ЛЕКЦИЯ 14
Использование древесных отходов в энергетических целях
1.14.1 Древесные топливные гранулы (пеллеты).
1.14.2 Топливные брикеты.
1.14.3 Древесный уголь.
Древесные топливные гранулы (пеллеты)
В Беларуси в связи с ростом цен на традиционные импортируемые энергоносители и ограниченными их запасами, а также в рамках государственной политики энерго- и ресурсосбережения идёт поиск местных альтернативных источников энергии. Одним из наиболее дешевых и возобновляемых источников является древесное топливо, для производства которого используется древесные отходы, тонкомерная и некондиционная древесина, древесно-кустарниковая растительность, которая вырубается при рубках ухода, мелиоративных работах и очистке площадей под строительство, деревья и кустарники быстрорастущих пород, выращенные на плантациях для энергетического использования, отходы деревообработки и т.д.
Ежегодно в республике в результате хозяйственной деятельности в лесном комплексе образуется 8-12 млн. м3 древесных отходов и низкокачественной древесины. Использование их в качестве энергоресурсов может привести к снижению потребления нефтепродуктов на 8-12 % и является одним из путей создания надёжной энергетической базы.
Сегодня древесное топливо в топливном балансе страны составляет около 7 %. Однако за счёт широкомасштабного использования биомассы дерева как энергетического топлива эту цифру можно увеличить в несколько раз.
Древесная биомасса как источник энергетического сырья имеет ряд важных преимуществ:
1) возобновляема;
2) местная, повышающая энергобезопасность страны, экономящая валютные средства и снижающая зависимость от импорта;
3) по своему жизненному циклу максимально вписывается в концепцию устойчивого развития, что позволяет утилизировать все отходы лесного комплекса (сучья, тонкомерные деревья, горбыли и т.п.) и вторичное древесное сырье (старая мебель, бумага, картон и др.);
4) не участвует в создании парникового эффекта как ископаемое топливо. Количество СО2, выделяемого при сгорании древесного топлива, равно количеству СО2, поглощаемому растениями в процессе фотосинтеза;
5) экологически чистая;
6) обеспечивается рост числа рабочих мест при проведении работ, связанных с заготовкой, транспортировкой, измельчением, хранением, сжиганием сырья и т.п.; осуществляется вложение финансовых средств в местную экономику; создается образ «зеленого региона»; возникают предпосылки для развития новых направлений лесного машиностроения; возрастает вероятность привлечения внешних инвестиционных субсидий для строительства теплофицированных установок, работающих на древесном топливе.
При выращивании и заготовке в лесу древесина нуждается в сравнительно небольшом количестве энергии по отношению к содержанию энергии к ней самой. Так, затраты на выращивание, заготовку, транспорт и измельчение древесины составляют лишь 437 МДж/м3, а энергетический выход при сжигании древесины составляет 7440 МДж/м3 (соотношение 1:17).
По признаку первоначального происхождения древесное топливо делят на два вида:
– первичное древесное топливо – подразделяется на топливо из спелого древостоя, из приспевающей и молодой древесины, а также топливо из частично переработанной древесины;
– вторичное древесное топливо – производится в целях утилизации ранее использованной деловой древесины (устаревшая мебель и другие бытовые деревянные принадлежности, сносимые и пришедшие в негодность деревянные постройки, заменяемые деревянные детали сооружений в процессе ремонта, строительные отходы в виде деревянных ограждений, опалубки, опор, деревянная тара, упаковка).
Необлагороженная форма топлива состоит, как правило, из древесных отходов основного производства (сучья, ветви, кора и т.п.), целенаправленно заготовленной древесины (дровяная древесина, пни, корни и т.п.), а также частично переработанного топливного сырья для обеспечения удобства транспортировки и утилизации (пилено-колотые дрова, дробленка, щепа и т.п.).
Облагороженное топливо – специально произведенные из необлагороженного топлива продукты: гранулы, брикеты, древесный порошок, древесный уголь. Это топливо с более высокими потребительскими свойствами. Используется на тепловых электростанциях, в черной и цветной металлургии, в промышленных и бытовых печах.
Древесные топливные гранулы (пеллеты) – это цилиндрические изделия (рисунок 14.1) диаметром 4-12 мм, длиной 20-50 мм, плотностью 1,25-1,30 г/см3, обладающие высокой теплотой сгорания (до 19,5 МДж/кг). Одна тонна пеллет при сжигании выделяет такое же количество энергии, как 1600 кг дров, 685 л мазута, 500 л дизельного топлива, 480 м3 газа.
Рисунок 14.1 – Древесные топливные гранулы (пеллеты)
Благодаря высокой плотности гранулы экономически оправдано перевозить на большие расстояния. Кроме того, они могут перемещаться в автоматических печах, не требуют много места для складирования. Зола, составляющая до 1 % от массы топлива, может использоваться как удобрение. Топливные гранулы получают из измельченных отходов лесопиления и деревообработки.
Технология производства древесных топливных гранул включает следующие операции: подача и складирование сырья, измельчение сырья, сушка измельченного сырья, гранулирование, охлаждение, упаковка готовой продукции.
Оборудования, входящего в состав линий по производству пеллет большое количество. При этом, технологический процесс производства древесных гранул на всех линиях примерно одинаковый. Рассмотрим его на примере рисунка 14.2.
Рисунок 14.2 – Схема линии по производству древесных гранул
На стадии подготовки сырья при переработке крупных кусковых отходов используется рубильная машина, а затем измельчитель 2. В составе сырья доля коры и хвои не должна превышать 17 % от общей массы.
Измельченной сырье (фракция 3-5 мм) по материалопроводу 3 подаётся в камеру сушильного агрегата 4. Отбор излишней влаги осуществляется горячим воздухом, выработанным теплогенератором 1. Теплогенератор может работать как на древесных отходах, так и на газу. При использовании барабанных сушилок температура воздуха на входе 250-280 ºС, на выходе из сушилки продукт имеет температуру 75-100 ºС. При использовании диспергатора возможно заменить два участка – предварительного измельчения и сушки сырья. При необходимости после сушки фракция может быть уменьшена благодаря тонкому измельчению в молотковой дробилке. Наилучшие качества имеют пеллеты, полученные из массы, крупность частиц которых не превышает 1 мм (объём частиц крупностью 1-1,5 мм не более 25 %).
Далее измельченный и высушенный продукт по пневмотранспорту поступает в батарейный циклон 5, где происходит разделение высушенного материала и теплоносителя. Отработанный теплоноситель выбрасывается в атмосферу с помощью насоса 6. Высушенный материал подается на питающее устройство пресса-гранулятора непрерывного действия 8. Питающее устройство пресса-гранулятора направляет измельченные и высушенные древесные отходы во внутреннюю полость вращающейся матрицы в которой происходит формирование гранул давлением.
Через выходное отверстие пресса-гранулятора готовые гранулы попадают на охлаждающий транспортер-просеиватель 7, где происходит охлаждение и очистка гранул от мелкой фракции. Мелкая фракция, собранная пылеулавливающей установкой, подается обратно в бункер над прессом-гранулятором делая процесс непрерывным и безотходным. Очищенные и остывшие гранулы попадают в тару для упаковки и транспортировки к месту хранения.
Гранулирование древесных отходов происходит в пресс-грануляторах с плоской или круглой матрицей. На рисунке 14.3 показан процесс формирования гранул на плоской матрице.
Катки, вращаясь и одновременно перемещаясь по матрице, продавливают измельченное сырье через отверстия, формируя диаметр гранул. Нож, расположенный под матрицей и непрерывно перемещающийся вдоль нее, срезает гранулы, формируя их длину.
Сформировавшиеся гранулы приобретают нужную твердость только в процессе остывания. Чем грамотнее организован этот процесс, тем лучше качество продукта.
Современные прессы, как правило, имеют целый арсенал устройств, позволяющих их оптимально эксплуатировать. Это увлажнители (пар, вода), смесители, дозаторы, приборы контроля электрических параметров, схемы защиты от перегрузок и пр.
Рисунок 14.3 – Схема формирования древесных гранул
на плоской матрице
Топливные брикеты
Топливные брикеты – спрессованные мелко измельченные сухие древесные отходы, кора, имеющие различную геометрическую форму в зависимости от используемого оборудования. Длина брикетов обычно 100-300 мм, диаметр 50-75 мм. Имеют высокую теплотворную способность (4400 ккал/кг), плотность до 1200 кг/м3, низкую зольность – до 1 %.
Брикетирование производится как с целью увеличения плотности сырья для повышения рентабельности его перевозки, так и для удобства при сжигании. Влажность брикетов – 8-10 %, насыпная плотность – от 350 до 650 кг/м3.
Брикеты по своей форме бывают шашечные и брусковые.
Шашечные брикеты имеют сплошное сечение определенной формы (по форме матрицы) размером от 20×20 до 100×100 мм (рисунок 14.4).
Толщина их бывает от 20 до 100 мм. Плотность этих брикетов находится в пределах 650-1000 кг/м3. Изготавливают шашечные брикеты на штемпельных (матричных) прессах периодического действия.
Брусковые брикеты имеют продольное сквозное отверстие диаметром 13-22 мм (рисунок 14.5). Форма сечения может быть круглая, квадратная, шестигранная. Размеры сечения от 30×30 мм до 90×90 мм, длина бруска – от 30 до 1000 мм. Плотность брикетов находится в пределах 1000-1400 кг/м3.
Рисунок 14.4 – Топливные брикеты шашечные
Рисунок 14.5 – Топливные брикеты брусковые
Требования к сырью при производстве брикетов менее высокие, чем пеллет. Не требуется дополнительный тонкий помол. Допускаются заметные примеси коры, крупной стружки длиной до 20 мм. Прессованию поддаётся сырьё влажность 6-12 %.
Основным требованием к сырью для прессования является наличие в его химическом составе лигнина, который является связующим веществом, выделяющимся из клеток древесины под действием давления и температуры.
Рекомендуемая температура, при которой получается прочный брикет, должна быть в пределах 150-250 ºС. Ограничением верхнего предела температуры является обугливание верхних слоёв брикета – частичное его разложение (пиролиз).
Оборудование для производства брикетов более простое и менее дорогое, чем для производства пеллет. Прессы для производства брикетов при той же производительности на 30-50 % дешевле грануляторов.
Наиболее широко применяются поршневые (штемпельные) и винтовые (шнековые) прессы (рисунок 14.6).
а) б)
а) – штемпельный пресс, б) – шнековый пресс
Рисунок 14.6 – Схемы прессов для получения топливных брикетов
На штемпельных (матричных) прессах периодического действия изготавливают шашечные брикеты и брикеты в виде цельного цилиндра диаметром 30-80 мм длиной 20-200 мм. Внутреннего отверстия в этих брикетах нет, поэтому они плохо горят из-за отсутствия доступа кислорода во внутренние его части. Брикет формируется в разъёмной матрице в результате создаваемого давления и возникающего трения. Процесс прессования происходит скачкообразно в камере, имеющей цилиндрическую форму, переходящую в конусную. В штемпельных прессах наименьшее давление, при котором можно получать брикеты составляет 30 МПа, оптимальное – 50-100 Мпа.
При брикетировании древесины хвойных пород производительность прессов ниже, а усилия прессования выше, чем при использовании отходов лиственных пород. Объясняется это наличием в хвойных породах смолистых веществ, влияющих на коэффициент трения.
Самые лучшие показатели по удельным капитальным затратам дают шнековые прессы (экструдеры). Они реализуют способ непрерывного прессования винтовым рабочим органом (коническим шнеком) в обогреваемой многопрофильной матрице (температура нагрева 200-350ºС). Производительность определяется диаметром матрицы, числом оборотов и шагом витков шнека.
Брикет (брусковой формы), полученный методом шнекового прессования, кроме высокой плотности (1,1–1,2 т/м3) имеет упрочняющую корку на поверхности, которая уменьшает проникновение влаги в брикет.
Узкое место у пресса – это шнек, который после выработки около 50 т брикета требует замены.
Примерный технологический процесс производства топливных брикетов приведен на рисунке 14.7.
Рисунок 14.7 – Схема технологического процесса
производства топливных брикетов
Исходное сырье в виде мелких древесных отходов или топливной щепы поступает в измельчитель 8, где размалывается до размеров древесных частиц, пригодных для прессования. Загрузочным транспортером 7 древесная масса подается в сушильный барабан 5. Потоком горячего воздуха, вырабатываемого теплогенератором 6, сырье высушивается до влажности 6-12 %. Охладившийся горячий воздух вместе с влагой, отобранной у древесных частиц, через циклон 4 выбрасывается в атмосферу. Высушенное сырье из барабана по загрузочному транспортеру 3 поступает в накопитель 2, а из него к прессу 1. В дальнейшем топливные брикеты упаковываются и перемещаются на склад готовой продукции.
Древесный уголь
Древесный уголь – микропористый высокоуглеродистый продукт, образующийся при пиролизе древесины. Он представляет собой твердое блестящее вещество черного цвета с синеватым оттенком. Под пиролизом древесины понимают процесс её распада под действием высокой температуры без доступа кислорода.
По способу получения древесный уголь подразделяется на костровой, печной и ретортный.
Древесный уголь используется для производства активированного угля, в химической промышленности, черной и цветной металлургии, некоторых технологиях производства кремния. Как источник энергии древесный уголь используется в ограниченных объемах, главных образом для каминов, грилей и других подобных устройств.
При термическом распаде древесины образуются древесный уголь, жидкие и газообразные продукты. Продукты выходят из горячей зоны частично в капельной форме, частично в виде паров, образуя вместе с неконденсирующимися газами парогазовую смесь.
Различают четыре стадии производства древесного угля.
1. Сушка. Температура не выше 150ºС.
2. Распад гемицеллюлоз. Отщепление части химически связанной воды. Образование СО, СО2, метана, уксусной кислоты, метанола. Температура 150-275ºС.
3. Распад целлюлозы и лигнина. Вторичные реакции полимеризации. Образование основных количеств смолы. Температура 275-450ºС. Особенно сложен для управления и контроля.
4. Прокалка угля. Удаление из углеродного скелета остатков летучих веществ, удерживаемых адсорбционно. Формирование углеродных кристаллоидных структур. Отщепление функциональных групп, удерживаемых углеродом. Температура 400-450ºС.
Древесный уголь подразделяется на несколько видов:
– черный – получают при обжиге мягких пород древесины (осина, тополь, ольха и др.);
– белый – получают при обжиге твердых пород древесины (граб, береза, дуб и др.);
– красный – получают методом мягкого обжига в основном из хвойных пород деревьев.
Углевыжигательные аппараты должны отвечать следующим условиям:
– соответствие производительности объему отходов на предприятии (как правило 3-20 тыс. м3 в год). Таким образом, исключаются дальние перевозки сырья, удорожающие производство;
– экологическая чистота. Необходимо исключить выбросы вредных веществ в окружающую среду и загрязнения. При небольшой производительности нецелесообразно улавливать и перерабатывать жидкие продукты, они должны сжигаться, покрывая потребности процессов в теплоте;
– простота изготовления. Должна предусматриваться возможность перемещения аппарата при перемещении лесозаготовок;
– простота управления, взрыво- и пожаробезопасность.
Для производства древесного угля используются стационарные и передвижные углевыжигательные печи, также называемые ретортными (рисунок 14.8).
Подобные печи состоят из специальных камер, в которых производятся операции обжига и сушки исходного сырья. Основной принцип работы заключается в том, что выделяемые при горении угля пары и газы перетекают в топку, где и сжигаются, обеспечивая процесс дополнительным теплом.
Рисунок 14.8 – Углевыжигательная печь УВП-5
После получения от датчиков соответствующего сигнала о выгорании и сушке угля, он выгружается и оставляется для остывания. Затем конечный продукт подвергается дроблению на мелкие кусочки, расфасовке по бумажным или полиэтиленовым мешкам и пакетам. Степень дробления зависит от предназначения данной партии. Уголь, предназначенный для использования в быту, дробится на более мелкие кусочки. Для промышленных предприятий соответственно дробление более крупное.
В лесном комплексе большое распространение получили передвижные углевыжигательные печи (УВП). В настоящее время в эксплуатации находятся, в основном, варианты пятой модификации – печи УВП-5А, УВП-5Б, УВП-5УС(М) и др.
Их обслуживание требует тяжелого ручного труда. Но благодаря плотной ручной укладке дров, они относятся к числу наиболее эффективных по выходу угля на единицу объема аппарата. К недостаткам еще можно отнести выброс парогазов в атмосферу, а к достоинствам – транспортабельность.