целлюлоза теряет до трети массы, а лигнин почти не разрушается, но заметно полимеризуется.

Стадии изготовления пеллет

Весь процесс изготовления гранул условно можно разбить на шесть стадий:

1. Подготовка сырья и его измельчение

Все сырье разделяют на 2 группы - чистые древесные отходы и отходы с корой. Данное разделение необходимо для производства пеллет более низкого качества.

Неравномерные по фракциям отходы - рейки, горбыль дробятся до опилок. Сначала сырье рубят до состояния щепы, а затем молотковой дробилкой доводят размер фракции до необходимого размера. Обычно конечная фракция на данном этапе -это опилки меньше 4 мм.

2. Сушка измельченного сырья

Полученные на предыдущей стадии древесные опилки поступают в сушильный барабан. Задача на данном этапе подготовки сырья - довести влажность с естественной 40-60% до влажности, необходимой для гранулирования 8-14%. Сушка осуществляется горячим воздухом с температурой около 400°С. Обычно сырье пересушивают, чтобы довести влажность до необходимой уже непосредственно перед гранулированием. Данный этап очень критичен, при превышении температуры сушки может разрушится важный компонент древесины -лигнин, который и ответственен за прочностные характеристики топливных гранул.

3. Увлажнение

Опилки прессуются в пеллеты за счет механического сцепления и полимеризации древесного лигнина. Последнему нужно совокупность таких факторов как давление, температура, вода. Для эффективной работы перед прессованием требуется добавление к измельченному сырью пара и воды. Для опилок хвойных пород требуется только вода. Без этого увлажнения гранулы будут высокого качества, но матрицы и валки будут быстро изнашиваться, ведь нагрев и размягчение происходит вследствие механического трения.

4. Гранулирование

Сам гранулятор - это основное оборудование для производства. Гранулятор состоит из мотора, матрицы (различают плоские и барабанного типа), валиков для продавливания сырья, и ножей для обрезания готовых гранул. Можно менять диаметр гранул, устанавливая матрицу с необходимым диаметром отверстий.

Валики продавливают подготовленные опилки через матрицу с отверстиями и за счет механического трения нагревают сырье. По выходу из матрицы сформированные пеллеты остывают, лигнин полимеризуется и затем срезаются автоматическим ножом.

5. Охлаждение пеллет

В пеллетайзере сырье может нагреваться до 100°С только за счет трения, поэтому в процессе производства пеллет предусматривается их остывание, где пеллеты приобретают нужную твердость.

6. Упаковка

Произведенные гранулы фасуются в большие мешки - "биг-бэги", которые имеют емкость 500-1000 кг, либо более потребительскую тару -мешки по 15-25 кг. Промышленное же использование подразумевает отпуск пеллет насыпью в специальные бункера. Торрефицированные пеллеты уже называют био-угольными и они обладаю следующими достоинствами: не требуют специальных хранилищ, имеют лучшие показатели сжигания, близкие к углю, не гниют, не разбухают и не плесневеют. Торрефицированные пеллеты приобретают гид-рофобность, то есть способность отталкивать влагу и противостоять процессам гниения и брожения, что дает возможность хранить их даже под открытым небом. Оптимальное размещение пеллет при хранении - на деревянных поддонах или досках. При тор-рефикации свойства биомассы кардинально меняются: разрушается структура целлюлозы, испаряется значительная часть влаги, образуются свободные молекулы углерода, водорода и кислорода. По структуре торрефицированные гранулы схожи с углем, так как в ходе химических процессов в древесине и другой растительной биомассе при торре-фикации весь углерод превращается в биоуголь (ненасыщенные углеводороды), окисляясь и реагируя с молекулами кислорода. Биоуголь обладает теми же свойствами, что и ископаемый уголь, и может без проблем сжигаться вместе с ним.

Благодаря тому, что в результате обжига сильно снижается влажность торрефицированных пеллет, они становятся хрупкими и измельчаются легче, чем обычные пеллеты. Поэтому при совместном сжигании ТП с углем нет необходимости модернизировать технологическую линию подачи топлива -не нужно дополнительно устанавливать пеллетные дробилки и отдельную систему подачи гранул.

Кроме того биоуголь как природное сырье полученное путем высокотемпературного термохимического распада биомассы растительного происхождения при условии отсутствия доступа кислорода (пиролиз). В отличие от угля, который используется для производства тепла, биоуголь, в частности, применяется в сельском хозяйстве в качестве средства улучшения качества почв. Он способствует аккумуляции питательных веществ в почвах, что особенно важно в условиях истощенных земель, а

также положительно влияет на численность, состав и активность микроорганизмов в почве, отвечающих за плодородие земли и урожайность. Биоуголь способен удерживать в почве углерод, что ведет к сокращению содержания углекислого газа в атмосфере, и, соответственно, способствует уменьшению парникового эффекта на планете. Также существенна роль биоугля в деле сохранения влаги в почвах в условиях засухи. Биоуголь не только имеет потенциал для открытия новых прибыльных рынков в области сельского хозяйства и промышленности, он также предоставляет огромные возможности для защиты почв и климата планеты.

Литература

1. Сафин Р.Р. Вакуумно-конвективное термомодифицирование древесины в среде перегретого пара/ Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, А.Р. Шайхутдинова // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 6. - с. 93-99.

2. Сафин Р.Р. Исследование вакуумно-кондуктивного процесса модифицирующей термообработки древесины /Сафин Р.Р., Разумов Е.Ю., М.К. Герасимов, Д.А. Ахме-това // Деревообрабатывающая промышленность. - 2009.

- № 3. - с. 9.

3. Сафин Р.Р. Математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании давления среды /Сафин Р.Р., Валеев И.А., Сафин Р.Г.// Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2005. - № 2. - с. 168-173.

4. Разумов Е.Ю. Исследование изменения химического состава древесины, подвергнутой термомодифицированию, с помощью ик-спектрометра / Е.Ю. Разумов, Р.Р. Хасаншин, Р.Р. Сафин, П.А. Кайнов// Вестник Казанского технологического университета. - 2010. - № 10. - с. 100-103.

5. Хасаншин Р.Р. Предварительная термическая обработка древесного наполнителя в производстве ДПКМ/ Р.Р. Хасаншин, Р.В. Данилова//Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. -2012. -№ 7. - с. 62-63.

6. Сафин Р.Р. Исследование термомодифицирования древесины в среде топочных газов/ Р.Р. Сафин, Е.Ю. Разумов// Деревообрабатывающая промышленность. - 2012.

- № 1. - с. 015-018.

7. Сафин Р.Р. Повышение эксплуатационных характеристик композиционных материалов, созданных на основе термически модифицированной древесины/ Р.Р. Сафин, Р.Р. Хасаншин, Р.В. Данилова//Вестник Казанского государственного технологического университета. Казань. -2012. -№ 7. - с. 64-66.

8. Хасаншин Р.Р. Исследование торрефицированных топливных гранул/ Р.Р. Хасаншин, А. Л. Тимербаева// Деревообрабатывающая промышленность. - 2014 - №2 -с.44-46.

© Е. Ю. Разумов - д.т.н., доцент каф. Деревообрабатывающего производства Поволжского государственного технологического университета; Ф. В. Назипова - асс. каф. архитектуры и дизайна изделий из древесины КНИТУ, faridaN13@mail.ru.

© E. Yu. Razumov - D.t.s., the Department of "Woodworking, Volga state University of technology; F.V. Nazipova - Assistan Department of "Architecture and design of wood", KNRTU, faridaN13@mail.ru.