Внедрение биомассы в качестве горючего — одна из немногих реальных альтернатив понижения парникового эффекта, потому что растительные отходы являются нейтральными по отношению к балансу углекислого газа (СО 2) в атмосфере. Другими словами при их сжигании выделяется такое же его количество, какое было поглощено в процессе роста растений. Внедрение же нефти, угля и газа для получения энергии приводит к повышению концентрации СО2 в атмосфере, так как при всем этом сжигается углерод, который скапливался в этих энергоэлементах в течение миллионов лет. Согласно «Протоколу о совместных усилиях по понижению излучения парниковых газов в атмосферу», подписанному в 1997 году в Киото, промышленно продвинутые страны должны к 2010 году понизить по сопоставлению с 1990 годом выбросы этих газов в среднем на 5,2 %. В Европе такое понижение должно составить 8 %, в США — 7 %. в Стране восходящего солнца — 6 %.Соц нюанс энергетического использования биомассы заключается в том, что технологии ее переработки владеют значимым потенциалом для сотворения новых рабочих мест.

Лесная, деревообрабатывающая и целлюлозно-бумажная индустрия является одной из главных отраслей Рф, имеющей большой потенциал роста, в том числе, на забугорных рынках. Одной из стратегических задач отрасли является повышение толики продукции глубочайшей степени переработки. По мере расширения производства таковой продукции будут возрастать объемы древесных отходов, действенная утилизация которых становится все более животрепещущей также в свете сохранения природной среды. В то же время хоть какое предприятие отрасли заинтересовано в том, чтоб утилизация древесных отходов из статьи издержек перебежала в статью доходов.

Одним из главных направлений утилизации древесных отходов является их внедрение для выработки термический и электронной энергии. В последние годы энергетическое внедрение древесных отходов рассматривается как кандидатура обычным видам горючего. Это связано с тем, что древесные отходы в качестве горючего владеют многими преимуществами:

• являются CO2-нейтральными;
• относятся к возобновляемым источникам энергии;
• в их составе фактически нет серы;
• возможность спаливать мокроватые отходы (до 55 — 60% воды);
• уменьшение эмиссии двуокиси углерода;
• низкая коррозионная злость дымовых газов;
• возможность конденсировать воду дымовых газов и вызволить сокрытую теплоту парообразования;
• низкая, по сопоставлению с ископаемым топливом, стоимость.

Внедрение в Рф древесных отходов не только лишь меньше вредит окружающей среде, да и служит источником экономии средств, созданных для покупки горючего. Ресурсы древесных отходов оцениваются в 36 млн. м3 в год, что эквивалентно 59 млн. МВт/ч термический энергии, и позволяет поменять 7820 тыс. тонн мазута ценой $745 млн.

Это путь учета и экономии невосстанавливаемых энергетических природных ресурсов, путь, по которому идет цивилизованный мир и который позволит Рф приблизиться к индустриально развитым странам по показателям удельной энергоемкости промышленного производства. Все это привело к тому, что технологии энергетического использования древесных отходов в последние годы развиваются и совершенствуются. Основными технологиями являются: Сжигание, Резвый пиролиз и Газификация.

Сжигание

Сжигание древесных отходов базируется на нескольких способах сжигания, в том числе:

• Прямое сжигание,
• Сжигание в кипящем/циркулирующем слое,
• Газификация (сжигание газов во вторичной камере сгорания),
• Сжигание пылевидного горючего.

Прямое сжигание происходит в топках с горизонтальной, конусообразной, наклонной либо подвижной колосниковой решеткой. Данный способ употребляется в водогрейных котлах и печах малой мощности (наименее 20 МВт) для сжигания древесного горючего, в том числе с высочайшей влажностью: кусковых и длинномерных отходов, щепы, коры, опилок, топливных брикетов и гранул и т.д. Для автоматического сжигания размельченных отходов также употребляются трубчатые горелки со шнековой подачей. Обыденное внедрение тепла — для сушки древесной породы в сушильных камерах, в водогрейных котлах для подогрева производственных и/либо жилых помещений. Для выработки электронной энергии отходы сжигаются в паровом котле с следующим внедрением пара в паровой турбине. Эта разработка имеет маленький электронный к.п.д. порядка 8-13% (для мини-ТЭЦ мощностью 600-1000 кВт), который увеличивается благодаря использованию более совершенных способов сжигания, таких как сжигание в кипящем/циркулирующем слое либо сжигание пылевидного древесного горючего. Но эти способы употребляются в электрических станциях мощностью более 5 МВт, строительство которых просит огромных серьезных издержек. Недочетом этого способа является низкая эффективность и высочайший уровень эмиссии отходов горения в дымовых газах.

Сжигание в кипящем/циркулирующем слое позволяет достигнуть большей эффективности и экономичности за счет практически 100%-го сгорания горючего при наименьшем уровне эмиссии отходов горения по сопоставлению с прямым сжиганием. При использовании данного способа размельченное древесное горючее подается в «кипящий» слой, сделанный методом продувания воздуха либо газа через слой инертного материала, к примеру, песка. Количество инертного материала значительно больше количества горючего, потому процесс горения протекает размеренно с высочайшей эффективностью. Зависимо от скорости продувки частички инертного слоя остаются в нем либо же выносятся из слоя вкупе с продуктами горения и собираются при помощи циклонов, после этого ворачиваются в кипящий слой (способ циркулирующего слоя). Способ сжигания в кипящем слое употребляется в коммерческих либо городских котельных и ТЭЦ в спектре мощностей от 5 до 600 МВт для получения электронной и термический энергии. Дополнительным достоинством данного способа является возможность сжигания разных видов горючего (всего до 70 видов), включая низкосортный уголь, торф, твердые бытовые отходы, отходы ЦБК и т.д.

Газификация (сжигание газов во вторичной камере сгорания) представляет собой двухэтапный процесс. На первом шаге горючее подается шнековым питателем на наклонную решетку в первичной камере (предтопке), где оно греется до таковой температуры, при которой происходит процесс газификации. Перегретый и смешанный со вторичным воздухом древесный газ сгорает во вторичной камере фактически без остатка. Продукты сгорания употребляются в котле либо печи для получения жаркой воды, пара либо воздуха. В когенерационном режиме пар может употребляться в паровой турбине для получения электроэнергии. Спектр мощностей систем сжигания такового рода от 150 кВт до 30 МВт. Недочет — высочайшая цена.

Сжигание пылевидного горючего осуществляется при помощи особых горелок, созданных для сжигания древесной пыли, образующейся в процессе производства либо в итоге измельчения древесных отходов в пыль. Весь процесс от начальных древесных отходов, измельчения в пыль с влажностью порядка 8%, подачи и сжигания пыли — стопроцентно автоматизирован. Получение энергии с внедрением только древесной пыли употребляется довольно изредка; как правило это горючее употребляется в котельных либо ТЭЦ, работающих на пылевидном угле и/либо торфе. Цена комплектного оборудования для сжигания древесной пыли также высока.

Резвый пиролиз

Резвый пиролиз представляет собой процесс, при котором сухие (<10% влажности), размельченные в порошок древесные отходы, включая опилки, кору и т.д., стремительно греются в кипящем слое инертного материала снутри реактора до температуры 450 - 500°С при отсутствии воздуха. Продуктами пиролиза являются частички древесного угля, неконденсирующийся газ, конденсирующиеся пары и аэрозоли. Частички древесного угля отделяются в циклоне, а летучие вещества подвергаются резвому остыванию, в итоге которого появляется жидкость - синтетическое жидкое горючее (пиротопливо), поступающее в накопительный резервуар.

Пиролизный газ сжигается в горелке реактора, но, этого тепла недостаточно для поддержания процесса. Потому требуется дополнительный источник тепла, к примеру, природный газ. Основной продукт пиролиза — синтетическое жидкое горючее (пиротопливо) — имеет калорийность, составляющую приблизительно 55% от калорийности дизельного горючего. Употребляется методом сжигания в газотурбинных установках (ГТУ) либо дизельных движках. Невзирая на высшую эффективность и удобство использования водянистого синтетического горючего, отсутствие отходов, пиролиз только не так давно вышел из стадии исследовательских работ и опытнейших разработок (наибольшая производительность действующей пилотной установки составляет 10 тонн в день), что обусловливает высшую цена применяемого оборудования.

Газификация

Газификация представляет собой процесс высокотемпературного перевоплощения древесной породы в форме щепы (и других видов биомассы, также угля и торфа) при обычном либо завышенном давлении в газ, именуемый древесным либо генераторным газом, также маленькое количество золы, в особых реакторах (газогенераторах) с ограниченным доступом воздуха либо кислорода.

Модули газификации оснащаются газогенераторами, работающими на древесных отходах, размельченных в энергетическую щепу длиной от 10 до 150 мм и шириной от 10 до 100 мм, к которой допускается добавление до 10-15% опилок. Имеются Модули газификации, работающие на сто процентов на опилках, также на других видах биомассы — рисовой шелухе, лузге подсолнечника, жоме сладкой свеклы и др. При использовании опилок потребление горючего возрастает на 20% по сопоставлению с жесткими древесными отходами. Горючее подается в газогенератор при помощи автоматического скипового подъемника.

Для получения горючего с подходящими чертами Загрузка горючего в газогенератор делается при помощи скипового подъемника, сопряженного с автоматическим дверным механизмом газогенератора. Модули газификации оснащается Модулем подготовки горючего, главными элементами которого являются одна либо несколько Рубильных машин для перевоплощения древесных отходов в энергетическую щепу и одна либо несколько Сушилок для щепы, производительность которых соответствует мощности установленных Модулей газификации. Если отходы и без подготовки имеют допустимые размеры и/либо влажность, ненадобные составляющие Модуля подготовки горючего исключаются. Заказчик может укомплектовать Станцию схожим оборудованием по собственному выбору. Модуль газификации предназначен для получения генераторного газа из древесных отходов и других видов биомассы. Генераторный газ употребляется в котлах, печах и других термических установках для получения термический энергии. Одно из термических применений состоит в использовании для малых ТЭЦ с целью перехода на более доступное древесное горючее и другие виды биомассы. Для этой цели генераторный газ, приобретенный в Модуле газификации, сжигается в горелках, в том числе в консистенции с мазутом либо легким печным топливом. Загрузка горючего в газогенератор делается при помощи скипового подъемника, сопряженного с автоматическим дверным механизмом газогенератора.

Генераторный газ имеет температуру 300 — 600 °С и состоит из горючих газов (CO, H 2, CH 4), инертных газов (CO 2 и N 2), паров воды, жестких примесей и пиролизных смол. Из 1 кг древесной щепы получают около 2.5 Нм 3 газа с теплотой сгорания 900 — 1200 Ккал/Нм 3. Эффективность газификации добивается 85-90%. Благодаря этому, также удобству внедрения газа, газификация является более действенным и незапятнанным процессом, чем сжигание.

Зависимо от реализованного процесса есть разные типы газогенераторов: с восходящим потоком газа (П — прямой процесс), с нисходящим потоком газа (О — обращенный процесс), в циркулирующем кипящем слое (ЦКС). Применяемый процесс, давление получаемого газа, содержание в нем примесей и пиролизных смол, наличие систем остывания и чистки газа определяют последующие внедрения генераторного газа (Таблица 1).

Таблица 1

Применение генераторного газа

Тип

Давление

Чистка

Мощн. (МВт)

Применение

П

Атм.

Сухая

0.2-6.4

Сжигание генераторного
газа для получения термический энергии, которая употребляется в теплогенераторах, сушилках, печах, котлах

П

Атм.

Без чистки

5-15

Сжигание генераторного
газа для получения жаркого воздуха, крутящего турбину для выработки электронной энергии

П

Пов.

Электро либо
каталитическая

0.4-3.5

Сжигание генераторного
газа в газовых турбинах и движках внутреннего сгорания для выработки электронной энергии

О

Атм.

Без чистки

0.005-5

Сжигание генераторного
газа для получения термический энергии, которая употребляется в теплогенераторах, сушилках, печах, котлах

О

Атм.

Сухая, влажная

0.04-0.5

В газопоршневых движках либо в консистенции с дизельным топливом в дизельных движках для выработки электронной энергии

О

Пов.

Сухая, влажная, каталитическая

0.03-1

Сжигание генераторного
газа в газовых турбинах для выработки электронной энергии

ЦКС

Пов.

Сухая

8-32

Сжигание генераторного
газа в газовых турбинах для выработки электронной и термический энергии

ЦКС

Атм.

Сухая, влажная

5-35

Сжигание генераторного
газа в печах, водогрейных и паровых котлах для выработки термический и электронной энергии

ЦКС

Атм.

Без чистки

10-60

Совместное сжигание генераторного газа с другими видами горючего (углем, газом, мазутом) в действующих электрических станциях

Как надо из сопоставления, более подходящей технологией получения электроэнергии из древесных отходов для малых и средних компаний, также маленьких городов и поселков, использующих дизельные либо мазутные электростанции и ТЭЦ, является обращенный процесс в Модулях газификации с внедрением генераторного газа в Модулях генерации единичной мощностью 0.04 — 0.5 МВт, которые в совокупы с Модулями подготовки горючего образуют серийные комплектные Газогенераторные установки.

Брикетирование отходов

Отходы лесозаготовки, лесопиления и деревообработки, обычно, громоздки, владеют низкой насыпной плотностью, содержание воды в их неравномерно и, соответственно, теплотворная способность разная ( таблицы 2, 3). В процессе брикетирования происходит повышение плотности брикета до 900-1100 кг/ куб.м. При влажности 10-12% брикеты имеют теплотворную способность 3500-4500 ккал/кг. Таким макаром объем древесных отходов сокращается в 2-7 раз. Теплотворная способность брикетов по сопоставлению с древесными отходами вырастет в 2-3 раза и приближается к теплотворности каменного угля.

Брикетирование древесной породы, почти всегда, осуществляется без введения связывающих добавок. При всем этом развитие прочности брикета происходит за счет параметров веществ, образующихся древесную породу.

Таблица 2.

Насыпная масса древесных отходов

Вид отхода

Насыпная масса,
кг/куб.м

Влажность,
%

Технологическая щепа хвойных пород

200-360

30-55

Маленькая стружка

80-140

3-40

Микростружка

120-180

3-4

Опилки

100-200

8-15

Брикеты

400-600

8-15

Таблица 3

Теплотворная способность неких видов топлив

Вид горючего

Теплотворная способность, МДж/кг

Антрацит

26,8-31,4

Бурый уголь

10,5-15,7

Каменный уголь

20,9-30,1

Торф (влажность 20%)

15,1

Дизельное горючее

42,7

Древесная порода (влажность 40%)

6-11

Брикеты (из опилок)

16-20

Брикеты (дубовые)

29,3

Древесная порода представляет собой комплекс сложных органических веществ (целлюлоза, лигнин и гелицеллюлоза), составляющих около 96% веса полностью сухой древесной породы.

Компонентный состав древесной породы:

Порода древесной породы

Лигнин

Гелицеллюлоза

Пентозаны

Гексозаны

Хвойные

26-30

10-12

13

Лиственные

19-28

23-29

3-6

Целлюлоза является главным компонентом древесной породы и обуславливает упругость древесной породы, ее механическую крепкость. Целлюлоза устойчива к воздействию температур прямо до 200 °С. Экзотермический процесс разложения целлюлозы начинается при температуре 275 °С.

Лигнин обеспечивает крепкость структуры древесной породы. При нагревании в присутствии воды лигнин пластифицируется.

Пентозаны и гексозаны владеют более наилучшей растворимостью в воде при завышенной температуре и давлении могут делать роль склеивающихся веществ.

Таим образом низкомолекулярные составляющие древесной породы в присутствии воды в критериях завышенного давления и температуры могут пластифицироваться, расплавляться, растворяться и участвовать в формировании адгезионного контакта, обеспечивая крепкость брикета.

Топливные брикеты для промышленного использования и долгого хранения обязаны иметь завышенную крепкость и влагоустойчивость. Для получения таких брикетов требуется термообработка размельченных отходов при температуре 200-300 °С.

Брикетирование древесных отходов позволяет:

• расширить сферу использования древесных отходов в качестве горючего;
• решить делему переработки древесных отходов;
• повысить теплотворную способность древесного горючего;
• уменьшить объем древесных отходов.

Прессование является одним из главных процессов в технологии брикетирования размельченных древесных отходов без связывающего.

В процессе прессования брикетов происходит сближение частиц размельченного древесного материала на расстоянии, при котором может быть межмолекулярное взаимодействие.

Удельное давление прессования и длительность обжатия в значимой мере зависят от вида прессуемого древесного материала, технологии его подготовки и определяется опытным методом.

Брикетированию подвергается только мелкодисперсионные древесные частички (размер частиц менее 5-7мм) с влажностью менее 12-15% (в отдельных случаях – до 20%).

Создание брикетов из древесных отходов включает три главные операции: измельчение, сушку и прессование.

Созданием брикетировочных установок занимаются более 50 разных компаний.

По методу формирования брикета установки можно поделить на четыре главные группы.

В установках первой группы брикет формируется в сплошной матрице возвратно-поступательно передвигающимся поршнем. К этой группе установок относится и торфобрикетный пресс.

Ко 2-ой группе относятся поршневые брикетировочные установки. Брикет формируется в разъемной (цанговой) матрице в итоге трения и давления, создаваемого цилиндрическим поршнем с механическим либо гидравлическим приводом. На установках этой группы получают брикеты цилиндрической формы поперечником 30-60 мм различной длины. Машины для брикетирования поршневого типа созданы для более высочайшей производительности (до 2500 кг/час). Машины этого класса включают автоматический поршень, (коленчатый вал) маховик, устройство пульсирующей подачи сырья. Эти машины имеют относительно невысокую цена, но обеспечивают наименьшее уплотнение, чем другие брикетирующие машины. Удельное потребление энергии – 40-60 (Вт/кг), удельные кап. издержки – 60-80 долл./кг, плотность брикета – (900-1100) кг/куб. м, средняя производительность – 500-2500 кг/час.

В установках третьей группы брикет формируется методом конкретного прессования червячным сборочным потоком (шнеком), создающим удельное давление 100-120 МПа в обогреваемой матрице с температурой 300-350 °С. Плотность брикетов 1,0-1,4 кг/дм 3 обеспечивает их сохранность при хранении и транспортировке. Брикет формируется в виде нескончаемой ленты круглого либо квадратного сечения с отверстием по центру. Ленту раскраивают на поленья 100-250 мм, упаковывают и укладывают на поддоны. Поверхностный слой и внутреннее отверстие брикета под действием высочайшей температуры подвергается пиролизу с образованием угля, что улучшает условия горения брикетов. Средняя производительность червячных машин 400-800 кг/час.

Рабочим органом машин является металлической червь сделанный из специального сплава. Срок службы червя превосходит 500-800 часов. Червь может быть просто заменен новым, а изношенный может быть восстановлен. Влажность начального сырья не должна превосходить 10-12%.

К четвертой группе относятся вальцевые брикетировочные установки. На этих установках брикет формируется меж вращающимися вальцами со особыми ложбинками, придающими форму брикету.

Брикетирование маленьких древесных отходов – специфичный технологический процесс, который просит рационального подбора оборудования.

Более развивающимся направляем брикетирования древесных отходов в Европе сейчас считается создание гранул либо пеллет. По данным dk — TEKNIK ENERGY рост цен на пеллеты на рынках Европы за последние два года составлял в неких случаях более 50%, рост объемов производства пеллет – более 20%.

Анализ внутреннего рынка указывает, что стоимость на топливные брикеты из древесных отходов (гранулки, пеллеты, брикеты в виде поленьев и др.) колеблется от 1650 руб./т до 5000 руб./т. В среднем цена 1 т брикетов составляет 2,5-3 тыс. руб./т. Стоимость реализации дров в Костромской области составляет 20-180 руб. /куб. м, а себестоимость – от 50-300 руб. /куб. м. Беря во внимание что в худшем случае плотность древесной породы оценивается в 0,4 т/куб. м, а влажность дров – 50%, то получим, что средняя цена 1 т сухих дров составляет 500-800руб/т и не превосходит 1500 руб./т. Таким макаром топливные брикеты неконкурентноспособны на рынке горючего Костромской области. И в случае организации производства топливных брикетов (гранул, пеллет) по-видимому нужно ориентироваться на европейский рынок, т.е. на экспорт производимой продукции.

Эколого-экономическая оценка эффективности древесной биомассы в качестве горючего.

Преимуществом использования древесной породы в качестве горючего являются:

• Уменьшение объема золы:
• при сжигании бурого угля образуются золы до 40% от веса сжигаемого горючего;
• при сжигании угля – около 20%;
• при сжигании древесной породы – 0,5-3%.

При всем этом золу от сжигания древесного горючего может быть использовать как минеральное удобрение, а шлаки от сжигания угля содержат томные металлы и владеют хотя и слабенькой, но завышенной радиоактивностью.

• Уменьшение выбросов в атмосферу.

Выделение углекислого газа при сжигании больше чем при использовании древесного горючего:

• газа – в 15 раз;
• дизельного горючего – в 20 раз;
• кокса – в 30 раз;
• угля – в 50 раз.

Выбросы вредных веществ при сжигании разных видов горючего (по данным ОАО «Промгаз») составляют:

Твердые частички (кг/Гкал)

Бензапирен (кг/Гкал)

Томные металлы (10 -6кг/Гкал)

Газа

0,004-0,017

0,057-0,129

—

Мазут

0,2-0,4

0,046-0,69

1,1

Бурый уголь

0,26-26,0

0,1600,67

—

Каменный уголь

8,7-12,3

0,07-0,44

0,96-64,0

Торф

3,8-11,4

1,0

0,8-3,1

Дрова

8,07

1,36-4,95

—

Томные металлы – в этом случае это сумма содержания пятиокиси ванадия, мышьяка, хрома и ртути в газовых выбросах.

Приведенные данные демонстрируют, что древесное горючее является экологически более незапятнанным, чем уголь, при этом предпочтение, по-видимому, должно быть отдано установкам газификации.

В связи со вступлением в силу Киотского протокола к Рамочной Конвенции ООН по Изменению Климата законным становится формат проектов Совместного Воплощения (ст.6 Киотского протокола). Для русских компаний возникает новенькая возможность вербования мотивированных инвестиций на проекты технологической модернизации, сбережения энергии и увеличения энергоэффективности производства, ведущие к сокращению выбросов парниковых газов.

Внедрение технологий использования возобновляемых источников энергии (биомассы низкотоварной древесной породы и древесных отходов) в практику сбережения энергии с целью сокращения эмиссии парниковых газов может быть реализовано в рамках проекта совместного воплощения (JI). Малые однотипные проекты, реализуемые в одном регионе, могут быть объединены в один проект с утверждением программки реализации.

Сокращение выбросов двуокиси углерода при реализации данных технологий вместе с ресурсосберегающей функцией позволяет привлечь дополнительные инвестиции к реализации схожих технологий.

Гаев Ф.Ф.