1. Сравнение различных видов топлива
Анализ данных ООН (Таблицы 1, 2) по изменению глобального производства и глобальной торговли лесной и целлюлозно-бумажной продукцией в 1980–2019 годах (по данным ФАО ООН), показывает, что в настоящее время на долю топливной древесины приходится свыше половины заготавливаемой древесины. Из всей древесины, которая используется как топливо, около 17 % перерабатывается в древесный уголь.
Таблица 1 – Изменение глобального производства и глобальной торговли лесной продукцией в 1980–2019 годах (по данным ФАО ООН)
Продукт Ед
изм Производство Экспорт
2019 Изменение (%) по сравнению с: 2019 Изменение (%) по сравнению с:
2018 2000 1980 2018 2000 1980
Круглый лес 3966 -1% 14% 27% 147 1% 24% 56%
Топливная древесина 1945 0% 8% 16% 8 1% 124%
Деловой круглый лес 2021 2% 20% 40% 139 1% 21% 49%
Древесные пеллеты и прочие агломераты 46 7% 29 6%
Пиломатериалы 488 -1% 27% 16% 156 -2% 37% 123%
Листовые древесные материалы 357 0% 100% 268% 87 -7% 66% 485%
Фанера 107 0% 83% 171% 28 -12% 58% 322%
OSB, cтружечные и древесноволокнистые плиты 250 -1% 109% 335% 59 -5% 69% 616%
Производство древесного угля за последние десятилетия росло по мере роста спроса у городского населения и предприятий. Так, если в целом в мире в 2019 году объем производства древесного угля превышал 50 млн. тонн, то на Африку приходится свыше 30 млн. тонн.
Таблица 2 – Части типичного заготовленного дерева
Часть дерева или продукт Процентная доля (%)
Оставляемые в лесах
Вершина, ветви и листва Вершина, ветви и листва
23,0 23,0
Пень (исключая корни) Пень (исключая корни)
Лесопиление
Горбыль, кромки и обрезки 17,0
Опилки и мелкая щепа 7,5
Различные потери 4,0
Кора 5,5
Пиломатериалы 28,0
Всего 100,0
При этом следует отметить, что, по данным ФАО, там, где спрос высок, в основном в странах Африки к югу от Сахары, а также в Юго-Восточной Азии и Южной Америке, нерациональные методы заготовки древесины и производства древесного угля способствуют деградации лесов, обезлесиванию и выбросам парниковых газов (ПГ) на всех этапах производственно-сбытовой цепочки древесного угля, особенно при использовании неэффективных технологий. В то же время древесный уголь, произведенный с использованием рационально управляемых ресурсов и усовершенствованных технологий, является энергоносителем с низким уровнем чистых выбросов ПГ, тем самым способствуя смягчению последствий изменения климата и при этом расширяя доступ к энергии и продовольствию и обеспечивая возможности для получения дохода.
Древесина в условиях циркуляционной экономики является очень ценным сырьем. Существует несколько вариантов использования отходов и сопутствующей продукции, получаемой при распиловке и обрезке, например, обрезки древесины могут использоваться предприятиями, производящими меньшие по размеру продукцию. Например, для производства натурального паркета могут применяться обрезки производства пиломатериалов. Многие отходы и побочные продукты производства перерабатываются в другие продукты.
Так, сырьем для производства брикетов или топливных древесных гранул могут служить любые опилки, горбыль и даже самые мелкие обрезки. Опилки и стружка могут использоваться для производства энергии — напрямую (для обеспечения энергией самого предприятия) или через товарное биотопливо второго поколения, пеллеты и/или брикеты. Исходя из данных таблицы 1 можно видеть, что опилки, на долю которых приходится около 10 % от объема пиломатериалов в ближайшие годы будут энергетически использованы полностью. Однако, производство топлива, получаемого переработкой древесины, является естественным продолжением жизненного цикла продукции и лесного хозяйства и деревообрабатывающей промышленности. Как видно из данных, представленных в таблице 2, извлечение выгоды из лесосечных отходов, коры может обеспечить достаточные сырьевые резервы для производства пеллет и брикетов.
Появление пеллет — древесных топливных гранул, изготавливаемых прессованием измельченных древесных частиц, стало принципиально новым этапом. Пеллеты отличаются высокой эффективностью сжигания, удобством использования и более высокой удельной энергоемкостью по сравнению с традиционными дровами. Появление пеллет внесло изменения в технологию энергетического использования древесины в регионе ЕЭК.
1.1 Древесный уголь
Исторически древесный уголь являлся одним из наиболее востребованных продуктов переработки древесины – и как топливо, и как восстановитель в металлургии, и как компонент черного пороха. В современном мире во многих развивающихся странах мира древесный уголь является одним из основных видов топлива для приготовления пищи, а также одним из основных источников экологических проблем этих стран. В развитых странах в регионе ЕЭК ООН он используется главным образом для приготовления пищи во время отдыха на открытом воздухе (барбекю, шашлыки и т. д.) и в ряде промышленных процессов. Данные об объемах производства древесного угля зачастую являются неудовлетворительными. По этой причине древесный уголь, как правило, не рассматривается в рамках анализа в обзорах ЕЭК ООН/ФАО ООН.
В 2019 году общий объем производства древесного угля в Европе составил 448 000 т, что на 2,5 % больше, чем в 2018 году. Крупнейшим его производителем являлась Польша, удельный вес которой в общем показателе производства по Европе составил 33 %. Показатель потребления древесного угля в Европе в 2019 году не претерпел каких-либо существенных изменений. Общий объем потребления составил 113 800 т, что на 0,7 % больше, чем в 2017 году. Крупнейшими потребителями являлись Германия, Франция и Турция, удельный вес которых в общем показателе потребления по региону составил соответственно 20,9 и 8%. Общий объем производства древесного угля в регионе СНГ составил в 2019 году 185 000 тонн. Потребление древесного угля увеличилось в почти всех государствах — членах СНГ. Крупнейшим его потребителем в субрегионе СНГ при показателе в 40 000 т (56 %) являлась Российская Федерация. Из стран Северной Америки информацию об объеме производства и потребления древесного угля представили лишь США. Канада производит древесный уголь, но не представляет соответствующих данных. В 2019 году объем производства древесного угля в США составил, согласно оценкам, 852 000 т, а объем потребления — 946 000 тонн.
Древесный уголь в РФ. В таблице 3 приведены обработанные автором данные РАО Бумпрома в объемах экспорта в РФ и импорта из РФ древесного угля и различия в ценах при экспорте и импорте.
Как видно из представленных в таблице данных, объем импорта древесного угля в Россию составляет лишь четверть от объема экспорта, однако и такой объем представляется не обоснованным, особенно учитывая, что цена экспортируемого угля в 2–3 раза ниже цены импортируемого угля. Это еще раз свидетельствует об актуальности темы данной работы.
Таблица 3 – Экспорт в РФ и импорт из РФ древесного угля в 2018–2019 гг.
2018 2019
Направление торговли Объем, тыс. т Стоимость, тыс. $ US Цена, $/т Объем, тыс. т Стоимость, тыс. $ US Цена, $/т
Экспорт 48151 13588 282 55406 17664 318
Импорт 11880 8861 746 13832 45146 657
Объем импорта в % от объема экспорта 24,6 — — 25,0 — —
Экспортная цена, в % от цены импорта — — 38 — — 48,4
Таблица 4 – Элементарный состав и теплотворная способность древесных углей
Род угля и порода древесины C, % H, % Зола, % O+N, % Q найденное, кал Q вычисленное, кал Погрешность вычисления, %
Кучной:
бук белый 92.11 0.78 1.94 5.17 7637 7629 -0.10
клен полевой 90.72 1.18 2.75 5.35 7655 7626 -0.38
береза 90.53 1.89 2.55 5.03 7842 7805 -0.47
бук красный 89.95 1.46 3.21 5.38 7613 7641 +0.37
Печной:
осина 85.92 3.43 2.09 8.56 7853 7855 +0.03
ель 80.85 3.85 1.03 14.27 7556 7562 +0.07
сосна 80.35 3.91 1.11 14.63 7519 7538 +0.25
береза 76.79 3.92 2.09 17.20 7278 7454 -0.33
кедр 76.46 4.44 0.53 18.57 7344 7370 +0.35
Проблемам экологизации производственно-сбытовой цепочки древесного угля в целях смягчения последствий изменения климата и расширения источников средств к существованию местного населения посвящена, как уже указывалось выше, выпущенная ФАО ООН монография «Древесный уголь: переход к эффективному производству». В ней справедливо указывается, что из всей древесины, которая используется как топливо, около 17 % перерабатывается.
Производство древесного угля в ближайшие десятилетия продолжит расти. Сектор производства древесного угля, который в значительной является неформальным сектором экономики, приносит доход более чем 40 млн. человек, но отсутствие регулирования означает, что такое производство поощряет неэффективность, а правительства теряют миллиарды долларов доходов. По имеющимся оценкам, 1–2,4 Гт CO2-экв парниковых газов ежегодно выбрасывается в атмосферу при производстве и использовании древесного топлива и древесного угля, что составляет 2–7 % глобальных антропогенных выбросов. Эти выбросы в значительной степени обусловлены нерациональным управлением лесными ресурсами и неэффективностью производства древесного угля и сжигания топливной древесины.
1.2 топливные брикеты
Утилизация опилок и отходов деревообработки и их брикетирование - это тонкий технологический процесс, способный превратить ваше деревообрабатывающее производство в экологически чистый, безотходный, высокорентабельный бизнес. В связи с ростом потребностей населения в энергетических ресурсах и сокращением природных - применение новых, альтернативных источников энергии должно обеспечить ваши потребности с большей эффективностью и большей отдачей.
Вот уже более десятка лет топливные брикеты из опилок являются популярным и более экономичным топливом и используются во многих странах мира.
Древесные брикеты не включают в себя никаких вредных веществ, в т.ч. клеев. Специально прессованные под большим давлением и при высокой температуре, брикеты имеют форму цилиндра. Топливные брикеты имеют широкое применение и могут использоваться для всех видов топок, котлов центрального отопления, котлов на дерево и пр., отлично горят в каминах, печках, грилях и пр.
Брикетирование отходов, утилизация опилок деревообрабатывающих производств позволяет получить превосходный источник энергии без загрязнения окружающей среды.
Топливный брикет, описание, технические характеристики
Топливные брикеты – это прессованное изделие из высушенных остатков древесины, таких как опил, стружка, щепа, шлифовальная пыль и т.п.
Топливные брикеты - экологически чистый продукт, так как при их производстве не используются никакие добавки. Данный вид топлива обладает уникальными свойствами:
Высокая продолжительность горения (30 минут) и тления (100 минут)
Это означает, что по сравнению с обычными дровами, закладку в печь можно производить реже в три раза. Брикеты горят с минимальным количеством дыма, не стреляют, не искрят. После сгорания брикеты превращаются в уголь, как обычные дрова и, в дальнейшем на них возможно приготовление шашлыков или гриля.
Теплотворность брикетов больше чем у обычных дров и практически равно теплотворности каменного угля.
Во время приготовления шашлыков или гриля при попадании жира на угли брикетов они не воспламеняются, а продолжают тлеть или гореть ровным низким пламенем.
В основе технологии производства древесных топливных брикетов лежит процесс прессования мелко измельченных отходов древесины (опилок) под высоким давлением при нагревании, связующим элементом является ЛЕГНИН, который содержится в клетках растений.
Применяются в качестве топлива: в домах, каминах, печах, саунах, дачах и в других местах, где имеются установки, работающие на твердом топливе.
Благодаря вышеперечисленным качествам, древесные брикеты обладают высокой конкурентоспособностью по сравнению с другими видами топлива. Рынок топливных брикетов растет быстрыми темпами.
Основными потребителями топливных брикетов являются сегодня европейские страны и Япония. Брикеты используются для отопления домов и коттеджей и продаются во всех крупных супермаркетах в упаковках разного объема.
Рисунок 1 – Топливные брикеты цилиндрической формы
1.3 Пеллеты
Топливные гранулы— биотопливо, получаемое из торфа, древесных отходов и отходов сельского хозяйства. Представляет собой цилиндрические гранулы стандартного размера.
Сырьём для производства гранул могут быть торф, балансовая (некачественная) древесина и древесные отходы: кора, опилки, щепа и другие отходы лесозаготовки, а также отходы сельского хозяйства: отходы кукурузы, солома, отходы крупяного производства, лузга подсолнечника и т. д.
Производство гранул началось в 1947 году. Сырьё (опилки, кора и т. д.) поступает в дробилку, где измельчаются до состояния муки. Полученная масса поступает в сушилку, из неё — в пресс-гранулятор, где древесную муку сжимают в гранулы. Сжатие во время прессовки повышает температуру материала, лигнин, содержащийся в древесине размягчается и склеивает частицы в плотные цилиндрики. На производство одной тонны гранул уходит 4—5 кубометров древесных отходов.
Готовые гранулы охлаждают, пакуют в стандартную упаковку 12—40 кг или доставляют потребителю россыпью.
Топливные гранулы — экологически чистое топливо с содержанием золы не более 3 %. При сжигании гранул в атмосферу выбрасывается ровно столько СО2, сколько было поглощено растением во время роста. Однако, если в месте произрастания сырья окружающая среда содержит токсины или радиоактивные вещества, то при сжигании гранул эти вещества могут быть распылены в атмосферу.
Рисунок 2 –Пеллеты цилиндрической формы 6мм
Гранулы менее подвержены самовоспламенению, так как не содержат пыли и спор, которые также могут вызывать аллергическую реакцию у людей.
Гранулы отличаются от обычной древесины высокой сухостью (8—12 % влаги против 30—50 % в дровах) и большей — примерно в полтора раза — плотностью. Эти качества обеспечивают высокую теплотворную способность по сравнению со щепой или дровами — при сгорании тонны гранул выделяется приблизительно 5 тыс. кВт·ч тепла, что в полтора раза больше, чем у обычных дров.
Низкая влажность — это не только преимущество гранул как топлива, но и проблема их производства. Сушка может оказаться одной из основных статей расходов при производстве топливных материалов из отходов деревообработки. Кроме того, в зависимости от производства, сбор, сортировка и очистка сырья также могут повлечь дополнительные затраты. Процесс сушки важно тщательно спланировать, что позволит уменьшить риски, связанные с качеством готовой продукции, её себестоимостью и пожароопасностью производства. Лучшим вариантом является производство биотоплива из сухой стружки.
Одно из важнейших преимуществ гранул — высокая и постоянная насыпная плотность, позволяющая относительно легко транспортировать этот сыпучий продукт на большие расстояния. Благодаря правильной форме, небольшому размеру и однородной консистенции продукта гранулы можно пересыпать через специальные рукава, что позволяет автоматизировать процессы погрузки-разгрузки и также сжигания этого вида топлива.
Качество и вид гранул зависят от сырья и технологии производства. Древесные гранулы с большим содержанием коры обычно имеют тёмный цвет, а гранулы из окорённой древесины — светлый. В процессе производства — например, при сушке — гранулы могут немного «подгореть» и тогда они из белых становятся серыми, хотя это не всегда сказывается на таких потребительских качествах гранул как теплотворная способность, зольность, прочность и истираемость, т. е. образование мелкой пыли при транспортировке за счёт трения гранул друг о друга.
В разных странах приняты различные стандарты производства топливных гранул.
В США действует Standard Regulations & Standards for Pellets in the US: The PFI (pellet). Стандартом разрешено производство гранул двух сортов: «Премиум» и «Стандарт». «Преимум» должен содержать не более 1 % золы, а «Стандарт» не более 3 %. «Премиум» может применяться для отопления любых зданий. На сорт «Премиум» приходится около 95 % производства гранул в США. Сорт «Стандарт» содержит больший объём коры или сельскохозяйственных отходов. Стандарты определяют также плотность, размеры гранул, влажность, содержание пыли и других веществ. В США топливные гранулы не могут быть более 1 ? дюймов в длину, диаметр гранул должен быть в диапазоне от ? дюйма до 5 1/16 дюйма.
В Германии на топливные гранулы принят стандарт DIN 51731.
Длина — не более 5 см, диаметр — от 4 до 10 мм. Влажность не более 12 %, содержание пыли не более 0,5 % и т. д.
В Австрии — стандарт ONORM M 7135.
Великобритания — The British BioGen Code of Practice for biofuel (pellets).
Швейцария — SN 166000.
Швеция — SS 187120.
В России — стандарта на древесные топливные гранулы не было и нет. Производители в России в основном опираются на немецкий DIN+
Древесные гранулы высокого качества (белые и серые) используют для отопления жилых домов путём сжигания в небольших котлах (Гранульные котлы), печах и каминах. Они, как правило, бывают диаметром 6—8 мм и длиной менее 50 мм. В Европе их чаще продают в 16—20 килограммовых мешках.
Спрос на древесные брикеты и гранулы, оборудование для их сжигания и производства растёт пропорционально ценам на такие традиционные виды топлива как нефть и газ. В некоторых странах Европы, где рынок альтернативных источников энергии наиболее развит, гранулами отапливается до 2/3 жилых помещений. Такое широкое распространение объясняется и экологичностью этого вида топлива — при сгорании выбросы CO2 равны поглощению этого газа во время роста дерева, а выбросы NOx и летучих органических компонентов значительно снижены благодаря использованию современных технологий сжигания.
Тёмные гранулы с большим содержанием коры сжигают в котлах большей мощности с целью получения тепла и электроэнергии для населённых пунктов и промышленных предприятий. Тёмные гранулы могут быть большего диаметра. Их продают навалом партиями от двух-трёх тысяч тонн и более.
В начале лета 2010 года Университет Wageningen представил исследование в области биотполива. В ближайшие 25 лет, согласно исследованию, спрос на древесные гранулы увеличится в Европе до 200 млн тонн в год. Через порт Роттердама будет проходить 13-20 млн тонн гранул в год. В июле 2010 г.администрация порта Роттердам объявила о совместном проекте с англо-голландской энергетической биржей APX-ENDEX по созданию биржи биотоплива.
В России производство топливных гранул налажено на 150 предприятиях в разных регионах страны. В 2019 году в России было выпущено порядка 1 млн тонн гранул из древесины и лузги. Большая их часть была экспортирована в Европу. При этом если древесные гранулы в основном покупают скандинавские страны, а также центральная и северная Европа, то российские топливные гранулы из лузги закупают только Великобритания и Польша. Выросло производство и экспорт брикетов. Если в 2018 году, по данным Евростата, было экспортировано порядка 300 тысяч тонн древесных брикетов из России, в 2019 году это число выросло.
1.4 Древесноугольный брикет
Древесно угольный брикет — это предварительно измельченные и спрессованные древесные угли, полученные из древесины, имеющий форму подушечки. При сортировке древесного угля отбирается мелкая фракция, которая тоже может быть использована для производства брикетов.
Брикеты обладают большой механической прочностью, повышенной плотностью, высокой теплотворной способностью. Брикетирование древесноугольной мелочи производится с применением связующих веществ. В качестве связующего вещества применяют каменноугольные и древесные смолы и их пеки, продукты нефтепереработки, продукты переработки растительных материалов и прочие связующие вещества.
Брикетирование древесноугольной мелочи делается с применением связующих веществ. В качестве связующих могут быть использованы продукты тепловой переработки твёрдых топлив и нефтепереработки, продукты переработки растительных материалов - декстрин, крахмал, меласса, лигносульфонаты, талловый пек и др.
Рисунок 3 – Древесноугольные брикеты
Процесс производства древесно-угольных брикетов состоит из следующих стадий: измельчения угля, изготовления брикетной массы, прессования брикетов, сушки их и прокаливания.
Древесноугольная мелочь с угольного склада автотранспортом доставляется к установке, потом элеватором загружается в дисковую или валковую дробилку.
В дробилке древесноугольная мелочь измельчается до фракции наименее 1 мм и шнеком загружается в смеситель, куда одновременно подается связующее - лигносульфонаты, нефтебитумы либо древесная смола, а из водопроводной сети - определенный размер воды.
Полученная брикетная шихта в смесителе перемешивается и поступает на прессование. Сформованные сырые брикеты ленточным конвейером подают в сушилку, обогреваемую дымовыми газами, а потом прокаливают в печи.
Прокаливание брикетов делается теплоносителем, полученным от сжигания неконденсирирующихся газов с присадкой солярового масла в топке-смесителе. В процессе прокаливания брикетов образуются парогазы, которые поступают в конденсатор, где конденсируются и охлаждаются. Приобретенный конденсат возвращается в смеситель на изготовление следующей порции брикетной массы либо направляется на сжигание в топку. В случае использования в качестве связующего древесной смолы конденсат поступает в сборник-отстойник, откуда верхний слой (вода) подается в смеситель на изготовление брикетной консистенции, а нижний (масло) - на сжигание в топку совместно с соляровым маслом.
Брикеты охлаждаются неконденсирующимися газами, получающимися в процессе прокаливания. Прокаленные брикеты охлаждают до 30 °С и транспортируют на склад готовой продукции.
