Повышение эксплуатационной и энергетической эффективности древесного топлива, полученного из отходов деревообработки, возможно за счет их предварительной термической обработки в инертной среде при температуре 250-300°С и последующего гранулирования.
Одно из перспективных направлений эффективного использования древесных отходов – термическое преобразование древесины. Процесс торрефикации заключается в медленном нагреве древесины (скорость нагрева не более 50°С/мин) без доступа кислорода при максимальной температуре 300°С. Торрефикация улучшает свойства древесной биомассы как топлива. На выходе получается твердый однородный продукт с минимальным содержанием влаги и более высоким содержанием энергии по сравнению с первоначальным сырьем. Сохраняется примерно 70% начальной массы и 80-90% энергии, содержащейся в исходной массе. Торрефикат – биотопливо, полученное путем торрефикации. Это могут быть торрефицированные гранулы, брикеты или древесная щепа. По сравнению с обычными пеллетами выход готовой продукции уменьшается, что ведет к повышению ее себестоимости, но при этом энергетическая ценность продукта выше.
Технология производства «черных гранул» известна давно. Однако сегодня в мире существует порядка 10 предприятий, выпускающих торрефицированные гранулы. В основном они находятся в США и Канаде. В Европе действуют всего несколько заводов, самый крупный из которых – в Нидерландах, выпускает около 60 тыс. т гранул в год. В России к 2020 г. планируется запустить несколько заводов в Республике Карелия, Архангельской обл. и Центральной России. В то же время 25 компаний занимаются производством различных типов реакторов для торрефикации. Российских среди них пока нет.
Торрефицированные пеллеты – это обычные пеллеты с улучшенными характеристиками. Их стоимость не высока: если базовая цена обычных пеллет составляет 150 евро за 1 т при теплотворной способности топлива 17 МДж/кг, то торрефикат с теплотворной способностью 22 МДж/кг будет стоить 194,12 евро за 1 т. Торрефицированные пеллеты можно хранить вместе с углем, готовить и подавать на сжигание с помощью оборудования участка топливоподготовки. Для сжигания торрефиката не нужно модернизировать мощности угольных электростанций, а хранение, подготовка и подача в топку такого топлива должны обходиться дешевле, чем в случае традиционного топлива. Это значит, что потенциально производство торрефиката может открыть новые сегменты рынка биотоплива, а также обеспечить приемлемый уровень закупочной цены на биоуголь за счет снижения издержек.
Сырьем для производства торрефицированных пеллет служат отходы деревообработки, растениеводства, а также биомасса из специально выращенных энергетических культур. Теплотворная способность 1 т торрефицированной древесной биомассы составляет 5–5,2 Гкал, а изготовленные из этой биомассы гранулы не боятся влаги. Древесная биомасса состоит из трех основных полимерных структур: целлюлозы (45–55%), гемицеллюлозы (24–30%) и лигнина (20–29%). В процессе торрефикации из древесины извлекается влага, а также летучие вещества, образующиеся в ходе распада гемицеллюлозы и частичного разложения целлюлозы и лигнина. Так как из лигнина и целлюлозы происходит выделение лишь небольшого количества летучих компонентов, торрефицированная древесина сохраняет большую часть своей энергии. Во время торрефикации происходит значительная потеря массы материала (до 20-30%), происходит уплотнение энергии потенциального древесного топлива. В результате получается более пористая биомасса с меньшей объемной плотностью, что позволяет значительно снизить энергетические затраты при пеллетизации по сравнению с процессом получения «обычных» древесных пеллет. Содержание лигнина и жирных насыщенных структур в торрефицированной древесной биомассе позволяет получить гранулы с высокой насыпной плотностью – 750–850 кг/м3.
Отличия торрефицированных пеллет от обычных:
• лучшая энергоемкость, низшая теплота сгорания составляет 20–23 мДж/кг;
• не подвержены биологическим процессам гниения;
• устойчивы к поглощению влаги, не требуют специальных условий хранения;
• нет жестких требований к размеру, качеству и влажности древесного сырья
Промышленное производство торрефицированных пеллет сдерживает несколько факторов. При некорректном управлении процессом и несовершенной технологии легко перейти из стадии торрефикации в стадию глубокого пиролиза. Если выход торрефиката составляет 60-70%, то неточное управление процессом приведет к падению выхода вдвое. Температурный режим на установках для торрефикации надо выдерживать намного строже, чем при углежжении. Требуется автоматизированное управление процессом и использование иных источников теплоносителя. При всех своих преимуществах процесс торрефикации древесины является дополнительной операцией для производства гранул, требующей дополнительной энергии, и ведет к удорожанию конечного продукта. Разные размеры частиц древесины и их различная влажность могут привести к неравномерной карбонизации древесины, так как теплопередача будет неравномерна. Самые мелкие фракции превратятся в уголь, в то время как крупные еще не будут полностью подвержены торрефикации.
Лигнин в биомассе – основной связующий элемент. Более высокое содержание лигнина улучшает связывание материала и условия прессования.
Процесс торрефикации древесины – предпиролиз – представляет собой начальный этап технологического процесса пиролиза древесины, который, в свою очередь, также может быть разбит на следующие этапы: нагрев древесного сырья; испарение остаточной влаги; дальнейший разогрев до начала термического разложения материала древесины; эндотермическое разложение древесины с образованием летучих и жидких продуктов разложения; дополнительный разогрев древесного сырья и экзотермическое разложение древесины; прокаливание образовавшегося древесного угля.
Технологический процесс торрефикации древесины включает первые четыре этапа пиролиза и заканчивается с завершением эндотермических реакций разложения древесины. Предварительно подсушенное в сушилках до влажности 8–10% древесное сырье поступает в торрефикатор, где происходит окончательное удаление влаги. Этап сушки древесины заканчивается при температуре около 120°С, влага из древесины удаляется полностью, химический состав ее остается неизменным, а образования летучих продуктов не происходит. При дальнейшем повышении температуры древесины начинается следующий этап распада. При температуре около 180°С в поверхностных древесных слоях начинается реакция пиролиза. На этом этапе происходит эндотермический распад первичного разложения менее термостойких компонентов древесины и выделение реакционной воды, углекислоты и других продуктов. При этом начинает изменяться компонентный состав древесины. При температуре выше 250°С начинается бурный распад древесины с образованием основной массы продуктов разложения. Под влиянием конвекции летучие вещества начинают двигаться наружу, создавая охлаждающий эффект за счет теплообмена в наружных слоях, где температура выше. Древесина становится более пористой.
Технология и оборудование для торрефикации и гранулирования древесных отходов находятся еще в стадии доработки. До сих пор отсутствуют стандарты на торрефицированные пеллеты, а их качество варьируется как от завода к заводу, так и в течение времени на одном и том же заводе.
В Северном (Арктическом) федеральном университете имени М.В. Ломоносова были проведены теоретические и экспериментальные исследования с целью совершенствования технологий торрефикации мягких древесных отходов и гранулирования мелкодисперсной торрефицированной древесины. В результате были получены графические и аналитические зависимости изменения массы торрефицированной измельченной древесины от продолжительности процесса торрефикации при фиксированных температурах. Температура процесса торрефикации существенно влияет на изменение массы торрефицированной древесины. Чем ниже температура, тем медленнее протекает процесс торрефикации. Так, при температуре процесса торрефикации 250°С за максимальный промежуток времени 240 минут не удалось достичь планируемого выхода 70%, массовый выход торрефицированной древесины составил 77,65% от исходного материала. При температуре 270°С за 120 минут массовый выход составил 71,81%, за 150 минут – 68,08%. При температуре 290°С скорость протекания процесса высокая, за 90 минут массовый выход торрефиката составил 59,38%. При нарушении режима охлаждения торрефиката, полученного при этой температуре, возникает риск самовозгорания. В процессе торрефикации происходит изменение окраски древесины от коричневого до черного в зависимости от продолжительности процесса торрефикации.
На изменение массы торрефицированной древесины влияют размер фракции древесных опилок, толщина слоя древесного материала, технологическая влажность. С увеличением продолжительности процесса выход торрефицированной древесины падает. Интенсификация процесса торрефикации древесины происходит с увеличением продолжительности процесса и уменьшением толщины слоя и размера фракции древесного материала. Наибольшее влияние на результат оказывает совместное влияние продолжительности процесса и размера фракции. В результате термического разложения мягких древесных отходов получается диспергированный материал с повышенным содержанием углерода, высокой удельной теплотой сгорания, пониженными сорбционными свойствами. При температуре процесса 270°С и продолжительности 120 минут содержание углерода увеличилось на 9,8%. Удельная теплота сгорания при тех же условиях на 4,1 мДж/кг больше по сравнению с исходным древесным материалом.
Повышение энергетической эффективности древесного топлива из мягких отходов деревообработки может быть обеспечено путем его насыщения углеродом. В этом случае мягкие древесные отходы в виде опилок складируются на накопительной площадке или в бункере, откуда без предварительной сортировки конвейером или автопогрузчиком загружаются в сушильную камеру периодического или проходного типа. Для сушки древесных опилок наиболее эффективно использовать сушильные камеры с взвешенным кипящим слоем. В таких камерах значительно увеличивается поверхность контакта между частицами материала и сушильным агентом, в результате уменьшается продолжительность сушки. При этом необходимо обеспечить равномерную циркуляцию агента сушки через материал. Агентом сушки является нагретый воздух или топочный газ, который проходит через материал, рециркулирует и удаляется вместе с влагой без рекуперации. Сушка проводится до влажности 8-10%.
Также могут быть применены сушильные камеры барабанного или аэрофонтанного типа. Из сушильной камеры шнековым транспортером подсушенный материал подается в реактор, где при температуре 270°С в инертной среде происходит эндетермическая реакция первичного разложения древесины. Процесс торрефикации основан на принципах высокотемпературной тепловой сушки. В мировой практике известно несколько запатентованных методов получения древесного торрефиката. Основное их отличие – применяемое оборудование. Выделяют две принципиальные схемы нагрева биомассы: контактный и бесконтактный.
Выбор реактора для процесса торрефикации должен удовлетворять следующим требованиям:
• способность интеграции тепловой энергии установки и энергии рециркуляции выделенного в процессе тепла;
• обеспечение равномерного нагрева древесного материала;
• развитие высокой скорости равномерного нагрева;
• возможность контроля массового выхода материала;
• способность обрабатывать сырье различных фракций;
• обеспечение большой вместимости.
Для повышения эффективности процесса выделяющееся при модификации древесины тепло используется на нагрев агента сушильной камеры или реактора. Полученный в результате термической обработки продукт, представляющий собой науглероженную древесную массу темного цвета, поступает в зону охлаждения, без доступа кислорода воздуха во избежание самовозгорания. Охлажденный материал подается в молотковую мельницу для измельчения до порошкообразного состояния с размером фракции 0,1 мм. Древесная торрефицированная мука пропускается через систему сортировочных сит с отделением и возвратом крупных частиц на повторное измельчение. Далее древесный торрефикат поступает в камеру кондиционирования для размягчения лигнина, который выступает в качестве связующего вещества при термомеханическом гранулировании древесины, обеспечения механической прочности гранул. В камере осуществляется увлажнение шихты до технологической влажности 20-30% и ее нагрев до температуры 120–180°С. Некорректное кондиционирование может привести к снижению прочностных свойств готовых гранул. Кондиционированная торрефицированная масса подается в пресс-гранулятор.
Готовые гранулы после охлаждения фасуются в мягкие контейнеры или складируются в силосах. Путем гранулирования торрефицированной древесины возможно получение древесного топлива с повышенной плотностью материала до 1,3 г/см3. Соответственно возрастает и насыпная плотность торрефицированного гранулированного топлива. Для получения качественных пеллет из торрефицированной древесины рекомендованы следующие параметры пресса и показатели процесса: угол при вершине конического канала матрицы – 30°; температура прогрева древесной шихты – 120-180°С; влажность древесной шихты – 20-30%.
Во время хранения в условиях повышенных температуры и влажности в древесных пеллетах происходят реакции химического окисления и микробиологическая активность, что ведет к образованию угарного и углекислого газов, самонагреванию. Так, например, при хранении древесных пеллет при температуре 50°С концентрация угарного газа достигает 1,7%, а углекислого – 6%. Торрефицированные гранулы являются гидрофобными, поглощение влаги ими незначительно. Большое количество химически и микробиологически активных твердых, жидких и газообразных продуктов удалено в процессе повышения температуры. Поэтому во время хранения торрефицированные гранулы выделяют незначительное количество угарного и углекислого газов.
Комментарии