Опытное производство пеллет из гидролизного лигнина в архангельской области. Гидролизный лигнин Стадии производства гранул

Основным материалом для производства пеллет служит древесина. Но сейчас многие предприятия переходят на использование других видов сырья.Так, в Архангельской области был сдан в эксплуатацию первый завод в России по изготовлению топливных гранул из лигнина. По своему назначению конечный продукт аналогичен традиционным древесным пеллетам. Гранулы будут использоваться в качестве топлива для промышленных котельных, выработки тепла и электроэнергии. Предприятие организовано на базе бывшего гидролизного завода и является одним из крупнейших в Европе.Лигнин - это побочный продукт переработки древесины в целлюлозно-бумажной и гидролизной промышленности. Он представляет собой однородную массу влажностью 50 - 70%, основным элементом которой являются опилки. Ведущие мировые эксперты давно пришли к единому мнению, что лигнин - прекрасное сырье для производства биотоплива. При сгорании выделяет мало дыма, служит отличным заменителем древесному углю, коксу, используется в качестве восстановителя в черной и цветной металлургии.В России в большинстве случаев лигнин, как побочный продукт, попросту нигде не применялся. В основном складировался, отправлялся на свалки. С новым заводом по производству пеллет данное сырье получит второй шанс на жизнь, а отрасль биоэнергетики страны - очередной стимул к дальнейшему развитию.Если Вы ищите перспективное направление бизнеса, обратите внимание на сферу производства биотоплива. Отрасль стремительно развивается, активно поддерживается правительством РФ, считается перспективным направлением экономики. Все необходимое оборудование для производства пеллет, можно приобрести в России на выгодных условиях в "Доза-Гран". Компания является экспертом отрасли биоэнергетики и занимает лидирующие позиции на рынке страны.

Проект по производству нового вида биотоплива - топливных гранул из лигнина запущен в Германии в Техническом университете г. Котбуса совместно с Научно-исследовательским Центром по изучению биомассы в г. Лейпциг и одной компанией, производящей технологическое оборудование.

По мнению специалистов, новый проект позволит, наконец, производить из гидролизного лигнина топливные гранулы (пеллеты) или брикеты высокого качества в промышленном масштабе.

Пилотный проект будет запущен в июне 2013 года. Финансирование осуществляется за счет грандов Евросоюза по программе защиты окружающей среды.

Многие годы сотни научных организаций во всем мире занимаются исследованиями и разработками в области утилизации гидролизного лигнина. Многие из них в разные годы уже внедрены в промышленности. В последнее время актуальность эти работы получают в связи с возросшим интересом к решению экологических проблем и к промышленному использованию в целом биомассы в энергетике. Но без серьезной государственной поддержки, скорее всего «воз (отвал) будет и ныне там».

Что касается России, то запасы гидролизного лигнина в РФ, составляющие десятки миллионов тонн, сопоставимы с другими отходами переработки древесины - корой, опилками и т. п.

Интересно, что лигнин отличается от древесных отходов большей однородностью и, главное, большей концентрированностью (например, отвалы вблизи гидролизных заводов). В связи с практически полным отсутствием его утилизации, создаются проблемы с экологической точки зрения и с его хранением.

На большинстве гидролизных и биохимических заводах лигнин вывозится в отвалы и загрязняет большие территории.

Многие европейские специалисты, посещая такие заводы подчеркивают, что нигде в Европе не видели такую колоссальную концентрацию неиспользуемого энергетического сырья.

Согласно имеющимся в литературе данным использование гидролизного лигнина в качестве химического сырья в СНГ не превышает 5 % . А по данным International Lignin Institute, в мире используется на промышленные, сельскохозяйственные и другие цели не более 2 % технических лигнинов. Остальное сжигается в энергетических установках или вывозится в отвалы.

Проблема

Проблема утилизации гидролизного лигнина еще с 30-х годов была основной для отрасли. И хотя ученые и практики давно доказали, что из лигнина можно получить прекрасное топливо, удобрения и многое другое, за долгие годы существования гидролизной промышленности и в СССР, и в СНГ, так и не удалось использовать лигнин в полном объеме.

Трудность промышленной переработки лигнина обусловлена сложностью его природы, а также нестойкостью этого полимера, необратимо меняющего свойства в результате химического или термического воздействия. В отходах гидролизных заводов содержится не природный лигнин, а в значительной степени измененные лигниносодержащие вещества или смеси веществ, обладающие большой химической и биологической активностью. Кроме того, они загрязнены другими веществами.

Некоторые технологии переработки, например, разложение лигнина на более простые химические соединения (фенол, бензол и т. п.) при сравнимом качестве получаемых продуктов обходятся дороже их синтеза из нефти или газа.

Гидролизный лигнин - прекрасное высококаллорийное топливо и легкодоступное возобновляемое сырье для производства топливных гранул и брикетов.

В настоящее время актуальность вопроса производства альтернативных энергоносителей постоянно возрастает. Для этого имеется ряд причин.

1. Традиционные энергоносители - газ, уголь, нефть - с каждым годом становится добывать все труднее, и это ведет к постоянному повышению их стоимости. Особую актуальность для Украины, как известно, имеет вопрос стоимости импортируемого газа.

2. Запасы традиционных энергоносителей быстро истощаются, что делает производство альтернативных энергоносителей весьма перспективным направлением бизнеса.

3. Производство альтернативных источников энергии стимулируется Правительствами всех развитых стран, в том числе Украины.

Лигнин Горит хранилище лигнина

Пеллета из лигнина Брикет Pini&Key из лигнина

Основная конкуренция в этой отрасли лежит не в сфере сбыта - с ним как раз проблем нет, причем, в основном, вся продукция отгружается на экспорт в страны Евросоюза – а в сфере обеспечения сырьем. Дело в том, что многие предприятия, установившие оборудование брикетирования или грануляции биомассы, в настоящее время работают не в полную мощность, а зачастую вообще простаивают из-за отсутствия сырья. Это связано прежде всего с сезонностью наличия некоторых видов сырья (лузги подсолнечника, соломы, отходов крупяных культур, отходов переработки кукурузы, других видов сельхозсырья), некорректным выбором места установки оборудования (например, удаленность от потенциальных источников сырья), большими логистическими затратами на доставку сырья, имеющего, как правило, очень малый насыпной вес (к примеру, насыпной вес лузги подсолнечника - 100 кг/м3).

В такой ситуации лигнин является хорошей альтернативой сельхозотходам как сырью, так как его запасы имеются в достаточно большом количестве независимо от сезона переработки, лигнин хорошо поддается гранулированию и брикетированию в силу своих отличных связующих свойств, имеет достаточно большой насыпной вес (до 700 кг/м3), делающий рентабельной его перевозку на значительные расстояния даже не в гранулированном виде, обладает хорошей теплотворной способностью, соизмеримой с углем, при гораздо, меньшей зольности, и цена сырья-лигнина сравнительно невысока. Вследствие особых свойств лигнина, в технологии его подготовки к дальнейшему использовании особое значение придается вопросу сушки лигнина.

Если рассматривать лигнин с физико-химической точки зрения, то в изначальном виде это вещество представляет собой сложную опилкоподобную массу, влажность которой доходит до семидесяти процентов. По сути, лигнин - это уникальный комплекс веществ, который состоит из полисахаридов, особой группы веществ, относящихся к так называемому лигногуминовому комплексу, моносахаров, различных минеральных и органических кислот самой разной насыщенности, а также определенной части золы. Гидролизный лигнин представляет собой опилкоподобную массу с влажностью приблизительно 55-70%. По своему составу это комплекс веществ, в который входят собственно лигнин растительной клетки, часть полисахаридов, группа веществ лигногуминового комплекса, неотмытые после гидролиза моносахара минеральные и органические кислоты, зольные и другие вещества. Содержание в лигнине собственно лигнина колеблется в пределах 40-88 %, полисахаридов от 13 до 45 % смолистых и веществ лигногуминового комплекса от 5 до 19 % и зольных элементов от 0.5 до 10 %. Зола гидролизного лигнина в основном наносная. Гидролизный лигнин характеризуется большим объемом пор, приближающимся к пористости древесного угля, высокой реакционной способностью по сравнению с традиционными углеродистыми восстановителями и вдвое большим в сравнении с древесиной содержанием твердого углерода, достигающим 30 %, то есть почти половины углерода древесного угля.

Гидролизный лигнин отличает способность переходить в вязкопластическое состояние при наложении давления порядка 100 МПа. Это обстоятельство предопределило одно из перспективных направлений использования гидролизного лигнина в виде брикетированного материала. Установлено, что лигнобрикеты являются высококалорийным малодымным бытовым топливом, качественным восстановителем в черной и цветной металлургии, заменяющим кокс, полукокс и древесный уголь, а также могут служить для производства угля типа древесного и углеродистых сорбентов. Исследовательские и опытно–промышленные работы ряда организаций показали, что брикетированный гидролизный лигнин может являться ценным сырьем для металлургической, энергетической и химической отраслей народного хозяйства страны, а также высокосортным коммунально-бытовым топливом.

К внедрению могут быть рекомендованы технологические разработки, позволяющие получать следующую брикетированную лигнопродукцию:
- лигнобрикеты для замены традиционных углеродистых металлургических восстановителей и кусковой шихты в производстве кристаллического кремния и ферросплавов;
- малодымные топливные лигнобрикеты;
- брикетированный лигнинный уголь взамен древесного в химической промышленности;
- углеродистые сорбенты из лигнобрикетов для очистки промстоков и сорбции тяжелых и благородных металлов;
- энергетические брикеты из смеси с отсевами углеобогащения.

Топливные брикеты из лигнина представляют собой высококачественное топливо с теплотой сгорания до 5500 ккал/кг, и низким содержанием золы. При сжигании брикеты лигнина горят бесцветным пламенем, не выделяя коптящего дымового факела. Плотность лигнина равна 1,25 - 1,4 г/см3. Коэффициент преломления равен 1,6.

Гидролизный лигнин имеет теплотворную способность, которая для абсолютно сухого лигнина составляет 5500-6500 ккал/кг для продукта с 18-25% - ной влажностью, 4400-4800 ккал/кг для лигнина с 65%-ной влажностью, 1500-1650 ккал/кг для лигнина с влажностью более 65%. По физико-химической характеристике лигнин представляет собой трехфазную полидисперсную систему с размерами частиц от нескольких миллиметров до микронов и меньше. Исследования лигнинов, полученных на различных заводах, показали, что состав их характеризуется в среднем следующим содержанием фракций: размером более 250 мкм - 54-80%, размером менее 250 мкм - 17-46%, и размером менее 1 мкм - 0,2-4,3%. По структуре частица гидролизного лигнина не является плотным телом, а представляет собой развитую систему микро- и макропор, величина его внутренней поверхности определяется влажностью (для влажного лигнина она составляет 760-790 м2/г, а для сухого всего 6 м2/г).

Как показали многолетние исследования и промышленные испытания, проведенные целым рядом научно-исследовательских, учебных и промышленных предприятий, из гидролизного лигнина можно получать ценные виды промышленной продукции. Для энергетики - из исходного гидролизного лигнина можно изготавливать брикетированное коммунально-бытовое и каминное топливо, а из смеси лигнина с отсевами углеобогащения - производить брикетированное энергетическое топливо.

Процесс горения лигнина в технологических топках без прямой отдачи теплоты имеет существенные отличия по сравнению с топками паровых котлов. В них отсутствует лучевоспринимающая поверхность, и поэтому, во избежание шлакования золы, требуется тщательно рассчитывать аэродинамические режимы процесса. Температура ядра факела из-за отсутствия прямой теплоотдачи оказывается более высокой и концентрируется в меньшем объеме, чем в топках паровых котлов. Для сжигания лигнина наиболее целесообразно использовать факельную топку системы Шершнева, обеспечивающую достаточно высокую эффективность для топлив с высокой степенью дисперсности.

Лигнин может быть эффективно использован в качестве топлива для сжигания в теплогенераторе сушильного комплекса для сушки опилки или другой биомассы в линиях по производству топливной гранулы пеллеты и топливных брикетов. Тщательно подготовленное пылевидное топливо по скорости выгорания и полноте сгорания приближается к жидкому топливу. Полное сгорание в факеле обеспечивается при меньшем коэффициенте избытка воздуха, а следовательно, с более высокой температурой. При ведении топочного процесса с малым избытком воздуха обеспечиваются взрывобезопасные условия работы сушильного комплекса, что положительно отличает сушку с прямым использованием топочных газов от способа сушки нагретым воздухом.

Таким образом, лигнин является прекрасным, высококаллорийным топливом и легкодоступным возобновляемым сырьем для производства топливных гранул и брикетов.

Применение порошкообразного лигнина.

Порошкообразный лигнин пригоден в качестве активной добавки в дорожные асфальтобетоны, а также для добавки к мазуту при его использовании в энергетике и металлургии. Гидролизный лигнин, используемый в качестве минерального порошка, позволяет:
1. Повысить качество асфальтобетонов (прочность - на 25%, водостойкость - на 12%, трещиностойкость (хрупкость) - с -14°С до -25°С) за счет дополнительной модификации нефтяного битума.
2. Экономить дорожно-строительные материалы: a) нефтяной битум на 15-20%; b) известковый минеральный порошок на 100%.
3. Значительно улучшить экологическую обстановку в зоне складирования отходов.
4. Возвратить плодородные земли, занятые в настоящее время под отвалы.

Таким образом, проведенные исследования по применению технологического гидролизного лигнина (ТГЛ) в производстве асфальтобетонов показывают, что имеются возможности значительного расширения сырьевой базы материалов для строительства современных автодорог (республиканских, региональных и городских), при одновременном повышении качества их покрытия за счет модификации нефтяных битумов гидролизным лигнином и полной замены дорогостоящих минеральных порошков.

Традиционно в производстве древесных топливных гранул - пеллет используют отходы древесины хвойных пород. Однако древесина хвойных пород - это дорогостоящее сырье, востребованное в деревообрабатывающей промышленности, и отходы ее используются в целом ряде других производств. Вследствие этого ресурсы хвойной древесины постоянно сокращаются, а для производства пеллет необходимо использовать малоценную и дешевую древесину лиственных пород, которая не находит такого широкого применения в промышленном производстве, как хвойная.

Применительно к технологии производства пеллет основным отличием лиственных пород от хвойных является низкое содержание лигнина: 14-25% против 23-28%. Высокие температура и давление прессования древесного сырья активируют лигнин, содержащийся в его клетках, и приводят его в пластичное состояние. Лигнин выступает в этом процессе как внутреннее связующее, обеспечивающее прочность пеллет. Из древесины лиственных пород гранулы получаются менее прочными из-за меньшего содержания лигнина. И для достижения необходимой прочности применяются различные добавки или обработка сырья паром, о чем будет рассказано ниже.

Также при производстве пеллет имеет значение твердость древесины. Более твердую лиственную древесину сложнее прессовать в гранулы, нежели хвойную, создаются высокие нагрузки на оборудование, особенно на расходные части - матрицу и пресс-вальцы. А вот теплота сгорания некоторых лиственных пород, в первую очередь бука и дуба, выше, в сравнении с этим параметром хвойных.

Для удовлетворения постоянно растущего в Европе спроса на высококачественные древесные пеллеты, для их производства все чаще используются лиственные породы древесины. Вопрос в том, соответствуют ли такие гранулы стандартам ENplus и DIN+.

Активное использование для производства пеллет сырья из лиственной древесины снизило бы напряженность на рынке отходов хвойных пород, которые широко используются в плитном производстве и других отраслях промышленности, что, несомненно, создает очень высокую конкуренцию производителям пеллет. Однако содержание золы в пеллетах из лиственной древесины выше, чем в пеллетах из хвойной, и в большинстве случаев соответствует стандарту ENplus А2 (содержание золы не больше 1,5%). Кстати, изменение в новой версии стандарта ENplus А2 предписывает норму по содержанию золы не больше 1,2% (EN ISO 17225-2). В будущем вполне возможно дополнительное снижение допустимого содержания золы по нормам ENplus. Тем не менее все производители так называемых пеллет премиум-класса (или бытовых пеллет, как их принято называть в ЕС), по экономическим причинам стараются довести характеристики своей продукции до стандарта ENplus А1 (их стоимость выше, чем пеллет класса А2 и индустриальных). Стоит отметить, что запросы на гранулы качества ENplus А2 в Европе минимальные, так как для небольших котельных или мини-ТЭС, для которых и был разработан этот стандарт, вполне подходят индустриальные гранулы, цена которых ниже, объемы производства значительно выше, а отличаются они только зольностью (до 1,5%) и, косвенно, цветностью.

Исследования в австрии и ФРГ

Для расширения базы данных по содержанию золы в пеллетах, изготовленных из лиственных пород древесины, в Австрии была проведена серия научно-исследовательских работ для оценки возможности использования лиственной древесины для производства пеллет стандарта ENplus. Для самой большой серии тестов были выбраны береза, бук, дуб и ясень, - поскольку эти породы, наряду с хвойными, уже задействованы в производстве пеллет в Австрии и ФРГ. С помощью специального термогравиметрического анализатора TGA было исследовано более 80 проб на содержание золы при температуре 550°C согласно австрийским нормам Önorm EN 14 775. Установлено, что содержание золы в заболони и другом хорошем лесном материале лиственных пород не превышает 0,7% (в некоторых случаях и при смешивании разных лиственных пород достигает 1-1,5%), а в коре - максимальное содержание золы до 10%. Дополнительно анализировались пробы древесины тополя, содержания золы были аналогичны.

По статистическим данным Немецкого пеллетного института (DEPI), в Германии с 2014 года в производстве пеллет зафиксировано использование лиственной древесины, в среднем до 10% общего объема сырья (то есть 90% - хвойные породы, 10% - лиственные). Маркус Манн, основатель и директор пеллетного завода Westerwälder Holzpellets GmbH в Лангенбахе (Верхняя Бавария), экспериментировал на своем производстве со смешиванием 10-15% буковой и березовой древесины и 85-90% хвойной. При таком соотношении полученные на выходе пеллеты имели зольность менее 0,5% и полностью соответствовали нормам ENplus А1. Для пеллетирования использовалась матрица с длиной прессующего канала 39 мм, а не стандартной 45 мм, применяемой для хвойных пород. Для пеллетирования только букового опила прессующий канал был укорочен еще на 10 мм - до 29 мм. В результате экспериментов было установлено, что у золы древесины тополя низкая температура спекания, поскольку тополь обычно растет на песчаных и глинистых почвах, его древесина, а тем более кора, содержат очень много силикатных соединений. Это, кстати, характерно и для ряда других лиственных пород, в частности, искусственно высаженных для защиты от неблагоприятных природных и антропогенных факторов.

В связи с этим можно упомянуть и российскую компанию - ЗАО «АльТ-БиоТ» из Краснодарского края, которая в 2009 году на международной выставке Interpellets в Штутгарте представила пеллеты, изготовленные из лиственной древесины (ясень, акация, дуб, бук, клен), полученной после санитарных рубок защитных лесных посадок в районе станицы Павловская. При зольности ниже 0,7% пеллеты отличались высокой теплотворностью - 18 МДж/кг. Пеллетный завод компании был назван «Виктория», инвестиции в предприятие составили 600 млн руб. Инвестор Александр Дьяченко заявлял о намерении построить к 2015 году не менее 20 подобных пеллетных заводов на юге России.

На проектную мощность (10 т в сутки, или 70 тыс. т в год) завод так и не вышел, была достигнута максимальная производительность 7 т в час. Продукция экспортировалась в основном в Европу. В двух соседних районах были переоборудованы под использование пеллет котельные нескольких школ. Посетивший предприятие в 2009 году тогдашний вице-премьер Виктор Зубков высоко оценил этот проект и особенно перспективу его тиражирования в других регионах России. Автор статьи в составе делегации, в которую входили представители покупателя гранул из Нидерландов, побывал на этом пеллетном заводе в 2010 году. Голландцы высоко оценили и качество гранул, и производство. Но, увы, в том же году завод был остановлен, сотрудники уволены, родного брата инвестора Николая Дьяченко, руководителя регионального филиала ОАО «Россельхозбанк» по Краснодарскому краю, который кредитовал проект «АльТБиоТа», арестовали, а сам инвестор подался в бега. Но это уже совсем другая история.

Вернемся, однако, к Австрии и Германии. Эксперты австрийского научно-исследовательского союза BioUP считают главным недостатком использования лиственной древесины для производства пеллет её высокую зольность в сравнение с хвойной древесиной. Андреас Хайдер, специалист австрийского федерального лесного исследовательского центра, пояснил, что из лиственной древесины можно производить не только пеллеты класса ENplus А2 и индустриальные, но и пеллеты, полностью отвечающие стандартам ENplus А1 и DIN+. Все зависит от того, какая часть лиственной древесины используется как сырье. Например, зольность заболони тополя существенно отличается от зольности сердцевины ствола. Содержание золы также сильно варьирует в зависимости от времени рубки и качества почвы, то есть от зоны произрастания дерева. Данных о содержании зольных веществ в древесине много, но они различаются даже для одной породы. Опытным путем установлено, что при прокаливании в тигле абсолютно сухой древесины средний зольный остаток составляет от 0,3 до 1,0%. Причем 10-25% остатка растворяются в воде, это сода и поташ (в прошлом его получали в промышленных объемах из древесной золы). Важнейшие нерастворимые компоненты древесной золы - известь и различные соли магния и железа - составляют 75-90%. Хайдер обратил внимание, что на юге Европы, на Балканах, особенно в республиках бывшей Югославии - Хорватии, Черногории, Сербии и Боснии и Герцеговине - в лесах очень много лиственных пород. А соседняя Италия сегодня занимает первое место в Евросоюзе по потреблению пеллет премиум-класса: более 3 млн т в год. Географическое положение обеспечивает благоприятные условия (логистику) для экспортирования пеллет из этих Балканских стран в Италию. Для справки: в Германии, по данным на начало 2018 года, в 2017 году из хвойных пород древесины было произведено 98,9% пеллет, а из лиственных - всего 1,1%.

НИР в Белоруссии и России

В 2012 году на кафедре химической переработки древесины Белорусского государственного технического университета в Минске в лабораторных условиях были изготовлены пеллеты из основных лесообразующих пород Республики Беларусь: березы, ольхи и сосны. Образцы гранул были получены при температуре прессования 110°С в течение 15 минут. Влажность используемых для исследования высушенных опилок составляла 8-11%. Была поставлена задача сравнить физико-механические характеристики полученных гранул: влажность, зольность, плотность, механическую прочность и низшую теплоту сгорания. Установлено, что низшая теплота сгорания пеллет из древесины березы и ольхи сопоставима с низшей теплотой сгорания сосновых пеллет (табл. 1). А вот зольность пеллет из лиственных пород в 3,5 раза превосходит зольность пеллет из хвойных пород. Проведенные испытания подтвердили принципиальную возможность производства пеллет из древесины мягколиственных пород. По зольности они как минимум соответствуют нормам для индустриальных древесных гранул (до 1,5%) и пеллет класса ENplus A2. Но пеллеты, полученные из древесины ольхи и березы характеризуются пониженной механической прочностью (ниже прочности пеллет из сосны на 11 и 18% соответственно). Для достижения механической прочности, свойственной пеллетам, изготовленным из хвойных пород, необходима предварительная обработка лиственного сырья насыщенным паром.

Экспериментальное производство пеллет из древесины лиственных пород, обработанной перед гранулированием насыщенным паром было налажено ОАО «Витебскдрев». Состав сырья следующий: береза - 35%, ольха - 20%, осина - 40%, сосна - 5%. Использовалась матрица с длиной эффективного прессующего канала 33 мм (вместо обычной 45 мм), поскольку термическая обработка лиственной древесины занимает меньше времени, чем обработка хвойной (за счет этого снизилось потребление электроэнергии). В результате было установлено, что плотность пеллет из композиции лиственных пород древесины сопоставима с показателем плотности пеллет из древесины сосны (табл. 2). Здесь уместно привести цитату из отчета об испытаниях: «Действие насыщенного пара привело к активированию компонентов древесины, созданию новых функциональных групп, усиливающих адгезионные взаимодействия в процессе образования пеллет. Происходило дополнительное увлажнение древесных частиц, в результате чего температура в пресс-грануляторе увеличивалась со 110 до 120°С. Высокая температура прессования способствовала быстрому протеканию реакций и накоплению все большего количества высокомолекулярных соединений, в основном за счет высокореакционной гемицеллюлозы. Расплавленные и размягченные компоненты заполняли пустоты между волокнами и капиллярную и субмикрокапиллярную системы клеточных стенок. При этом увеличивалось количество сшивок между молекулами компонентов древесины, в том числе и пространственных, которые и обеспечили формирование прочных изделий».

Для повышения прочности пеллет из лиственных пород часто используют различные добавки, например крахмал, лигнин. В Институте химии и химической технологии СО РАН РФ исследовали влияние добавок при гранулировании лиственной древесины. Так, сода, известь, рыбий жир, растительные масла, кофейная гуща улучшают свойства пеллет или брикетов: снижают процент отсева, повышают устойчивость к излому при транспортировке и подаче на склад или в котел. Измельченный древесный уголь повышает теплотворность пеллет и брикетов.

Сырье для производства пеллет

В Европе для производства пеллет все больше используют так называемые быстрорастущие плантационные растения, зольность которых зачастую намного выше зольности лиственной древесины. Эксперт и консультант DIN CERTCO - аккредитованного по всему миру немецкого центра сертификации организаций, услуг, продукции, в том числе по стандартам DIN+; FSC/PEFC, SBP - Эрвин Хеффеле разъяснил, что некоторые быстрорастущие плантационные растения, например мискантус и бамбук, не входят в реестр сырьевой базы, пригодной для производства древесных пеллет, так как не относятся к древесине, а классифицируются как трава. То есть на пеллеты, полученные из мискантуса и бамбука, невозможно получить сертификаты ENplus и DIN+.

Вообще, ограничение зольности сырья - сугубо абстрактное и относительное требование. Например, на электростанциях Нидерландов, Бельгии, Дании, Польши и других стран вместе с углем сжигали пеллеты из соломы и лузги подсолнечника, косточки олив, скорлупу орехов и кофейных зерен и другую биомассу, зольность которой в разы превышала зольность древесных пеллет. Еще один пример: компания «Бионет» из Архангельской области производит пеллеты из лигнина (см. «ЛПИ» №3 (133), 2018 г). Это первый реализованный в России проект по утилизации отходов гидролизного производства - лигнина. Гранулы из лигнина в сравнении с классическими древесными гранулами характеризуются высокой теплотворностью (21-22 МДж/кг), но и высокой зольностью - 2,4%. Это, однако, не помешало Газпромбанку - бенефициару проекта, после презентации в Копенгагене на бизнес-встрече в Торговом представительстве РФ в Дании весной 2018 года начать продажи этих гранул в Данию и Францию.

Высокая зольность гранул, используемых в маломощных котлах, предполагает лишь частую экстракцию из зольника золы, которая, как правило, служит удобрением для огорода.

А при совместном сжигании пеллет с углем на крупных ТЭС высокая прочность не требуется, поскольку предварительно их, как и уголь, пропускают через дробилки и подают в зону горения котла в мелкодисперсной фракции. Так что высокая прочность гранул только увеличит затраты на электроэнергию.

Как показывает практика, можно производить пеллеты самого высокого качества из древесины лиственных пород или смеси с хвойной. Смешанное в определенной пропорции сырье позволяет добиться качества пеллет, соответствующего нормам ENplus A1. Также можно использовать добавки и предварительную обработку паром или отказаться от них. Эффект будет зависеть от качества и вида используемого сырья, технологического оборудования на производстве и, конечно, от профессионализма технолога и других специалистов. 

Сергей Передерий, s.perederi@ eko-pellethandel.de

Влажность

Требования ко для промышленных грануляторов пеллет – от 8 до 15%. В других случаях сырье требует просушки, или, наоборот, обработки паром.

Зольность

Зольность пеллет – это процент несгораемых остатков после сжигания партии. У пеллет премиум-класса этот показатель – до 1% по стандарту EN Plus A-2 и до 0,5-0,7% по стандарту EN Plus A-1. Высокая зольность топлива может со временем привести к забиванию камеры сжигания и дымохода.

Содержание химических соединений в сырье

На данный момент в Евросоюзе ужесточаются нормы по выбросу продуктов сгорания в атмосферу. Сырье для пеллет должно содержать минимальное количество таких химических веществ, как азор, хлор, сера.

Размер фракции

Для гранулирования следует измельчить материал до размера частиц до 3 мм длиной и до 1-2 мм толщиной.

Высокая энергетическая ценность материала

Теплота сгорания сырья – то, сколько тепла можно получить при сжигании – является основной потребительской ценностью для пеллет. Качественное сырье обладает высокой калорийностью. На этот параметр влияет, в том числе, свежесть материала. Древесина, подвергшаяся гниению, теряет часть своего энерго-потенциала.

Пригодность для гранулирования

Те или иные материалы бывает легче и сложнее прессовать, а также подготавливать. Более того, из трудногранулируемого сырья могут получаться менее прочные и плотные пеллеты. Для повышения прочности гранул используют различные присадки.

Стоимость сырья

Подобные затраты добавляют стоимости сырья, в которую еще входят затраты на закупку и транспортировку. Если общие затраты на сырье слишком велики, производство может быть экономически нецелесообразным.

Древесные пеллеты

Чаще всего такие гранулы называют «пеллетами из опилок» но на самом деле их получают из разного вида отходов.

Стружка, опил , полученные при распиловке и обработке сырого и просушенного лесоматериала

Щепа – один из самых распространенных отходов

Горбыль, баланс древесины – крупные древесные отходы, распиленные или цельные стволы, которые по каким-то причинам забракованы для использования по основному назначению (имеют деффекты, не подходят по диаметру итд).

Некондиционные деревянные изделия : новые или утилизируемые.

Идеальным сырьем для получения считаются сухие опил и стружка. В них обычно отсутствуют включения коры а также частицы грунта, которые при сгорании образуют шлак. Именно поэтому так популярно.

Качество щепы, как сырья для пеллет, зависит от того, из какой древесины ее получают - обычной или окоренной, а также от особенностей ее хранения. Чем меньше коры и посторонних включений попадает в пеллеты, тем ниже их зольность, а следовательно, выше качество.

То же можно сказать о переработке горбыля и баланса.

Некондиционные деревянные изделия по идее должны обеспечить высокое качество пеллет, ведь это чистая, окоренная древесина без примесей. Однако, стоит обратить внимание на то, какие материалы используются при изготовлении изделия. Различные лаки, средства для обработки, клей могут повлиять на экологичность подобного материала.

Гранулирование разных пород древесины

Разные породы древесины как сырье для пеллет различаются по простоте гранулирования.

Во-первых, более крепкие гранулы получаются из пород древесины с более высоким содержанием природного лигнина. Хвойные породы по этому параметру заметно опережают лиственные: разные хвойные сорта содержат 23-38% лигнина, а разброс у лиственных пород 14-25%. Если лигнина в сырье мало, то увеличивается количество отсева после гранулирования.

Во-вторых, породы дерева имеют различную твердость. Более твердая древесина сложнее прессуется в гранулы, создает более высокие нагрузки на оборудование, особенно на расходные детали – матрицу, пресс-вальцы. Хвойные породы являются более мягкими и податливыми для прессования, в то время как лиственные породы всегда тверже. Однако, теплота сгорания у лиственных пеллет выше, поэтому кубометр пеллет из бука или дуба будет весить больше такого же объема гранул из сосны, и отдаст больше тепла.

При этом, как показывает практика, можно успешно перемешивать опилки разных пород и гранулировать. Такой смешанный материал для топливных гранул не снижает качество конечного продукта: если смешивать породы в нужных соотношениях, то можно добиться соответствия пеллет – пригодные для отопления частных домов. Добавление лиственных пород, например бука и дуба, повышают энергетическую ценность пеллета. Другое дело, что у некоторых лиственных пород древесина имеет темный оттенок, и микс-пеллеты из разных пород древесины получаются кофейными, серыми или темными. У частных потребителей пеллет порой существует предубеждение против гранул любого цвета кроме светло-бежевого, поэтому они могут забраковать темные дубовые пеллеты по одному их виду, несмотря на наличие сертификатов высокого качества. Предубеждения настолько сильны, что некоторые немецкие исследователи создают топливо из смеси пород с добавлением к хвойной древесине примерно 20% дуба или бука, при этом итоговый продукт сохраняет привлекательный светлый цвет.

Микс-пеллеты

Согласно данным исследовательской компании Future Metrics, к 2023 году практически удвоится: оно составит 21,5 млн тонн против нынешних 12 млн. тонн. Древесные отходы стали все более востребованными, за них конкурируют не только производители биотоплива, но также и заводы ДСП и многие другие производства. Евросоюз еще в 2010 году принял программу расширения круга биологических отходов, которые будут использоваться для отопления и энергоснабжения.

Определимся с терминологией:

Микс-пеллеты - это топливо, которое гранулируют из нескольких видов сырья, как древесного, так и другого происхождения.

Агро-пеллеты – гранулы из разнообразных растительных материалов, обычно сельхоз. отходов.

Что является альтернативным сырьем для пеллет?

Отходы агропромышленного комплекса: стручки бобовых, кукурузные початки, шелуха риса, гречихи, лузга подсолнечника, костра льна, скорлупки орехов, косточки плодов, барда, невсхожее зерно, пивная дробина.

Растения: камыш, солома, сахарный тростник, а также деревца и кустарники, вырубленные в ходе ландшафтных работ и санитарных рубок.

Другие природные горючие вещества: торф, лигнин.

Эти материалы поддаются грануляции, но по сравнению с деревом имеют ряд недостатков: содержание нежелательных химических соединений, высокая зольность, низкая температура плавления зольных остатков, что ведет к росту шлаковых образований в котлах.

Чтобы найти оптимальные рецепты пеллет, европейские исследователи проводят эксперименты по смешиванию различных типов сырья в гранулах. На основании исследований получены жизнеспособные «рецепты» микс-пеллет из разного сырья, которые бережно относятся к котлам и не выделяют вредных веществ при сгорании. Обычно считается, что гранула не должна содержать минеральных включений, но ученые из НИИ леса Австрии создали гранулы из кукурузных початков, рапса и соломы с добавлением каолина, бентонита и угольной золы. Полученные гранулы выделяют минимальный процент нежелательных веществ в атмосферу, при их сжигании в топке не образуются шлаковые коржи.

Также древесину в пеллетах комбинируют с 10-15 % хвойных игл, или же производят микс-пеллеты из хвойной и лиственной древесины. Российский патент – совмещение опилок и около 20-25% древесного угля, для удачного гранулирования этой смеси добавляют 1-3% крахмала. Потенциал таких пеллет - до 20-23 МДж/кг, что делает их альтернативой с низкокалорийному углю и торфу. Для их изготовления подходит дерево любой породы, в том числе сухостой и горельник, а также уголь, собранный на местах лесных пожаров.

Основным препятствием к распространению микс-пеллет и агропеллет является ужесточение норм по выбросам продуктов сгорания в атмосферу в Евросоюзе. Такие меры могут привести к экономической нецелесообразности использования такого топлива, поскольку для соблюдения всех норм владельцам котлов потребуются дорогостоящие фильтры и технологии.

При производстве микс-пеллет часто используются различные добавки для лучшего склеивания гранулы. Если хвойным породам дерева достаточно собственного лигнина, то для лиственных пород, а также аграрных отходов добавляют крахмал. Также можно использовать для этих целей рыбий жир, соду, известь, парафин, растительные масла, кофейную гущу. Такие присадки улучшают пользовательские свойства продукта: меньший процент отсева, крошения, лучшая устойчивость к излому при пересыпании во время транспортировки и непосредственного использования в котлах.

В небольших объемах гранулируется древесина фруктовых деревьев – вишни, яблони и проч. Они обычно используются не для отопления, а для копчения мяса и рыбы, придания продукту приятного аромата.

Агропеллеты

Один из самых популярных типов аграрного пеллетного сырья - солома различных сельхозкультур (особенно пшеницы и рапса). По энергетическому потенциалу этот материал не сильно уступает древесине: до 16 МДж/кг против до 18,4 МДж/кг. Солома относится к воспроизводимым источникам топлива, сжигание соломы не изменяет баланс двуокиси азота в воздухе: при росте она потребляет столько же СО2, сколько выделит при сгорании. Также соломенные пеллеты используют не только для отопления, но и как подстилку для животных на скотобазах и конюшнях.

Схожий с соломой вид сырья – камыш, при этом его высшая теплота сгорания - 19 МДж/кг, а зольность – примерно 4%. Такое сырье очень дешево, собирается оно с использованием болотоходных уборочных машин-измельчителей.

Лузга подсолнечника – один из самых перспективных материалов для агропеллет. имеют зольность 3%, а тепла отдают почти столько же, сколько бурый уголь - до 21 МДж/кг. Зола после сжигания лузги является ценным удобрением. Также гранулируют лузгу гречихи, проса, шелуху риса.

Другие материалы

В России имеются обширные залежи торфа, который пригоден для гранулирования. Торфяные гранулы и брикеты изготавливаются примерно по той же технологии, что и древесные. Теплотворность торфа высока - до 21 МДж/кг, однако и зольность таких гранул повышена – до 5%. Такое топливо подходит для промышленных и коммунальных котельнях. В России гранулирование и брикетирование торфа имеет в основном 2 перспективы: обеспечение теплом и электричеством негазифицированных районов и экспорт гранул в скандинавские страны. В Северной Европе торф признан частично возобновляемым сырьем, и его использование в энергетике поощряется сверху.

Гранулирование макулатуры – довольно новая, но перспективная отрасль, поскольку данный тип сырья не требует дорогостоящих . Гранулы из бумаги и картона (а в некоторых странах налажено гранулирование старых денежных купюр) дают большое количество тепла и имеют мизерный процент несгораемых остатков.

И конского навоза оцениваются дороже, чем гранулы из древесины. Это ценное и питательное удобрение для почв. Гранулы из конского навоза продаются примерно по 1,25 евро за килограмм. Переработка навоза и помета в удобрения – не только выгодный, но и необходимый шаг, поскольку складирование таких отходов наносит прямой вред окружающей среде.

То же можно сказать о переработке гидролизного лигнина, побочного продукта гидролизных заводов. В России существует единственный завод по гранулированию лигнина в Архангельской области, а тем временем его запасы в стране насчитывают десятки млн. тонн. По теплоте сгорания (более 21 МДж/кг) и зольности (менее 3%) лигнин является отличным сырьем для пеллетного производства.

Расширение сырьевой базы для дает возможность получать выгоду от утилизации огромного количества биологических отходов, а также решать экологические проблемы, связанные с их хранением. Переход с ископаемого на экологически чистое топливо сокращает объемы выбросов вредных веществ в воздух. Создание новых пеллетных и брикетных производств создает новые рабочие места в сельскохозяйственной промышленности, помогает ее общему развитию.