Біовугілля сучасне уявлення
Є.Ю. Розумов, Ф.В. Назіпова
У Євросоюзі законодавчо обмежено споживання мінерального палива. Відповідно до умов Кіотського протоколу та прийнятих нормативів у багатьох країнах до викидів віднесено не лише шкідливі сполуки, а й вуглекислий газ, якщо він утворюється при згоранні невідновлюваного палива. Багато котелень та електростанцій у Євросоюзі працюють на кам'яному вугіллі. У повітря потрапляють вуглекислий газ та певна частина оксидів фосфору, сірки, азоту. За викиди підприємства штрафують. При цьому заохочується виробництво енергії з використанням відновлюваних ресурсів (спалювання біопалива, використання енергії припливів, вітру, сонця та подібних джерел енергії). Вперше у світі брикетування відходів деревини та вугільного штибу було запропоновано українським винахідником О.П. Вишняковим ще першій половині 19 століття. Брикети він назвав карболеїном. Процес термічного опрацювання був добре вивчений українськими вченими. Ще в 1926 році у книзі «Нариси з хімії деревини» Микола Ігнатович Нікітін описав стадії процесу термічного розпаду деревини та вказав на зміну властивостей деревини залежно від ступеня розкладання. Детально та з балансами ці процеси обговорено у книзі Василя Миколайовича Козлова «Піроліз деревини», виданої 1952 року. Біовугілля - біологічний замінник викопного палива, що міститься в кам'яному куті. Сама ідея описана ще в 1910 р. німецьким хіміком Фрідріхом Бергіусом, проте досі не отримала розвитку через сильну конкуренцію з боку традиційних джерел енергії. Біовугілля може бути зроблений з органічного матеріалу та отриманий у процесі піролізу. В результаті виходить біогаз для енергетичного спалювання, а органіка перетворюється на шматки біовугілля.Будь-який органічний продукт, такий як сільськогосподарська або лісова продукція або їх відходи, можуть використовуватися для біовугілля - відходи лісопереробки, залишки зрізаної трави, гілки плодових дерев та інших садових насаджень і навіть курячий послід. Випал твердої біомаси (англ. - torrefaction) та подальше її гранулювання в пелети; подібна технологія застосовується при випалюванні кавових зерен. Процес випалу був вперше застосований у 1930-і роки у Франції (французьке дієслово torrefier, яке перекладається як «смажитися», в основному використовується для позначення процесу випалу кавових зерен). На відміну від зерен кави, тверда біомаса обпалюється без доступу кисню за температури 200-330 ºC. Торефіковані, або біовугілля (чорні), пелети мають ряд переваг у порівнянні зі звичайними, інакше званими білими. Ці переваги особливо явно виявляються при спільному спалюванні торефікованих пелет та вугілля на теплоелектростанціях (ТЕС). Сучасні енергетики найчастіше спалюють вугілля у формі пилу, що вдметься в топку з повітрям. Сутність задачі, пов'язаної з поняттям «biocoal», зводиться до створення такого виду відновлювального палива, яке можна подрібнювати в пил і спалювати в топках смолоскипного типу - так само, як і вугілля. У різних видів кам'яного вугілля теплотворна здатність від 17 до 29 кДж/кг. Отже, шукане біопаливо має бути не гіршим. Враховуючи, що використання відновлюваного палива заохочується законодавством, біовугілля може бути дещо дорожчим за кам'яне вугілля. Під поняття «біовугілля» підходить матеріал із будь-якої рослинної сировини. Але ні деревина, ні інші рослинні матеріали у вихідному вигляді непридатні для спалювання у вугільних котлах без внесення змін до технології підготовки та спалювання палива. Ці матеріали необхідновисушити і піддати термічній дії для надання крихкості та підвищення теплотворної здатності. Торефіковані пелети мають високу енергопродуктивність (близько 6 мВт·год/т), не вимагають особливого обігу і можуть зберігатися на вулиці. Крім того, витрати на перевезення та перевалку значно менші, ніж у інших видів біопалива, що дозволяє виробництву біовугілля бути рентабельним на значній відстані від кінцевого споживача. У наведеній нижче таблиці представлені характеристики торрефікованих пелет порівняно з показниками інших видів палива.
]Таблиця 1. Характеристика торрефікованих пелет у порівнянні з показниками інших видів палива
Характеристика
Щіпка
Традиційні дерев'яні пелети
Торефіковані пелети (biocoal pellets)
Нижча теплота згоряння (залежно від вологості та виду деревини)
7,4-11,4 МДж/кг (1767-2722 ккал/кг)
17-18 МДж/кг (4059-4298 ккал/кг)
21-22 МДж/кг (5015-5253 ккал/кг)
Енергетична густина, кВт/м 3
Хімічний аналіз біомаси після такого випалу показав, що вона набуває великої теплоти згоряння, енергоємності та покращених порівняно з неторрефікованою біомасою. Процес випалу застосовується до будь-яких видів біомаси.
Таблиця 2. Вплив параметрів процесу торрефікації на склад торрефікованої деревини
Хімічний склад та фізичні характеристики деревини
Деревина верби до торрефікації
Деревина верби після торрефікації, режим - 250°С, 30 хв
Деревина верби після торрефікації, режим - 300°С, 10 хв
Теплота згоряння, МДж/кг
За результатами термодинамічних досліджень процесівторрефікації та газифікації деревини слід, що характеристики торрефікованої деревини безпосередньо залежать від виду деревини, що використовується, тривалості і температури процесу. У табл. 2 наведені результати порівняння характеристик верби до торрефікації і після двох режимах процесу.
Стадії виготовлення пелет.
Весь процес виготовлення гранул умовно можна розбити на шість стадій.
1. Підготовка сировини та її подрібнення. Вся сировина поділяють на 2 групи – чисті деревні відходи та відходи з корою. Даний поділ необхідний для виробництва пелет нижчої якості. Нерівномірні по фракціях відходи - рейки, горбиль дробляться до тирси. Спочатку сировину рубають до тріски, а потім молотковою дробаркою доводять розмір фракції до необхідного розміру. Зазвичай кінцева фракція на даному етапі - це тирса менше 4 мм.
2. Сушіння та торрефікація подрібненої сировини. Перед торрефікацією деревина має бути висушена. Істотну роль швидкості і рівномірності сушіння грає товщина шматка. Неможливо швидко досягти однаково низької вологості всіх шарів товстого поліна. Чим тонший шматок, тим поступово змінюються його властивості при прогріві. Це стосується і наступних стадій термічного впливу на деревину. Тому краще використовувати тріску. Стадія торрефікації зводиться до відщеплення від складних молекул, що становлять деревину, найбільш термолабільних бічних ланцюгів. За даними дослідників (Нікітін Н. І. Хімія деревини та целюлози. М.-Л., 1962), вже при 240 про З повністю руйнуються пентозани, целюлоза втрачає до третини маси, а лігнін майже не руйнується, але помітно полімеризується.
3. Зволоження. Тирса пресується в пелети за рахунок механічного зчеплення і полімеризації деревного лігніну.Останньому потрібна сукупність таких факторів як тиск, температура, вода. Для ефективної роботи перед пресуванням потрібне додавання до подрібненої сировини пари та води. Для тирси хвойних порід потрібна лише вода. Без цього зволоження гранули будуть високої якості, але матриці та валки будуть швидко зношуватися, адже нагрівання та розм'якшення відбувається внаслідок механічного тертя.
4. Гранулювання. Сам гранулятор це основне обладнання для виробництва. Гранулятор складається з мотора, матриці (розрізняють плоскі та барабанного типу), валиків для продавлювання сировини, та ножів для обрізання готових гранул. Можна змінювати діаметр гранул, встановлюючи матрицю із необхідним діаметром отворів. Валики продавлюють підготовлену тирсу через матрицю з отворами і за рахунок механічного тертя нагрівають сировину. По виходу з матриці сформовані пелети остигають, лігнін полімеризується і потім зрізаються автоматичним ножем.
5. Охолодження пелет. У пеллетайзері сировина може нагріватися до 100 ° С тільки за рахунок тертя, тому в процесі виробництва пеллет передбачається їх остигання, де пеллети набувають потрібну твердість.
6. Упаковка. Вироблені гранули фасуються у великі мішки - "біг-беги", які мають ємність 500-1000 кг, або більш споживчу тару - мішки по 15-25 кг. Промислове використання передбачає відпустку пелет насипом у спеціальні бункера. Торефіковані пелети вже називають біо-вугільними і вони мають такі переваги: не вимагають спеціальних сховищ, мають кращі показники спалювання, близькі до вугілля, не гниють, не набухають і не пліснявіють. Торефіковані пелети набувають гідрофобності, тобто здатності відштовхувати вологу та протистояти процесам гниття та бродіння, що дає можливістьзберігати їх навіть просто неба. Оптимальне розміщення пелет при зберіганні на дерев'яних піддонах або дошках. При торрефікації властивості біомаси кардинально змінюються: руйнується структура целюлози, випаровується значна частина вологи, утворюються вільні молекули вуглецю, водню та кисню. По структурі торрефіковані гранули схожі з вугіллям, тому що в ході хімічних процесів у деревині та іншій рослинній біомасі при торрефікації весь вуглець перетворюється на біовугілля (ненасичені вуглеводні), окислюючись і реагуючи з молекулами кисню. Біовугілля має ті ж властивості, що і викопне вугілля, і може без проблем спалюватися разом з ним. Завдяки тому, що в результаті випалу сильно знижується вологість торрефікованих пелет, вони стають крихкими і подрібнюються легше, ніж звичайні пелети. Тому при сумісному спалюванні ТП з вугіллям немає необхідності модернізувати технологічну лінію подачі палива - не потрібно додатково встановлювати пелетні дробарки та окрему систему подачі гранул. Крім того, біовугілля як природна сировина отримана шляхом високотемпературного термохімічного розпаду біомаси рослинного походження за умови відсутності доступу кисню (піроліз). На відміну від вугілля, яке використовується для виробництва тепла, біовугілля, зокрема, застосовується в сільському господарстві як засіб покращення якості ґрунтів. Він сприяє акумуляції поживних речовин у ґрунтах, що особливо важливо в умовах виснажених земель, а також позитивно впливає на чисельність, склад та активність мікроорганізмів у ґрунті, що відповідають за родючість землі та врожайність. Біовугілля здатне утримувати в ґрунті вуглець, що веде до скорочення вмісту вуглекислого газу в атмосфері, і, відповідно, сприяє зменшеннюпарниковий ефект на планеті. Також істотна роль біовугілля у справі збереження вологи в ґрунтах в умовах посухи. Біовугілля не тільки має потенціал для відкриття нових прибуткових ринків у галузі сільського господарства та промисловості, він також надає величезні можливості для захисту ґрунтів та клімату планети.