Твердое биотопливо: требования, свойства и технология

Сегодня для всех агропредприятий приоритетом является поиск дешевой биосырья, новых технологических решений и создание необходимой инфраструктуры для выращивания и переработки биомассы с помощью химических и биологических процессов, термоконверсии, биоконверсии в различные виды биотоплива: жидкие, газообразные и твердые. Для этого в нашем государстве есть все необходимые предпосылки, особенно почвенно-климатические, обеспечивающие выращивание энергетических культур с высокой урожайностью биомассы.

Топливные гранулы или брикеты?

Общеизвестно, что использование растительной биомассы на энергетические цели с экономической точки зрения способствует сбережению сырьевых и энергетических ресурсов, экономической - снижает загрязнение окружающей среды, социальной - создает новые предприятия с дополнительными рабочими местами, способствует повышению уровня занятости населения.

Однако для получения максимальной экономической отдачи при использовании растительной биомассы необходимо обеспечить повышение теплотворной способности (удельной теплоты сгорания) твердого биотоплива и удобство транспортировки (подачи) до тепловых установок (котлов), управляемость процессом горения. Поэтому переработку растительной биомассы осуществляют путем гранулирования или брикетирования, в результате получают конечный продукт переработки в соответствии топливные гранулы или брикеты:

топливные гранулы - это спрессованные частицы растительного происхождения, имеющие форму цилиндров максимального диаметра до 25 мм и длиной от 10 до 50 мм, топливные гранулы могут быть изготовлены из древесины, торфа, травы, лузги, соломы, угольной пыли и многих других видов растительного сырья, а также их смесей

топливные брикеты - спрессованные изделия цилиндрической, прямоугольной или любой другой формы, длиной 100-300 мм, которая не должна превышать пять раз их диаметр, который больше, чем 25 мм, и обычно составляет в пределах от 60 до 75 мм.

Преимущества очевидны

Топливные гранулы имеют значительные преимущества по сравнению с традиционными видами топлива, так для их производства расходуется около 3% энергии, при этом при производстве нефти эти энергозатраты составляют около 10%, а при производстве электроэнергии - 60%, их теплотворная способность составляет в пределах от 4 , 5 до 5,0 кВт / кг, что в 1,5 раза больше, чем в обычной древесины и угля. При сжигании 2000 кг топливных гранул выделяется столько же тепловой энергии, как и при сжигании: 3200 кг древесины, 957 м3 газа, 1000 л дизельного топлива, 1370 л мазута. Горение топливных гранул в топке котла происходит более эффективно - количество остатков (золы) не превышает между от 0,5 до 1,0% от общего объема использованного топлива. При сжигании топливные гранулы не влияют на окружающую среду.

Рассмотрим сравнительную характеристику различных видов топлива и продуктов их переработки по содержанию основных элементов, (серы, золы, углекислого газа) приведенную в таблице 1.


Таблица 1. Сравнительная характеристика различных видов топлива

Благодаря преимуществам биотоплива, а также анализируя значения, представленные в таблице 1, следует отметить, что топливные гранулы (брикеты) имеют высокую конкурентоспособность по сравнению с другими видами традиционного топлива. Цены на биотоплива не зависят от скачков цен на ископаемые виды топлива и на экологические налоги, увеличиваются.

Сырье для гранул и их хранения

Для получения качественных топливных гранул необходимо использовать качественное оборудование, четко придерживаться технологии производства и использовать качественное сырье. По сырья, то она не должна быть старой (лежалой), так как она хуже дробленый, и топливные гранулы выходят с меньшей энергетической ценностью; не содержать остатков почвы, камней и других неорганических включений, поскольку получим, кроме ухудшения качества исходного продукта, еще и выход из строя оборудования; а также влажность сырья перед прессованием должно быть в пределах 12-14%, так как при большей влажности топливные гранулы получаются менее прочными, и остаточная влажность после охлаждения может быть выше нормы, в таких гранул меньше энергетическая ценность и, соответственно, цена.

После изготовления качество топливных гранул необходимо сохранить, с этой целью необходимо: исключить возможность попадания в них влаги; свести к минимуму деформирующие нагрузки.

Лучше топливные гранулы хранить в закрытых мешках. Внешний вид топливных гранул с высокими показателями качества должно быть: поверхность блестящей, гладкой, без трещин и вздутий; цвет не должен быть серым; запах - легкий сладковатый запах клея.

Стандарты на твердое биотопливо на экспорт

Топливные гранулы являются стандартизированным видом биотоплива, однако в разных странах приняты различные стандарты производства топливных гранул. Однако до настоящего времени не установлена ??украинского стандарта на топливные гранулы, кроме проекта ДСТУ «Брикеты и гранулы топливные. Технические условия. Часть 1. Брикеты и гранулы топливные из древесного сырья », разработанного в Национальном университете биоресурсов и природопользования Украины в 2011
 
Единого Европейского стандарта на топливные гранулы пока не существует, поэтому ниже приводятся названия некоторых существующих национальных стандартов: Австрия - ONORM M 7 135 Austrian Association pellets (briquettes and pellets) Англия - The British BioGen Code of Practice for biofuel (pellets) Германия - DIN 51731 (briquettes and pellets) США - Standard Regulations & Standards for Pellets in the US: The PFI (pellet) Швейцария - SN 166000 (briquettes and pellets) Швеция - SS 187120 (pellets). В таблице 2 приводим показатели качества топливных гранул по требованиям сертификатов стран Европы. Кстати, все действующие стандарты к твердому биотопливу регламентируют такой параметр, как зольность, на который основное влияние оказывает наличие в исходном сырье коры, веток и других включений.
 

Примечание: "не" - значит: сведения отсутствуют, значение не определено или отсутствует их величина и др., твердое биотопливо должно соответствовать вышеуказанным требованиям.
 
Топливные гранулы высокого качества (белые и серые) используют для отопления жилых домов путем сжигания в небольших котлах, печах и каминах. Они, как правило, бывают диаметром 6-8 мм и длиной менее 50 мм. В Европе их чаще упаковывают в мешки весом от 16 до 20 кг.
 
Однако на сегодня в Украине не существует стандартов на топливные гранулы, поэтому большинство производителей ориентируются на западноевропейские стандарты, которые отличаются от страны к стране или изобретают свои ТУ. Кроме того, существующие западноевропейские стандарты время включают в себя не только стандарт на сами топливные гранулы, а также стандарты на их производство, хранение и транспортировку.
 
С целью создания конкурентоспособной энергетической продукции отечественного производства и выхода на Европейский рынок необходимо ввести производство твердого биотоплива в соответствии с требованиями тех стран, где эта продукция будет реализовываться. Однако, учитывая диапазон изменения значений показателей качества твердотопливной продукции, необходимо соблюдать «жестких» требований по указанной продукции, разработанных на основе сертификатов стран Европы, поэтому в таблице 2 разработаны и предложены к использованию проект нормативных значений требований к твердотопливной продукции (топливных гранул), использование которых позволит реализовывать продукцию в любой из стран Европы, поскольку они учитывают минимальные нормативные значения действующих требований к твердого биотоплива.
 
Основные характеристики топливных гранул

Как уже отмечалось ранее, в соответствии с требованиями топливные гранулы - это прессованные цилиндры из растительной биомассы, диаметром до 25 мм, однако наибольшее распространение получили топливные гранулы диаметром в пределах от 6 до 10 мм. Приобретенная цилиндрическая форма топливных гранул обеспечивает им сыпучесть и позволяет использовать все известные способы автоматизации в подающих устройствах котельных. Именно благодаря этим геометрическим характеристикам топливные гранулы стали основным видом прессованного топлива в Европе.
 
Если физико-геометрические характеристики топливных гранул определяются параметрами оборудования по их производству, то химические зависят от свойств исходного сырья. В процессе прессования не допускается использование посторонних материалов, таких как клей и пластмассы.
 
Обычно топливные гранулы бело-желтого цвета изготавливаются из отходов мебельного производства, топливные гранулы с добавлением коричневых вкраплений изготавливают из сырья с добавлением коры, черную - шелуха подсолнечника, коричневые - шелуха из гречки, желтые - соломы злаковых культур и др. (рис. 1).
 
Однако цвет топливных гранул не является критерием качества. По их цвету можно определить, какое сырье использовалось, как происходил процесс гранулирования и как топливные гранулы хранились, но о качестве самих топливных гранул цвет скажет мало.
 
Еще одной характеристикой топливных гранул является количество выделенной тепловой энергии. Часто такой показатель является основным при формировании стоимости на этот вид топлива.
 
Топливные гранулы всегда тонут в воде, и хорошие, и плохие, поскольку плотность топливных гранул более 1 кг / дм3. Не является критерием оценки запах топливных гранул, за исключением посторонних запахов, указывающие на применение химических связующих или неправильного хранения.
 
Проведя анализ литературных источников и критерии оценки продукции твердотопливного производства, было установлено, что наиболее важными параметрами, которые характеризуют, а следовательно, и устанавливают параметры топливных гранул являются: габаритные размеры (диаметр и средняя длина), теплотворная способность (теплота сгорания), зольность, содержание влаги, удельная плотность, насыпная плотность, содержание химических элементов (хлор, азот, сера и др.), содержание других компонентов и примесей. Рассмотрим каждый параметр, которых характеризует твердое биотопливо, отдельно.

Диаметр и средняя длина
Поскольку топливные брикеты имеют более широкое применение и не требуют специальных установок для их сжигания (является альтернативой дровам), то соответственно их диаметр и длина зависят от требований конечного потребителя (длина, как правило, принимается равной пятикратному значению диаметра).

Для топливных гранул приняты жесткие требования к размерам, чем в топливных брикетов. Это связано с применением их в топливных котлах с автоматизированной системой подачи (шнеками, транспортерами и др.), А потому наиболее распространены есть диаметры топливных гранул в пределах от 6 до 8 мм.
 
Теплота сгорания
Теплотой сгорания биомассы называется количество тепла, выделяемого при сгорании 1 кг вещества. Различают высшую и низшую теплоту сгорания.
 
Высшая теплота сгорания - это количество тепла, выделившееся при сгорании 1 кг биомассы при полной конденсации всех паров воды, образовавшихся при горении, с отдачей ними тепла, затраченного на их испарения (так называемой скрытой теплоты парообразования).
 
Низшая теплота сгорания - количество тепла, выделившееся при сгорании 1 кг биомассы, без учета тепла, затраченного на испарение влаги, образовавшейся при сгорании этого топлива.
 
Процесс измерения теплоты сгорания биотоплива проводится в так называемой «калориметрической бомбе» в специализированных лабораториях. Теплоту сгорания измеряют обычно в МДж / кг или кДж / кг, причем за основу может быть принята масса влажного, сухого или сухого беззольного топлива. Обусловлена ??большинством стандартов теплота сгорания топливных гранул составляет в пределах 18 ± 1 МДж / кг, в зависимости от сырья, из которого они изготовлены.
 
Зола (зольность)
Зольностью называют содержание минеральных веществ в топливе, которые остаются после полного сгорания всей горючей массы. Зола является нежелательной частью топлива, так как снижает содержание горючих элементов и затрудняет эксплуатацию топочных устройств. При проведении анализов содержание золы подсчитывается на сухую массу топлива.
 
Содержание золы в топливных гранулах составляет, согласно стандарту европейских стран, менее 1,5%. Следует отметить, что при сжигании в промышленных установках с автоматическим золоудаления, зольность топливных гранул не имеет большого значения.
 
Содержание влаги
Влажность биомассы - это количественная характеристика, показывающая содержание в биомассе влаги. Различают абсолютную и относительную влажность биомассы.
 
Абсолютной влажностью называют отношение массы влаги к массе сухого сырья.
 
Относительной или рабочей влажностью называют отношение массы влаги к массе влажного сырья.
 
Влажность влияет на теплотворность биотоплива. Низкое содержание влаги гарантирует постоянную эффективность сжигания.
 
Влажность существенно влияет на качество топливных гранул, так, при влажности сырья более 14% уменьшается плотность гранул и в результате испарения влаги в них возникают трещины, снижающие их прочность.
 
Удельная плотность
Удельная плотность качественных топливных гранул составляет в пределах от 1 до 1,4 кг / дм3, и меняется в зависимости от вида сырья, из которого изготовлен конечный продукт.
 
Насыпная плотность
Насыпная плотность - это соотношение между весом топливных гранул и количеством занимаемого пространства. При гранулировании биомассы насыпная плотность продукции увеличивается с 100 до 650 кг / м3.
 
Например, качественные брикеты имеют насыпную плотность не менее 650 кг / м3. Плотность является основным фактором, определяющим механическую прочность, водостойкость и калорийность топливных гранул. Чем плотнее топливные гранулы, тем выше показатели их качества. Например, при плотности гранул в пределах от 650 до 750 кг / м3 калорийность их составляет от 12 до 14 МДж / кг, а при плотности от 1200 до 1300 кг / м3-25-31 МДж / кг.
 
Хлор
Хлор является в древесине лишь в небольших количествах. Низкое содержание хлора свидетельствует о том, что брикеты изготовлены из чистого сырья. Высокое содержание хлора в дымовых газах может привести к коррозии металлических поверхностей топливных систем.
 
Азот
Низкое содержание азота свидетельствует о том, что топливные брикеты были сделаны из экологически чистого сырья. Высокий уровень азота в дымовых газах может привести к коррозии металлических поверхностей топливных систем.
 
Сера
Низкое содержание серы говорит о том, что топливные брикеты были сделаны из чистого сырья. Высокий уровень серы в дымовых газах может привести к коррозии топливного оборудования.
 
Добавки (примеси)
Добавки используются как связующие элементы. При использовании качественной технологии и качественного сырья с достаточно низким содержанием влаги в прессованное топливо не добавляется никаких добавок.
 
Как отмечалось ранее, процесс производства твердого биотоплива, в т.ч. топливных гранул, требует постоянного и своевременного контроля параметров выходной продукции. В производственных условиях не всегда возможно соблюдение необходимых параметров конечной продукции из-за ряда факторов: неоднородность свойств исходного сырья, нестабильность процесса производства продукции и др. Однако именно благодаря соответствию конечной продукции, в этом случае топливных гранул, заданным параметрам качества и определяет их стоимость и конечного потребителя.
 
В таблице 3 рассмотрим характеристики топливных гранул отечественного производства и соответствие их нормативным значениям сертификатов стран Европы.
 
Таблица 3. Характеристика качества образцов твердотопливных производств Украины

 
На качество топливных гранул существенно влияют влажность, степень измельчения и физико-химические свойства сырья. При влажности сырья более 14% уменьшается плотность гранул и в результате испарения влаги в гранулах возникают трещины, снижающие их прочность. С уменьшением размеров частиц биомассы до 2 мм качество топливных изделий растет. Однако существует спорная мысль, что мелкая биомасса способствует износу матриц.
 
Как свидетельствуют результаты производственной проверки, приведенные в таблице 3, во всех приведенных пробах содержание влаги не превышает 10%, что является фактором отсутствия разрушения топливных гранул в процессе их погрузки и транспортировки.
 
Темные топливные гранулы с большим содержанием коры или других примесей сжигают в котлах большей мощности с целью получения тепла и электроэнергии для населенных пунктов и промышленных предприятий. Темные топливные гранулы могут быть большего диаметра.
 
По содержанию общей серы в товарной продукции отечественные производители выдерживают требования (менее 0,04%). Теплота сгорания твердого биотоплива также превышает нормативные значения европейских стандартов на уровне не ниже 18 МДж / кг.
 
Нормированная европейским стандартам величина зольности (0,5%) практически недостижима для отечественных производителей, только пробы топливных гранул, изготовленные из опилок хвойных пород, дуба, бука, осины и др. выдерживают требования стандартов DIN 51731 и DIN plus, и имеют значение в пределах от 0,33 до 0,9%. К сожалению, топливные гранулы, изготовленные из лузги подсолнечника и соломы, имеют сверхурочные значение зольности, соответственно до 2,6 и до 8%, что и снижает их показатели качества и использования для котельных (тепло- и электростанций).
 
Технология производства топливных гранул из растительной биомассы сельхозкультур
На основе аналитического обзора литературных источников и изучение элементов технологии производства твердого биотоплива из соломы сельскохозяйственных культур были определены основные технологические операции по производству твердого биотоплива (топливных гранул) из растительной биомассы сельскохозяйственных культур по следующей схеме: большое измельчения, сушки, мелкое измельчение, увлажнение, прессование , охлаждения, фасовки. Розлянемо подробно основные элементы технологии производства твердого биотоплива (топливных гранул):
 
    большое измельчения:

с целью дальнейшего использования (переработки) тюки или рулоны соломы укладывают на планчасти подвижные транспортеры и подают их по мере загрузки в дробилки. Большие дробилки измельчают сырье для дальнейшего сушки. Процесс измельчения должен дойти до размеров частиц не более 10 мм. Большое измельчения позволяет быстро и качественно подготовить сырье для сушки и к дальнейшему измельчения в мелкой дробилке.
 
    сушка:

обычно солому хранят в виде тюков или рулонов на открытых площадках, однако под действием атмосферного влияния начальные значеня влажности соломы могут меняться, что будет негативно влиять на процесс ее измельчения. Отходы с влажностью более 15% плохо прессуются особенно прессами с круглыми матрицами. Кроме этого, изготовленные топливные гранулы с повышенной влажностью не имеют соответствующих параметров качества. Поэтому сырье перед прессованием должна иметь влажность в пределах вд 8 до 12%. Для получения качественного продукта влажность должна составлять 10 ± 1%.
 
Для доказательства влажности сырья до нормативных значений используют сушилки барабанного или ленточного типа. Выбор типа сушилки определяется видом сырья, требованиями к качеству продукции и источником получаемой тепловой энергии. В технологическом процессе производства твердого биотоплива сушка является наиболее энергоемким процессом.
 
    мелкое измельчения:

согласно технологическим требованиям для прессования сырье должно поступать фракциями с размерами частиц до 4 мм. Поэтому с использованием дробилок достигают измельчения сырья до необходимых размеров. Для качественного продукта насыпной вес после измельчения должна составлять 150 кг / м3 ± 5%, а основной размер частиц не повиннен превышать 1,5 мм.
 
В подавляющем большинстве для измельчения сырья используют молотковые дробилки, поскольку они наиболее соответствуют требованиям процесса измельчения соломистого массы сельскохозяйственных культур.
 
    увлажнения:

сырье с влажностью менее 8% плохо поддается «склеиванию» во время прессования, а готовая продукция (топливные гранулы) в процессе дальнейшего механического воздействия (фасовка, погрузка, транспортировка и др.) теряет первоначальные габаритные размеры, измельчается и образуются пылевидные части, негативно влияет на ее качество. Именно поэтому слишком сухое сырье должно быть увлажнена до нормативных значений влажности необходимых для прессования. Для проведения увлажнения сырья используют установку дозирования воды. Для проведения процесса увлажнения сырья используют шнековые смесители, в которых встроены входы для подачи воды или пара.
 
    прессования:

процесс прессования (гранулирования) дийснюватися на прессах различных конструкций с плоской или цилиндрической матрицей. При этом диаметр матрицы может быть больше метра, а мощность пресса до 500 кВт, в зависимости от заданной производительности оборудования. Так же на производительность пресса в пределах 20% влияет размер получаемых топливных гранул. Топливные гранулы диаметром до 6 мм изготавливают для для частного потребления, до 10 мм - для промышленного.
 
Связующим веществом измельченный материал в топливных изделиях, является лигнин - аморфный полимер, который выделяется под действием давления и температуры и содержится в клетках биомассы.
 
Важно выдерживать прессованную сырье в формирующей полости под давлением в течение определенного времени, чтобы произошла релаксация напряжения, а также прочная пленка на поверхности топливных гранул. Наибольшей прочности приобретает биомасса, прессуется при температуре выше 150 ° C. Верхней границей температуры прессования является 250 ° C, когда начинается реакция пиролиза, то есть происходит частичное разложение биомассы. По данным компании California Pellet Mill оптимальная температура гранулирования должно быть 88-102 ° C, так как обеспечивается плавления лигнина при 90 ° C и отсутствует образования водяного пара, разрывает топливные гранулы.
 
    охлаждения:

процесс охлаждения готовой продукции обеспечивает получение качественного конечного продукта. Во время охолоджнення топливные гранулы, нагретые после прессования до 70-90 ° C, теряют излишнюю влагу. После охлаждения топливных гранул, с целью удаления пылевидных частей сырья, их просеивают, а образованный пыль направляют на повторное гранулирование.
 
    фасовки:

после охлаждения топливные гранулы сохраняются в бункерах и транспортируются насыпью. Однако для исключения потери в качестве рекомендуется проводить их фасовки в большие мешки (биг бэги) вместимостью 1000 кг. Для частного потребления топливные гранулы фасуют в полиэтиленовые мешки вместимость 15-35 кг.
 
Следует отметить, что в зависимости от состояния исходного сырья, ее технологических параметров и физико-механических свойств, количество технологических операций и последовательность их выполнения может быть изменена в любом отдельно взятом случае.
 
На основе результатов исследований установлено, что для получения максимальной экономической эффективности при использовании растительной биомассы на энергетические цели, необходимо обеспечить повышение удельной теплоты сгорания (теплотворной способности) твердого биотоплива и обеспечить удобство транспортировки (подачи) до тепловых установок (котлов), управляемость процессом горения . Для этого необходимо соблюдать требования технологии производства продукции и использовать качественное сырье, которое должно отвечать установленным основным требованиям по качеству.
 
Топливные гранулы являются стандартизированным видом биотоплива, однако в разных странах приняты различные стандарты производства топливных гранул. Учитывая, что сейчас в Украине не существует стандартов на твердое биотопливо, большинство производителей ориентируются на западноевропейские стандарты, а потому с целью создания конкурентоспособной энергетической продукции отечественного производства и выхода на Европейский рынок необходимо ввести производство твердого биотоплива в соответствии с требованиями тех стран, где данная продукция будет реализована.
 
На основе результатов аналитических исследований определены основные технологические операции по производству твердого биотоплива (топливных гранул) из растительной биомассы сельскохозяйственных культур. Установлено, что в зависимости от состояния исходного сырья, ее технологических параметров и физико-механических свойств, количество технологических операций и последовательность их выполнения может быть изменена в любом конкретно взятом случае. Также процесс производства твердого биотоплива, в т.ч. топливных гранул, требует постоянного и своевременного контроля параметров выходной продукции. В то же время на качество топливных гранул существенно влияют влажность, степень измельчения и физико-химические свойства сырья, однако благодаря соответствию конечной продукции заданным параметрам качества и определяется их стоимость и направление использования.