Состояние и перспективы использования биомассы как возобновляемого источника энергии

Примечание: * Расчет по массе влажного сырья.

** Расчет по массе сухого сырья.

*** Б виде сильно спрессованных брикетов.

**** Сушка проводилась на воздухе в течение 9 мес.

Содержание влаги в древесине и древесной коре колеблется в широких пределах - от 2 до 75 %. Это объясняется не только наличием связанной воды в пористой структуре, но и влиянием времени года, места произрастания, а также способом хранения и транспортировки древесины.

При увеличении влажности топлива значительно снижаются КПД, низшая теплота сгорания топлива, температура в топке котла и его КПД, что замедляет процесс сжигания топлива и существенно увеличивает выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух.

По оценкам скандинавских энергопроизводителей древесные топливные гранулы (ДТг - pellets) эффективнее дров и щепы примерно в 5-6 раз при комплексной оценке их эффективности. Этим, по-видимому, можно объяснить «бум» производства и энергетического использования пеллет (ДТг) в странах ЕС, США, Канаде, а последние три года и в России.

В нашей республике до последнего времени этой тематике не уделялось должного внимания. Системных, глубоких, корректных в необходимом объеме исследований и работ не проводилось. Тем не менее определенные знания, опыт, а также практические заделы в создании технологий, оборудования и производства рафинированного древесного топлива (гранул и брикетов) мы уже имеем. ДТг в сравнительно небольших объемах уже более двух лет на несовершенном, в основном б/у оборудовании, производятся в Республике Беларусь (СООО «ЭКО-ГРАН», СООО «ПРОФИТСИСТЕМ», УП «ИБА» и др.) и успешно экспортируются в страны ЕС.

Основными предпосылками по созданию производства и энергетического использования рафинированного древесного топлива в Республике Беларусь являются:

• киотское соглашение;

• национальные государственные программы по обеспечению энергетической и экологической безопасности, повышения энергоэффективности народного хозяйства, включая утилизацию вторичного и низкопотенциального тепла действующих энергоустановок (тэц, котельных и др.);

• проблемы размещения, переработки и утилизации древесных отходов и побочных продуктов промышленного производства.

Таким образом, наиболее оптимальным, сбалансированным решением задачи максимально эффективного использования энергетического потенциала древесного топлива в Республике Беларусь, поставленной Государственной комплексной программой 2006-2010 гг., утвержденной Указом Президента Республики Беларусь от 25 августа 2005 г., № 399, Целевой государственной программой использования МВТ до 2012 г., утвержденной Постановлением СМ РБ от 30 декабря 2004 г. № 1680, является создание отечественного промышленного производства рафинированного древесного топлива (РДТ), прежде всего древесных топливных гранул, и высокоэффективного теплогенерирующего оборудования для разных потребителей. Использование рафинированных видов древесного топлива и эффективное теплопроизводящее оборудование позволит получить в 2-4 раза больше тепловой энергии из имеющегося потенциала топливной древесины по сравнению с технологиями сжигания, газификации и т. д. первичных видов древесного топлива, таких как дрова, щепа и др.

Древесные брикеты имеют широкое применение и могут использоваться для всех видов топок, котлов центрального отопления, котлов на дерево и пр., отлично горят в каминах и печках, грилях и пр. Теплоотдача брикетов: 4 500 Ккал или 18 МДж.

Положительным аспектом при использовании древесных брикетов в виде топлива является их минимальное влияние на окружающую среду при сгорании по сравнению с классическим твердым топливом при одинаковой теплотворной способности. Так, например, при сгорании бурого угля возникает 40 % золы, а при сгорании древесных брикетов возникает 0,5-1 % золы.

Древесные гранулы (пеллеты) - современный экологически чистый вид топлива, который изготавливают из древесного сырья методом прессования. Котлы и камины на пеллетах используют для отопления дачных домов и коттеджей в любое время года. Их отличает простота установки, несложное подключение к системе отопления и наличие автоматических систем управления режимами работы.

Пеллеты как вид топлива появились сравнительно недавно. Но благодаря натуральности и высоким теплотворным способностям они получили большое распространение в Европе, странах Северной Америки, Японии. Рост их потребления обусловлен возможностью использования гранул на промышленных теплоэлектростанциях и в установках, предназначенных для частного применения. Производят данное топливо из отходов деревообрабатывающей и лесозаготовительной промышленности на специальных линиях без применения каких-либо проклеивающих веществ.

Таким образом, удается решить сразу две проблемы: переработать потенциально пожароопасные отходы и произвести высококалорийное топливо. В готовом виде пеллеты представляют собой цилиндры диаметром 6-10 мм длиной до 50 мм

По причине высокой собственной плотности они прекрасно сохраняют форму во время перевозки и хранения, а поверхностная пленка, образующаяся в процессе производства, препятствует проникновению атмосферной влаги. Хранение даже больших запасов такого теплоносителя не требует особых мер предосторожности и контроля. В отличие от древесной щепы и опилок, зачастую являющихся причиной пожаров, пеллеты не подвержены самовозгоранию, их можно держать в непосредственной близости от жилого помещения. По теплотворной способности древесные гранулы аналогичны углю или 2 кг пеллет заменяют 1 кг дизельного топлива. Учитывая дороговизну традиционных теплоносителей в Европе, можно представить ту выгоду, которую получают частные потребители от использования пеллет.

Преимущества древесных пеллет:

• Древесные пеллеты производят без использования химических закрепителей; по своим тепловым свойствам пеллеты превосходят даже каменный уголь (теплота сгорания пеллет равна 5 кВт-ч на 1 кг), а их экологические характеристики вне конкуренции.

• При сжигании 1 т пеллет достигается КПД до 94 % и выделяется столько тепловой энергии, сколько образуется при сжигании:

1600 кг - древесины 475 м³ - газа

500 л - дизельного топлива 685 л - мазута

• При хранении древесные пеллеты не самовоспламеняются при повышении температуры, т. к. не содержат скрытых пор. Пел-леты не взрывоопасны, в отличии от газа, солярки и т. д. Древесные пеллеты не имеют запаха, в отличии от традиционных видов топлива (газ, солярки и т. д.). Древесные пеллеты не впитывают влагу из воздуха, поэтому их высокая теплотворность не снижается со временем. следовательно, оборудование специальных хранилищ для древесных пеллет не требуется.

• Древесные пеллеты легко поддаются автоматизации за счет хорошей сыпучести, что делает их удобными в использовании в частном секторе, древесные пеллеты могут храниться в непосредственной близости от жилых помещений. Поскольку древесные пеллеты это прессованный материал, обладающий высокой насыпной массой, то они занимают меньше места при транспортировке и хранении, чем другие виды топлива из отходов древесины.

• Древесные пеллеты удобны для транспортировки на большие расстояния и позволяют автоматизировать пеллетные котлы. При сжигании древесных пеллет в специальных котлах не нужно ежедневно удалять золу и добавлять топливо, при этом пыли, сажи или грязи вы не увидите. Да и тепло от сгорания древесных пеллет как производных от древесины воспринимается как более приятное, чем от сжигания газа или солярки.

Пиролиз и газификация биотоплива

Переход Республики Беларусь на локальные системы отопления, которые уже два десятилетия активно внедряются в западноевропейских странах для теплообеспечения производственного и жилого сектора, является наиболее эффективным путем уменьшения затрат и значительной экономии топлива в этой сфере деятельности. Интерес к теплогазогенераторам, работающим на местных видах возобновляемого биотоплива, возник в связи с появлением конструкций, отличающихся экологичностью, пожаробезопасностью и КПД выше 80 %. Можно отметить, что дрова стали рассматриваться как перспективный вид топлива с широким внедрением теплогенераторов, в которых высокий КПД обеспечивается за счет реализации двух процессов: регулируемого замедленного режима горения топлива и дожигания газовой смеси. Соответственно, на рынке появилась новая разновидность твердотопливного оборудования - газогенераторные котлы на древесном топливе. В них используется пиролизное горение. Эти котлы лишены одного из главных преимуществ традиционных теплогенераторов на твердом топливе - независимости от электроэнергии. Однако имеют и многие неоспоримые достоинства: высокий КПД, экологич-ность, возможность управления процессом сжигания топлива. В этих устройствах топливо не разгорается пламенем, а лишь тлеет, и процесс можно активизировать либо «укрощать», изменяя количество подаваемого воздуха.

Газификация древесины давно известна и широко применяется в промышленных установках. В слой тлеющих углей, находящихся в бункере для топлива, вентилятором подается воздух (первичный). В результате образуется горючий генераторный газ, состоящий в основном из СО. Газ проходит через керамическую форсунку, где смешивается с дополнительным (вторичным) воздухом. Газовоздушная смесь воспламеняется в камере сгорания, соприкасаясь с катализатором, при этом сгорают и тяжелые соединения, и частицы сажи. В сравнении с котлами поверхностного горения газогенераторные котлы вырабатывают дымовые газы, практически не содержащие токсичных и иных примесей.

Несмотря на очевидную целесообразность использования растительной биомассы в энергетике, оно сталкивается с проблемами отсутствия совершенных технологий и оборудования для их реализации.

Вопросы логистики и планирования при использовании биомассы

Логистика использования древесной биомассы включает в себя планирование, организацию и материально-техническое снабжение производственного процесса, т. е. управление движением потока древесного топлива от пня до объекта конечного пользования. логистика направлена на повышение оперативности производственного процесса и технической готовности оборудования, используемого в системе поставки древесного топлива.

Основные элементы логистики процесса производства лесного древесного топлива включают:

• управление процессом транспортировки;

• хранение буферных и резервных запасов;

• приемку и погрузочно-разгрузочные операции.

Факторы, учитываемые при разработке логистики.

Большая часть издержек по поставке лесного древесного топлива относится к транспортировке в лесу и по лесовозной дороге. Поэтому главной задачей при разработке схем логистики является обеспечение управления процессом транспортировки. Преобразование биомассы в форму груза, пригодного для транспортировки, с помощью рубительной машины, дробилки или пакетирующей машины также является одним из основных элементов системы логистики, так как щепа перегружается из рубительной машины непосредственно на лесовоз или в контейнер. Зависимость между рубительной машиной и лесовозом является ахиллесовой пятой традиционной технологии. По ряду причин организация крупномасштабного производства лесной древесной щепы представляет собой весьма сложную задачу с точки зрения логистики. Главными причинами являются:

• большое число лесосек, из которых осуществляется отгрузка биомассы. Условия заготовки и хранения древесины на верхнем складе обычно определяются требованиями, предъявляемыми к заготовке деловой древесины, так как биомасса является только низкосортным побочным продуктом промышленных лесозаготовительных операций;

• малые размеры лесосек и низкий выход древесины с лесосеки. Это означает необходимость частого перемещения машин с лесосеки на лесосеку и направления подрядчиков на новые лесосеки, а также является причиной недостаточного использования грузового потенциала лесовозного автотранспорта;

• территориальная разбросанность лесосек. Из-за того, что транспортировка до предприятий заказчиков осуществляется на различные расстояния, постоянно изменяется соотношение показателей производительности выполнения последующих операций производственного процесса. Необходимо также уделить надлежащее внимание таким вопросам, как концентрация лесосек и составление графика движения автотранспорта;

• изменение свойств биомассы. Сырьевая база включает тонкомерные деревья, лесосечные отходы, пни и корни. Каждый источник биомассы может требовать применения специализированных машин, а топливо, получаемое при их переработке, может иметь различные свойства. Необходимо обеспечить однородность свойств полученной щепы;

• изменение характеристик качества. Качество измельченного древесного топлива резко ухудшается во время хранения, в то время как подсушивание и очистка уложенной в кучи неизмельченной и корневой древесины повышает ее качество. Вид и продолжительность хранения должны обеспечивать надлежащее качество щепы;

• малые объемы запасов. В связи с возможностью ухудшения характеристик качества осуществляется хранение малых объемов буферных (межоперационных) запасов щепы. Биомасса, предназначенная для использования зимой в период максимального спроса, хранится на верхнем или нижнем складе в неизмельченном виде;

• смешение различных видов топлива. Щепа редко поставляется в объемах, полностью удовлетворяющих потребности в топливе крупных предприятий. В этом случае может производиться совместное сжигание щепы, например с корой, опилками или торфом. Следует использовать имеющее постоянный состав смешанное топливо, с тем чтобы обеспечить эффективное использование оборудования, полноту сгорания топлива и контроль за выбросами. Также необходимо составить соответствующий график прибытия грузовых автомобилей с топливом.

Заключение

Растительные биомассы считаются одним из наиболее «благородных»  видов топлива и во многих странах рассматриваются, как перспективный источник энергии на ближайшее будущее. Ежегодный воспроизводимый потенциал биомасс оценивается в 10 раз выше мировой добычи полезных ископаемых. При этом, однако, необходимо учитывать, что доступность и экономическая целесообразность использования разных видов биомасс различна [4]. И все же, в конечном счете, при любом способе энергетического использования биомасс как возобновляемых источников энергии: