Некоторые вопросы переработки древесных отходов как источника вторичных энергоресурсов на северо-западе РФ

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 620.9.002.68

В.Р. Аншелес, Н.Н. Яшалова

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ КАК ИСТОЧНИКА ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ НА СЕВЕРО-ЗАПАДЕ РФ

В статье рассматривается проблема переработки древесных промышленных отходов. Проанализировано, что Северо-Запад РФ, в частности Вологодская область, обладает существенным объемом лесопромышленных отходов, которые могут являться сырьем для производства альтернативной энергии. На примере переработки деревоперерабатывающих отходов в биотопливо показана возможность реализации энергетического, экономического и экологического направления развития экономики региона.

Альтернативная энергетика, охрана окружающей среды, древесные отходы, пиролиз, биотопливо.

The article considers the problem of processing of wood waste. The paper analyzed that North-West of Russia, Vologda region in particular, has a substantial volume of woodworking wastes, which can be the raw material for the production of alternative energy. The possibility of realization of energy, economic and ecological development of the economy of the region is demonstrated on the example of processing of wood processing waste into biofuel.

Alternative energy, environment, waste wood, pyrolysis, biofuels.

Повышенное в последнее время внимание к альтернативным источникам энергии в российских регионах вызвано, прежде всего, общемировыми проблемами ограниченности основных невозобновляе-мых ресурсов и ростом экологической напряженности. Это внимание связано с пониманием того, что ситуация с глобальным изменением климата Земли выступает как реальная эколого-экономическая проблема всех стран мира. Задача удовлетворения общества энергетическими ресурсами с одновременным улучшением состояния экосистем актуализирует развитие энергетики на основе использования возобновляемых энергоресурсов.

Известно [2], что первичное энергопотребление в мире распределяется следующим образом: одна треть приходится на нефть, одна четверть - на газ и одна четверть на уголь, 2 % - ядерное топливо, 13 % - возобновляемая энергия. Альтернативная энергия подразделяется на биомасу: 10 % из 13, гидро - 2 %, а все остальное приходится на солнце, воздух, ветер и приливы. Сельское хозяйство и отходы занимают 13 %, а оставшиеся 87 % - это древесные источники. Таким образом, развитие биотоплива из древесных источников занимают лидирующие позиции в альтернативной энергетике.

Ведущее место в ряду разных видов биотоплива занимает прессованное биотопливо, такие как топливные брикеты и гранулы (пеллеты). В качестве компонентов для подготовки брикетной смеси могут быть использованы практически любые углеродсо-держащие отходы производства и жизнедеятельности человека (донные шламы, отработанные масла, древесный опил, стружка, илы городских очистных сооружений и т.д.), а также не востребованные сего-

дня в полной мере горючие полезные ископаемые (торф, горючий сланец, сапропель).

Основным методом переработки древесных отходов является пиролиз, который представляет собой процесс термического разложения органических соединений без доступа кислорода при относительно низких температурах (500 - 800 °С) по сравнению с процессами газификации (800 - 1300 °С) и горения (900 - 2000 °С). Пиролиз является эффективным методом термохимической переработки биомассы промышленных и бытовых отходов и одновременно одной из наименее развитых технологий ее энергетического использования. Первичными продуктами пиролиза могут быть жидкость, твердое углистое вещество и газы в зависимости от вида и параметров процесса, вторичными - энергия, топливо и химические продукты. Недостатками метода считается необходимость стационарного базирования установки и специальной подготовки пиротоплива, а также трудность транспортирования получаемых пиропродук-тов. В то же время пиролиз может быть использован как конечный этап переработки древесных и растительных отходов, подготовленных методом окуско-вания или измельчения, или переработкой в гранулы. Так, например, в процессе пиролиза деревянных железнодорожных шпал и древесных отходов образуются следующие полупродукты: пиролизный уголь, жидкая углеводородная смесь и горючий газ.

Жидкие продукты пиролиза вызывают большой интерес вследствие их высокой энергетической плотности и потенциальной возможности использования в качестве жидкого топлива, в том числе автомобильного. Жидкая углеводородная смесь перерабатывается в бензин, дизельное и котельно-печное

топливо путем ректификации, очистки и эмульгирования. Эффективность производства данного топлива в регионах, где нет природных залежей нефти и газа, связана со снижением затрат на транспортировку из районов добычи и переработку [1], [10].

Твердым продуктом процесса пиролиза является углистое вещество, выход которого может достигать 30 - 35 % массы сухого сырья при карбонизации и медленном пиролизе. Углистое вещество может использоваться в качестве топлива (в основном для бытового применения в каминах), а также для технологических нужд промышленности (металлургической, электроугольной, фармакологической, для очистки воды и газов и т.д.).

Газообразные продукты пиролиза представляют собой обычно среднекалорийный газ. Такой газ используется в самом процессе пиролиза для поддержания температуры процесса и сушки исходного сырья.

Пиролизный уголь является компонентом топливных брикетов. Пеллеты обладают высокой энергоконцентрацией при незначительном объеме. В зависимости от породы древесины, удельного веса и влажности теплотворная способность пеллет составляет от 4500 до 5000 кВт/т. Тонна гранул (1,5 куб. м.) полностью заменяет 500 кг дизельного топлива, а экологический эффект несравним. Кроме этого, гранулы могут перемещаться в автоматических печах и котлах, легко транспортируются и могут вдуваться на склад и в транспортные системы [1], [11].

За последние годы рынок древесных пеллет в Российской Федерации активно развивается. Наблюдается значительное количество инвестиционных программ, открытие котельных в регионах, работающих на данном виде биотоплива. По сравнению с 2006 г. объем пеллет в 2011 г. возрос в 4,2 раза и составил 1,28 млн т или 150 млн евро в денежном выражении. По прогнозным данным спрос на пеллеты в Европе к 2020 г. вырастет в два раза и составит 24 млн т в год, из которых порядка 11 млн т будет удовлетворяться за счет импорта. Фактическая доля производителей древесных пеллет России на Европейском рынке составляет в настоящее время около 16 %. При условии сохранения этой тенденции экспорт пеллет из России в Европу может составить 1,7 млн т пеллет в год. Согласно оптимистичным оценкам, объемы экспорта пеллет из России в страны Евросоюза могут увеличиться до 5 - 6 млн т. По данным «Национального Лесного Агентства Развития и Инвестиций», в ближайшие годы ожидается рост пеллетного производства в России в пределах 15 - 20 % [4]. Европейский рынок пеллет также стремительно растет в последние годы. Причинами данного факта является высокая стоимость основных традиционных источников энергии, их дефицит в некоторых странах и проблемы глобального потепления [8].

Российский рынок пеллет является экспортно-ориентированным: до 70 - 80 % продукции вывозится в страны Европы, для которых Россия - третий по величине экспортер в мире после Канады и США.

Основными покупателями древесных пеллет являются Скандинавские страны, Центральная и Северная Европа. Крупнейшие предприятия по производству пеллет сосредоточены в Ленинградской, Архангельской, Вологодской областях, а также в Красноярском крае [3].

В Вологодской области создана и успешно эксплуатируется лесная отрасль, в которой наблюдается значительный объем отходов лесозаготовки и переработки древесины (табл. 1).

Таблица 1

Объем отходов лесозаготовки и деревопереработки Вологодской области [6]

Показатели Годы 2011 г. к 2007 г., в %

2007 2008 2009 2010 2011

Отходы лесозаготовки и дерево-переработки, тыс. т 874,9 783,2 730,9 889,9 854,5 97,7

Благодаря повышению спроса, конъюнктуры цен и увеличению курса евро по отношению к рублю развитие биоэнергетики в лесной промышленности является наиболее рентабельным. Данные о предприятиях Вологодской области, перерабатывающих древесные отходы в пеллеты, представлены в табл. 2.

Таблица 2

Некоторые предприятия по производству древесных топливных гранул (пеллет) в Вологодской области [9]

Предприятие / местонахождение Производственная мощность, тыс. т

ООО «Вологдабиоэкспорт», г. Великий Устюг 50

ЗАО «Биоэнергетическая топливная компания», г. Кадников 50

ООО «Леспромсевер», с. Верховажье 30

ООО «Вологодские топливные биотехнологии - 2», г. Бабаево 30

ЗАО «Вологодский лесохимический завод», г. Вологда 20

ООО «Мейджер», г. Череповец 18

ООО «Терри», Вологодский район, д. Семенково 8

ООО «Би.Древ», с. им. Бабушкина 8

ООО «ПеллетМаксГрупп», г. Сокол 7

Твердое биотопливо имеет ряд экологических преимуществ перед традиционными видами топлива. Затраты энергии на производство составляют около 3 % от содержания энергии в конечном продукте. При сжигании пеллет эмиссия углекислого газа в 10 - 50 раз ниже, чем при сжигании традиционных видов топлива, а в атмосферу выделяется ровно столь-

ко углекислого газа, сколько было поглощено растением во время роста. По высокой теплотворной способности древесные пеллеты сравнимы с углем. Еще одним плюсом является высокая насыпная плотность, что облегчает транспортировку, перевалку и подачу в котлы [3]. К основным экономическим преимуществам следует отнести следующие [8]:

- более устойчивые цены на древесные гранулы по сравнению с ископаемым топливом;

- более низкие затраты на хранение топлива (объем склада для хранения пеллет в 7 раз меньше по сравнению со складом для дров);

- высокий усредненный показатель КПД при сжигании пеллет (порядка 93 %).

Пеллеты уже достаточно широко применяют для отопления жилых домов путем сжигания в небольших котлах (используют гранулы высокого качества), а также для получения тепла и электроэнергии в населенных пунктах и на малых предприятиях, и имеют достаточно большие перспективы для такого использования. Еще одна область применения - производственная сушка и процессы с использованием водяного пара в промышленности. Небольшая часть пеллет используется в виде наполнителей, абсорбентов и подстилающих поверхностей [3]. Фактически на всех деревообрабатывающих предприятиях Вологодской области установлены котельные на отходах лесопиления и деревообработки, позволяющие получать теплоэнергию, используемую для отопления производственных помещений и обслуживания сушильных камер. Около 500 муниципальных котельных в районах области работает на дровах или отходах переработки древесины [9].

Другим серьезным источником древесных отходов являются железнодорожные шпалы. На российских железных дорогах ежегодно выводится из производственного использования свыше 700 тыс. штук деревянных шпал. Для предотвращения гниения их пропитывают антисептиками, что делает шпалы экологически опасными отходами. Эти отходы накапливаются в различных местах на территории железных дорог, создают затруднения в производственной деятельности РЖД, являются источником пожаров. Региональные полигоны промышленных отходов уже давно переполнены, и до последнего времени подразделения дороги вынуждены были накапливать отслужившие шпалы в местах, не предназначенных для хранения производственных отходов. Вместе с тем, эти отходы представляют собой исходное сырье для производства товарной продукции [1].

Изучение зарубежного опыта демонстрирует стимулирование применения древесных гранул правительствами европейских государств. Например, в Швеции пеллеты используются на теплоэлектростанциях, в котельных и частных домах. В стране было принято несколько нормативно-законодательных актов, способствующих развитию данного энергетического направления, а именно: увеличен налог на выброс углекислого газа, введены «зеленые сертификаты» и разнообразные формы финансирования со стороны государства. При переводе котель-

ных с угля или нефтепродуктов на топливные гранулы правительством Швеции субсидируется от 30 до 70 % стоимости затрат, связанных с таким переходом. Интересен опыт Германии, где правительство взяло на себя обязательство покупать всю электроэнергию, произведенную с использованием возобновляемых источников, по ценам выше рыночных в течение 20 лет с момента ввода в эксплуатацию электростанции. В частном секторе государство анонсировало грант в размере 500 - 2500 евро (в зависимости от мощности, комплектации и типа котла), который выдается каждому домовладельцу, устанавливающему котел или камин на биотопливе, что при покупке недорогой техники составляет до 50 % полной стоимости такого котла. Также можно получить льготный кредит по низкой процентной ставке [8].

Российский рынок древесных пеллет испытывает следующие проблемы, решение которых будет активизировать применение альтернативной энергии в виде твердого биотоплива [2] - [5], [7]:

1. Тенденция к уменьшению количества пеллет-ных производств и консолидации рынка в руках крупных компаний. В текущее время у десяти крупных производителей сосредоточено более 90 % рынка, следовательно, это приведет к закрытию малых предприятий в данном виде деятельности, не выдержавших конкуренцию. Это вызвано двумя основными причинами, а именно: низкими ценами на пелле-ты из-за нестабильной экономической ситуации в стране, а также вводом ООО «Выборгская лесная корпорация» производственной мощностью более 900 тыс. т в год, которая из-за высоких объемов производства в дальнейшем может демпинговать.

2. Сложность в определении рентабельности производства пеллет. Производство пеллет на экспорт выгодно только при наличии определенных условий: близость предприятия к границе, транспортным путям и источникам сырья. В удаленных регионах производить пеллеты на экспорт экономически нецелесообразно по причине высокой стоимости транспортировки. Неблагоприятным фактором для производителей пеллет на экспорт является высокие ставки на перевалку готовой продукции в портах, особенно в таких крупных, как Санкт-Петербург. Поставщики предпочитают совершать перевалку пеллет в прибалтийских портах, где ставки на данную услугу значительно ниже. Значительная часть проектов по производству альтернативного топлива вне состава крупных лесопромышленных групп оказались несостоятельными из-за проблем с сырьем, логистикой продаж.

3. Низкий уровень подготовки инвестиционных проектов по древесным пеллетам. По данным Национального Лесного Агентства развития и инвестиций большая часть российских инвестиционных проектов по производству пеллет оказались провальными (51 %). Доля успешных проектов оказалась только 13 % от всего объема инвестиций. Остальные 36 % являются рабочими проектами, которые при определенных условиях можно вывести на более приемлемые показатели эффективности. Экс-

перты Агентства отмечают, что основной объем инвестиций в лесную биоэнергетику пришелся на производство древесных топливных гранул, являющимся наиболее капиталоемким направлением, и данное деятельность показала наихудшие показатели по эффективности реализации инвестиционных проектов.

4. Недостаточная популяризация применения пеллет в разных отраслях народного хозяйства страны. В условиях повышающихся тарифов на энергию предприятия лесопромышленного комплекса покрывают долю своих энергетических затрат за счет утилизации собственных отходов лесопереработки. Для этой цели построены цеха по производству пеллет и оборудованы котельные. Следовательно, на современных средних и крупных предприятиях лесной промышленности количество отходов минимизировано. Популярность древесных пеллет в других отраслях хозяйства возрастает незначительно. Сортировка и транспортировка древесного сырья для производства пеллет, а также необходимость сушки требуют дополнительных затрат, что существенно влияет на конечную цену продукции.

5. Отсутствие интенсивного использования биомассы. По данным российских экспертов, на всех рубках допустимый объем изъятия древесины составляет только 30 - 40 %. Большой резерв получения биомассы возможен от промежуточных рубок, от прореживания, от пней, корней, порубочных остатков, от рубок главного пользования. Однако эффект использования биомассы зависит от стоимости доставки.

6. Отсутствие в России единых стандартов на твердое биотопливо. Новый стандарт на древесные пеллеты (EN 14961-2) действует в Европе с 2010 г. Соответствие стандарту подтверждается сертификатом EN plus. Маркой EN plus владеет международная некоммерческая ассоциация AEBIOM (European Biomass Association), которая развивает сектор биоэнергетики и поддерживает своих участников на рынке. Новый стандарт призван обеспечить однородность качества продукции во всех странах Европейского Союза, повысить прозрачность рынков и тем самым защитить потребителя от некачественной продукции. Данная схема подразумевает сертификацию всех участников товарной цепочки, вплоть до транспортных и складских компаний, а также предприятий оптовой и розничной торговли, осуществляющих деятельность на рынке пеллет.

Таким образом, располагая эффективным возобновляемым энергетическим ресурсом - древесиной,

продуктами ее промышленной переработки и образующимися отходами, предприятия Северо-Запада РФ, в частности Вологодской области, могут и должны развивать собственную малую энергетику; уменьшать нагрузку на окружающую природную среду; снижать уровень безработицы путем создания новых рабочих мест по производству биотоплива; пополнять налоговыми отчислениями доходную часть бюджетов различных уровней.

Литература

1. Аншелес, В.Р. О путях изменения сырьевой направленности Российской экономики / В.Р. Аншелес // Социально-экономические проблемы развития России и проблемы глобализации: потенциал возможного. Международная научно-практическая конференция 6 - 7 декабря 2007 г.: Сб. науч. ст. / под общ. ред. В.В. Тумалеева. -СПб., 2007.

2. Вершинина, Т. Плантационные леса / Т. Вершинина // Дерево.га. - 2012. - № 1. - С. 60 - 62.

3. Костенко, А. Рынок биотоплива в России и экологические требования к производству биотоплива / А. Костенко // Устойчивое лесопользование. - 2012. - № 2. -С. 38 - 41.

4. Лесной Клуб: Пути развития пеллетного производства России и Украины. - URL: http://www.wood-pellets.com/cgi-bin/cms/index. cgi?ext=news&lang=1&nid= 2438&sub=show_ news

5. Маликова, Г. Пеллетная отрасль: ошибки и перспективы / Г. Маликова // Дерево.га. - 2012. - № 1. - С. 72

- 78.

6. Официальный сайт территориального органа Федеральной службы государственной статистики по Вологодской области. - URL: http://vologdastat.gks.ru.

7. Перспективы развития рынка пеллет в России. -URL: http://granuly.ru/news/perspektivy-razvitiya-rynka-pellet-v-rossii.html

8. Сотник, И.Н. Экономическое обоснование использования пеллет в сфере теплоснабжения / И.Н. Сотник, Е.В. Ефремова // Мехашзм регулювання економжи. - 2011.

- № 4. - С. 109 - 114.

9. Стратегия развития лесного комплекса Вологодской области на период до 2020 года / Департамент лесного комплекса Вологодской области. - Вологда. - 2010.

10. Хайруллин, А.Р. Утилизация древесных отходов методом пиролиза / А.Р. Хайруллин // Сборник научных трудов Sworld. - 2012. - Т. 28. - № 2. - С. 35 - 37.

11. Юдкевич, Ю.Д. Получение качественного древесного угля из древесных отходов. Опыт и перспективы / Ю.Д. Юдкевич, В.И. Коршиков // Сотрудничество для решения проблемы отходов: Тезисы докладов I Международной конференции. - Харьков, 2003. - С. 23 - 27.

УДК 004.93

И.Н. Ипатов, О.В. Юдина

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АДАПТИВНОГО АЛГОРИТМА ПОРОГОВОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОНТУРА РАСКАТА

В статье рассматривается адаптивный алгоритм сегментации изображения при помощи пороговых методов обработки в рамках проблемы выделения контура и измерения геометрических параметров подката на толстолистовом стане горячей прокатки.