Технологии. Оборудование. Продукция.
+7 (960)236-50-90
Группа WOOD-PELLETS.COM
sales@biomass-a.ru
Каталог

"Биоугли/Торрефикат: мифы, значение, применение, производство". (Ю.Юдкевич, А.Овсянко)

 

 к.т.н. Ю. Д. Юдкевич, гл. специалист отдела «Биоэнергия ЗАО «Лонас Технология», А.Д.Овсянко, генеральный директор ООО "Портал-Инжиниринг", Биотопливный портал WOOD-PELLETS.COM

Содержание

  • Мифы вокруг торрефикации.
  • Миф первый: торрефикат - новый продукт.
  • Миф второй: Рынок торрефицированной биомассы еще не сформировался.
  • Миф третий: цена торрефицированного биотоплива.
  • Значение биоуглей..
  • Значение для мировой биоэнергетики.
  • Значение для России.
  • Технология торрефикации.

 

 

 

В последние годы в ставшей уже традиционной для многих экономик биоэнергетической отрасли бурно обсуждается развитие новой технологии и распространение нового продукта, который называют "торрефицированной биомассой", "торрефикатом" или "биоуглем". Как это часто бывает с различными инновациями, вокруг торрефикации и торрефиката циркулирует некоторое количество мифов. В начале этой статьи, мы возьмем на себя смелость объяснить или разрушить некоторые из них, по ходу, определяя сам предмет, о котором хотим поговорить.

 

Мифы вокруг торрефикации

Миф первый: торрефикат - новый продукт

Не будем спорить: создание современной технологии индустриального производства торрефиката предполагает внедрение ряда инноваций. Однако же сам продукт впервые начал производиться достаточно давно. В российской литературе он со второй половины 19 века известен под названиями «красный уголь» и «бурая чурка». Совсем недавно в ЕС он получил наименование «торрефикат» (от torrefiction – обжаривание). В конце 19 - начале 20 века он был широко распространен в Российской империи в качестве элитного топлива для печей и каминов. То есть в строгом смысле внедрение торрефиката в современную энергетику - не 100% инновация, а отчасти возвращение к применявшимся в прошлом технологиям в видоизмененном виде.

Смысл торрефикации биомассы и производства торрефиката заключается в следующем:

В ЕС многие котельные и ТЭЦ работают на каменном угле, который размалывают в пыль и вдувают в топку через форсунку. Потому, возникла задача так обработать возобновимые органические отходы, чтоб ими можно было заменить каменный уголь, не потеряв в производительности и не делая существенной реконструкции котельной. Т.е., требования к биотопливу сводятся к тому, чтоб его теплотворная способность была не ниже, чем у каменного угля, чтоб оно было транспортабельно, гидрофобно и легко дробилось в пыль, подобную каменноугольной.

Теплота сгорания каменного угля составляет 22-30 МДж/кг, его насыпная плотность от 500 до 1500 кг/м3. Теплота сгорания древесины, даже в форме гранул не более 19 МДж/кг при плотности до 650 кг/м3, а исходная древесина имеет более низкие показатели.. Древесина и гранулы из нее гигроскопичны и их размол требует значительных усилий. Древесина и другие органические отходы отличаются еще и высокой влажностью. Потому, оказалось, целесообразно прибегнуть к предварительной термической обработке биомассы. Таким образом, под «biocoal» понимается любое топливо растительного происхождения, которое путем обработки приближено по свойствам к каменному углю.

В этом смыле торрефикат или биоуголь фактически - способ создать традиционный продукт из нетрадиционного - возобновляемого сырья.

Миф второй: Рынок торрефицированной биомассы еще не сформировался

При рассмотрении проектов в сфере торрефикации инвесторы часто сталкиваются с труднопреодолимой на первый взгляд проблемой: развитого рынка торрефицированной биомассы на сегодняшний день не существует. Торрефикат поставляется пока нерегулярными и сравнительно небольшими партиями. В результате при инвестиционном проектировании специалисты сталкиваются с трудностями планирования сбыта и прогнозирования цен.

На самом деле все не так плохо. Если мы внимательно изучим происхождение и свойства торрефиката и пеллет из него, то мы обнаружим, что эти продукты соответствуют практически всем требованиям стандартов качества твердого биотоплива. То есть функционально торрефицированные пеллеты и обычные пеллеты можно рассматривать, как один и тот же продукт. А значит они будут реализовываться на том же рынке, по крайней мере в части промышленного потребления. По сути дела торрефицированные пеллеты - это обычные пеллеты с улучшенными характеристиками.

Вероятно, по мере роста объемов производства и потребления отдельный сегмент рынка торрефицированного биотоплива будет формироваться. Но это произойдет только, когда опыт использования торрефиката позволит обосновать дополнительные преимущества нового продукта, связанные с его влагоустойчивостью, повышенной насыпной плотностью, легкостью измельчения и другими свойствами, которых нет у традиционного биотоплива. 

Миф третий: цена торрефицированного биотоплива

Поскольку, как уже сказано, регулярных поставок биоуглей на мировом рынке пока не много, а интерес к этому продукту велик, в отрасли циркулирует множество слухов о фантастически высоких ценах на торрефицированные пеллеты. Скептики же, наоборот, не верят в то, что дополнительные затраты не окупятся при реализации торрефицированных пеллет на традиционном рынке биотоплива. Как в таких условиях надежно прогнозировать цену реализации торрефиката? Как оценить рентабельность проекта по производству торрефицированных пеллет?

На самом деле, достаточно просто определить минимальную цену. Дело в том, что на рынке твердого биотоплива фактически продают и покупают не тонны пеллет, брикетов или щепы, а мегаджоули энергии, которая в них содержится и может быть выработана при сжигании. Все или почти все контракты на поставку твердого биотоплива промышленными партиями содержат поправку к цене - пропорциональную фактической калорийности топлива. поправка эта, обычно, выглядит.

Pf= Pb * Wf / Wb, где

Pf- фактическая цена

Pb- базовая цена при базовой теплотворной способности

Wf- фактическая теплотворная способность топлива по результатам исследования конкретной партии

Wb- базовая теплотворная способность(обычно от 16 или 17 МДж/кг)

Таким образом, если базовая цена обычных пеллет составляет 150 евро [1]при 17 МДж/кг, то поставляемый по тому же контракту торрефикат с теплотворной способностью 22 МДж/кг будет фактически принят и оплачен по цене:

150 * 22 / 17 = 194,12 евро за тонну.

А это - совсем неплохая цена!

Понятно, что пеллеты из торрефицированной биомассы имеют и особые преимущества, которые теоретически должны повышать их привлекательность для промышленных потребителей. Их можно хранить вместе с углем, готовить к сжиганию и подавать на сжигание с использованием уже имеющегося оборудования существующего участка топливоподготовки. Однако рассчитывать на то, что с учетом упомянутых преимуществ вам удастся убедить электростанцию заплатить больше за единицу энергии, пока трудно. Для того, чтобы определить экономию электростанции от использования торрефиката по сравнению с традиционной биомассой, очевидно необходимо наработать практический опыт сжигания существенного количества торрефиката в течение хотя бы одного года. Тем не менее, вполне вероятно, что со временем торрефикат будет стоить еще дороже.

Значение биоуглей

Значение для мировой биоэнергетики

Откуда же такой большой интерес к торрефикации?

Сегодня развитие и рост биоэнергетической отрасли сдерживаются с одной стороны ограниченностью доступных ресурсов биомассы, пригодной для использования в энергических целях, а с другой рынком зеленой энергии, который определяет максимальную закупочную цену твердого биотоплива.

Твердое биотопливо преимущественно производят из отходов деревообработки, растениеводства, а также из биомассы специально выращенных энергетических культур. На территории ЕС - основного потребителя биотоплива - объемы неликвидной биомассы не растут и даже сокращаются. Земель для энергетических посадок тоже не так много. В результате биомассу приходится завозить из других стран и даже с других континентов в форме щепы, топливных гранул или брикетов.

Обеспечить рентабельность перевозки биомассы через океан - непросто. Для этого нужно, чтобы производитель пеллет находился в непосредственной близости от морского порта, а электростанция имела свой собственный терминал для приема морских грузов. Причем поставляемые партии должны быть достаточно большими. Пеллеты из Канады и Бразилии возят партиями до 55 000 тонн(!) (именно столько топливных гранул помещается в суда класса Panamax). Поставка морским или сухопутным транспортом в пределах одного континента, скажем, из России, - тоже непростое и недешевое дело. И в том и в другом случае существуют барьеры по минимально рентабельному объему партии, по допустимой удаленности производства от порта. От развития технологий торрефикации биомассы рынок ожидает снижения этих барьеров и соответствующего расширения ресурсной базы биоэнергетики.

С другой стороны, мы знаем, что для сжигания торрефиката не требуется модернизировать мощности традиционных угольных электростанций, а хранение, подготовка и подача в топку такого топлива должны обходиться дешевле. А это значит, что потенциально торрефикат может открыть новые сегменты рынка биотоплива, а также повысить приемлемый уровень закупочной цены за счет снижения издержек.

Значение для России

 

В России сосредоточено более четверти мировых запасов древесины. Ежегодный прирост древесины в РФ — 0,9 млрд м3. Ежегодные заготовки составляют всего 0,1 млрд м3. Эта разница объясняется трудностями заготовки леса в отдаленных регионах и вывоза оттуда продукции к потребителям. Эта проблема в еще большей степени затрагивает развитие лесной биоэнергетики. Неразвитая инфраструктура и огромное транспортное плечо не позволяет осуществлять рентабельные поставки биотоплива из очень многих регионов России. Затраты на логистику слишком велики.

Казалось бы проблема не имеет решения. Поставщики не могут повысить цену "зеленой энергии" на мировом рынке. Им не под силу построить новые дороги и радикально снизить тарифы на перевозку биомассы по железной дороге и стоимость фрахта при морских перевозках.

Но при этом мы знаем, что нефть или уголь успешно перевозят к потребителям за тысячи километров. Почему то, что возможно на рынке ископаемого топлива, не работает на рынке биомассы? Одна из главных причин - так называемая "энергетическая плотность" топлива. Одна тонна угля содержит, 5 - 8 Гкал энергии. Одна тонна топливной щепы при влажности 30% - около 3 Гкал. Одна тонна обычных топливных гранул обычно - около 4,1 Гкал. Причем перевозка топливных гранул обходится даже дороже, чем угля, т.к. их необходимо защитить от влаги с помощью биг-бэгов и зачастую везти в крытых вагонах. Торрефикация - возможное решение описанной проблемы, поскольку теплотворная способность торрефицированной древесной биомассы составляет 5-5,2 Гкал/т, изготовленные из нее гранулы не боятся влаги. 

Таким образом потенциальное значение торрефикации для российской биотопливной промышленности трудно переоценить. Новая технология должна существенно расширить географию эффективного производства топливных гранул и в разы увеличить сырьевую базу будущих производителей биотоплива.

Технология торрефикации

Итак, основной смысл торрефикации заключается в том, чтобы максимально приблизить свойства биомассы к свойствам энергетического угля. Это можно сделать с помощью термической обработки биомассы в течение определенного времени, при определенной температуре и минимальном доступе кислорода

Разная степень термической обработки приводит к разному выходу и теплотворной способности продукта. Теоретически теплотворная способность торрефицированных пеллет на любой точке отрезка между 17 МДж/кг (среднее значение для древесного топлива при 10% влажности) и 31 МДж/кг (теплотворная способность древесного угля). Использовать в качестве энергетического топлива древесный уголь, как правило, не имеет смысл, т.к. при его производстве теряется слишком много исходной энергии биомассы и топливо получается слишком дорогим. Поэтому при торрефикации стараются найти оптимальный режим, который позволяет добиться наивысшей теплотворной способности при наименьшей потере исходной энергии. Как правило, этого оптимума удается достичь при температуре 250-280оС. Полученный таким образом материал имеет теплотворную способность на уровне 21-25 МДж/кг и пригоден для прессования с добавлением минимального количества связующих добавок или без добавок.

Прессование торрефиката, полученного из щепы, позволяет  достичь плотности до 850 кг/м3 при теплоте сгорания до 25 МДж/кг. Сформированные гранулы сыпучи, прочны, не пылят при перевоке, гидрофобны, могут быть раздроблены в пыль на том же оборудовании, которое применяют в котельных для угля. Высокая плотность при высокой теплотворной способности делают экономически целесообразной доставку продукта на большие расстояния. По всем параметрам биоуголь превосходит пеллеты. Замена им угля не приводит к снижению производительности котлов. Биоуголь можно сжигать вместе с каменным углем.

Процесс торрефикации – эндотермический, требуется дополнительное топливо для его осуществления. Выход торрефиката составляет 70-80% от абс. сухой древесины.

Самая сложная задача, с которой сталкиваются инженеры, проектирующие торрефикационные реакторы, заключается в том, чтобы создать непрерывный и регулируемый процесс с предсказуемым результатом, как в смысле производительности, так и в смысле качественных характеристик полученного топлива. Решением этой задачи уже несколько лет с переменным успехом занимается целый ряд компаний. Большинство из них стараются приспособить свои традиционные технологии к решению новой задачи. Кто-то нагревает биомассу в объеме вращающегося барабана (бывшей сушилки), кто-то помещает сырье между полыми шнеками, внутри которых находится теплоноситель, кто-то взял за основу технологию производства макаронных изделий.

Разработанные нами конструкции сушилки и торрефикатора предполагают обработку материала в нисходящем слое потоком теплоносителя (патент RU 140115).Общий вид аппарата сушки и торрефикации показан на рисунке 1. Аппарат общей высотой 12 м способен сделать 5000 т/год торрефиката. Первый такой проект выполнен в ЗАО «Лонас технология» и передан заказчику.

 

[1] Ориентировочный уровень цен на базисе CIF ARA на конец 2014 года