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

"На острие моды: биоуголь, торрефикат" (Ю.Юдкевич, А.Овсянко)

 

 Леспроминформ, №8, 2012 г.

 

 Термин  biocoal появился в зарубежной литературе не только технической, но и популярной относительно недавно  Дословный перевод – «биоуголь» не вполне раскрывает то, что в Западной Европе, США и других странах подразумевают под этим термином

Дело в том, что в ЕС законодательно ограничено потребление минеральных топлив. В соответствии с условиями Киотского протокола и принятыми нормативами во многих странах к выбросам отнесены не только вредные соединения, но и углекислый газ, если он образуется при сгорании невозобновляемого топлива. Многие котельные и электростанции в Евросоюзе работают на каменном угле. В воздух попадает углекислый газ, и какая-то часть окислов фосфора, серы, азота. За выбросы предприятия штрафуют. При этом, поощряется производство энергии с использованием возобновляемых ресурсов (сжигание биотоплива, использование энергии приливов, ветра, солнца и других подобных источников энергии).

Современные энергетики, чаще всего, сжигают уголь в форме пыли вдуваемой в топку с воздухом.  Сущность задачи, определяемой понятием  biocoal, сводится к созданию такого вида возобновимого топлива, которое можно измельчать в пыль и сжигать в факеле – точно также как и уголь. Разные виды  каменных углей имеют теплотворную способность от 17 до 29 кДж/кг. Значит, искомое биотопливо должно быть не хуже. Учитывая, что применение возобновимого топлива поощряется законодательством, «биоуголь может быть соответственно несколько дороже, чем каменные угли

Под понятие biocoal подходит материал из любого растительного сырья. Но, ни древесина, ни другие растительные материалы в исходном виде не пригодны для использования на угольных котлах без внесения изменений в технологию подготовки и сжигания топлива. Их необходимо высушить и подвергнуть термическому воздействию, для придания хрупкости и повышения теплотворной способности.

Процесс такой термической обработки был хорошо изучен русскими учеными. Еще в 1926 году в книге «Очерки по химии древесины» Н.И. Никитин описал стадии процесса термического распада древесины и указал на изменение свойств древесины в зависимости от степени разложения. Подробно и с балансами эти процессы обсуждены в книге В.Н. Козлова «Пиролиз древесины» изданной в 1952 году.

К сожалению, традиционно русскоязычная литература кроме нескольких узких направлений не знакома зарубежным исследователям. При этом, процессы, связанные с термическим распадом древесины, в последние годы очень интересуют развитые страны. Им приходится «открывать» многое заново, используя научно-исследовательские организации. Так, недавно компания Mercer International Inc. заключила партнерское соглашение стоимостью $1 млн с Кафедрой химических и биологических технологий Университета Британской Колумбии (Канада) и Целлюлозно-бумажным центром на Факультете прикладных наук для исследований в области разработки современного биотоплива на основе древесины («Lesprom Network».13 июня 2012 г.). Немецкие исследователи и энергетические корпорации изучают процесс торрефикации за счет грантов ЕС (10 млн. €). Результаты должны быть представлены к июлю 2015 года. Есть и другие публикации о крупных инвестициях для исследований в этой области в Европе, США, Канаде. При том, что российские специалисты имеют наиболее полное представление о сущности этих процессов, реализация исследовательских проектов осуществляется в странах, где, во-первых, предприниматели готовы финансировать опытные и головные производства и, во-вторых, где экологическое законодательство обязательно для исполнения.

Прием, с помощью которого растительные остатки превращаются в биоуголь, получил за рубежом название «торрефикация» (torrefaction). Точный перевод этого слова - обжаривание. Термин этот и раньше применялся к обжарке кофе, орехов. Некоторые фирмы стали  использовать соответствующую аппаратуру, для переработки древесины, и этим термином стали пользоваться для обозначения того, что в нашей литературе именуется мягким пиролизом.

Рассмотрим, как протекает этот процесс. Перед пиролизом древесина должна быть высушена.

Существенную роль в скорости и равномерности сушки играет толщина куска. Невозможно быстро достичь одинаково низкой влажности всех слоев толстого полена. Чем тоньше кусок, тем равномернее меняются его характеристики при прогреве. Это относится и к последующим стадиям термического воздействия на древесину. Поэтому, процесс предпочтительно проводить на щепе.

Вторая стадия сводится к отщеплению от сложных молекул, составляющих древесину, более термолабильных боковых цепей. По данным исследователей (Н.И.Никитин «Химия древесины и целлюлозы», изд. АН СССР, М.-Л., 1962) уже при 240оС полностью разорушаются пентозаны, целлюлоза теряет до трети массы, а лигнин почти не разрушается, но заметно полимеризуется.

Во многих последующих работах рассматривалась прикладная сторона дела. Тогда продукт, образующийся в этой стадии, в нашей литературе называли «красным углем», «бурой чуркой».  Процесс на этой стадии  именовали «мягким пиролизом», «предпиролизом», «форпиролизом».  Так что, торрефикация вовсе не новинка. Относительно новым является лишь название, точнее его перенесение на древесину, процесс распада которой «обжаркой» можно назвать с большой натяжкой.  Вторая стадия («торрефикация») эндотермическая, т.е. идет с поглощением тепла. 

 Третья стадия, глубокий термический распад древесины с образованием древесного угля - углежжение. Эта стадия  экзотермична, т.е. тепло выделяется. Далее следует четвертая стадия прокалки угля, уже эндотермичная.

 Но вернемся к торрефикации. Диапазон температур, в котором протекает эта стадия, разными исследователями определяется по-разному. Разнобой можно обнаружить и в последних англоязычных публикациях, посвященных именно торрефикации в ее сегодняшнем понимании. Указываются значения от 160 до 340 оС. Вероятно, следует учесть, что древесина разных пород и разной исходной влажности может достигать требуемых свойств при различной температуре. К тому же, понятие глубины разложения при торрефикации определено не слишком строго. Возможна большая или меньшая степень отщепления боковых цепей при разных температурах.  Много значит время пребывания и толщина куска.  Для березовой древесины по данным В.Н. Козлова, если температура достигнет 260оС за 3 часа, выход продукта составит порядка 70%. Указанное время учитывает нагрев, сушку и сам процесс отщепления. Собственно, реакция начинается уже одновременно с последней стадией сушки и сама по себе занимает очень короткое время, когда температура достигнута.

 Мягкий пиролиз (торрефикация) может легко перейти  в стадию углежжения, если превышено время пребывания или температура. После 320-340 оС начинаются процессы экзотермического распада. Тепло поступает непосредственно от самого материала. Температура продолжает расти независимо от регулирования извне.  Поэтому, управление торрефикацией требует тщательного регулирования температуры и своевременного вывода материала из горячей зоны. Лучше, если этот процесс управляется автоматикой.

 Торрефикат привлекателен как потенциальное топливо для котельных и электростанций, работающих на каменном угле. Причем, привлекателен исключительно в гранулированном виде. Гранулы торрефицированной древесины становятся гидрофобными. Высокая плотность делает их транспортабельными.

Другой важный фактор, делающий использование торрефицированную биомассу привлекательной для использования европейскими промышленными потребителями, – это повышенная энергетическая плотность такого топлива. Дело в том, что в процессе торрефикации исходная биомасса теряет до 30% своей массы и всего 5-10% теплотворной способности. Гранулы из такого материала имеют насыпную плотность 650-700 кг/м3 и теплотворную способность до 23 МДж/кг. Это позволяет существенно уменьшить затраты на перевозку единицы энергии в топливе и тем самым повысить рентабельность производства топливных гранул в регионах, удаленных от потребителей.

 Заметим, что рынок торрефиката пока не сформировался. Спрос не устоялся.

Развитие рынка топливных гранул (пеллет) показывает, что сочетание рекламы и грамотного учета  влияния политических и экономических решений на потребителей может поднять сбыт от нуля до миллионов тонн за несколько лет. Некоторый ажиотаж вокруг торрефиката уже имеет место. Публикации, доклады, высказывания политических деятелей, имеющих отношение к энергетике, создают впечатление, что повсеместное внедрение этого вида топлива состоится однозначно и в ближайшее время. В нескольких странах Европы и Америки прошли конференции, где центральное место отведено торрефикации. В Китае прошел конгресс посвященный специально этой теме

В России применение торрефицированных пеллет также может иметь перспективы – хотя, возможно с более отдаленном будущем. Сегодня изготовление и белых и черных гранул в России в значительной степени  завязано на европейских потребителей. Потребление обычных пеллет в нашей стране развивается уже достаточно бурно. Торрефикат же пока вызывает у российских инвесторов интерес преимущественно в связи с возможностью организации его производства на экспорт. Однако можно предположить, что по мере распространения обычных пеллет и брикетов на внутреннем рынке, будет развивать и интерес к торрефицированному биотопливу. Прежде всего – в связи с возможностью его использования вместо каменного угля без реконструкции котельных и электростанций. Здесь, в отличие от Евросоюза, все будет определяться чисто рыночными факторами, т.е. соотношением цен угля и торрефиката, а также их неценовых преимуществ и недостатков. Там же, где предстоит реконструкция, более привлекательным может оказаться сжигание необработанной биомассы, например – щепы или соломы.

Так или иначе, основным направлением сбыта торрефиката из России на ближайшие годы останется экспорт, как правило, предполагающий транспортировку продукции на большие расстояния. Привлекательность организации экпортно-ориентированного производства гранулированного торрефиката можно оценить с помощью несложной модели, представленной в таблице ниже:

Параметры

ДТГ (пеллеты)

Торр.гранулы

Объем производства

т/час

5,00

3,50

т/месяц

3220

2254

Теплотворная способность (Мдж/кг)

17,5

23,0

Отгружаем энергии за 1 месяц, ГДж

56350

51842

Вес одной партии (тонн)

21

Кол-во машин для перевозки

153

107

Стоимость доставки одной партии в Германию, €

2200

Стоимость перевозки всего объема, €

337333

236133

Стоимось перевозка одного ГДж, €

5,99

4,55

Стоимость за 1 тонну в Германии

160,00

210,29

Стоимость всего объема  в Германии, €

515 200

473 984

Стоимость 1 Мдж/кг в Германии,  €

9,14

Стоимость 1 тонны со склада, €

55,24

105,52

Месячный оборот,  €

177 866,67

237 850,67

Себестоимость одной 1 тонны гранул, €

35,00

43,57

Валовая прибыль, € месяц

65 166,67

139 640,67

 

Естественно, в данной модели рассматривается некий частный случай с частными значениями таких показателей, как себестоимость производства продукции, стоимость ее доставки условным потребителям в Германии, цена реализации пеллет и т.д.. На практике эти показатели могут отличаться, как в большую, так и в меньшую стоимость. Главные допущения:

- мы рассматриваем производство использующее примерно равное количество исходного сырья для производства обычных пеллет или пеллет из торрефиката

- мы предполагаем, что разница в цене реализации обычных пеллет и торрефиката определяется исключительно разницей в теплотворной способности тонны топлива[1]

Приведенный выше расчет показывает, что при определенных условиях (существенные объемы производства, относительно большое удаление завода от потребителей и т.д.) рентабельность производства торрефицированных пеллет может быть значительно выше, чем рентабельность аналогичного по масштабам производства обычных пеллет. Естественно производство торрефиката потребует дополнительных инвестиций. Распространение данной технологии в российской пеллетной отрасли по сути дела будет зависеть от того, насколько быстро повышенная рентабельность позволит окупить дополнительные капиталовложения. Рынок оборудования для торрефикации биомассы точно также, как и рынок самого торрефиката, еще не сложился. На сегодняшний день ценовые ориентиры, озвучиваемые ведущими разработчиками, достаточно высоки (порядка 5 млн. евро на установку производительностью до 5 тонн в час). Мы полагаем, что эту стоимость необходимо снижать. И такая возможность есть. В особенности при использовании знаний, опыта и наработок отечественных специалистов.

В мировой теплоэнергетике начался бум разработок в области торрефикации. Не менее 15 фирм в Европе, на Американском континенте и в Азии приступили к сооружению или уже построили опытные и опытно-промышленные установки. Некоторые по заявленной мощности можно считать вполне промышленными.

  Появились и российские инвесторы, готовые начать строительство таких установок.  Для современных наших предпринимателей вообще характерна уверенность, что все передовое может быть только за рубежом. Они не осведомлены, что в течение второй половины 20 века российские  научные и технические разработки в области термической переработки древесины были самыми передовыми. Наши инвесторы, в отличие от зарубежных, избегают вкладывать в новые разработки, не имеющие прототипов, в экспериментальные работы. Они безоговорочно доверяют заверениям Американских и Европейских фирм, не привлекают независимых экспертов, хотя экспертная оценка является нормальной практикой в мире.. В итоге, они финансируют исключительно зарубежных разработчиков, далеко не всегда добросовестных.

 Между тем, мы готовы. Опираясь на опыт и знания, накопленные российской наукой, предложить надежные технические решения. Проекты. Организацию строительства торрефикаторв по самой передовой технологии и заведомо дешевле зарубежных аналогов.




[1] При этом мы не рассматриваем тот факт, что потребители готовы платить за торрефикат больше еще и потому, что его можно использовать на угольных котлах без дополнительных затрат на реконструкцию мощностей для использования обычного биотоплива.