биотопиво
котлы и печи
база компаний
заказать
как сделать?
статьи
видео
картыКак расширить сырьевую базу для производства топливных гранул
Производство древесных пеллет с добавлением других видов биомассы снижает нагрузку на лесную отрасль, ослабляет конкуренцию между пеллетными и плитными производствами, улучшает экологический баланс. Cмесь разных видов растительной биомассы зачастую повышает качество топливных гранул.
В последние годы в Европе наблюдается устойчивый спрос на пеллеты. Огромную роль в этом играет политика ЕС в отношении климата, в частности, меры по сокращению выбросов парниковых газов в атмосферу. Около 85% мирового рынка потребления пеллет приходится на Европу.
Согласно исследованию консалтинговой компании Future Metrics (США), годовое потребление только так называемых индустриальных гранул для крупных ТЭС составит к 2023 году 21,5 млн т, что почти в два раза больше сегодняшних 12 млн т. Показатель годового потребления гранул премиум-класса ENplus и DIN+ только в ФРГ превысил 2 млн т, а в Италии - 3 млн т.
Подобный резкий рост потребления пеллет в Европе привел как к негативным последствиям для лесного баланса, так и к обострению конкуренции между производителями, использующими древесное сырье в энергетике и изготовлении целого ряда видов продукции, в частности, всевозможных плит (MDF, HDF, ДСП, ДВП, ЦСП и др.), включающих щепу, некоторых видов красок, строительных блоков и кирпича, в технологии производства которых предусмотрены добавки в виде древесных опилок.
Сценарий расширения использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), и биомассы в частности, в ЕС согласно Директиве по ВИЭ Евросоюза и Энергоконцепта 2010 федерального правительства Германии предполагает растущее применение ранее невостребованных различных биоотходов (растительной биомассы) и энергетических растений для генерации тепловой и электрической энергии.
Рассматриваются только те виды биомассы с высокой энергетической плотностью (см. табл. 1), которые не потребуются производителям продуктов питания и другой востребованной на рынке продукции. К ним можно отнести траву, стручки бобовых растений, початки кукурузы, полову риса, шелуху подсолнечника, солому, скорлупу орехов, пустые (невсхожие) зерна, фруктовые косточки, косточки оливок, посадочный материал соевых бобов (стебли и стручки), костру льна, сахарный тростник, камыш, пивную дробину, барду и множество других отходов АПК, пищевые отходы (например, кофейную гущу), древесную биомассу (стволы, ветки, листья, хвою, пни), полученную в результате проведения ландшафтных работ (санитарных рубок вдоль автомобильных и железных дорог, в парках, жилых кварталах и т. п.), а также древесину быстрорастущих плантационных растений (мискантуса, ивы, эвкалипта и др.).
Все перечисленные виды сырья можно применять для производства пеллет и брикетов как отдельно, так и в комбинации с одним или несколькими другими компонентами.
Таблица 1. Свойства разных видов биомассы
В принципе, каждый из вышеперечисленных видов биомассы можно пеллетировать. Проблема в том, что все они по физическим и химическим свойствам отличаются от древесины и содержат хлор, серу, азотные соединения, щелочи. К существенным недостаткам этих видов биомассы, рассматриваемых в качестве сырья для изготовления топливных пеллет, безусловно, относятся большой объем золы, образующейся при сжигании, и главное - низкая температура ее плавления по сравнению с древесной золой.
Все это приводит к зашлаковыванию теплообменных поверхностей котельного оборудования, его коррозии, снижению эффективности работы котла и даже выходу его из строя. Кроме того, отмечается большая эмиссия разных мелкодисперсных твердых частиц в атмосферу.
Найти оптимальный состав смеси
Но при соблюдении определенных пропорций разных видов биомассы в смеси для пеллет можно добиться значительного ослабления действия приведенных отрицательных факторов и повысить качество пеллет. Это было доказано учеными Евросоюза в 2015 году на практике при проведении серии научно-исследовательских работ.
Например, при смешивании растительной биомассы (отходов сельского хозяйства с низкой температурой плавления золы) и древесных отходов (с высокой температурой плавления золы) можно подобрать оптимальный состав для производства пеллет, которые можно будет сжигать в котлах без зашлаковывания топки. Таким же образом можно создать сырье для пеллет с общим низким содержанием серы, щелочи и других вредных компонентов.
Пеллеты из вишни. Турция В пеллеты из смеси разной растительной биомассы для повышения качества можно вводить минеральные добавки. Один из примеров: ученые из Авcтрийского НИИ леса (Institut Holzforschung Austria - HFA) смешали измельченные початки кукурузы, рапс и солому с каолином, бентонитом и угольной золой.
При сжигании пеллет, изготовленных из такой смеси, наблюдалась довольно высокая температура плавления золы, снижение рисков агломерации (спекания) золы и значительное сокращение выбросов мелких взвешенных частиц (пыли) в атмосферу по сравнению с результатами сжигания пеллет без добавления минеральных веществ.
Известны пеллеты, спрессованные из древесных опилок (85-90%) и измельченных в порошок иголок хвойных пород деревьев (10-15%) хвойных иголок (патент Японии); пеллеты из смеси твердых и мягких пород древесины (патент Великобритании).
Пеллеты из акации и тополя. Краснодарский край Основная проблема пеллетирования смеси разных видов биомассы, особенно с примесями, - это быстрый износ матрицы. Его можно замедлить за счет увеличения размеров конуса матричных фильер, то есть увеличения их рабочей площади.
Для определения перспектив рынка древесных пеллет с добавлением других видов растительной биомассы и пеллет без содержания древесины (агропеллет, как их часто называют в России) в Евросоюзе, реализуется специальный проект - EU Projekt MixBioPells, который курирует Немецкий научно-исследовательский центр биомассы (Deutsche Biomasseforschungszentrum - DBFZ). Сжигание подобных пеллет в котлах средней и большой мощности в семи регионах ЕС показали положительные результаты.
Что касается котлов малой мощности, то они обуславливают высокие требования к технологии сжигания гранул из растительной (недревесной) биомассы; такие котлы, как правило, не оборудованы специальными фильтрами, их конструкция не рассчитана на сжигание пеллет по современным дорогостоящим технологиям, так как они предназначены в первую очередь для использования в домашних хозяйствах и их стоимость должна быть приемлемой для потребителя. Важнейшим требованием, которое предъявляет Центр DBFZ к сжиганию альтернативных пеллет - пеллет из смеси древесных отходов и другой биомассы (микспеллет и агропеллет), является соблюдение законодательства, предусматривающего предельно допустимые нормы выбросов в атмосферу СО, соединений азота и пыли.
Учитывается и то, что в 2017 году запланированы новые изменения и дополнения к Technische Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA-Luft, в своб. пер. с нем. - Техническое руководство по поддержанию чистоты воздуха), в котором прописаны все предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих атмосферу веществ. Изменения коснутся в первую очередь всех котлов мощностью больше 1 МВт - требования по ПДК выбросов будут ужесточены, что может создать, по сути, непреодолимый барьер для использования микспеллет и агропеллет, поскольку придется использовать дополнительные дорогостоящие фильтры или модернизировать камеры сгорания котла, что далеко не всегда окажется экономически целесообразным.
Поэтому в среде производителей и потребителей микспеллет и агропеллет растет недовольство, хотя еще есть надежда, что политики найдут компромисс для поддержки рынка подобных пеллет в виде субсидий на приобретение специализированных котлов, фильтров, модернизацию уже работающих котлов или других льгот.
Пеллеты из торфа. ЭНБИМА 
Пеллеты из початков и стеблей с листьями кукурузы
Пеллеты из дубаДревесные пеллеты с добавлением угля и торфа
Одна из главных задач, стоящих перед разработчиками новых технологий производства пеллет, - получить путем утилизации наиболее объемных отходов биомассы пеллеты, которые смогли бы по теплотворной способности конкурировать не только с другими видами древесного топлива, но и с низкокалорийными углями и торфом.
Высококалорийные пеллеты получаются из спрессованной смеси древесных опилок и измельченного (фракция 0,3-1,5 мм) древесного угля с добавлением в качестве связующего водорастворимого кукурузного или рисового крахмала (1-3% суммарной массы смеси). Доля древесных опилок в подобных гранулах колеблется от 65 до 75%. Теплотворность подобных пеллет 20-23 МДж/кг (патент РФ). Эти пеллеты уже могут конкурировать с низкокалорийными углями и торфом.
При использовании опилок и древесного угля указанных выше размеров можно получить пеллеты, прочность которых будет достаточной для сохранности при длительной транспортировке любым видом транспорта с перевалками и подаче в топку котла как механическим способом, так и вручную. Для изготовления подобных гранул можно использовать опилки любых древесных пород, полученные в ходе деревообработки и после измельчения сухостоя, горельника, поваленных деревьев и т. п.
Мелкие частицы древесного угля можно получить путем дробления кускового древесного угля и использовать древесный уголь, собранный после лесных пожаров. При указанном выше процентном соотношении древесных и угольных компонентов теплотворная способность гранул будет всегда не ниже 20 МДж/кг. Предлагаемый способ изготовления пеллет позволит вовлечь в хозяйственный оборот любые отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности и тем самым положительно повлиять на сохранение экологической системы.
В Германии эксперты считают, что в первую очередь для производства микспеллет необходимо использовать древесную биомассу лиственных пород, на которые пока еще не приходится сколько-нибудь ощутимая доля в общем объеме сырьевой базы, используемой на немецких пеллетных заводах (сейчас в основном используется древесина хвойных пород).
Пеллеты из соломы. Китай 
Пеллеты из лузги подсолнечника При гранулировании смеси в определенной пропорции хвойных и лиственных отходов лесопиления и деревообработки можно получать пеллеты, которые по свойствам будут полностью отвечать требованиям сертификации ENplus А1 или А2. В Германии, правда, есть проблема сбыта подобных гранул исключительно из-за их темно-коричневого цвета.
Как автор уже не раз отмечал, немецкому потребителю по каким-то причинам внушили, что качественная гранула должна быть только светлого, чуть ли не идеально белого цвета, а темно-коричневый или серый и даже светло-кофейный цвет якобы указывает на низкое качество гранул за счет высокого содержания в сырье коры, песка и других примесей, якобы приводящих к выходу из строя пеллетного котла.
Абсурдность такого устоявшегося мнения можно легко понять, зная, что в той же Германии древесные топливные брикеты темно-коричневого цвета (из бука и дуба) или вообще черные раскупаются как горячие пирожки. Печально, но у многих производителей высококачественных пеллет, полностью соответствующих требованиям ENplus, есть большие проблемы с их сбытом в Германии только из-за темного цвета.
Правда, появилась надежда, что ситуация изменится, так как в последние годы на западноевропейский рынок из Украины и стран Восточной Европы стали поступать пеллеты темно-коричневого цвета с высокими потребительскими свойствами, изготовленные исключительно из лиственных пород, таких как бук и дуб. Надо отметить, что немецкие разработчики постоянно ищут новые рецептуры для пеллет: так, они спрессовали смесь, состоящую на 80% из хвойных опилок и на 20% - из опилок бука, получив на выходе пеллеты, неотличимые по цвету от пеллет исключительно из хвойной древесины.
Во многих странах, где нет таких жестких, как в Германии, требований к ПДК в выбросах при сжигании топлива, можно использовать пеллеты, которые изготовлены из смеси древесных опилок и частиц угля (каменного или бурого), полученного из отходов при его помоле (угольного штыба); у таких пеллет довольно высокая теплотворная способность, что обеспечивает высокую эффективность выработки тепловой и (или) электрической энергии при сжигании.
Подобные пеллеты, например, запатентованы в США. Есть пеллеты, изготовленные из смеси разных видов растительной биомассы, частиц угля и связующего, в качестве которого используются речные или морские водоросли или воск.
Фасовка пеллет из конского навоза В качестве присадки (связующего) можно добавлять в пеллетную смесь сироп, используемый при изготовлении различных напитков, таких как Coca Cola, с истекшим сроком годности. Сироп обеспечивает хорошее связывание компонентов смеси при их гранулировании, особенно при низком содержании лигнина, а также повышение энергетической плотности конечного продукта - пеллет.
Есть целый ряд других веществ, которые могут с такой же эффективностью использоваться в качестве связующего материала для производства микспеллет: крахмал, рыбий жир, сода, известь, парафин, растительные масла, животный жир, кофейная гуща и даже некоторые пластмассы.
Таблица 2. Сравнительные характеристики древесной щепы и пеллет из различных видов растительной биомассыМногие добавки улучшают механические и (или) эксплуатационные свойства пеллет, например, крахмал облегчает связывание отдельных частиц сырья для формирования прочных спрессованных гранул. Влага в виде пара, применяемого при гранулировании биомассы, также служит в качестве связующего. Многие виды биомассы, в первую очередь древесина, содержат лигнин, который после термической обработки в процессе пеллетирования становится связующим.
Поэтому при пеллетировании древесной биомассы хвойных пород не требуются дополнительные связующие, а, скажем, при производстве пеллет из березовой древесины или соломы, в которых содержание лигнина невысокое, в пеллетную массу часто добавляют крахмал. Дополнительным источником биомассы для производства микспеллет могут служить всевозможные городские отходы, такие как полимеры высокой и низкой плотности, пластмассы.
Из чего еще изготавливают пеллеты
Пеллеты производят из соломы разных злаков, в первую очередь из пшеничной. В качестве топлива солому давно используют в Европе, как и в США, Канаде, Индии, Китае и других странах. Дания - самый крупный в Европе производитель тепловой энергии и электричества на ТЭС путем сжигания тюков соломы, которые пакуются пресс-подборщиками, и гранул и (или) брикетов из соломы; ежегодно в этой стране в энергетике используется более 1,3 млн т соломы. Состав соломы и теплота ее сгорания (13-16 МДж/кг) не очень отличаются от показателей древесины (до 18,4 МДж/кг), хотя теплота сгорания соломы ниже показателя сухой древесины.
С другой стороны, с учетом обычной влажности соломы - ниже 20% - по теплоте сгорания солома превосходит древесную щепу. Солома - воспроизводимый ресурс, и ее использование в качестве топлива позволяет поддерживать баланс двуокиси азота в атмосфере: сколько СО2 выделится при ее сжигании, столько потом будет потреблено в течение следующего лета в ходе роста зерновых. Пеллеты из соломы в Германии широко используются как подстилка в помещениях, где содержатся животные, например, в конюшнях, а также для отопления и сушки зерна в фермерских хозяйствах.
Фермерские котлы мощностью менее 1 МВт подразделяются на установки с периодической и автоматической загрузкой сырья. В настоящее время большая часть котлов с периодической загрузкой предназначена для сжигания средних и крупных тюков соломы. КПД котла с периодической загрузкой 77-82%, содержание СО2 в продуктах сгорания - менее 0,5%. Важное преимущество котлов, в которых сжигаются тюки соломы, перед котлами с непрерывной автоматической подачей соломы - более низкие капитальные затраты на установку и гарантированная надежность при использовании соломы повышенной влажности и загрязненности.
К их достоинствам также относится низкое потребление электроэнергии (около 0,5% тепловой мощности). Солома в Германии по энергетическому потенциалу занимает второе место после древесины (40 млн т соломы в год), из которых 9 млн т можно использовать в энергетике, что позволяет выработать более 36 млн кВт ч электроэнергии. Отличным сырьем для изготовления пеллет оказалась солома рапса. У нее стебли цельные, а не полые, как у многих других зерновых культур, к тому же она выше по калорийности.
В Европе, например, в Италии, часто гранулируют солому в смеси с сеном и растительной биомассой, которая остается после уборки и переработки кукурузы (листья, стебли, початки).
Брикет из выведенных из обращения дензнаков Уже много лет в промышленных масштабах гранулируют лузгу подсолнечника (отходы маслоэкстракционных заводов). По теплотворности (теплота сгорания до 21 МДж/кг) гранулы из лузги подсолнечника сравнимы с бурым углем (менее 24 МДж/кг), а зольность гранул из лузги намного ниже - в среднем 3% (бурых углей - до 40%).
Экологически чистая зола после сжигания гранул из лузги подсолнечника с успехом используется как высококачественное удобрение в земледелии. Один из крупнейших в РФ производителей гранул из лузги подсолнечника - агропромышленная компания «Юг Руси», Ростов-на-Дону.
Гранулы из камыша ничем не уступают гранулам из соломы и приближаются по основным характеристикам к древесным (высшая теплота сгорания - более 19 МДж/кг, зольность в среднем 4%), а себестоимость производства ниже, в первую очередь за счет довольно дешевого сырья (камыша), который можно собирать и одновременно измельчать несколько раз в год с помощью специальных болотоходных уборочных комбайнов-измельчителей. Масштабный проект гранулирования камыша реализуется в Республике Казахстан на побережье Каспийского моря.
Распространены и пеллеты, сырьем для которых служит высушенный до 14-16% фрезерный торф. Технология гранулирования торфа и состав технологического оборудования, за исключением участка предварительной подготовки сырья, идентичны технологии гранулирования древесной биомассы. В СССР торфяная промышленность была очень хорошо развита. Торф широко использовался в качестве топлива, в основном в виде торфяных брикетов. В стране работало много торфобрикетных заводов, но из-за резкого увеличения добычи природного газа на новых месторождениях Западной Сибири, в среднеазиатских советских республиках и повсеместной газификации регионов торфяная отрасль стала приходить в упадок, а развал Советского Союза в 1991 году ее «добил».
В конце ХХ века начал возрождаться интерес к использованию торфа, в том числе и в энергетических целях. Россия располагает большими запасами торфа, который может служить в качестве экологически чистого местного топлива в виде пеллет и брикетов и обеспечить тепло- и электроэнергией многие негазифицированные регионы России.
Производство торфяных гранул и брикетов благодаря значительной сырьевой базе и отличным потребительским свойствам конечного продукта (максимальная теплота сгорания - более 21 МДж/кг) может стать высокорентабельным и масштабным бизнесом в РФ. Впервые торфяные пеллеты начали производить в Европе в 40-х годах прошлого века, но во многих западноевропейских странах (Германии, Австрии, Нидерландах и ряде других), как ни странно, по не совсем понятным причинам торф не считается возобновляемым источником энергии и не попадает в той же Германии в федеральные и региональные программы субсидирования ВИЭ.
А в Скандинавских странах, например, в Финляндии и Швеции, торф считается частично возобновляемым источником и его использование в энергетике поддерживается государством в виде налоговых льгот и других форм поощрения. Торфяные пеллеты из-за высокой зольности (до 5%) используются главным образом в больших коммунальных и промышленных котельных. Но, помимо энергетики, их широко используют как добавку к минеральным удобрениям, как сырье для производства активированного угля, как абсорбент для использования в фильтрах и сбора разлившихся нефтепродуктов и масел.
В России сегодня ведущим производителем торфяных гранул является ЗАО «ЭНБИМА Групп», которое уже более 10 лет успешно использует торфяные гранулы собственного производства в коммунальной энергетике Владимирской области, где было переоборудовано либо построено с нуля более десяти котельных ЖКХ для сжигания торфяных гранул, а с 2011 года - и в Смоленской области. Компания также экспортирует свою продукцию в Скандинавию.
Экзотическими можно назвать пеллеты, изготовленные путем гранулирования измельченной бумаги и картона (макулатуры), помимо невысокой цены они характеризуются большим энергетическим потенциалом и обеспечивают высокую эффективность сжигания.
Макулатуру нет необходимости сушить, наоборот, в процессе производства гранул ее надо увлажнять. Некоторая часть смеси или вся смесь может состоять из вощеной бумаги и картона (с добавлением воска - парафина или пчелиного воска), который наносится тонким слоем с обеих сторон бумаги или насквозь пропитывает ее. В таком случае воск является хорошей связующей добавкой. Известны случаи гранулирования и брикетирования измельченных денежных купюр, выведенных из обращения.
C целью утилизации отходов и получения высокопродуктивных удобрений на многих птицефабриках гранулируют высушенный куриный помет с подстилкой из соломы. У гранул из куриного помета неограниченный срок хранения, они не возгораются и содержат большое количество питательных веществ, которые способствуют росту растений. Их вносят в почву механическим способом. Есть технологии сжигания подобных гранул в специализированных котлах для выработки тепла или когенерации. Закупочные (оптовые) цены на пеллеты из куриного помета в ЕС выше цен на древесные топливные гранулы.
Пеллеты и брикеты из конского навоза, которые используются как удобрение и пользуются в ЕС большой популярностью, в розницу продаются по 1,25 евро/кг или 1250 евро/т, то есть в 4-5 раз дороже древесных гранул.
Набирают популярность пеллеты из быстрорастущих плантационных растений (мискантуса, ивы, эвкалипта и др.). В Германии плантации этих растений, убираемых кормоуборочными комбайнами (идентично уборке силосной кукурузной массы), обеспечивают генерацию до 1 мВт электроэнергии с 1 т полученной биомассы (щепы или гранул). Мискантус имеет сильную корневую систему, которая обеспечивает быстрый рост растений и возможность их ежегодного сбора; его теплотворная способность очень высокая.
Уже много лет целый ряд НИИ во всем мире занимаются разработкой технологий утилизации гидролизного лигнина. В России запасы гидролизного лигнина достигают десятков миллионов тонн и сопоставимы с отходами деревообработки. Примечательно, что у лигнина по сравнению с древесиной большая однородность, к тому же сырьевая база (отвалы вокруг гидролизных заводов) в транспортной доступности.
Отсутствие утилизации лигнина ведет к загрязнению окружающей среды и создает огромные проблемы для экологии. В России введен в эксплуатацию первый в стране завод гранулирования лигнина «Бионет» в г. Онега Архангельской области. Компания входит в группу Газпромбанка, что демонстрирует большой интерес структур Газпрома к проектам в сфере ВИЭ. У гранулы из лигнина теплота сгорания выше 21 МДж/кг, а зольность менее 3%.
Пеллеты из опилок всевозможных фруктовых деревьев используют для получения аромата при приготовлении гриля и копчении мяса и рыбы.
Приведен далеко не полный перечень пеллет из биомассы, так как гранулировать можно многие материалы и вещества. Все описанные пеллеты могут использоваться как топливо для выработки тепловой энергии в системах отопления, для генерации пара в промышленности и когенерации на ТЭС и мини-ТЭС, для совместного сжигания с углем на больших электростанциях и ТЭЦ, в агропромышленном секторе, как удобрение, абсорбирующий наполнитель кошачьих туалетов, подстилка в конюшнях и помещениях для домашних животных, как абсорбент для очистки грунта и водных поверхностей от загрязнения в результате разлива жидких веществ (нефтепродуктов, масел и т. п.).
Производство и использование разных видов пеллет позволяет решить многие проблемы народного хозяйства: утилизировать и перерабатывать широкий спектр отходов, производить возобновляемое экологически чистое биотопливо, получать золу в качестве удобрения. За счет замены ископаемого топлива биотопливом сокращаются выбросы вредных веществ в атмосферу. И еще один важный эффект: создаются новые производства, повышается занятость населения и увеличиваются налоговые поступления в бюджет.
Сергей ПЕРЕДЕРИЙ, Германия,
s.perederi@eko-pellethandel.de
