Топливные пеллеты - новые возможности малой энергетики. Технология прорыва

Топливные пеллеты - экологически чистый вид топлива, получаемый в результате глубокой переработки отходов лесозаготовки, деревообработки, аграрной деятельности и т. д. Топливные пеллеты изготавливают методом прессования высушенной предварительно измельченной биомассы. В России для производства биотоплива наиболее широко используются сельскохозяйственные и лесные отходы, годовой объем которых составляет 250 млн. и 700 млн. тонн соответственно.

Основными операциями производства топливных пеллет в рамках существующей технологии являются: сортировка сырья, его сушка, мелкое дробление, обработка водой или паром для получения однородной массы формовочной влажности, прессование, охлаждение свежеотформованных пеллет, их упаковка и складирование.

Разберем детально эти процессы. Итак - в начале сортировка. Поступающую на производство низкосортную древесину в бревнах необходимо отделять от коры и измельчать, отходы растениеводства нужно предварительно рубить, в то же время лузга подсолнечника или гречихи подготовки не требует. Далее сырье поступает на сушку. В существующей практике глубокой переработки биомассы сушка сырья является самым дорогостоящим технологическим переделом. Для испарения одной тонны влаги из древесины необходимо затратить более 1000 кВт*ч энергии. В барабанных сушилках (наиболее часто используемый тип оборудования) материал обдувается потоками горячих топочных газов, после чего поступает в циклон, где сухие частицы опускаются вниз, а испаренная влага вместе с топочными газами выбрасывается в атмосферу. Пеллетные линии производительностью до 1 тонны пеллет в час, как правило, комплектуются сушилками мощностью от 1МВт.

Из циклона сухой материал питателем подается в дробилку (обычно молотковую), где и происходит его измельчение. Полупродукт по выходу из дробилки принято называть мукой, хотя на вид это грубая рассыпчатая масса, состоящая из волокон самых разных размеров. Из корпуса молотковой дробилки мука удаляется пневмотранспортом, ее отделение от несущего потока воздуха также происходит в циклоне.

Так как содержание влаги в материале, прошедшем сушилку и молотковую дробилку, недостаточно для процесса гранулирования, муку перед подачей в пресс смачивают водой или обрабатывают перегретым паром для получения формовочной влажности 10-18%. Чаще всего для этих целей используются шнековые смесители непрерывного действия, в корпусе которых установлены специальные распылители.

При «распаривании» муки ее температура повышается, волокна размягчаются, в результате чего увеличивается выход лигнина - природного клеящего вещества, благодаря которому пеллеты, прошедшие гранулирование, сохраняют свою форму.

Производительность линии с подачей пара на 20-25% выше, чем без него, приблизительно настолько же увеличивается и ресурс формующей оснастки. В целом паровая обработка желательна при гранулировании любых видов биомассы и обязательна для твердых пород древесины.

Формование топливных пеллет происходит методом экструзии при продавливании материала через калибрующие отверстия матрицы. Существуют различные типы пресс-грануляторов, но наибольшее распространение получили машины с кольцевой матрицей. Несмотря на различия в приводе рабочих органов (вращающаяся матрица или катки), принцип действия у них одинаков. Создается прессующее давление, материал продавливается через отверстия матрицы, на выходе из которых свежеотформованные пеллеты обрезаются специальным ножом.

Одной из важнейшей характеристикой пресс-гранулятора является развиваемое им усилие прессования, однако для получения качественных пеллет одного лишь большого давления недостаточно. Вся предварительная подготовка материала (измельчение и увлажнение) важна не менее чем мощность пресса. Так, хорошо измельченное, «распаренное» сырье формуется легче, качество пеллет при этом выше, а срок службы матрицы дольше. И наоборот, волокнистый, грубый материал формуется плохо, производительность пресс-гранулятора снижается, на поверхности пеллет видны раковины и трещины, они крошатся и рассыпаются.

Высокое давление прессования вызывает нагрев пеллет. Горячие гранулы (t до 90°С) на выходе из пресса очень непрочны и легко разрушаются даже при слабом сжатии. Поэтому для транспортирования свежеотформованных пеллет используются наиболее «бережные» конвейеры – ленточные, скребковые или ковшовые. Для охлаждения пеллеты загружаются в охладительную колонну, где они обдуваются воздухом. Одновременно с охлаждением гранул происходит и их обеспыливание, поток воздуха выносит в специальный циклон мелкие частицы (крошку). В охладительной колонне связующее вещество гранул - лигнин полимеризуется и пеллеты приобретают необходимую прочность, после чего они могут быть направлены в накопительный бункер для последующей фасовки и отгрузки потребителям.

Так в общих чертах выглядит «классическая» технология производства топливных пеллет. Даже при беглом ознакомлении бросается в глаза нелогичная последовательность операций: сначала высушивание сырья, а затем его смачивание в смесителе. Для чего тратить 400 кВт*ч тепловой энергии (без учета привода барабана сушилки, питателя, вентилятора и т. д.) на испарение 400 литров воды, чтобы потом опять влить 180 литров в сухой материал? Почему при сушке влагу удаляют практически полностью, а не оставляют необходимые для гранулирования 18%? Ведь при существующих ценах на энергоносители 400 кВт*ч энергии - это 1/3 всей стоимости пеллет! Ответ прост: чем меньше влажность биоматериала, тем легче его измельчить.

Молотковые дробилки, так широко используемые в производстве топливных пеллет - машины ударного действия, и предназначены они для измельчения материалов твердых и хрупких (например, горных пород, у которых отсутствует упругая деформация) (1). Ни древесные, ни сельскохозяйственные отходы к таким материалам не относятся, напротив, все они мягкие, упругие и при ударе так просто не разрушаются.

«Сила солому ломит» только в том случае, если солома сухая. Возьмите в руку влажную соломинку или щепку - их легко согнуть, но не просто сломать. То же происходит и в молотковой дробилке: сырье формовочной влажности (18%) в ней измельчить практически невозможно, а значит перед помолом, его приходится сушить!

Необходимость сушки сырья не является обязательным условием производства топливных пеллет, она лишь вытекает из существующей технологии, использующей неоптимальную измельчительную технику.

Способ производства топливных пеллет (который, кстати, не претерпел серьезных изменений с момента своего появления в 1947 году) отличается громоздкостью и большой энергоемкостью, являющихся следствием «стихийности» его создания. Сегодня технология производства топливных пеллет, с ее крайне неэффективной моделью сушки и помола сырья, широким заимствованием оборудования стала заложницей самой же ей и созданных неразрешимых противоречий как технического, так и экономического плана.

Большая энергоемкость основных процессов производства, жесткая ценовая конкуренция с традиционными видами топлива и, как следствие, низкая добавленная стоимость продукции, казалось бы, оставляют единственный путь развития - укрупнение. Однако, проверенная формула: если доходность производства низкая, спасти может большой объем выработки, не работает в данном случае.

Таким образом, сложившаяся на рынке возобновляемых источников энергии парадоксальная ситуация, когда малые производства биотоплива экономически невыгодны, а большие находятся в жесткой зависимости от объемов и стоимости доставки сырья, является не более чем, оборотной стороной устаревшего способа производства.

Крупные предприятия с их большими объемами выпуска быстро «выбирают» местные ресурсы, все глубже увязая в сложных логистических схемах закупки и доставки сырья на производство. Ведь для того, чтобы изготовить одну тонну древесных топливных пеллет нужно 7-8 куб. метров опилок. Заводу с годовым объемом выпуска 6000 тонн пеллет каждую смену требуется от 180 куб. метров сырья! Опыт Республики Белоруссии по созданию заводов большой мощности, часто простаивающих именно из-за недостатка древесных отходов (2), лишний раз показывает насколько дорого могут обходиться ошибки в выборе оптимального масштаба.