История развития и перспектива технологий и технических средств заготовки и переработки древесины энергетического назначения

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ И ПЕРСПЕКТИВА ТЕХНОЛОГИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ЗАГОТОВКИ И ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ

THE HISTORY, CURRENT STATE AND PROSPECTS OF TECHNOLOGY AND EQUIPMENT FOR CUTTING OF FUELWOOD

Онучин Е.М., Анисимов П.Н.

Рассмотрена история развития, современное состояние и перспектива технологий и технических средств заготовки и переработки древесины энергетического назначения.

The history, current state and prospects of technology and equipment for cutting of fuelwood are discussed.

Ключевые слова: биоэнергетика, заготовка древесного топлива, топливная щепа, биотопливо, ресурсосбережение, экология.

Keywords: bioenergy, cutting of fuelwood, fuel wood chips, bio fuel, cost-effective use of resources, ecology.

Введение

Энергетическое (топливное) использование древесины началось с того времени, когда человек «приручил» огонь, то есть научился полезно использовать его. Сначала человек начал использовать природный огонь, поддерживая очаги возгорания от ударов молнии, считается, что это произошло около 400 - 100 тыс. лет до н.э. (шелльская культура); затем научился сам добывать огонь с помощью трения - 100 - 40 тыс. лет до н.э (мустьерская культура) [1]. В обоих случаях в качестве топлива использовалась растительная биомасса, прежде всего древесина.

В XIX веке замена дров ископаемыми видами топлива, воспринималась как безусловное благо для технического прогресса, людей, и, главное, лесов. Запасы ископаемых видов топлива, особенно угля, в то время могли считаться бесконечными по сравнению с существовавшими потребностями в них [2].

В наше время уже известно, что запасы ископаемых видов топлива не бесконечны, а потребность в энергии всё возрастает и добыча ископаемых становиться всё труднее и наносит больший вред экологии. Не менее важны и неблагоприятные социальные последствия использования ископаемых видов топлива - приостановка социально-экономического развития стран и народов, сидящих на "нефтегазовой игле", войны и другие межгосударственные конфликты, разрушение традиционной среды обитания коренных народов при добыче этого топлива, и другие. Использование угля, нефти или газа вместо дров уже не представляется однозначно более прогрессивным по сравнению с использованием дров [2].

История развития технологий и технических средств заготовки и переработки древесины энергетического назначения

Использование древесины энергетического назначения включает несколько этапов: заготовку, транспортировку, обработку, непосредственное

использование с получением энергии. Рассмотрим историю развития технико-технологических систем, применяемых на каждом из этапов.

Заготовка. На протяжении столетий, вплоть до середины XIX века, лесозаготовки представляли собой ручной труд с использованием простейших инструментов: топора и пилы. В начале XX века в САСШ и Канаде стали применяться моторные пилы. Отечественные лесорубы в самом начале 30-х годов начали использовать германскую моторную пилу «Ринко». Серийное производство первых отечественных моторных пил с бензиновым (марки МП-300) и электрическим (марки ЭПЦ) двигателями было организовано в 1932-34 гг. Механизация валки деревьев началась в СССР в послевоенные годы, когда появились более легкие электропилы марки «Вакопп» (1946) и ЭПК-5 (1949). Объем механизированной валки с 1946 по 1951 гг. с 2,6% увеличился до 54,2%. Самое значительное достижение отечественного лесного машино-строения - начало выпуска в 1955 г. серии бензиномоторных пил «Дружба», одна из которых, «Дружба-4», выпускается до сих пор. С их помощью уже в 1962 г. 100% валки деревьев в лесной промышленности осуществлялось механизированным способом [3].

Дальнейшее развитие шло по пути машинизации технологических процессов лесозаготовок. Основные работы по созданию эффективных средств машинной валки деревьев проводились в СССР, США и Канаде, также имеются конструкции валочных машин, созданных в Швеции, Финляндии, Австрии [3].

Транспортировка. До середины XIX века доставка древесины потребителям осуществлялась гужевым транспортом. Механическая трелевка лебедками в САСШ вытеснила гужевую в течение одного десятилетия (1890-1900), к 1930 году основные транспортные операции уже выполнялись машинами. Широкое использование тракторов ЧТЗ-60 на вывозке древесины началось с 1935 г., а автомобилей ЗИС-5 и ЗИС-21 - с 1936 г. Первый отечественный трелевочный трактор КТ-12 был создан в 1947 г [3]. Следует отметить, что грузовой автомобиль ЗИС-21 и трелевочный трактор КТ-12 имели газогенераторный двигатель, использующий в качестве топлива древесину.

Переработка. Переработка древесины энергетического назначения подразделяется на механическую и термохимическую. Механическая переработка топливной древесины выполняется всегда и предшествует последующей обработке. Прежде всего, это измельчение древесины до частиц примерно одинакового размера, что делается для удобства и эффективности транспортировки и последующего использования. Измельчение производится с помощью специальных рубительных машин.

Первые рубительные машины для переработки древесины были изобретены в Германии во второй половине 19 века, и, аналогично прочим изобретениям, пройдя различные этапы развития, широко применяются и сегодня [4]. Первые передвижные измельчители собирались так: стационарные рубительные машины устанавливались на шасси или транспортное средство - автомобиль либо трактор. Но в последние десятилетия в мире, в особенности в странах Американского континента, а также в некоторых европейских (в т. ч. скандинавских) странах, рынок мобильных рубительных машин активно раз-

вивается, техника совершенствуется, и пользователям предлагаются все более удобные и производительные мобильные рубительные машины для различных областей применения [5].

Использование биомассы всего дерева для производства щепы стало впервые широко развиваться в США в начале семидесятых годов прошлого столетия. В это время на рынке появились модели передвижных рубительных машин, позволяющих использовать для выработки щепы всю наземную биомассу дерева, включая сучья и ветви. Рубительные машины предназначались для работы в лесу на площадках у лесовозных дорог, размещались на трейлерах и были оснащены гидроманипуляторами. Деревья трелевались к руби-тельным машинам колесными трелевочными тракторами. Вырабатываемая щепа подавалась в большегрузные автощеповозы [6].

Собственное производство мобильных рубительных машин в нашей стране всегда отставало. В литературе начала 90 гг. в числе причин неэффективности использования порубочных остатков и заготовки щепы в нашей стране отмечались следующие: недостаток передвижных рубительных машин для переработки ветвей и сучьев, отсутствие налаженного производства ав-тощеповозов, отсутствие выпуска отечественной промышленностью надежных и быстродействующих гидроманипуляторов для подачи сырья в руби-тельные машины [7].

Современное состояние использования древесины в качестве топлива для получения энергии

Применение древесины как топлива в масштабах всего мира имеет все еще очень важное значение. В высокоразвитых промышленных странах топливное потребление древесины на протяжении последних десятилетий непрерывно уменьшалось в связи с переходом на уголь, газ, нефть и электричество. Такая тенденция, по-видимому, сохранится и в будущем по мере того, как с дальнейшим развитием техники будут все более доступны другие виды топлива и источники тепла. Применение же древесины в виде древесной массы в последнее время, наоборот, непрерывно увеличивалось и, по прогнозам, будет продолжать увеличиваться в обозримом будущем [8].

В настоящее время - 1,5 млрд. человек, т. е. почти каждый четвёртый землянин, в мире используют в качестве источника энергии дрова (в основном это относится к развивающимся странам) [9].

Однако на сегодняшний день доля возобновляемых источников энергии в мировом энергетическом балансе невелика — порядка 14 %, а вклад биомассы — около 1,8 % [10]. В странах ЕС количество энергии, полученной из твердой биомассы (в основном древесной), составляет в настоящее время около 5% в структуре топливного баланса [11].

Если раньше древесина была основным или даже единственным видом топлива, то сейчас биомасса является, лишь альтернативным источником энергии. В настоящее время использование биотоплив в электроэнергетике нашей страны занимает менее 2% [12].

По данным национального биоэнергетического союза в производстве тепловой энергии на дрова в России приходится 5%. Их в качестве топлива используют 5 млн. российских семей, расходуя в год около 50 млн. куб.м. дров.

Соответственно, долю населения нашей страны, использующей дрова в качестве основного топлива и жилой площади, отапливаемой дровами в данном случае можно оценить в 10-15%. В Финляндии или Швеции, напротив, основной вид древесного топлива, используемого в коммунальном хозяйстве и на ТЭС - древесная щепа и древесные пеллеты [13].

Причина в том, что заготовка и использование дров - трудоёмкий процесс, с трудом поддающийся механизации и автоматизации. Дрова в России доминируют в качестве древесного энергоносителя из-за низкой, по сравнению с западными странами, стоимости рабочей силы и низкого платежеспособного спроса [13]. Так же следует отметить, что заготовка дров зачастую осуществляется вручную с помощью традиционного инструмента без использования средств механизации. Более того без более глубокой переработки топливной древесины, кроме как заготовка дров, просто невозможно существенное увеличение доли древесины в генерации электрической и тепловой энергии в промышленных масштабах.

Если раньше в развитых странах производство топливной щепы рассматривалось как хороший способ утилизации малоценной и низкокачественной древесины, то сейчас производство биотоплива становится крупной развивающейся высокотехнологичной отраслью со всё возрастающим объемом производства. Теперь топливная щепа производится не только как побочный продукт лесной промышленности, но и как основной продукт переработки специально создаваемых энергетических плантаций.

Современные устройства и технологии заготовки и переработки древесины энергетического назначения

В настоящее время получение топлива из древесины может быть как самостоятельным производством, так и побочным, при этом сырьем может являться: порубочные остатки (кора, сучья, пни, верхушки деревьев, тонкоме-ры), неделовая древесина, дефектная древесина, кора, древесина специальных энергетических посадок, отходы лесопиления и деревообработки (опилки, стружка, щепа, кусковые отходы, древесная пыль).

Топливная щепа является основой (сырьем) древесного топлива в энергетических установках для получения электрической энергии и тепла [14].

Сейчас применяются несколько основных технологий производства топливной щепы из порубочных остатков при сортиментной заготовке:

1) Сбор порубочных остатков и трелевка их на погрузочную площадку с помощью форвардера, рубка остатков в щепу передвижной рубительной машиной и вывозка щеповозом.

2) Сбор порубочных остатков, обвязка и уплотнение с помощью специальной пакетирующей машины, вывозка пакетов форвардером, складирование пакетов у дороги и доставка потребителю плотно обвязанных пакетов отходов лесозаготовок с помощью грузового автотранспорта, измельчение в щепу с помощью стационарной рубительной машины [15].

3) Сбор и измельчение порубочных остатков непосредственно на лесосеке с помощью передвижной рубительной машины на базе форвардера с контейнером, доставка потребителю топливной щепы щеповозом.

4) Сбор порубочных остатков, трелевка их на погрузочную площадку с помощью форвардера, транспортировка автомобильным транспортом до потребителя, измельчение в щепу с помощью стационарной рубительной машины [16].

Общим для всех технологий использования порубочных остатков является измельчение древесины до фракций определенного размера. Рассмотрим более подробно устройства для измельчения древесины.

Машины для измельчения древесины можно классифицировать по следующим критериям:

• отрасли применения — лесозаготовка, лесопиление, деревообработка и мебельное производство, плитные и ЦБ производства, утилизация отходов;

• типу рабочего органа машины — дисковая, барабанная (барабанные машины могут быть ножевые, резцовые или молотковые) и роторная (так называемые шредеры);

• мобильности — стационарные или мобильные машины (самоходные, прицепные и навесные);

• типу загрузки — горизонтальная или наклонная (машины с наклонной загрузкой не имеют привода подачи, и загрузка сырья происходит под собственным весом; машины с горизонтальной загрузкой могут иметь привод подачи или загружаться с подающего транспортера);

• типу выгрузки материала — вверх в циклон или кучу либо вниз на транспортер или приемный патрубок пневмотранспортной системы [17].

• типу привода - привод от собственного электродвигателя [18], привод от собственного дизельного двигателя, привод от собственного газогенераторного двигателя [19], привод от вала отбора мощности трактора, лесной машины или автомобиля.

• мощности установки - мощность рубительных машин варьируется в широком диапазоне от нескольких киловатт для измельчителей веток и сучьев до нескольких сотен киловатт;

• тип самоходного шасси - гусеничное, колесное.

Измельчение является неотъемлемым этапом промышленного производства тепловой и электрической энергии из древесины энергетического значения. Вместе с тем сам процесс измельчения является весьма энергоемким. Установки для измельчения, широко используемые в настоящее время, имеют мощные силовые агрегаты потребляющие нефтепродукты (в основном дизельное топливо). Важным шагом в повышении энергоэффективности и эко-логичности переработки древесины будет применение силовых агрегатов на биогенном топливе.

Заключение

Человек использует древесину в качестве топлива с древних времен, собственно древесина и была самым первым топливом для получений тепловой энергии. Долгое время она оставалась основным источником энергии.

По мере роста потребностей человека в энергии развивались и технические средства для переработки древесины. Сначала собирали и ломали хворост просто руками, затем появились каменные, а затем и металлические топоры. С изобретением пил и топоров объемы использования дров для отопле-

ния и обеспечения энергией развивающейся промышленности росли высокими темпами. На фоне стремительного экстенсивного роста лесозаготовок и недостаточного лесовосстановления появилась угроза истребления лесов.

С ростом добычи ископаемых видов топлива древесное топливо превратилось из основного источника энергии в альтернативный, объемы топливного использования древесины резко сократились, особенно в промышленно развитых странах, а основными потребителями топливной древесины в виде дров стали развивающиеся страны.

В настоящее время топливное использование древесины снова возрастает, но теперь уже в промышленно развитых странах, в основном из-за проблем с экологией. Теперь рост объемов потребления обеспечивается интенсивными технологиями, предполагающими комплексное использование древесины на всех этапах. Сейчас получение тепловой и электрической энергии из древесного топлива становится все более наукоемким высокотехнологичным процессом.

Наибольший потенциал роста объемов производства энергии из древесного топлива заключается в увеличении объемов и повышении эффективности использования отходов, создании на неиспользуемых сельским хозяйством территориях специальных энергетических плантаций, а также в повышении эффективности процессов получения энергии из биогенного топлива. Массовое использование лесосечных отходов, а также отходов лесопиления стало возможным после изобретения рубительной машины. С момента изобретения рубительной машины технические средства для переработки древесины энергетического назначения претерпели серьезные качественные изменения.

Основными тенденции совершенствования систем для переработки древесины энергетического назначения являются:

• создание многооперационных установок, совмещающих операции заготовки и первичной механической переработки;

• оборудование установок силовыми агрегатами, работающими на биогенном топливе;

• осуществление энергообеспечения лесопромышленных производств на основе топлива из древесины;

• оборудование установок производящих топливную щепу устройствами для подсушки щепы с целью сокращения расходов на транспортировку.

Производство энергии вырабатываемой при сжигании биомассы будет оставаться весомой альтернативой до тех пор, пока не будут разработаны новые экологически чистые технологии получения энергии, а, следовательно, будут развиваться и усложняться технологии связанные с переработкой древесины энергетического назначения.

Список использованных источников

1. Чёрный А. А. История техники [Текст] : учеб. пособие / А. А.Чёрный - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - 189 с.

2. Плюсы и минусы использования древесины как топлива в современных условиях [Электронный ресурс] // Первый лесопромышленный портал - Режим доступа : http://www.wood.ru/ru/lonewsid-23621.html. - 03.05.2013.

3. Ширнин, Ю. А. Технология и машины лесосечных работ [Текст] : Курс лекций / Ю. А. Ширнин; М-во образования и науки Рос. Федерации, Марийский гос. техн. ун-т. -Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. - 304 с.

4. Рубительные машины на службе у лесной промышленности [Электронный ресурс] // Лесопромышленные технологии - Режим доступа : http://lespromtech.ru/ru/news/94/. -11.05.2013.

5. Тикачев Виталий Мобильные рубительные машины и измельчители биомассы [Текст] / В. Тикачев // Журн. ЛесПромИнформ. - 2010. - № 3 (69). - С. 42-55.

6. Суханов, В. С. О повышении эффективности работы ЦБК за счет снижения затрат на производство сырья [Текст] / В. С. Суханов // Журн. ЛесПромИнформ. - 2005. - № 3 (25). - С. 60-64. - Библиогр. : с. 62.

7. Федоров В. В. Комплексные лесные предприятия [Текст] / В. В. Федоров, В. А. Васюков - М.: Экология, 1991. - 256 с.

8. Древесина [Электронный ресурс] // Энциклопедия Кругосвет - Режим доступа:http://www.krugosvet.ru/enc/nauka i tehnika/tehnologiya i promyshlennost/DREVESI NA.html?page=0,1/ - 12.05.2013.

9. Дегтярёв Кирилл Мировая энергетика - факты против мифов [Электронный ресурс] / Кирилл Дегтярёв // РГО. - Режим доступа : http://www.rgo.ru/2010/11/mirovaya-energetika-%E2%80%93-fakty-protiv-mifov/ - 15.05.2013.

10. Научный аналитический обзор «Биоэнергетика: мировой опыт и прогноз развития» / Ред.: В. В. Ананьева, И. С. Горячева, В. И. Сидорова - М.; Росинформагротех. -2007. - 202 с;

11. Силин, В. Е. Совершенствование технологии термохимической подготовки древесного топлива для малых ТЭС [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.14.14 / Силин Вадим Евгеньевич ; УПИ. - Екатеринбург., 2008. - 25 с. : ил.

12. Любов В. К. Совершенствование топливно-энергетического комплекса путем повышения эффективности сжигания топлив и вовлечения в энергетический баланс отходов переработки биомассы и местного топлива [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.14.14 / Любов Виктор Константинович ; Арханг. гос. тех. ун-т. - Архангельск, 2004. - 45 с. : ил.

13. Дегтярёв Кирилл Древесное топливо - доля в энергобалансе [Электронный ресурс] / Кирилл Дегтярёв // РГО. - Режим доступа : http://www.rgo.ru/2010/11/mirovaya-energetika-%E2%80%93-fakty-protiv-mifov/ - 15.05.2013.

14. Дроздов, А. П. Производство технологической и топливной щепы [Текст] / А. П. Дроздов; Хабар. гос. тех. ун-т.. - Хабар., 27.05.2011.

15. Карпачев С. П. Биоэнергетика: сбор и пакетирование лесосечных отходов [Электронный ресурс] / С. П. Карпачев // Интернет - журнал «Лесопромышленник». -Режим доступа : www.url : http://www.lesopromyshlennik.ru/bioenergia/bio 4.html. -20.04.2013.

16. Селиверстов, А. А. Использование передвижных рубительных машин для производства топливной щепы в условиях республики Карелия [Электронный ресурс] / А. А. Селиверстов, Ю. В. Суханов, В. С. Сюнёв, В. К. Катаров // Интернет - журнал «Лесопромышленник» - Режим доступа : www.url : http://www.lesopromyshlennik.ru/bioenergia/bio 4.html. - 22.04.2013.

17. Тикачев Виталий Стационарные рубительные машины и шредеры [Текст] / В. Тикачев // Журн. ЛесПромИнформ. - 2010. - № 2 (68).

18. Козин, Л. Ф., Толпыго В. А., Благодырь А. И. Передвижная установка для производства щепы для котельных // Патент РФ № 36292. Опубликовано: 10.03.2004.

19. Рунова Е. М., Сухих А. Н., Чжан С. А. и др. Экономичный самоходный комплекс для производства щепы и газа для топлива // Патент РФ № 99742. Опубликовано: 10.03.2004.