Торрефіковані пелети - ч2: які краще?

Кілька останніх років на сторінках спеціалізованих видань і на численних конференціях та виставках з біоенергетики рекламується нова, ефективна і енергозберігаюча, технологія обробки твердої біомаси для виробництва біопалива (пеллет та брикетів) шляхом торрефікації. Спробуємо розібратися - що ж це таке, які у торрефікації переваги та недоліки, які перспективи її використання за кордоном і в Росії.

Торрефіковані, або біовугільні (чорні), пелети мають ряд переваг в порівнянні зі звичайними, тобто білими. Ці якості особливо проявляються при спільному спалюванні торрефікованих пелет та вугілля на теплоелектростанціях (ТЕС).

За різними ринковими найменуваннями ховається один і той же відомий процес виробництва: обжарювання твердої біомаси (англ. - torrefaction) і подальше її гранулювання в пелети; подібна технологія застосовується при обжарюванні кавових зерен. Процес обарювання був вперше застосований в 1930-ті роки у Франції (французький дієслово torrefier, яке перекладається як «смажитися», в основному використовується для позначення процесу обжарювання кавових зерен). На відміну від зерен кави, тверда біомаса обжарюється без доступу кисню при температурі 200-330 ?C.

Хімічний аналіз біомаси після такого обжарення показав, що вона набуває більшу теплоту згоряння, енергоємність та поліпшені в порівнянні з неторрефікованою біомасою параметри горіння. Процес обжарювання застосовується до будь-яких видів біомаси.

Дуйвен - невелике село в провінції Гельдерланд, недалеко від кордону з Німеччиною. З дня свого заснування в період Римської імперії і до початку роботи невеликої пивоварні вже в наші часи воно не відігравало якої-небудь істотної ролі в індустрії Нідерландів.

Все змінили останні кілька років. Дуйвен стало найбільшим центром світової пеллетной галузі. RWE Innogy - 100% дочірнє підприємство одного з найбільших світових енергоконцернів RWE (в якому має частку і «Газпром») - спільно з голландською компанією Topell Energy (39% акцій якої належать RWE) інвестували 15 млн євро в будівництво найбільшого в світі на сьогодні виробництва для торрефікації пелет.

Торрефіковані пелети (ТП) за рахунок процесу торрефікації набувають характеристики, які відрізняють їх від звичайних пелет в кращу сторону. Досить сказати, що калорійність однієї тонни террефікованих пелет вище, ніж однієї тонни неторрефікованих пелет.

Чому німецький концерн RWE реалізує такий проект за кордоном? Відповідь проста: відповідно до законодавства Нідерландів всі вугільні ТЕС зобов'язані спільно з вугіллям спалювати будь-яку кількість біомаси, за що держава, починаючи з 2002 року і до цього дня гарантовано виплачує цим ТЕС субсидії в розмірі 5-6 євроцентів за кожен кіловат-годину електроенергії, виробленої при спільному спалюванні біомаси. У Німеччині ж таких умов для ТЕС поки немає (відповідно до німецького закону про відновлювальну енергію, дотується тільки вироблення електроенергії на станціях потужністю до 20 МВт при 100% використанні біомаси). Тому і обсяги продажів індустріальних пелет в Нідерландах і Бельгії, де також діють подібні до голландської державні програми дотації за спільне спалювання, значно вище, ніж у ФРН. Виходячи з описаних вище переваг ТП, багато європейських виробників пелет та енергетичні компанії роблять зараз ставку саме на торрефіковані деревні пелети та іншу торрефіковану тверду біомасу з метою отримання конкурентних переваг перед виробниками класичних пелет.

Завод в Дуйвені був зданий в експлуатацію навесні 2011 року. Продуктивність лінії торрефікування та гранулювання - 8 т на годину, сировина - відходи деревини. «Тепер головне завдання, - каже співробітник департаменту венчурних інвестицій компанії RWE Innogy Кріспін Лейк, - це виведення заводу на рівень максимально можливого річного обсягу випуску продукції - не менше 60 тис. т». Г-н Лейк опікувався цим проектом зі стадії передпроектних робіт, тому про процес торрефікації знає буквально все. На його думку, основна проблема заводу в Дуйвені - це забезпечення безперервної поставки сировини в індустріальному масштабі, чого сьогодні зовсім непросто домогтися не тільки в Нідерландах, але і в деяких інших західноєвропейських країнах. Доводиться навіть сортувати і переробляти так звану стару деревину - будь-які вироби з деревини, які відслужили свій термін, аж до меблів, виключаючи деталі, покриті лакофарбовими матеріалами. Торрефіковані пелети постачаються на вугільну електростанцію, що працює в розташованому поруч з селом місті Гертруйденберг.

Як працює так званий «торбед реактор» (Torbed Reactor) - запатентований головний модуль заводу торрефікації пелет в Дуйвені?

Сировина у вигляді подрібненої деревної біомаси подається в реактор і нагрівається в ньому без доступу кисню до температури 220-330 °C. Нагрівання триває від декількох секунд до однієї години - в залежності від встановленого режиму торрефікації. Під час цього процесу утворюється газ, який забезпечує високу температуру, необхідну для процесу торрефікації. Для того щоб запустити реактор, використовується зовнішнє джерело енергії. Як тільки реактор досягає необхідної операційної температури, процес стає замкнутим, без підведення енергії ззовні. Після завершення режиму торрефікації, тривалість якого встановлюється в залежності від якості вхідної сировини, на виході отримуємо гомогенний продукт з високою енергетичною щільністю, відмінною якістю подрібнення, вологістю до 5%, що містить меншу, ніж в неторрефікованій біомасі, кількість домішок. Крім того, торрефіковані пелети набувають гідрофобність, тобто здатність відштовхувати вологу і протистояти процесам гниття та бродіння, що дає можливість зберігати їх навіть під відкритим небом.

«У порівнянні з традиційними пелетами у ТП безліч переваг, і головне - це, звичайно, підвищена енергетична щільність», - говорить фахівець відділу біоенергетики та охорони навколишнього середовища австрійського Інституту техніки та хімії у Відні Мартін Енгліш. При торрефікації властивості біомаси кардинально змінюються: руйнується структура целюлози, випаровується значна частина вологи, утворюються вільні молекули вуглецю, водню та кисню. За структурою торрефіковані гранули схожі з вугіллям, так як в ході хімічних процесів в деревині та іншій рослинній біомасі при торрефікації весь вуглець перетворюється в біовугілля (ненасичені вуглеводні), окислюючись та 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 обжарювання сильно знижується вологість торрефікованих пелет, вони стають крихкими і подрібнюються легше, ніж звичайні пелети. Тому при спільному спалюванні ТП з вугіллям немає необхідності модернізувати технологічну лінію подачі палива - не потрібно додатково встановлювати пелетні подрібнювачі та окрему систему подачі гранул.

У більшості вугільних електростанцій застосовується факельний спосіб спалювання палива, і вугілля перед подачею в котел подрібнюється до пилоподібного стану, а індустріальні пелети при спільному спалюванні на дробарці подрібнюють до розмірів близько 2 мм. Торрефіковані пелети подрібнюють разом з вугіллям, і, за рахунок описаних вище властивостей, на їх подрібнення потрібно менше енегозатрат, ніж на подрібнення класичних пелет. Торрефіковані пелети можна заздалегідь змішувати з вугіллям на паливному складі ТЕС. Оскільки з енергетичної щільності ТП перевершують прості пелети, скорочуються витрати на перевезення та складування, так як для зберігання торрефікованих гранул не потрібні спеціальні сухі приміщення, вони можуть зберігатися навіть під відкритим небом, разом з вугіллям. Прості деревні гранули при такому зберіганні за рахунок біологічної активності деревини абсорбують вологу з повітря, втрачають калорійність, схильні до гниття, а при попаданні води розмокають та руйнуються. Торрефікація також дозволяє знизити вміст сульфатів в гранулах. Але, мабуть, основною мотивацією для застосування торрефікації в Європі є екологічна спрямованість використання торрефікованої біомаси (скорочення викидів парникових газів при спільному спалюванні з вугіллям) та обмеженість ресурсної бази для виробництва звичайних деревних гранул. Попит на енергетичну деревину зростає з кожним роком, і навіть збільшується буквально в геометричній прогресії, а використання енергетичних плантацій рослин не вирішує проблему дефіциту сировини для виробництва біопалива. До якості сировини для виготовлення торрефікованих пелет не пред'являються такі жорсткі вимоги, як до якості сировини для простих деревних пелет, - для виробництва ТП можна використовувати тріску найнижчої якості або кору. Ресурсна база для виготовлення торрефікованої паливної гранули розширюється за рахунок того, що в технологічному процесі можна використовувати солому, сіно, залишки виробництва рослинних масел, переробки цукрових буряків, інші відходи АПК, тверді побутові відходи (ТПВ) і навіть всілякі пластики. Торрефікувати можна різні суміші твердої біомаси. Наприклад, компанія FoxCoal в Нідерландах торрефікувала пластик разом з макулатурою і отримала високоякісні гранули, які за багатьма характеристиками перевершують вугілля. До речі, торрефіковану біомасу часто називають біовугіллям.

У Нідерландах створено Асоціацію торрефікації (The Dutch Torrefaction Association - DTA), в яку входять: компанія 4Energy Invest з Бельгії, Нідерландський науково-дослідний центр енергетики (The Energy research Centre of the Netherlands, ECN) та голландські компанії FoxCoal, Topell Energy, Torr-Coal Technology.

Технологією торрефікації біомаси займаються в Голландії й інші відомі компанії, наприклад, BTG (Biomass Technology Group). Нідерланди міцно утримують перше місце в світі за кількістю компаній та державних інститутів, що працюють в цій сфері.

У 2006 році голландський фахівець з термодинаміки та піролізу біомаси Марк Ян Принс в журналі, присвяченому аналітиці та практичному застосуванню піролізу (Journal of Analytical and Applied Pyrolysis), а також в роботі, опублікованій університетом в Ейндховені (Eindhoven University of Technology, Environmental Technology Group, Department of Chemical Engineering and Chemistry), навів результати термодинамічних досліджень процесів торрефікації та газифікації деревини, які він проводив спільно з групою дослідників. З цих результатів випливає, що характеристики торрефікованої деревини безпосередньо залежать від виду використовуваної деревини, тривалості та температури процесу. У табл. 1 наведені результати порівняння характеристик верби до торрефікації та після при двох режимах процесу.

У Німеччині, на відміну від інших західноєвропейських країн, застосування торрефікованої біомаси бачиться поки тільки у віддаленій перспективі. Гранули застосовуються на німецькому ринку майже на 100% тільки в теплоенергетиці - для комунальних котелень, для опалення житлового сектора, фермерських господарств, невеликих промислових підприємств (на відміну від Нідерландів, Бельгії, Великобританії, де гранули використовують в основному для вироблення електроенергії). У ФРН пелети спалюють в котлах потужністю до 300 кВт (в приватних домоволодіннях) і в невеликих котельнях потужністю до 3 МВт.

На форумі, що проходив в рамках міжнародної виставки по пелетам (Interpellets), який щорічно проводиться в м. Штутгарті, заступник голови Німецької асоціації виробників пелет (DEPV) Ханс Мартін Бер заявив, що сьогодні торрефікація поки неактуальна для теплоенергетики Німеччини. Він вважає «кардинально невірними спроби підвищити ефективність експлуатованих сьогодні європейських ТЕС, більшість з яких працюють на "доісторичному обладнанні", за рахунок спалювання нової генерації біопалива. Чому б не вирішувати цю задачу шляхом модернізації електростанцій для оптимального спалювання звичайної біомаси?».

Подібні висловлювання, швидше за все, пояснюються тим, що зараз в ФРН, як вже неодноразово відзначали багато європейських експертів, спостерігається перевиробництво деревних паливних гранул. У 2001 році в Німеччині зробили 1,86 млн т пелет, а спожили тільки 1,4 млн т при реальній продуктивності всіх пелетних заводів 2,7 млн т в рік. У 2012 році, за прогнозами, в країні буде вироблено понад 2 млн т деревних пелет. Велика частина цієї продукції відповідає стандартам Din + або новому європейському стандарту EN-A1, A2. Індустріальні гранули виробляються в невеликих обсягах, так як на ТЕС, що працюють на твердому біопаливі, в Німеччині використовують в основному деревні відходи (паливну тріску, відходи після санітарних рубок, рубок догляду, ландшафтних робіт, стару деревину і т. п.).

А експорт таких гранул з ФРН на електростанції в Нідерланди не витримує конкуренції з виробниками із США та Канади, де і собівартість виробництва нижча, і транспортні витрати при морських перевезеннях через Атлантику в Роттердам великотоннажними океанськими судами в перерахунку на тонну набагато менші вартості перевезень автомобільним або залізничним транспортом з Німеччини.

У Німеччині поки дійсно немає ніяких економічних передумов для виробництва торрефікованих гранул. Місцевоїдеревної сировини для ТЕС поки достатньо. А ось по іншим видам біомаси щорічно утворюються значні обсяги сировини. Наприклад, тільки соломи, за даними Німецького центру дослідження біомаси (DBFZ), можна використовувати від 8 до 13 млн т на рік. А перша і поки єдина ТЕС в м. Емсланд, що використовує тюкована солому, введена в експлуатацію тільки в цьому році.

Проте деякі німецькі наукові центри та енергоконцерни намагаються йти в ногу з часом та проводять дослідження торрефікації біомаси, отримуючи на ці розробки гранти від ЄС. З січня 2012 року таку роботу в рамках 7-ї Наукової програми по біоенергетиці Євросоюзу проводить DBFZ; дата закінчення досліджень та презентації результатів - 2015 рік. У проекті беруть участь понад 20 європейських компаній та наукових центрів. В їх число входять дочірні фірми основних європейських енергоконцернів, такі як RWE Innogy, E.on UK, Vattenfall AB, Австрійський науково-дослідний інститут хімії та техніки (OFI), Центр енергетичних досліджень Нідерландів (ECN). Директор відділу біоенергетичних систем DBFZ Жанет Вітт розповідає, що цей центр є координатором всього проекту, в ході експериментів і досліджень буде виконуватися торрефікація різних видів твердої біомаси, спільне спалювання отриманого торрефікованого біопалива з бурим та кам'яним вугіллям в різних співвідношеннях. На підставі результатів досліджень будуть вироблені рекомендації для виробників твердого біопалива: яку біомасу і як краще торрефікувати. Тести будуть проводитися на реакторах різного типу: нерухомому, рухомому, обертально-барабанному, реакторі з вихровим шаром та ін. Потім торрефіковану біомасу будуть гранулювати та брикетувати, з тим щоб визначити, яке обладнання найбільше підходить для цих цілей. Торрефіковані гранули та брикети пройдуть випробування на предмет збереження властивостей при складуванні під відкритим небом (перевірку на реакцію з грунтовим шаром та гідрофобність).

Концерн RWE Innogy ще в 2009 році встановив демонстраційне обладнання для торрефікації біомаси в теплогазовому інституті (Gas-Waerme Institut) у м. Ессені в рамках іншого наукового проекту, в якому беруть участь: Рур-університет в Бохумі (Ruhr-Universitaet Bochum), Вища технічна школа в Ахені (Technische Hochschule Aachen), компанія «Тіссен-Крупп метал» (Thyssen Krupp Steel), виробник обладнання для гранулювання біомаси «Мюнх Едельшталь ГмбХ» (Muench Edelstahl GmbH) і компанія «Хітачі Пауер» (Hitachi Power Europa). З 2012 року цей проект включає не тільки науково-дослідні роботи по торрефікації біомаси, а й роботи з пошуку інших можливостей підвищення якості твердої біомаси для її більш ефективного спалювання, зокрема, спільно з вугіллям.

У планах керівництва енергоконцерну Vattenfall - одного з провідних європейських виробників електроенергії (в основному в Німеччині та Швеції) на вугільних ТЕС - виробництво торрефікованих пелет в обсязі до 5 млн т на рік до 2020 року на заводах, які будуть побудовані в США і країнах Південної Америки. Директор концерну з планування та використання біомаси Ульріх Руш, правда, каже про ці плани досить обережно, з огляду на те, що на сьогодні реалізовані лише невеликі пілотні проекти по торрефікаціії та на їх базі здійснити запуск великого виробництва не так просто. Потрібно ще провести всілякі тести і вивчити всі реально працюючі технології торрефікації. Для цих цілей планується закупити торрефіковані гранули у 40 виробників, що працюють по всьому світу, і на берлінській ТЕС «Ройтер Вест», яка належить концерну, провести технічні випробування зі спільного спалювання торрефікованих гранул з вугіллям в різних пропорціях. Попередні тести спільного спалювання індустріальних пелет, або, як їх стали називати останнім часом, білих пелет (Whitе Pellets), на вугільних електростанціях концерну показали, що в суміші пелет та вугілля має бути не більше 20% білих пеллет від загального обсягу палива, що спалюється на станції. У разі використання торрефікованих (чорних) гранул ця кількість може бути збільшена до 50-70%.

Багато з описаних вище дослідних робіт в ФРН проводяться також у зв'язку з тим, що в 2018 році держава припинить субсидування вугледобувної промисловості. 15 липня 2011 року набрав чинності новий Закон про кам'яне вугілля (Steinkohlefinanzierungsgesetz), який регулює державне субсидування видобутку вугілля в Німеччині та держдопомогу шахтам, що закриваються, та шахтарям, які звільняються. Розміри допомоги поступово зменшуватимуться, і до кінця 2018 року вона повністю припиниться. Можливість продовження дії субсидій виключена, так як згоду Єврокомісії на нові субсидії було отримано в 2011 році лише за умови, що в 2018 році ця робота буде завершена. Ймовірно, в цьому році і настане кінець ери видобутку кам'яного вугілля в Німеччині, якщо тільки до того часу ціни на енергоносії сильно не виростуть.

У 2008 році в Швеції фірма BioEndev (Bio Energy Development North AB) розпочала реалізацію пілотного проекту по торрефікації біомаси. У 2009 році вона виготовила першу партію торрефікованого біопалива та отримала фінансування від Шведської енергетичної адміністрації на створення промислової торрефікованої установки в м. Ерншельдсвік та продовження досліджень торрефікації в Університеті м. Умео. В кінці 2009 року було розпочато проектування торрефікованої установки потужністю 22 МВт. «Це перша в світі торрефікована лінія такої великої потужності», - заявив професор університету в м. Умео Андерс Нордін. Подібні дослідження та експерименти проводить й інша шведська компанія - Torkapparater AB, яка з 1937 року розробляє технології сушіння деревини.

У Франції просуванням технології торрефікації займається компанія Thermya SA, запатентувала новий принцип реактора (Torspyd) з двома вертикально розташованими колонами, в яких у протилежних напрямках безперервно переміщаються біомаса та газ. У табл. 2 наведені характеристики торрефікованих пелет, отриманих на пілотному заводі цієї компанії, в порівнянні з характеристиками класичних пелет та тріски.

Не можна не згадати тут ще одну французьку компанію - Biogreen з її технологією термічної переробки біомаси та відходів шляхом торрефікації, піролізу та газифікації зі застосуванням запатентованих електричного нагріваючого гвинтового (шнекового) конвеєра та устаткування для термообробки насипного продукту.

При торрефікації твердої біомаси за цією технологією на виході отримаємо часткове біовугілля, характеристики якого схожі з характеристиками середньокалорійного кам'яного вугілля, а також рідке біопаливо (так зване піролізне масло) і біогаз, які можуть бути використані в якості:

Хоча технологія фірми Biogreen в першу чергу призначена для утилізації і переробки відходів: біомаси, ТПВ, пластику та іншого, її можна використовувати і для торрефікації деревних пелет або брикетів.

Британська фірма Rotawave Biocoal Ltd. розробила технологію, засновану на принципі роботи мікрохвильової печі і названу тому мікрохвильовою технологією для отримання біовугілля (Microwave technology for biocoal), що дозволяє витягувати з біомаси тверде торрефіковане біопаливо та органічні масла. Технологія заснована на використанні високочастотного електромагнітного впливу на сировину, що знаходиться в унікальному керамічному барабані, що дозволяє підтримувати в системі високотемпературний режим, мінімізувати експлуатаційні витрати і забезпечує невеликі габарити виробництва.

За статистикою Міжнародного енергетичного агентства, в країнах ЄС біомаса використовується більш ніж на 150 вугільних ТЕС в якості палива для сумісного спалювання. Велика частина цих ТЕС розташована в Нідерландах, Бельгії, Данії, Великобританії та Польщі. У Польщі заплановано будівництво ТЕС, призначених для сумісного спалювання торрефікованої біомаси та вугілля. Сьогодні в якості біомаси в основному використовуються деревні паливні гранули і в незначній кількості гранули з відходів АПК (соломи, лушпиння соняшника та ін.).

Комерційний директор компанії Topell Energy Робін Пост ван дер Бург на конференції по генерації альтернативної енергії в березні 2012 року в Роттердамі обговорював з російськими партнерами можливості поставок в Росію обладнання для торрефікації. Робін Пост ван дер Бург заявив, що, за його даними, в світі зараз займаються торрефікацією понад 60 комерційних компаній і НДІ. Торрефіковані гранули поки використовуються на ТЕС нерегулярно, можна сказати, в порядку тестування. Жодній компанії поки не вдалося налагодити серійний випуск технологічного обладнання для торрефікації. А майже всі побудовані заводи і лінії для торрефікації біомаси працюють в основному в демонстраційному режимі або, в кращому випадку, виробляють продукцію в обсязі нижче реальної потужності.

Проте, інтерес європейців до торрефікованих пелет зростає. Про це говорять і дані про інвестиційні витрати в проекти заводів по торрефікації пелет (табл. 3).

У наступній публікації ми розглянемо, як розвиваються технології торрефікації в США, Канаді та Південній Америці. Познайомимося з висловлюваннями експертів, які досить скептично ставляться до торрефікації, а також проінформуємо читачів про те, як йдуть справи з торрефікацією пелет в Росії.