Переработка древесных отходов

На предприятиях лесозаготовительной и деревообрабатывающей промышленности образуется большое количество неликвидных отходов древесины, которые непригодны для вторичной переработки: сучья, ветки, опилки, опилочная пыль; отходы мебельных производств и т.п. Все эти отходы являются потенциальным источником топлива, который для данных предприятий имеет минимальную стоимость.

Для повышения энергетической эффективности древесных отходов их подвергают первичной переработке, основной целью которой является снижение влажности, уменьшение объема и механическая обработка до вида, позволяющего использовать различные устройства автоматики для транспортировки и обработки.

Если на предприятии образуется большое количество древесных кусковых отходов, особенно крупных, имеет смысл переработать их в щепу, поскольку использовать кусковые отходы древесины в качестве вторичного технологического сырья или топлива обычно невыгодно из-за большой сложности и неэффективности складских, погрузочно-разгрузочных работ, невозможности механизации.

Древесная щепа вырабатывается из отходов лесной древесины путем ее измельчения в специальрубительных машинах – чипперах. Размер и вид щепы зависят от ее целевого назначения и определяется типом рубительной машины, Типичная щепа имеет от 2 до 5 см в длину и 1 см в толщину. Влажность свежей щепы составляет около 50% и значительно уменьшается в процессе сушки. Древесная щепа используется не только в качестве топлива, но и в качестве технологического сырья для некоторых видов производств.

Отходы древесины можно использовать для производства популярного во многих странах вида топлива – брикетов.

В основе технологии производства топливных брикетов лежит процесс прессования мелко измельченных отходов древесины под высоким давлением при нагревании. Древесные брикеты – экологически чистый продукт, они не содержат химически активных веществ, связующим элементом при прессовании является лигнин, который содержится в клетках самих растений. При сгорании брикетов выделение СО² в воздух и остаток золы и пепла по сравнению с углем меньше в несколько десятков раз. В тоже время древесный брикет является энергоемким видом топлива, приближающимся по теплотворной способности к каменному углю (см. табл. 11.2).

Таблица 12.2 – Сравнительная характеристика по теплотворной способности брикетов

Для производства топливных брикетов можно использовать не только отходы древесины – опилки, но и отходы растений – лузгу подсолнечника, риса, гречихи, льна, шелуху овса, угольный отсев и др.

Сыпучая древесина, занимающая значительное пространство, после брикетирования уменьшается в объеме в несколько раз, становится транспортабельной и удобной в обращении. Насыпная масса опилок составляет 150-200 кг/м³, а насыпная масса брикетов из них при влажности 15% – 460 кг/м³.

Областью применения брикетов являются все виды отопительного оборудования на твердом топливе: котлы, печи, камины, бани, сауны и т.п.

Одной из самых перспективных технологий переработки древесных отходов сегодня является изготовление топливных гранул.

Древесные гранулы (пеллеты) – это нормированное цилиндрическое прессованное изделие из высушенной, измельченной до состояния муки (с размером частиц не более 2 мм) древесины. Они производятся под высоким давлением без применения химических закрепителей. Для получения топливных гранул используют отходы лесозаготовительной и деревообрабатывающей промышленности: бревна лиственных пород толщиной до 20 мм, обрезки досок, горбыль, ветки, сучья, опилки, стружка и т.д. Топливные гранулы могут производиться и из других продуктов биомассы: соломы, сена, торфа и пр.

Использование древесных топливных гранул в качестве энергоносителя для производства тепла и электроэнергии в высшей степени удобно, безопасно, высокоэффективно и экологично [8].

При сгорании топлива выделяется только С0₂, связанный растениями за период роста, баланс СО² в природе при этом не меняется.

Теплотворная способность пеллет составляет 4,3-4,5 кВт/кг, что в 1,5 раза больше, чем у древесины, и сравнима с углем. При сжигании 2000 кг топливных гранул выделяется столько же тепловой энергии, как и при сжигании 3200 кг древесины, 957 м³ природного газа, 1000 л дизельного топлива, 1370 л мазута. Конструктивные особенности современных печей позволяют легко автоматизировать процесс получения необходимого количества тепловой энергии при использовании топливных гранул.

Очевидные достоинства топливных гранул делают этот вид топлива одним из самых востребованеых в мире. Тонна пеллет продается в Европе по цене от 80 евро и выше. Наибольшее распространение топливные гранулы получили в Дании, Швеции, Австрии, Германии, Японии, Норвегии и Финляндии Ежегодный рост производства топливных гранул в Европе составляет около 30%. Дания уже обеспечивает половину всей вырабатываемой в стране энергии за счет биологического топлива.

Интерес к данному виду топлива начал расти и в России. В Северо-Западном регионе России за последние три года построено уже 12 заводов по производству топливных гранул и строится еще четыре. По материалам журнала «Биоэнергетика», на сегодняшний день в России около 30 действующих произволителей топливных гранул и до 15 производителей топливных брикетов.

Пиролиз

Древнейшей технологией преобразования одного вида топлива в другой с целью улучшения его энергетических характеристик является пиролиз. Пиролиз представляет собой процесс термохимической обработки биомассы без доступа кислорода при относительно низких температурах – от 300 до 800°С. В результате удаления летучей фракции получаем древесный уголь, который имеет энергетическую плотность в два раза выше в сравнении с исходным материалом и более высокую эффективную температуру сгорания. Энергетическая емкость древесного угля составляет 30 МДж/кг при объеме до 35% от массы исходного сырья. Углистое вещество, полученное в процессе пиролиза, может использоваться в качестве топлива (в основном для бытового применения, в каминах), а также для технологических нужд – в металлургической, электроугольной, фармакологической промышленности, для очистки воды и газов.

Современные технологии позволяют собирать газообразные и жидкие продукты пиролиза. Одним из наиболее полезных газообразных продуктов пиролиза является метан, представляющий собой топливо для производства электроэнергии с помощью высокоэффективных газовых турбин. Выход газообразного топлива при высокотемпературном быстром пиролизе может доходить до 70% массы сухого сырья. Состав газа зависит от сырья и параметров процесса, а его энергетическая емкость достигает 15-22 МДж/нм³. Теплотворная способность повышается, если использовать газ, пока он горячий и содержит относительно много смол. Такой газ обычно используется в самом процессе пиролиза для поддержания температуры процесса и сушки исходного сырья.

Жидкие продукты пиролиза вызывают большой интерес вследствие их высокой энергетической плотности и потенциальной возможности использования в качестве жидкого топлива. Пиротопливо, образующееся в процессе пиролиза, близко по своему химическому составу к биомассе, но имеет большую теплоту сгорания (20-25 МДж/кг) и состоит из сложной смеси высокоокисленных углеводородов с содержанием воды до 20% (мас.). Необработанное пиротопливо представляет собой густую черную смолянистую жидкость, выход которой может достигать до 80% массы сухого сырья (при быстром низкотемпературном пиролизе). Пиротопливо может использоваться в качестве заменителя котельного топлива. Имеется опыт использования пиротоплива в газовых турбинах и дизельных двигателях [106].

В настоящее время традиционный пиролиз считается наиболее привлекательным видом технологии. Использование относительно низких температур означает, что в атмосферу попадает малое количество загрязнителей по сравнению с прямым сжиганием. Это обстоятельство дает экологическое преимущество пиролизу при переработке некоторых видов отходов. Предпринимаются попытки использования малых пиролизных установок для переработки отходов производства пластика и утилизации использованных автомобильных шин [9].

Газификация

Технологически привлекательным способом использования биомассы является ее газификация с последующим непосредственным срабатыванием в котельных, газовых турбинах или двигателях внутреннего сгорания.

Технология газификации биомассы основана на сжигании древесины в условиях отсутствия или недостатка кислорода. Эта цель достигается в топочных устройствах, ограничивающих поступление воздуха извне, поэтому сжигание происходит не полностью.

Под воздействием тепла разрываются химические связи в молекулах сложных углеводородов, содержащихся в древесине, в результате чего образуются метан, метиловый газ, водород, углекислый и угарный газы, древесный спирт, углерод, вода, а также многие малые добавки. Количество метана может достигать 75% [9].

Метан представляет собой простой углеводород, который имеет высокую теплотворную способность и может использоваться вместо природных ископаемых газов (природный газ или такие сжиженные газы, как пропан или бутан).

Метиловый газ может сжигаться непосредственно или после превращения в метанол, который представляет собой высококачественное синтетическое жидкое топливо, пригодное для сжигания в незначительно модифицированных двигателях внутреннего сгорания.

Богатый практический опыт использования технологии газификации древесины для производства топлива получен во время Второй мировой войны, когда около миллиона автомобилей приводились в движение с помощью газификаторов на биомассе, а немецкие танки и даже самолеты заправлялись синтетическим топливом.

Газотурбинные электростанции с установками газификации биомассы имеют КПД 40-45%, что в два раза лучше характеристик паротурбинных электростанций. Малое содержание серы облегчает очисткугенераторного газа и делает эти установки более экономичными, чем электростанции, работающие на угле. Биомасса имеет превосходство перед углем также благодаря своей более высокой способности к реакции газификации. Уголь газифицируется при высокой температуре в чистом кислороде, что требует использования установок для сжижения воздуха и получения кислорода. Биомасса газифицируется при более низкой температуре, при этом теплота для поддержания процесса может быть передана через теплообменники от внешнего источника.

Современные технологии получения топлива и энергии из биомассы при надлежащем контроле являются надежными, чистыми, оказывают незначительное воздействие на воздух, почву и воду. Использование биомассы как возобновляемого топлива для производства электроэнергии в транспорте не приводит к возрастанию СО₂ и SО₂ в атмосфере, увеличению парникового эффекта и глобальному изменению климата. Эмиссия NO_х может быть снижена путем применения низких температур сгорания и использования современных технологий [152].

Применительно к условиям Кузбасса интересной представляется технология совместного сжигания, например, газифицированной биомассы и угля. Технология совместного сжигания является хорошей возможностью уменьшения атмосферной эмиссии на угольных электростанциях. В 1999 году новая установка для совместного сжигания биомассы и угля была запущена в городе Zeltweg (Австрия). Газификатор биомассы мощностью 10 МВт был установлен на существующей угольной электростанции. Газификатор потребляет в час 16 м³ биомассы (щепа и кора). Теплотворная способность получаемого газа находится в диапазоне 2,5-5 МВт/м³. Проект, получивший название ≪Biococomb≫, являлся демонстрационным проектом ЕС. Он был реализован компанией Verbund совместно с другими компаниями из Италии, Бельгии, Германии и Австрии и частично финансировался Европейской Комиссией [9].

Анаэробное сбраживание

Разложение органических веществ при отсутствии кислорода называется анаэробным сбраживанием. Анаэробное сбраживание, как и пиролиз, реализуется при отсутствии воздуха, однако в этом случаедекомпозиция происходит под воздействием бактерий, а не высоких температур. Технология является универсальной, она применима практически ко всем биологическим материалам, а ее эффективность возрастает в условиях высокой температуры и влажности.

Химические реакции, происходящие в процессе анаэробного сбраживания, достаточно сложны: вначале сложные органические полимеры под действием природного сообщества разнообразных видов бактерий разлагаются до более простых соединений – различных кислот и спиртов, затем органические кислоты преобразуются в метан, углекислый газ и воду. При этом остается инертный остаток, состав которого зависит от типа установки и исходного сырья.

Получаемый в процессе брожения биогаз содержит 60-70% метана, 30-40% двуокиси углерода, небольшое количество сероводорода, а также примеси водорода, аммиака и окислов азота. Биогаз представляет собой ценное топливо. Для его производства во многих странах строятся специальные метантенки, которые наполняются навозными стоками или сточными водами. Метантенки варьируются в размерах от одного кубического метра (в индивидуальных хозяйствах) до тысяч кубометров, используемых в больших коммерческих установках.

Загрузка может быть постоянной или порционной, а процесс сбраживания может занимать от десяти дней до нескольких недель. В процессе деятельности бактерий образуется тепло, однако в условиях холодного климата необходим подвод дополнительного тепла для поддержания оптимальной температуры (минимум 35°С). Источником тепла может быть сам биогаз. В предельном случае весь газ может быть использован для нагрева. Хотя в этом случае выход энергии в процессе будет нулевым, все равно его существование будет оправдано экономией ископаемого топлива, необходимого для переработки отходов. Хорошие биогазовые установки могут производить 200-400 м³ биогаза с содержанием метана от 50 до 75% из каждой тонны сухого органического вещества [9].

Остаток, образующийся в процессе получения биогаза, содержит значительное количество питательных веществ и может быть использован в качестве удобрения. Состав остатка, полученного при анаэробной переработке животноводческих отходов, зависит от химического состава исходного сырья, загружаемого в реактор. В условиях, благоприятных для анаэробного сбраживания, обычно разлагается около 70% органических веществ, а 30% содержится в остатке [105].

Биотопливо

Более 99% топлива, которое использует автотранспорт сегодня, произведено из нефти. Потребление топлива автотранспортом постоянно растет. И если в 2012 году мировой пассажирский автопарк составлял 730 млн автомобилей, то, как ожидается, к 2020 году по улицам мира будет ездить около миллиарда авто.

Рост числа автомобилей ведет к постоянному росту потребления нефти. Добыча нефти становится все более дорогой, а ее разведанные запасы стремительно сокращаются. Платой за активное использование нефти для человечества становятся постоянно растущие цены на автомобильное топливо и ухудшающаяся экологическая ситуация, во многом связанная с выбросом токсичных веществ от двигателей внутреннего сгорания.

Однако в настоящее время существуют технологии, в том числе и коммерческие, производства альтернативных видов топлива, получаемых из биомассы. Наибольшее распространение сегодня получили два вида биотоплива: биоэтанол и биодизель.

Использование биоэтанола и биодизеля в качестве топлива для заправки автомобильного транспорта, по сути, не является чем-то новым. Первый автомобиль Генри Форда был разработан для езды на этаноле. Таким же был и первый автомобиль с двигателем с искровым зажиганием, созданный немцем Николасом Оттом во второй половине XIX века. Дизельный автомобиль Рудольфа Дизеля использовал топливо, произведенное из арахисового масла. Во время Второй мировой войны, когда перебои с поставками нефти были частым явлением, США, Бразилия и многие страны Европы использовали этанол или газ, полученные путем газификации древесины.

Тем не менее в послевоенный период, когда нефть казалась такой дешевой, а ее объемы неисчерпаемыми, интерес к биотопливу пропал. Сегодня же ситуация на нефтяных рынках меняется. Цены на топливо, произведенное за счет ископаемых источников энергии, стремительно растут, вновь открывая, таким образом, дорогу для использования альтернативных видов топлива, в основном из биомассы [9].

Технология производства топливного биоэтанола аналогична технологии получения обычного пищевого спирта для производства алкогольных напитков. Так как при производстве топливного биоэтанола не требуется тщательной очистки от сивушных масел, он производится укороченной дистилляцией, и биозавод по производству этанола имеет всего две ректификационные колонны в отличие от завода по производству пищевого спирта, где таких колон пять. Топливный биоэтанол почти не содержит воды, поэтому в технологии используется дополнительное обезвоживание при помощи молекулярных сит.

Этанол является спиртовым топливом, которое может использоваться для заправки двигателей внутреннего сгорания либо самостоятельно, либо в качестве добавки к бензину. Существует много видов доступного сырья, из которого можно производить спирт, например, кукуруза, картофель, свекла, сахарный тростник, пшеница и т.п.

Двигатели внутреннего сгорания, оптимизированные для работы на спирту, на 20% эффективнее двигателей, работающих на бензине. А двигатели, созданные специально для работы на спирту, могут быть эффективнее на 30%. Более того, существуют многочисленные экологические преимущества: уменьшение эмиссии свинца, СО₂, SО₂, частиц углеводородов и СО [9].

Мировым лидером по производству этанола является Бразилия. Более 600 заводов производят 16,5 млрд л этанола в год. В Бразилии биоэтанол производится из сахарного тростника, который является идеальным сырьем для получения углеводорода (спирта) с помощью брожения. Одна тонна сахарного тростника содержит 145 кг сухого углеводорода (багассы) и 138 кг сахарозы (т.е. сахара). При производстве биоэтанола из сахарного тростника полностью используется весь тростник, что позволяет вырабатывать 72 л этанола из одной тонны тростника [133]

По данным Международного энергетического агентства (International Energy Agency), за четверть века производство этанола в мире выросло в восемь раз (с 4368 млн л в 1990 году до 32 665 млн л в 2014-м), причем особо заметный прирост был зарегистрирован в последние годы в связи с ростом цен на нефть.

Важным социальным аспектом развития технологий производства биотоплива является то, что сырьем для его получения являются сельскохозяйственные культуры. Россия обладает огромным потенциалом развития данного сектора экономики – площадь ее плодородных земель составляет более 1200 тыс. км². В последние годы в России достигнуты заметные успехи в производстве зерновых культур, являющихся идеальным сырьем для производства биоэтанола.

Другим ценным видом биотоплива, получившим большое распространение в мире, является биодизель. Биодизель – это эфиры растительных масел или животных жиров, получаемые в результате химической реакции масла или жира с метиловым или этиловым спиртом. Продуктами реакции являются моноэфиры, известные как метиловые (этиловые) эфиры жирных кислот (биодизель), и глицерин (используется в производстве мыла и в фармакологии). Наиболее распространенное сырье для производства биодизеля в Европе – рапс, в США и Южной Америке – соя [18].

Технология получения биодизеля довольно проста и доступна в условиях любого предприятия или фермерского хозяйства, для его производства не требуется больших инвестиций, связанных с необходимостью строить крупные заводы.

Любое растительное масло – это смесь триглицеридов, т.е. эфиров, соединенных с молекулой глицерина трехатомным спиртом (С₃Н₈О₃). Именно глицерин придает вязкость и плотность растительному маслу. Задача при приготовлении биодизеля – удалить глицерин, заместив его на спирт. Этот процесс называется трансэтерификацией. Из одной тонны растительного масла и 111 кг спирта (в присутствии 12 кг катализатора) получается приблизительно 970 кг (1100 л) биодизеля и 153 кг первичного глицерина [133].

Биодизель может использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания как самостоятельно, так и в смеси с обычным дизтопливом, без внесения изменений в конструкцию двигателя. Важным достоинством биодизеля, наряду с несомненными экологическими преимуществами, являются его хорошие смазочные характеристики, в результате которых, как показывают испытания, достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60%.

Биодизельное топливо уже получило распространение во многих странах Европы и Америки. Мощности по производству биодизеля в Европе достигли 6 млн т в 2006 году (рост на 44% по сравнению с 2015 годом). В Германии 100%-й биодизель продают около 2000 заправок. На заправочных станциях по желанию владельца автомобиля возможно заливать чистое биотопливо либо его смеси с дизтопливом (от 5 до 35%), при этом биодизель продается по цене ниже, чем обычное дизельное топливо.

Перспективной сельскохозяйственной культурой для производства биодизеля в России является рапс. Рапс хорошо структурирует и улучшает почву, являясь отличной культурой для севооборота с пшеницей

В Кемеровской области уже имеется положительный опыт производства рапсового масла. В Крапивинском районе на базе совхоза «Барачатский» построен первый в Кузбассе завод по переработке рапса. Посевные площади рапса в Кузбассе в 20016 году составили около 15 тыс. га. Средняя урожайность рапса в регионе составляет 6,5 ц с гектара и имеет большие резервы к увеличению за счет применения современных методов обработки почвы и внесения удобрений.