Биоэнергетика: мировые тенденции и передовые российские технологии
Востребованность альтернативных источников энергии растет пропорционально ценам на традиционные виды топлива, газовый кризис и борьба с парниковым эффектом немало поспособствовали тому, что развитие биоэнергетики стало составной частью политических и экономических планов многих промышленно развитых стран. Так, Евросоюз заявил о намерении увеличить долю возобновляемых энергоресурсов в структуре энергетики до 20% к 2020 году [1]. Китай к этому же сроку планирует увеличить производство топливных гранул до 50 млн. тонн в год. Для сравнения: по оценкам экспертов, в 2008 году производство пеллет во всем мире составило 8-10 млн. тонн, а уже через 10-15 лет оно составит 200 млн. тонн. Основные мировые объемы биотоплива производят США и Канада, в ЕС ежегодно используется 6 млн. тонн пеллет, производится меньше – 4-5 млн. тонн пеллет, поэтому ставку на экспорт в западную Европу делают производители и Северной Америки, и стран восточной Европы [2]. В России в прошлом году объем производства составил 500-600 тыс. тонн, первые заводы по производству топливных гранул появились вблизи с границами стран Евросоюза – в Карелии, Санкт-Петербурге, Пскове, активное строительство заводов развернулось на всей европейской части страны. Рентабельность производства гранул и брикетов достаточно высока: одна тонна гранул стоит в среднем сто евро и заменяет полтонны дизельного топлива, производительность в зависимости от используемых технологий и оборудования, в среднем составляет 25 тонн в день. В Украине годовой объем производства топливных гранул достигает 200 тыс. т., 96-97% от этого объема также отправляется на экспорт в Европу [2], где использование возобновляемых видов экологически чистого топлива во многих странах поддерживается на государственном уровне. Так, например, в Швеции приняты законы, стимулирующие развитие биоэнергетики экономическими методами, – увеличением налога на выбросы углекислого газа, субсидированием 30-70% стоимости перевода котельных с традиционных энергоресурсов на топливные гранулы. В Германии к 2015 году планируется ввести миллион котельных, работающих на топливных гранулах, здесь уже несколько лет выплачиваются дотации домовладельцам, установившим котлы на топливных гранулах [4]. В некоторых странах Европы биотопливом уже отапливается до 2/3 жилых помещений [5].
По данным Европейской ассоциации биомассы (AEBIOM) на 2008 год, возобновляемый энергоресурс составлял две трети всей произведенной энергии. При этом 85% сырья для производства биоэнергетики составляет древесина и продукты санитарной очистки (опилки), 10% – биогаз, 5% – растительная биомасса [1].
Россия со временем может стать одним из ведущих мировых экспортеров не только ископаемых видов топлива, но и биотоплива, поскольку является мировым лидером по запасам древесной и агропромышленной биомассы [3]. Выход готовой продукции у лесопереработчиков составляет в лучшем случае 60%, остальное (опилки, кора, горбыль) считается отходами, которые в то же время являются ценным сырьем для производства топливных гранул и брикетов [4]. И если для воспроизводства леса требуются десятки лет, то сельскохозяйственная биомасса относится к быстровозобновляемым видам ресурсов для производства энергии. Энергетический и экономический потенциал для развития огромен.
Топливные гранулы считаются экологически чистыми в силу того, что при их сжигании выделяется ровно столько углекислого газа, сколько было поглощено растениями во время роста, переход на биотопливо уменьшает «парниковый» эффект. Эта разновидность биотоплива выгодно отличается от обычной древесины содержанием золы не более 3 %, более высокой сухостью и плотностью, в результате чего при сгорании гранул тепла выделяется в полтора раза больше. Достижение итоговой низкой влажности – одна из основных технологических задач, которые нужно решить при производстве гранул.
На псковском ООО «ЭкоЭнергия» в результате четырехлетних усилий отработана не имеющая аналогов в мире технология и создан модельный ряд устройств для одновременной(!) сушки и измельчения древесных отходов, торфа, сельскохозяйственных отходов и другого растительного сырья. Агрегат сушки-измельчения биомассы (АС) можно использовать для измельчения и сушки практически любых дисперсных материалов, поэтому он может найти применение в любой отрасли промышленности и сельском хозяйстве. Благодаря разработке и внедрению АС, стоимость и сроки запуска биотопливных производств уменьшены в разы[6].
ООО «Эко-Энергия» с 1999 года специализируется на разработке и внедрении инновационных технологий для сушки и измельчения материалов; производстве топливных гранул, брикетов, жидкого биотоплива, химически чистых растворителей и лекарств, а также изготовлении всего спектра инновационного оборудования для биотопливных производств – от механизированного склада сырья до упаковки готовой продукции. Качество гранул превосходит требования самых жестких Европейских стандартов, в т.ч. DIN+, номинальные расчетные показатели производительности (?) четырех модификаций – от 0,5 до 4 т/час.
Все модели агрегатов прошли производственные испытания с самыми сложными видами сырья. Для примера: из древесной щепы крупной фракции с влажностью более 50% и температурой около -10оС при температуре теплоносителя 140оС были получены опилки влажностью 12% и фракцией, пригодной для брикетирования.
С 2004 года ООО «ЭкоЭнергия» создано 11 производств топливных гранул в России (в Псковской, Смоленской, Ленинградской, Владимирской, Вологодской, Новгородской, Свердловской областях, Пермском крае) и два – в Беларуси (Гомельской и Минской областях), недавно отгружено оборудование в Великобританию и Литву. Но самым важным своим достижением ООО «ЭкоЭнергия» считает создание Агрегата сушки-измельчения биомассы (полное наименование: Энергоэффективный агрегат для одновременной сушки и измельчения либо сверхтонкого измельчения сыпучих дисперсных материалов активаторно-вихревого типа с организованными множественными встречно соударяющимися потоками), конструкция которого защищена патентами РФ № 66232, 77561, 78442. За оригинальную конструкцию Агрегата сушки-измельчения (далее – АС) предприятие награждено Дипломом “Лидер деревообработки 2008” Десятой юбилейной выставки “WoodEx”.
Общеизвестно, что измельчать легче (эффективнее) влажную древесину (биомассу), нежели сухую, а сушка материала тем эффективнее, чем сильнее он измельчен. Из этих двух аксиом неоспоримо следует, что материал сначала нужно измельчить, а потом только сушить, и никак не наоборот. Тем не менее, весь мир делает именно наоборот. Почему? Причин две:
1) раньше не принято было экономить энергию;
2) вследствие слипания влажного измельченного сырья очень трудно организовать разгрузку измельчающих машин (дробилок) и транспортировку этого сырья к сушильному агрегату. Вторая причина делает практически невозможной работу такой схемы в условиях суровой российской зимы. Таким образом, поменять последовательность операций оказалось практически невозможным. В мае 2005 года в результате эксперимента был получен эффект высушивания сырья при пропускании его через молотковую дробилку без применения тепла. В результате анализа этого эффекта и с учетом описанного выше был сделан вывод о необходимости объединения процессов сушки и измельчения сырья в одном устройстве. Основные чертежи агрегата были изготовлены в марте 2006 года. Промышленный образец изготовлен и запущен в начале октября 2006 года. Перед началом проектирования агрегата был изучен существующий мировой опыт создания подобного оборудования. Оказалось, что эффект сушки при измельчении сырья известен как минимум с 1926 года. Установки, использующие данный принцип, более 15 лет изготавливаются в Великобритании и Германии. Принцип действия этих установок одинаков: тепло вместе с сырьем подается в дробилку (молотковую или штифтовую мельницу). Однако эти установки обладают как минимум тремя огромными недостатками:
1) энергетическая эффективность этих установок очень низка вследствие изначально низкого КПД молотковых и штифтовых мельниц;
2) в виду отсутствия динамического классификатора и невозможности применения сит - процесс регулировки степени измельчения и сушки сильно затруднен, в результате - эти устройства либо плохо измельчают, либо плохо сушат;
3) ввиду высокой интенсивности протекания тепломассобменных процессов конструкция этих устройств очень сложна, это приводит к их высокой стоимости и высоким эксплуатационным затратам;
4) процесс замены мелющих органов очень сложен и приводит к большим затратам времени, как следствие - эти устройства имеют крайне низкий коэффициент использования;
5) в силу конструктивных особенностей молотковых и штифтовых мельниц данные установки чрезвычайно чувствительны к наличию в сырье посторонних примесей – камней, металла и т.п.
Уникальность псковской установки в том, что при значительно меньшем суммарном энергопотреблении оба технологических процесса – сушка и измельчение – происходят в агрегате одновременно. На выходе образуется идеальная для гранулирования или брикетирования фракция, размер которой можно регулировать в зависимости от потребностей заказчика и довести вплоть до 1 микрона. Производительность зависит от влажности и размера частиц сырья на входе, необходимой конечной влажности и степени измельчения материала. При подаче в агрегат горячего воздуха производительность увеличивается. Номинальные расчетные показатели четырех модификаций – от 0,5 до 4 т/час. Преимущества АС перед традиционными комплексами сушки-измельчения: высокая энергоэффективность, экономичность, компактность (АС производительностью 1 т/час занимает всего 6 мІ), высокая степень автоматизации, простота регулирования и поддержания заданных параметров процесса сушки-измельчения, возможность точного регулирования конечного размера частиц измельчаемого материала и их влажности; меньшее количество элементов оборудования и, как следствие, большая надежность; максимальная заводская готовность, возможность изготовления мобильного (контейнерного) варианта установки, большая пластичность готового продукта, увеличивающая производительность линии гранулирования (брикетирования) и уменьшающая износ узлов прессования, и, как следствие, низкие эксплуатационные расходы, высокая пожаробезопасность.
Как уже было сказано выше, АС можно использовать для измельчения и сушки практически любых дисперсных материалов, поэтому он может найти применение в любой отрасли промышленности и сельском хозяйстве. Прежде всего – для измельчения и сушки всевозможных отходов производства, например древесины, лигнина, соломы, лузги, навоза и т.д. Благодаря способности превращать эти материалы в сухую пыль, агрегат должен найти широкое применение в энергетике – в качестве оборудования, приготавливающего топливо для пылевого сжигания. Способность измельчать материалы до частиц микронных размеров, что может быть эффективно использовано при производстве жидкого биотоплива. Таким образом, благодаря своей высокой эффективности, малым размерам и невысокой цене АС делает бизнес по производству биотоплива более доступным и высокорентабельным.
Варианты возможного использования:
* Сушка и измельчение биомассы в производстве твердого биотоплива (топливных гранул и брикетов).
* Сверхтонкий размол древесины и других растительных материалов в процессе производства жидкого биотоплива, растворителей (биобутанола, ацетона и т.д.) и водорода.
* Приготовление из практически любой биомассы (отходов древесины, лигнина, торфа, сельскохозяйственных отходов, в т.ч. навоза) сухой мелкодисперсной муки для дальнейшего высокоэффективного сжигания в пылевых горелках котельных, электростанций и ТЭЦ.
* Сушка и сверхтонкое измельчение трав и другого растительного сырья в фармацевтике (в процессе производства лекарств это в десятки раз увеличивает скорость и эффективность экстракции, мгновенная и низкотемпературная сушка обеспечивает максимальную сохранность полезных веществ).
Совершенно очевидно, что с такими преимуществами АС просто обязан сделать революцию не только в бизнесе по производству топливных гранул из биомассы, но и в энергетике в целом
Журнал «Охрана окружающей среды и природопользование», 2009, № 3, с. 47-49.