Тверде біопаливо: вимоги, властивості та технологія виробництва

Олег ГАЙДЕНКО, канд. техн. наук, учений секретар

Кіровоградської ДСГДС НААН

Сьогодні для всіх агропідприємств пріоритетом є пошук дешевої біосировини, нових технологічних рішень і створення необхідної інфраструктури для вирощування та переробки біомаси за допомогою хімічних та біологічних процесів, термоконверсії, біоконверсії у різні види біопалива: рідкі, газоподібні і тверді. Для цього в нашій державі є всі необхідні передумови, особливо ґрунтово-кліматичні, що забезпечують вирощування енергетичних культур з високою урожайністю біомаси.

Паливні гранули чи брикети?

Загальновідомо, що використання рослинної біомаси на енергетичні цілі з економічної точки зору сприяє заощадженню сировинних та енергетичних ресурсів, економічної — знижує забруднення навколишнього середовища, соціальної — створює нові підриємства з додатковими робочими місцями, що сприяє підвищенню рівня зайнятості населення.

Однак для отримання максимальної економічної віддачі при використанні рослинної біомаси необхідно забезпечити підвищення теплотворної здатності (питомої теплоти згорання) твердого біопалива та зручність транспортування (подачі) до теплових установок (котлів), керованість процесом горіння. Тому переробку рослинної біомаси здійснюють шляхом гранулювання або брикетування, внаслідок отримують кінцевий продукт переробки відповідно паливні гранули або брикети:

паливні гранули — це спресовані частинки рослинного походження, що мають форму циліндрів максимального діаметра до 25 мм і завдовжки від 10 до 50 мм, паливні гранули можуть бути виготовлені з деревини, торфу, трави, лушпиння, соломи, вугільного пилу і багатьох інших видів рослинної сировини, а також їх сумішей;
паливні брикети — спресовані вироби циліндричної, прямокутної або будь-якої іншої форми, довжиною 100–300 мм, яка не повинна перевищувати уп’ятеро їх діаметр, який більший ніж 25 мм, та зазвичай становить у межах від 60 до 75 мм.

Переваги очевидні

Паливні гранули мають значні переваги порівняно з традиційними видами палива, так для їх виробництва витрачається близько 3 % енергії, при цьому під час виробництва нафти ці енерговитрати становлять близько 10 %, а при виробництві електроенергії — 60 %, їх теплотворна здатність становить у межах від 4,5 до 5,0 кВт/кг, що в 1,5 разу більше, ніж у звичайної деревини і вугілля. При спалюванні 2000 кг паливних гранул виділяється стільки ж теплової енергії, як і при спалюванні: 3200 кг деревини, 957 м³ газу, 1000 л дизельного палива, 1370 л мазуту. Горіння паливних гранул в топці котла відбувається більш ефективно — кількість залишків (золи) не перевищує між від 0,5 до 1,0 % від загального об’єму використаного палива. При спалюванні паливні гранули не впливають негативно на оточуюче середовище.

Розглянемо порівняльну характеристику різних видів палива та продуктів їх переробки за вмістом основних елементів, (сірки, золи, вуглекислого газу) наведену в таблиці 1.

Таблиця 1. Порівняльна характеристика різних видів палива

Завдяки перевагам біопалива, а також аналізуючи значення, подані в таблиці 1, слід відмітити, що паливні гранули (брикети) мають високу конкурентоспроможність порівняно з іншими видами традиційного палива. Ціни на біопалива не залежать від стрибків цін на викопні види палива і на екологічні податки, що збільшуються.

Сировина для гранул та їх зберігання

Для одержання якісних паливних гранул необхідно використовувати якісне обладнання, чітко дотримуватись технології виробництва та використовувати якісну сировину. Щодо сировини, то вона не повинна бути старою (злежаною), тому що вона гірше гранулюється, і паливні гранули виходять з меншою енергетичною цінністю; не містити залишків ґрунту, каміння та інших неорганічних включень, оскільки отримаємо, окрім погіршення якості вихідного продукту, ще і вихід з ладу обладнання; а також вологість сировини перед пресуванням має бути в межах 12–14 %, тому що при більшій вологості паливні гранули виходять менш міцними, і залишкова вологість після охолодження може бути вище норми, у таких гранул менша енергетична цінність й, відповідно, ціна.

Після виготовлення якість паливних гранул необхідно зберегти, з цією метою необхідно:

виключити можливість попадання у них вологи;
звести до мінімуму деформуючі навантаження.

Найкраще паливні гранули зберігати у закритих мішках. Зовнішній вигляд паливних гранул із високими показниками якості має бути:

поверхня блискучою, гладкою, без тріщин і здуття;
колір не повинен бути сірим;
запах — легкий солодкуватий запах клею.

Стандарти на тверде біопаливо на експорт

Паливні гранули є стандартизованим видом біопалива, проте у різних країнах прийняті різні стандарти виробництва паливних гранул. Однак до теперішнього часу ще не встановлено українського стандарту на паливні гранули, окрім проекту ДСТУ «Брикети та гранули паливні. Технічні умови. Частина 1. Брикети та гранули паливні з деревинної сировини», розробленого в Національному університеті біоресурсів і природокористування України у 2011 р.

Єдиного Європейського стандарту на паливні гранули поки не існує, тому нижче наводяться назви деяких існуючих національних стандартів: Австрія — ONORM M 7135 Austrian Association pellets (briquettes and pellets); Англія — The British BioGen Code of Practice for biofuel (pellets); Німеччина — DIN 51731 (briquettes and pellets); США — Standard Regulations & Standards for Pellets in the US: The PFI (pellet); Швейцарія — SN 166000 (briquettes and pellets); Швеція — SS 187 120 (pellets). У таблиці 2 наводимо показники якості паливних гранул за вимогами сертифікатів країн Європи. До речі, всі чинні стандарти до твердого біопалива регламентують такий параметр, як зольність, на який основний вплив має наявність у вихідній сировині кори, гілок та інших включень.

Таблиця 2. Показники якості паливних гранул за вимогами сертифікатів країн Європи

Примітка: "не має" - означає: відомості відсутні, значення не визначене або відсутня

їх величина та ін., тверде біопаливо повинно відповідати вищевказаним вимогам.

Паливні гранули високої якості (білі та сірі) використовують для опалення житлових будинків шляхом спалювання у невеликих котлах, печах і камінах. Вони, як правило, бувають діаметром 6–8 мм і довжиною менше 50 мм. У Європі їх частіше пакують у мішки вагою від 16 до 20 кг.

Однак на сьогодні в Україні не існує стандартів на паливні гранули, тому більшість виробників орієнтуються на західноєвропейські стандарти, які відрізняються від країни до країни або винаходять свої ТУ. Крім того, існуючі західноєвропейські стандарти часом включають у себе не тільки стандарт на самі паливні гранули, а також стандарти на їх виробництво, зберігання і транспортування.

З метою створення конкурентоспроможної енергетичної продукції вітчизняного виробництва та виходу на Європейський ринок необхідно запровадити виробництво твердого біопалива у відповідності до вимог тих країн, де ця продукція буде реалізовуватися. Однак, враховуючи діапазон зміни значень показників якості твердопаливної продукції, необхідно дотримуватись «найжорсткіших» вимог щодо зазначеної продукції, розроблених на основі сертифікатів країн Європи, тому в таблиці 2 розроблено та запропоновано до використання проект нормативних значень вимог до твердопаливної продукції (паливних гранул), використання яких дозволить реалізовувати продукцію у будь-якій з країн Європи, оскільки вони враховують мінімальні нормативні значення діючих вимог до твердого біопалива.

Основні характеристики паливних гранул

Як уже зазначалось раніше, згідно з вимогами паливні гранули — це пресовані циліндри з рослинної біомаси, діаметром до 25 мм, однак найбільшого поширення набули паливні гранули діаметром у межах від 6 до 10 мм. Набута циліндрична форма паливних гранул забезпечує їм сипкість і дозволяє використовувати всі відомі способи автоматизації в подаючих пристроях котелень. Саме завдяки цим геометричним характеристикам паливні гранули стали основним видом пресованого палива в Європі.

Якщо фізико-геометричні характеристики паливних гранул визначаються параметрами устаткування по їх виробництву, то хімічні залежать від властивостей вихідної сировини. У процесі пресування не допускається використання сторонніх матеріалів, таких як клей і пластмаси.

Зазвичай паливні гранули біло-жовтого кольору виготовляються з відходів меблевого виробництва, паливні гранули з додаванням коричневих вкраплень виготовляють із сировини з додаванням кори, чорну — лушпиння соняшника, коричневі — лушпиння з гречки, жовті — соломи злакових культур та ін. (рис. 1).

Однак колір паливних гранул не є критерієм якості. За їх кольором можна визначити, яка сировина використовувалася, як відбувався процес гранулювання і як паливні гранули зберігалися, але про якість самих паливних гранул колір скаже мало.

Ще однією характеристикою паливних гранул є кількість виділеної теплової енергії. Часто такий показник є основним при формуванні вартості на цей вид палива.

Паливні гранули завжди тонуть у воді, і хороші, і погані, позаяк щільність паливних гранул більше 1 кг/дм³. Не є критерієм оцінки запах паливних гранул, за винятком сторонніх запахів, що вказують на застосування хімічних сполучних або неправильного зберігання.

Провівши аналіз літературних джерел та критерії оцінки продукції твердопаливного виробництва, було встановлено, що найбільш важливими параметрами, які характеризують, а отже, і встановлюють параметри паливних гранул є: габаритні розміри (діаметр та середня довжина), теплотворна здатність (теплота згорання), зольність, вміст вологи, питома щільність, насипна щільність, вміст хімічних елементів (хлор, азот, сірка та ін.), вміст інших компонентів та домішок. Розглянемо кожний параметр, яких характеризує тверде біопаливо, окремо.

Діаметр і середня довжина

Оскільки паливні брикети мають більш широке застосування і не вимагають спеціальних установок для їх спалювання (є альтернативою дровам), то відповідно їх діаметр і довжина залежать від вимог кінцевого споживача (довжина, як правило, приймається рівною п’ятикратному значенню діаметра).

Для паливних гранул прийняті жорсткіші вимоги до розмірів, ніж до паливних брикетів. Це пов’язано із застосуванням їх у паливних котлах з автоматизованою системою подачі (шнеками, транспортерами та ін.), а тому найбільш поширені є діаметри паливних гранул в межах від 6 до 8 мм.

Теплота згоряння

Теплотою згоряння біомаси називається кількість тепла, що виділяється при згорянні 1 кг речовини. Розрізняють вищу і нижчу теплоту згоряння.

Вища теплота згоряння — це кількість тепла, що виділилася при згоранні 1 кг біомаси при повній конденсації всіх пар води, що утворилися при горінні, з віддачею ними тепла, витраченого на їх випаровування (так званої прихованої теплоти пароутворення).

Нижча теплота згоряння — кількість тепла, що виділилася при згоранні 1 кг біомаси, без обліку тепла, витраченого на випаровування вологи, що утворилася при згорянні цього палива.

Процес вимірювання теплоти згорання біопалива проводиться у так званій «калориметричній бомбі» в спеціалізованих лабораторіях. Теплоту згоряння вимірюють зазвичай у МДж/кг або кДж/кг, причому за основу може бути прийнята маса вологого, сухого або сухого беззольного палива. Обумовлена більшістю стандартів теплота згорання паливних гранул становить у межах 18±1 МДж/кг, залежно від сировини, з якої вони виготовлені.

Зола (зольність)

Зольністю називають вміст мінеральних речовин у паливі, що залишаються після повного згоряння усієї горючої маси. Зола є небажаною частиною палива, тому що знижує вміст горючих елементів і ускладнює експлуатацію топкових пристроїв. При проведенні аналізів вміст золи підраховується на суху масу палива.

Зміст золи в паливних гранулах становить, відповідно до стандарту європейських країн, менше 1,5 %. Слід зазначити, що при спалюванні в промислових установках з автоматичним золовидаленням, зольність паливних гранул не має великого значення.

Вміст вологи

Вологість біомаси — це кількісна характеристика, що показує вміст у біомасі вологи. Розрізняють абсолютну і відносну вологість біомаси.

Абсолютною вологістю називають відношення маси вологи до маси сухої сировини.

Відносної або робочою вологістю називають відношення маси вологи до маси вологої сировини.

Вологість впливає на теплотворність біопалива. Низький вміст вологи гарантує постійну ефективність спалювання.

Вологість суттєво впливає на якість паливних гранул, так, при вологості сировини понад 14 % зменшується щільність гранул і внаслідок випаровування вологи в них виникають тріщини, що знижують їх міцність.

Питома щільність

Питома щільність якісних паливних гранул становить у межах від 1 до 1,4 кг/дм³, і змінюється, залежно від виду сировини, з якої виготовлений кінцевий продукт.

Насипна щільність

Насипна щільність — це співвідношення між вагою паливних гранул і кількістю займаного простору. При гранулюванні біомаси насипна щільність продукції збільшується зі 100 до 650 кг/м³.

Наприклад, якісні брикети мають насипну щільність не менше 650 кг/м³. Щільність є основним чинником, що визначає механічну міцність, водостійкість і калорійність паливних гранул. Чим щільніші паливні гранули, тим вище показники їх якості. Наприклад, при щільності гранул в межах від 650 до 750 кг/м³ калорійність їх станове від 12 до 14 МДж/кг, а при щільності від 1200 до 1300 кг/м³–25-31 МДж/кг.

Хлор

Хлор є у деревині лише в невеликих кількостях. Низький вміст хлору свідчить про те, що брикети виготовлені з чистої сировини. Високий вміст хлору в димових газах може призвести до корозії металевих поверхонь паливних систем.

Азот

Низький вміст азоту свідчить про те, що паливні брикети були зроблені з екологічно чистої сировини. Високий рівень азоту в димових газах може привести до корозії металевих поверхонь паливних систем.

Сірка

Низький вміст сірки говорить про те, що паливні брикети були зроблені з чистої сировини. Високий рівень сірки в димових газах може привести до корозії паливного обладнання.

Добавки (домішки)

Добавки використовуються як сполучні елементи. При використанні якісної технології та якісної сировини з досить низьким вмістом вологи в пресоване паливо не додається жодних добавок.

Як зазначалось раніше, процес виробництва твердого біопалива, в т.ч. паливних гранул, потребує постійного та своєчасного контролю параметрів вихідної продукції. У виробничих умовах не завжди є можливим дотримання необхідних параметрів кінцевої продукції із-за ряду факторів: неоднорідність властивостей вхідної сировини, нестабільність процесу виробництва продукції та ін. Однак саме завдяки відповідності кінцевої продукції, у цьому випадку паливних гранул, заданим параметрам якості і визначає їх вартість та кінцевого споживача.

У таблиці 3 розглянемо характеристики паливних гранул вітчизняного виробництва та відповідність їх нормативним значенням сертифікатів країн Європи.

Таблиця 3. Характеристика якості зразків твердопаливних виробництв України

На якість паливних гранул суттєво впливають вологість, ступінь подрібнення і фізико-хімічні властивості сировини. При вологості сировини понад 14 % зменшується щільність гранул і внаслідок випаровування вологи в гранулах виникають тріщини, що знижують їх міцність. Зі зменшенням середніх розмірів частинок біомаси до 2 мм якість паливних виробів зростає. Проте існує спірна думка, що дрібна біомаса сприяє зношуванню матриць.

Як свідчать результати виробничої перевірки, наведені в таблиці 3, у всіх наведених пробах вміст вологи не перевищує 10 %, що є чинником відсутності руйнування паливних гранул в процесі їх навантаження та транспортування.

Темні паливні гранули з великим вмістом кори чи інших домішок спалюють у котлах більшої потужності, з метою отримання тепла та електроенергії для населених пунктів та промислових підприємств. Темні паливні гранули можуть бути більшого діаметру.

За вмістом загальної сірки в товарній продукції вітчизняні виробники витримують вимоги (менше 0,04 %). Теплота згорання твердого біопалива також перевищує нормативні значення європейських стандартів на рівні не нижче 18 МДж/кг.

Нормована європейськими стандартами величина зольності (0,5 %) практично недосяжна для вітчизняних виробників, лише проби паливних гранул, виготовлені з тирси хвойних порід, дуба, бука, осики та ін. витримують вимоги стандартів DIN 51731 та DIN plus, та мають значення у межах від 0,33 до 0,9 %. На жаль, паливні гранули, виготовлені з лушпиння соняшнику та соломи, мають понаднормові значення зольності, відповідно до 2,6 та до 8 %, що і знижує їх показники якості та використання для котелень (тепло- та електростанцій).

Технологія виробництва паливних гранул із рослинної біомаси сільгоспкультур

На основі аналітичного огляду літературних джерел та вивчення елементів технології виробництва твердого біопалива з соломи сільськогосподарських культур було визначено основні технологічні операції з виробництва твердого біопалива (паливних гранул) з рослинної біомаси сільськогосподарських культур за наступною схемою: велике подрібнення, сушка, дрібне подрібнення, зволоження, пресування, охолодження, фасування. Розлянемо детально основні елементи технології виробництва твердого біопалива (паливних гранул):

велике подрібнення:

з метою подальшого використання (переробки) тюки або рулони соломи укладають на планчасті рухомі транспортери та подають їх по мірі завантаження до дробарки. Великі дробарки подрібнюють сировину для подальшого сушіння. Процес подрібнення має дійти до розмірів частинок не більше 10 мм. Велике подрібнення дозволяє швидко і якісно підготувати сировину для сушки та до подальшого подрібнення в дрібній дробарці.

сушка:

зазвичай солому зберігають у вигляді тюків або рулонів на відкритих майданчиках, однак під дією атмосферного впливу початкові значеня вологості соломи можуть змінюватися, що негативно впливатиме на процес її подрібнення. Відходи з вологістю більше 15 % погано пресуються особливо пресами з круглими матрицями. Крім цього, виготовлені паливні гранули з підвищеною вологістю не мають відповідних параметрів якості. Тому сировина перед пресуванням повинна мати вологість в межах вд 8 до 12 %. Для отримання якісного продукту вологість повинна складати 10±1 %.

Для доведення вологості сировини до нормативних значень використовують сушарки барабанного або стрічкового типу. Вибір типу сушарки визначається видом сировини, вимогами до якості продукції і джерелом одержуваної теплової енергії. В технологічному процесі виробництва твердого біопалива сушка є найбільш енергоємним процесом.

дрібне подрібнення:

згідно з технологічними вимогами для пресування сировина повинна поступати фракціями з розмірами частинок до 4 мм. Тому з використанням дробарок досягають подрібнення сировини до необхідних розмірів. Для якісного продукту насипна вага після подрібнення повинна складати 150 кг/м3 ±5 %, а основний розмір часток не повиннен перевищувати 1,5 мм.

У переважній більшості для подрібнення сировини використовують молоткові дробарки, оскільки вони найбільше відповідають вимогам процесу подрібнення соломистої маси сільськогосподарських культур.

зволоження:

сировина з вологістю менше 8 % погано піддається «склеюванню» під час пресування, а готова продукція (паливні гранули) в процесі подальшого механічного впливу (фасування, навантаження, транспортування та ін.) втрачає початкові габаритні розміри, подрібнюється та утворюються пилоподібні частини, що негативно впливає на її якість. Саме тому занадто суха сировина має бути зволожена до нормативних значень вологості необхідних для пресування. Для проведення зволоження сировини використовують установку дозування води. Для проведення процесу зволоження сировини використовують шнекові змішувачі, в яких вбудовані входи для подачі води або пари.

пресування:

процес пресування (гранулювання) дійснюватися на пресах різних конструкцій з плоскою або циліндричної матрицею. При цьому діаметр матриці може бути більше метра, а потужність преса до 500 кВт, залежно від заданої продуктивності обладнання. Так само на продуктивність преса в межах 20 % впливає розмір одержуваних паливних гранул. Паливні гранули діаметром до 6 мм виготовляють для для приватного споживання, до 10 мм — для промислового.

Речовиною, що пов’язує подрібнений матеріал у паливних виробах, є лігнін — аморфний полімер, який виділяється під дією тиску і температури і міститься у клітинах біомаси.

Важливо витримувати пресовану сировину у формуючій порожнині під тиском протягом певного часу, щоб відбулася релаксація напруження, а також міцна плівка на поверхні паливних гранул. Найбільшої міцності набуває біомаса, що пресується за температури понад 150 °C. Верхньою межею температури пресування є 250 °C, коли розпочинається реакція піролізу, тобто відбувається часткове розкладання біомаси. За даними компанії California Pellet Mill оптимальна температура гранулювання має бути 88–102 °C, тому що забезпечується плавлення лігніну при 90 °C і відсутнє утворення водяної пари, що розриває паливні гранули.

охолодження:

процес охолодження готової продукції забезпечує отримання якісного кінцевого продукту. Під час охолоджнення паливні гранули, нагріті після пресування до 70–90 °C, втрачають зайву вологу. Після охолодження паливних гранул, з метою видалення пилоподібних частин сировини, їх просіюють, а утворений пил направляють на повторне гранулювання.

фасування:

після охолодження паливні гранули зберігаються в бункерах і транспортуються насипом. Однак для виключення втрати в якості рекомендується проводити їх фасування в великі мішки (біг- беги) місткістю 1000 кг. Для приватного споживання паливні гранули фасують у поліетиленові мішки місткість 15–35 кг.

Слід відмітити, що залежно від стану вхідної сировини, її технологічних параметрів та фізико-механічних властивостей, кількість технологічних операцій та послідовність їх виконання може бути змінена в будь-якому окремо взятому випадку.

На основі результатів досліджень встановлено, що для отримання максимальної економічної ефективності, при використанні рослинної біомаси на енергетичні цілі, необхідно забезпечити підвищення питомої теплоти згоряння (теплотворної здатності) твердого біопалива та забезпечити зручність транспортування (подачі) до теплових установок (котлів), керованість процесом горіння. Для цього необхідно дотримуватися вимог технології виробництва продукції та використовувати якісну сировину, яка має відповідати встановленим основним вимогам по якості.

Паливні гранули є стандартизованим видом біопалива, проте у різних країнах прийняті різні стандарти виробництва паливних гранул. Враховуючи, що наразі в Україні не існує стандартів на тверде біопаливо, більшість виробників орієнтуються на західноєвропейські стандарти, а тому з метою створення конкурентоспроможної енергетичної продукції вітчизняного виробництва та виходу на Європейський ринок необхідно запровадити виробництво твердого біопалива у відповідності до вимог тих країн, де дана продукція буде реалізована.

На основі результатів аналітичних досліджень визначено основні технологічні операції з виробництва твердого біопалива (паливних гранул) з рослинної біомаси сільськогосподарських культур. Встановлено, що залежно від стану вхідної сировини, її технологічних параметрів та фізико-механічних властивостей, кількість технологічних операцій та послідовність їх виконання може бути змінена в будь-якому конкретно взятому випадку. Також процес виробництва твердого біопалива, в т.ч. паливних гранул, потребує постійного та своєчасного контролю параметрів вихідної продукції. У той же час на якість паливних гранул суттєво впливають вологість, ступінь подрібнення і фізико-хімічні властивості сировини, однак завдяки відповідності кінцевої продукції заданим параметрам якості і визначається їх вартість та напрям використання.