Технологии изготовления древесных гранул

Подготовка сырья

Операции по подготовке древесины могут быть различными в зависимости от ее вида, за исключением складирования и хранения, которые одинаковы при работе с любым видом сырья. Сырье поступает на предприятие естественной влажности в виде: круглых лесоматериалов; опилок (хранение при положительной температуре не более 30 дней); щепы (хранение при положительной температуре не более шести месяцев); кусковых отходов. Переработка полупродуктов больших диаметров усложняет технологическую схему подготовки сырья. Автоматизация этого процесса сложна и практически не применима. Полная технология по переработке круглых лесоматериалов включает: окорку; раскряжевку и расколку больших диаметров; измельчение; доизмельчение.

Окорка круглых лесоматериалов для получения белых пеллет осуществляется поштучно, при помощи роторных окорочных станков, или методом групповой механической окорки – в окорочных барабанах или бункерах. Раскряжевка и расколка бревен необходимы в том случае, если диаметр окоренного бревна превышает размеры загрузочного окна рубительной машины. Чаще всего общее количество больших диаметров не превышает 5% от объема переработки. Измельчение окоренного сырья производится рубительными машинами. В большинстве случаев используются только два вида рубительных машин: дисковые и барабанные. Измельченное сырье не должно превышать размеров 25х25х5 мм. Если сушильный агрегат не предназначен для работы со щепой либо не обеспечивает необходимые производительность и влажность, щепа доизмельчается в мельницах – молотковых или роторного типа. Размеры частиц древесины, поступающих в пресс, не должны превышать 2–4 мм. Тонкое измельчение сырья позволяет получать пеллеты с более высокой плотностью, увеличивает производительность гранулятора, так как материал легче проходит через матрицу. Однако слишком мелкие частицы могут заклинить гранулятор. Например, высокое содержание частиц размером менее 0,5 мм в диаметре оказывает негативное влияние на трение и приводит к снижению качества пеллет. В мельницу сырье должно заходить с максимальными размерами частиц 25х25х2 мм.

Сушка щепы и опилок

Древесные отходы влажностью выше 15% плохо прессуются, а изготовленные гранулы с повышенной влажностью не обеспечивают качественную работу котлов. Поэтому сырье перед прессованием необходимо высушивать до влажности 8–12%. На предприятиях, как правило, применяются сушилки барабанного и ленточного типов. Выбор типа оборудования определяется видом сырья – щепа или опилки, – а также требованиями к качеству продукции и источником получаемой тепловой энергии. В производстве пеллет сушка – это наиболее энергоемкий процесс. Для сушки опилок расходуется 1 МВт энергии на 1 т произведенных гранул. Для практического расчета можно принимать, что на 1 т гранул требуется теплота сгорания от 0,5 плотного м3 древесины. Поэтому оптимальным решением будет сжигание коры и щепы в котле, обеспечивающем работу сушильной установки.

Сырье с влажностью менее 4% плохо поддается склеиванию при прессовании. Поэтому слишком сухое сырье также плохо. Для этого нужна установка дозирования воды в смесительной емкости. Оптимальный вариант – это шнековые смесители, в которых встроены входы для подачи воды или пара. Это связано с тем, что при гранулировании влажность, присутствующая в фитомассе, облегчает клейстеризацию крахмала, денатурацию белка и солюбилизацию волокон. Биомасса, обработанная паром, обладает лучшими свойствами, так как дополнительная тепловая энергия изменяет физико-химические свойства до такой степени, что связь между частицами значительно повышается. Это приводит к улучшению качества пеллетирования. Влага в биомассе во время процесса пеллетирования действует как связующее и повышает сцепление с помощью сил Ван-дер-Ваальса, из-за этого возрастает площадь контакта между частицами. Увеличение влаги в опилках ели - от 7 до 15% повышает прочность гранул. Для каждого вида древесного сырья оптимальное содержание влаги отличается. Для уплотнения бука влажность должна быть 6-10%, для ели - около 10%, сосны - 6-8%, осины - 10-12%. Повышенная влажность сырья негативно влияет на механические свойства и плотность пеллет. Кроме того, затраты энергии на прессование снижаются с увеличением содержания влаги от 9,5 до 15%. Добавление горячего пара требуется, если прессуются твердые сорта древесины (дуб, бук) или залежалое, некачественное сырье. Для мягких сортов древесины хвойных пород достаточно добавления воды в смесителе. После этого сырье направляется в бункер вызревания, где оно доходит до однородного состояния.

Прессование

Пресс для гранулирования – это один из основных агрегатов производства древесных гранул. Прессы конструктивно различаются по видам матриц. Существует два вида матриц: плоские и круглые. Прессы обеих модификаций работают по одному и тому же принципу. Бегущие катки создают контактное напряжение смятия сырья на матрице и через отверстия в ней продавливают сырье, которое обрезается ножами. Вне зависимости от типа пресса физика гранулирования одинакова. Чтобы оценить пригодность определенного вида сырья к гранулированию, необходимо знать его физические и химические свойства, потому что от них зависит поведение сырья при гранулировании. Это влажность, плотность, пористость, термические свойства древесины. Гранулирование древесины под высоким давлением приводит к механическому взаимному соединению частиц, повышает адгезию между ними, образуя межмолекулярные связи в зоне контакта. В случае гранулирования древесины под высоким давлением в механизме образования связей участвуют силы молекулярного притяжения, когезионные силы, силы притяжения между твердыми частицами и силы взаимного сцепления частиц.

Гранулирование древесины требует создания давления в канале матрицы 8–9 Мпа. В зависимости от свойств древесины необходимо подобрать форму и параметры канала. Нагревание сырья внутри канала матрицы достигает 95-100°С, что делает сырье текучим, а гранулы хорошо спрессованными. Это нужно для увеличения удельной плотности древесины от 400 кг/м3 до 1200 кг/м3. Создание необходимого давления и температуры для гранулирования древесины требует значительных затрат энергии, около 50-110 кВт в час на 1 т готовых гранул.

Главной силой, действующей на биомассу в матрице, является сила трения между ней и стенкой. Выделяют три компонента, которые в сумме определяют общее потребление энергии: сжатие, поток сырья и трение. Каждый раз, когда ролик проходит по поверхности матрицы, фитомасса сжимается и образует временный слой на поверхности пресс-формы (компонент сжатия). Компонент потока представляет собой энергию, необходимую для вхождения сжатого слоя в пресс-канал. Компонент трения определяет энергию для сжатия фитомассы в каналах. Работа, необходимая для трех компонентов, может быть определена экспериментально для различных видов сырья и технологических параметров.

Процесс уплотнения можно разделить на несколько этапов: перегруппировка частиц, упругая и пластическая деформация и упрочнение. Сначала давление нарастает медленно, так как частицы перегруппировываются таким образом, чтобы заполнить пустые пространства. При дальнейшем сжатии частицы находятся в непосредственной близости друг к другу и подвергаются воздействию электростатических сил. Затем прижатые друг к другу частицы проходят стадию упругой пластической деформации с блокировкой волокон. В связи с высокой температурой и давлением происходит размягчение лигнина, улучшается смачивание частиц с молекулярной взаимной диффузией и «запутыванием» полимерных цепей между соседними волокнами. Аморфные полимеры древесного лигнина и гемицеллюлозы «тают» и «текут» из клеток древесины под воздействием температуры и давления. Этот процесс приводит к образованию «сетки зацеплений расплавленных полимеров», которые впоследствии затвердевают с образованием «древесного композита с запутанной сетью волокон».

Размеры матрицы значительно влияют на качество пеллет и расход энергии на сжатие сырья. Соотношение «длина-диаметр» пресс-канала является одним из важных параметров, определяющих величину давления в грануляторе. Диаметр пресс-канала матрицы изменяется в зависимости от требуемого диаметра пеллет, как правило, от 6 до 25 мм. При постоянном количестве подаваемой фитомассы плотность пеллет больше для отверстий матрицы меньшего диаметра при стабильном давлении. Прочность пеллет значительно повышается для матриц с более высоким отношением длины канала матрицы к его диаметру.

Охлаждение обеспечивает получение качественного конечного продукта. Оно нужно для охлаждения гранул, нагретых после прессования до 70-90°С, причем падение температуры должно быть не менее 40-50°С. Как правило, на производствах применяются противоточные охладители. Затем гранулы можно просеивать и упаковывать. Упаковку древесных гранул подразделяют на два вида: в мешках биг-бэг 650-1000 кг, в мешках по 10-20 кг. Первый вид упаковки применяется для промежуточного хранения промышленных гранул, при доставке в порт или непосредственно на ТЭЦ. Мешки для сыпучих продуктов изготавливаются из прочного полимера, требования по качеству снижены, цена также отличается, до 20% ниже. Этот вид упаковки применяется для древесных гранул высокого качества для небольших котлов. Для хранения, перевалки древесных гранул в больших объемах целесообразнее применять открытое хранение в больших ангарах, то есть навалом.

Альтернативные технологии производства гранул

Поскольку сушка и измельчение являются наиболее энергоемкими процессами при производстве пеллет, некоторые альтернативные технологии совмещают эти процессы. Американская компания First American Scientific Corporation разработала установку KDS Micronex (KDS – kinetic drying system), в которой процесс переработки биомассы реализован за счет использования кинетической энергии. Установка работает по схеме «подготовка сырья – KDS – водоподготовка – гранулирование – охлаждение – упаковка» и позволяет исключить предварительное измельчение сырья, его сушку, измельчение сухого сырья. Исходный материал для переработки может иметь относительную влажность до 80%. Сырье через воздушный шлюз попадает в тороидальную камеру, внутри которой со скоростью до 400 м/с вращаются металлические цепи, где оно испытывает значительное центростремительное ускорение и измельчается до размеров 100–3000 мкм. Тепло, выделяющееся за счет кинетического взаимодействия, вызывает испарение части содержащейся в отходах влаги. Влажность готового продукта достигает 5%. Параллельно с измельчением происходит сушка продукта – центробежная сила удаляет влагу с поверхности мате-риала. Кинетическая энергия частиц за счет частых столкновений быстро поднимает температуру в камере до 100°С, что приводит к испарению влаги. Также отпадает необходимость во внешних источниках тепловой энергии.

В 2000 г. были предложены способ и установка для изготовления топливных пеллет, которая содержит этапы обрезки ветви, ее штамповки, раскрой поперек волокон с последующим прессованием отрезков в направлении вдоль волокон. Процесс является достаточно трудоемким и требует сушки для увеличения энергетической плотности топлива. В 1987 г. в США разработали способ, подразумевающий предварительное отделение из отходов древесины негорючих инородных включений, снижающих энергетические характеристики сырья. В 2005 г. европейские исследователи предложили применять вместо матрицы вращающийся барабан, который имеет сетчатую наружную стенку, а также ряд небольших роликов. При вращении ролики, нажимая на биомассу, продавливают ее через сетчатую стенку барабана и формируют пеллеты. При таком способе требуется дополнительный нагрев сырья для активации лигнина, который выступает в качестве связующего.

В 2006 г. российские ученые Олег Струпалев и Игорь Коробецкий из Кемеровского государственного университета разработали и запатентовали способ получения гранул с помощью оригинальной установки. Он включает измельчение угольной мелочи; введение в состав топлива древесных опилок или свекловичного жома; их измельчение в роторно-вальцовой мельнице; смешение 1/3 полученной смеси со связующим и образование зародышевых зерен в турболопастном смесителе. Полученная масса зародышевых зерен и 2/3 части смеси из смесителя направляются в тарельчатый гранулятор. Туда также подается связующее, которое направлялось на образование зародышевых зерен. Готовые гранулы сферической формы размером 15-30 мм сушат и охлаждают в секционной сушилке. При этом способе снижается энергоемкость, упрощается технология, улучшается экологичность и эффективность получения готового продукта.

В 2009 г. Александром Семисаловым был запатентован способ производства пеллет, в котором в качестве сырья используется цельная древесина, экструдируемая под давлением гидропресса. При этом отверстия пластины расположены в вершинах правильных треугольников. Разделение древесины происходит на равные шестигранники при помощи системы параболических зубьев, вершины которых расположены по углам шестигранников на рабочей поверхности матрицы. Уплотнение древесины происходит в конических каналах с углом конусности 20°, а формообразование – продавливанием древесины через отверстия цилиндрической формы. Недостатком этого способа является повышенная влажность продукции, значительно снижающая энергетическую плотность топлива и имеющая высокую вероятность биологических поражений при транспортировке и хранении, а также высокие расходы энергии на прессование массивной древесины.

Обычно древесные гранулы получают прессованием без использования внешних связующих компонентов. Однако известны технологии прессования с применением этих связующих, которые позволяют производить более прочные пеллеты. Связующие вещества также помогают уменьшить износ производственного оборудования и увеличить сопротивление истиранию топлива. Добавление некоторых связующих может привести к увеличению содержания серы в уплотненной биомассе. Также добавки могут улучшать свойства сгорания, например температуру плавления золы, шлакообразование, снижать коррозию топливного оборудования. Добавки могут вводиться в сырье в жидком или твердом виде, чтобы улучшить сцепление между частицами. Распространенной добавкой для пеллет является лигнин.

Известен запатентованный в России в 2013 г. способ получения пеллет, заключающийся в подаче лигнинсодержащего материала с влажностью менее 30% в реактор, где его нагревают до температуры 180-235°C в присутствии пара и выдерживают в течение 1-12 минут для выделения лигнина. Кроме того, в качестве добавок используются парафин, патока, стеарин и целлюлозные волокна, лигносульфонаты или сульфонатные соли, полученные из лигнина на ЦБК, бентонит (коллоидная глина). Лигносульфонаты являются наиболее эффективным и популярным связующим. Общее содержание этого вещества для склеивания частиц по ГОСТ Р 55114-2012 (ЕН 14961–2:2011) не должно превышать 2%. Также используют связующее, которое представляет собой водоросли или воск, устойчивые к фрагментации. Американские исследователи для улучшения энергетических свойств биотоплива предложили повысить эффективность его применения в энергоустановках обогрева бытовых помещений путем добавления частиц угля.

В 2009 г. сотрудниками Воронежского государственного лесотехнического университета им. Г.Ф. Морозова Андреем Сафоновым и Олесей Трещевой был запатентован способ получения твердого биотоплива из древесных отходов, который направлен на снижение нагрузки на прессующую матрицу за счет увеличения коэффициента скольжения между сырьем и полостями матрицы. Для этого в качестве связующего и компонента используется дизельное топливо, добавляемое в соотношении: древесные отходы 99,0-99,9, дизельное топливо 0,1-1,0. Другой способ, предложенный учеными Московского государственного машиностроительного университета Вячеславом Назаровым, Дмитрием Макаренковым и Евгением Баринским в 2013 г., заключается в производстве твердотопливной гранулированной композиции на основе углеродсодержащих компонентов, угольной пыли и коксовой мелочи, растительных отходов, связующего и интенсифицирующего горение компонента.