Истощение ископаемых видов топлива и необходимость снижения выбросов парниковых газов привели к росту использования биомассы, в частности древесных и растениеводческих отходов, для производства тепла и электроэнергии. Попытки повысить объёмную плотность и исключить неоднородность структуры подобного топлива привели к совершенствованию технологий его предварительного брикетирования и грануляции и бурному росту производства пеллет во всём мире.
История гранулированного топлива
Сжигание дров для отопления и приготовления пищи старо как человеческая цивилизация. И даже сегодня в этих целях потребляется более половины древесины, заготовленной в мире. Но лесные ресурсы на планете не безграничны, дровяное отопление имеет немало недостатков, главный из которых — неудобства, связанные с управлением сжиганием.
Уплотнение биомассы в брикеты — процесс, который известен уже больше века. Он нашёл применение для создания самых разнообразных продуктов, от фармацевтических таблеток до гранулированных животноводческих кормов. Идея производства пеллет из опилок уходит корнями в нефтяной кризис 1970-х годов. Политические потрясения на Ближнем Востоке повлекли за собой увеличение цен на нефть, спровоцировав в странах Европы и Америки поиски альтернативных источников энергии на базе местных ресурсов.
Как только цены на нефть восстановились, интерес к гранулам пропал, но ненадолго. На рубеже XX—XXI вв. некоторые страны политическими решениями стимулировали изготовление пеллет из древесных гранул как контрмеру против глобального потепления и изменений в климате. Понимание того, что альтернативные источники необходимы для уменьшения зависимости от ископаемого топлива и снижения количества выделяемых в атмосферу парниковых газов привело снова к повышению интереса к технологиям брикетирования и гранулирования биомассы.
Современное изготовление пеллет, за незначительными исключениями, основано на переработке древесных отходов. Однако растущий спрос неуклонно ведёт к расширению сырьевой базы, в основном за счёт сельскохозяйственных отходов.
Изготовление гранул более требовательно к качеству биомассы в сравнении с брикетированием, но пеллеты обладают рядом очень важных преимуществ. Главное из них — стандартизированный небольшой размер, благодаря которому гранулы можно транспортировать даже вакуумными насосами и без труда организовывать автоматическую подачу в топки котельных установок. Удобство использования их в промышленных целях и обусловило взрывной рост пеллетного производства в XXI веке.
Свойства пеллет
Поскольку пеллеты являются продуктом лесопереработки, они обладают теми же потребительскими качествами, что и дрова — это экологически чистое топливо из возобновляемых ресурсов с невысокой стоимостью. К безусловным преимуществам гранул в сравнении с древесиной можно отнести:
- 1.
Чистота сгорания. Древесина выделяет большее количество несгоревших частиц. - 2. Эффективность. В пересчёте на массу гранулы дают при сгорании значительно больше тепла, чем дрова.
- 3. Удобство в транспортировке. Благодаря высокой плотности и сыпучести топлива оно требует меньше транспортных объёмов и легко стандартизируется в фасовке.
- 4. Пригодность для автоматизации. Это касается как подачи топлива в печь, так и своевременного начала и прерывания процесса. Большинство современных пеллетных печей — полностью программируемые системы, в которых сжигание полностью контролируется в соответствии с заданными параметрами.
Однако изготовление гранул требует высокого уровня производственной культуры и контроля качества. Это связано не только с удовлетворением желания потребителей получать только лучшее топливо, но и для безопасности всего процесса использования пеллет в энергетических целях.
Например, разрушение гранул может привести к взрывам пыли при обработке и транспортировке большого количества топлива из биомассы.
Содержание мелких частиц в объёме гранул связано их механической прочностью, которая, в свою очередь, зависит от множества факторов. Поэтому производители должны придерживаться строгих спецификаций в отношении таких важных характеристик, как прочность и содержание мелких частиц, теплотворная способность и зольность. Отклонения этих параметров могут влиять на качество выбросов при сжигании и долговечность сжигающих установок.
https://youtube.com/watch?v=P1WkqM98H4w
Характеристики и стандарты
Сейчас одновременно в нескольких странах действует целый ряд национальных стандартов на топливные гранулы. Для регулирования качества пеллет, используемых в котлах электростанций и промышленных целях, существуют отдельные правила. Поскольку международная торговля пеллетами набирает оборот, их приходится согласовывать.
В качестве общей платформы для системы сертификаций, идентификации и технических характеристик c 2010 г. в Европе действует стандарт EN 14961−2. Согласно ему, для гранул, сжигаемых в мощных отопительных установках, применяются более строгие спецификации, чем для используемых в промышленности и бытового назначения. Типичные характеристики пеллет, изготовленных для небольших печей, выглядят так:
диаметр: 6—12 мм;- длина: в 4—5 раз больше диаметра;
- объёмная плотность: 500—600 кг/м3;
- содержание влаги: 8—12%;
- зольность: менее 0,5%;
- теплотворная способность: 17—18 МДж/кг.
Требования к сырью
Практически любой вид биомассы можно рассматривать как потенциальное сырьё для изготовления топливных гранул. Однако большинство установок для производства пеллет, работающих по всему миру, используют древесные отходы (опилки, стружка, щепа). Подобная биомасса состоит из пяти основных компонентов:
целлюлоза;- гемицеллюлоза;
- лигнин;
- смолы;
- минералы.
Наиболее важный компонент для гранулирования — лигнин. Его можно рассматривать как природный связывающий агент, который удерживает древесные частицы вместе после придания топливному элементу необходимой формы. Чем больше в сырье лигнина, тем прочнее пеллеты. Для переработки используют древесину как хвойных, так и лиственных пород. Как правило, эти два вида сырья отличаются по теплотворной способности, зольности и содержанию лигнина.
Производство качественных гранул из только одного вида древесины затруднительно, поэтому чаще используют различные смеси из пород. Обычно хвойные составляют приблизительно 70% от общего количества сырья из-за высокого содержания лигнина, которого немного в твёрдых лиственных породах, но зато они обладают большой теплотворной способностью.
Наилучшие результаты достигаются из сырья, полученного из древесного ствола. Из него изготавливают механически прочные гранулы высочайшего качества, соответствующие классу A1 согласно европейскому стандарту EN 14961, с небольшим содержанием золы.
Технология производства
Производство пеллет, как правило, размещают недалеко от источника сырья. Нередко гранулирование биомассы организовывается на крупных деревообрабатывающих предприятиях как способ коммерческого использования отходов. Вместе с таким подходом встречается также изготовление пеллет из цельного леса. Большинство предприятий ориентировано на крупномасштабное производство, но в последние годы всё более популярны компактные грануляторы, специализированные для использования в домашних хозяйствах и на малых предприятиях.
Этапы технологического процесса производства пеллет могут отличаться на предприятиях. В основном это связано с типом используемого сырья и содержанием в нём влаги. Однако любое производство по гранулированию биомассы включает в себя следующие процедуры:
- предварительная обработка;
- собственно гранулирование;
- постобработка полученных гранул.
Заготовка и дробление
Способ обработки зависит прежде всего от размерных характеристик исходного материала. Если используются чистые опилки, предварительное механическое вмешательство не требуется, такой тип сырья является идеальным. В связи с увеличением спроса на древесные гранулы растёт интерес к переработке других ресурсов, таких как кора, лесные остатки или шлифовальная пыль. По этой же причине некоторые предприятия решают проблему генерации материала непосредственно из круглого леса.
Первым этап в предварительной обработке является сбор и сортировка сырья или отходов на производственной площадке. Заготовленная биомасса, как правило, отличается по размерам и качеству, поэтому она сортируется и очищается от таких компонентов, как металл или камни.
Первая машина в технологической линии для неоднородного в размерах сырья — грубый измельчитель. В этих целях используют чаще всего барабанные установки из-за их надёжности. Большие машины этого класса способны работать с кусками древесины, габаритами в 1 м. Однако размер фракций, полученный на выходе после грубого помола, слишком велик для производства пеллет и требует дополнительного измельчения. Частицы исходного материала должны быть не крупнее 4 мм для гранул диаметром 6 мм.
Процесс последующего помола проводят в молотковых мельницах. В них молотки с покрытием из карбида, установленные на роторы, выбивают частицы сырья через отверстия в экранах, таким образом уменьшая фракции материала. Молотковые мельницы, как правило, технологически предшествуют сушильной камере несмотря на то, что измельчение сухого сырья более экономично. Это обусловлено соображениями пожарной безопасности.
Сушка и увлажнение
Эффективное уплотнение сырья в гранулы зависит не только от размера частиц, но и от содержания влаги в сырье. Сушильные машины делят на две большие категории: естественные и принудительные. Первые позволяют проводить процесс просто и дёшево. Однако опыт показал, что оптимальное содержание влаги в материале может быть достигнуто только принудительной сушкой.
Чаще всего на пеллетных производствах можно встретить барабанные сушилки с прямым или косвенным нагревом. В первом случае в качестве нагревающей среды используются дымовые газы, во втором — агрегат оснащают теплообменником. Для создания горячих газов в печах используют различные виды топлива (газ, мазут), наиболее экономичный вариант — сжигание материала для производства пеллет. Некоторые печи приспособлены для работы даже с влажным сырьём, но эти установки применяют с осторожностью, так как их эффективность быстро снижается при повышении влажности материала.
До процесса гранулирования частицы сухого сырья необходимо сбалансировать по размеру. Разделение фракций происходит на осциллирующих экранах, затем материал накапливается в бункерах и при необходимости поступает на кондиционер. Его задача — создание тонкой плёнки воды на древесных частицах для облегчения процесса связывания в грануляционных машинах. Эта процедура повышает содержание влаги на 2%.
Гранулирование и охлаждение
Сами пеллеты производятся в грануляторе, который обычно состоит из пресс-формы с цилиндрическими каналами и роликов, продавливающих биомассу через отверстия. Из-за трения между поверхностями стали и биомассой в каналах под давлением генерируется тепло. Высокое давление во время операции в сочетании с нагревом и присутствием влаги делает лигнин текучим, позволяя ему связывать целлюлозные волокна естественным образом. Этот процесс обеспечивает стабильность размеров пеллет и делает их поверхность глянцевой.
Экструдированные гранулы покидают матрицу в качестве бесконечной струны и с помощью специальных ножей режутся на куски приемлемой длины. Температура пеллет на выходе находится, как правило, в диапазоне 80—130 °C. Такие горячие продукты непригодны для дальнейшей обработки, например, упаковки, и их охлаждают. Кроме того, процесс принудительного охлаждения улучшает механическую прочность и снижает содержание влаги у гранул. Для этого этапа обычно применяют агрегаты, создающие встречные потоки пеллет и холодного воздуха.
Этот несложный технологический процесс исключает недостатки, присущие биомассе как топливу. Прежде всего — влажность и низкая плотность энергии. Это оправдывает инвестиции в производство пеллет как в сравнительно несложный способ получения ценного и востребованного продукта из отходов.
