Биотопливо из лиственного сырья: проблемы и решения

Производство древесных топливных гранул для российских лесопромышленников остаётся одним из перспективных направлений, которые они готовы активно развивать, несмотря на общую нестабильность в отрасли. Хорошим стимулом для создания новых биотопливных производств и наращивания мощностей действующих заводов является достаточное количество доступного и дешёвого сырья — отходов лесопиления и деревообработки. Опилки, стружка, щепа, обрубки — всё то, что раньше отправлялось на свалки или сжигалось, сегодня представляется ценным материалом для производства востребованной продукции.

По данным Росстата, за пять месяцев текущего года из отходов деревопереработки в стране было изготовлено 874 000 т топливных пеллет. Это на 17,6% больше, чем за аналогичный период прошлого года. В отдельных регионах рост весьма существенный: так, по информации Министерства лесного комплекса Иркутской области, за последние пять лет объём выпуска топливных гранул и брикетов здесь увеличился в 4,5 раза — до 276 350 т в год.

Прирост обусловлен не только ростом мощностей действующих предприятий, но и введением в строй новых заводов. Уже сегодня известны планы по запуску биотопливных производств в Коми, Вологодской области, Красноярском, Хабаровском краях и многих других территориях. Большинство из них ориентировано на переработку отходов из древесины хвойных пород. Это логично, ведь ель, сосна, кедр, лиственница и другие «игольчатые» традиционно составляют основу отечественной лесопереработки.

«Производство брикетов и пеллет в России с каждым годом растёт, соответственно, увеличиваются и объёмы производства твёрдого биотоплива из лиственных пород древесины. Многие производители относятся к нему с недоверием, что связано со сложностями в технологическом процессе производства. Но при отработке технологии на производственных площадках получают стабильный дополнительный бизнес», — рассказывает канд. техн. наук, заслуженный машиностроитель РФ, генеральный директор ООО «Доза-Агро» Александр Сергеев.

Попробуем разобраться, что это за сложности и какие из них уже нашли решение благодаря опыту, накопленному производителями.

Не хвоей единой

«Если посмотреть на проблему в исторической ретроспективе, то в нулевые годы, когда тема древесной гранулы только распространялась в России, европейские производители грануляторов и матриц к ним предлагали подбор матрицы по породному составу. Но этот подбор был ограничен только двумя типами матриц: под хвойные и под твердолиственные породы, — с двумя размерами рабочей части каналов матрицы соответственно: длинным для хвойных и коротким для твердолиственных.

Под мягколиственные породы и берёзу ничего не предлагали, мотивируя тем, что они не формуются в прочную гранулу при прессовании. Так что даже в исходной постановке вопроса есть половина ответа: да, лиственная древесина пригодна для производства твёрдого биотоплива, но без особых затруднений работать можно с твёрдыми породами, а мягколиственные и берёза вызывают определённые сложности», — поясняет генеральный директор ООО «КЕ Техника» Владимир Еськов.

При этом он подчёркивает, что лиственная древесина — понятие достаточно широкое. Это и липа, осина, ольха; и тополь с плотностью, близкой к плотности сосны и ели — наиболее распространённых пород в производстве древесной гранулы; и берёза с «промежуточной» плотностью; и твердолиственные породы: дуб, бук, ясень, граб. В чём же заключается общая для всех сложность переработки?

Проблемные зоны

«Процессы первичного дробления, сушки, додрабливания протекают примерно так же, как и для хвойных пород, здесь отличия минимальны. Проблемы начинаются на этапе прессования и формования гранулы. Здесь стоит немного обратиться к теории.

Формование (соединение отдельных частиц сырья в брикет или гранулу) у разных видов биотоплива различается по происходящим при этом физико-химическим процессам. Это обусловлено воздействием различных факторов, среди которых важны давление, внутреннее трение (перемешивание или сдвиговые деформации в процессе прессования), температура.

Например, брикеты RUF формуют при низкой температуре, высоком давлении и отсутствии перемешивания. Силы, соединяющие отдельные частицы в брикет, — это силы межмолекулярного взаимодействия, или Вандер-Ваальсовы силы. Пример их действия — муха, сидящая на потолке, или геккон, зависший на стене. И это основная причина того, почему такой брикет формуется из любых пород. Отличие только в производительности пресса: на породах большей плотности она выше.

Древесная гранула ввиду особенностей процесса прессования на грануляторе-экструдере и возникающих при этом остаточных внутренних напряжений не способна сохранять целостность только за счёт Вандер-Ваальсовых сил. О том, какой процесс является основным в этом случае, специалисты ведут дискуссии до сих пор.

Некоторые считают главным фактором гидролиз целлюлозы (осахаривание), но большинство придерживается традиционного представления, что гранула формируется в процессе размягчения и последующей частичной полимеризации лигнина. Мы будем в дальнейшем следовать именно этой «лигнинной» версии», — комментирует Владимир Еськов.

Древесина в очень упрощённом виде — это композит, где волокна целлюлозы соединяет между собой лигнин. При повышенных температурах (100 °С и выше) и небольшом количестве влаги лигнин размягчается, а при последующем остывании твердеет. Размягчённые частицы лигнина могут соединяться между собой. Если температуру поднять выше — до 180-220 °С, лигнин полностью полимеризуется. Древесина при этом становится гидрофобной — перестаёт впитывать влагу. Такое наблюдается у термодревесины и брикетов Pini Kay, если они изготовлены при высоких температурах.

Получается, что лигнин — это тот самый «клей», который соединяет отдельные частицы в гранулу. Его содержание в разных породах различно: в хвойных — 23-30% в зависимости от породы, а в лиственных — всего 18-24%.

«Как видим, различие небольшое. Кроме того, у твердо- и мягколиственных пород это различие практически отсутствует. Сложности с мягколиственными породами и берёзой возникают главным образом из-за совокупности двух свойств: в них меньшее содержание лигнина и выше плотность в сравнении с хвойными породами. Усложняется это отсутствием у изготовителей матриц под указанные породы», — обозначает проблемные точки эксперт.

С хорошей выдержкой

Если взглянуть на запросы, которыми пестрят биотопливные разделы отраслевых форумов в интернете, можно выделить типичные проблемы, с которыми сталкиваются пеллетчики, и наиболее сложные в работе породы древесины.

«Осина (по слухам), берёза, липа, акация брикетируются прескверно. Ольха несколько лучше, но тоже брикет не шибко качественный. Хотя знаю производство, где берёзу вполне успешно брикетируют. Правда, выдерживают сырьё в кучах по нескольку месяцев. Лично брикетировал сырьё, которое именно «положили про запас» из-за низких формовочных [свойств] (несколько машин липы и ольхи). Пролежало в куче месяца четыре. Формовалось вполне удовлетворительно. Отлично брикетирую тополь. Брикет качественный, однако несколько теряю производительность. Всё-таки чувствуется, что очень лёгкая порода.

Производил Pini Kay из ольховой опилки. Сложное сырьё, влагу в сушке отдаёт скверно. В аэродинамической сушке склонно к пропариванию. При работе с опилкой естественной влажности (или тем паче переувлажнённой) режим подобрать без опыта крайне трудно. Довольно неплохо помогает передержка сырья в кучах от двух недель до полутора месяцев. С сухой стружкой и опилкой проблем меньше», — делится впечатлениями форумчанин с ником СВВ.

«Работаем на смесях пород и фракций. Неоднократно пробовали прессовать смеси с берёзой. Формовочные [свойства] ухудшаются. Также сильно ухудшает присутствие акации. Наличие ольхи приводит к увеличению дымообразования, но на несколько повышенной влажности формовочные свойства хорошие», — комментирует тот же специалист в другой «ветке» форума.

Отметим повторяющиеся комментарии насчёт использования выдержанной щепы и опилок.

«Особенности подготовки сырья — оно раздробленное должно полежать хотя бы неделю. Что при этом происходит — науке это неизвестно, но процесс прессования после этого меняется сильно», — подтверждает интернет-пользователь, подписавшийся как представитель компании «Экодрев-Тверь».

«Выдержка сырья — очень важный момент для получения качественной гранулы из древесины лиственных пород. Опилки после распиловки и древесная щепа после рубильной машины выдерживают в состоянии естественной влажности примерно неделю. В результате формование гранулы значительно улучшается, а её прочность увеличивается», — отмечает гендиректор ООО «КЕ Техника».

Сложное сырьё

К числу самых проблемных пород для переработки в биотопливо среди лиственных деревьев относят осину и берёзу. Долгое время считалось, что осиновое сырьё вовсе непригодно для производства пеллет. Доказать обратное удалось скандинавским учёным в 2010 году: компания Glommers Miljoenergi AB изготовила 700 кг пеллет из осины, а сотрудники Университета Юмеа провели эксперимент по их сжиганию.

Они установили, что, во-первых, насыпная плотность, длина и финальная фракция 8-миллиметровых осиновых пеллет практически не отличаются от тех же показателей для древесных гранул из других пород древесины. А во-вторых, параметры их сжигания (зольность, шлакообразование, экологические характеристики, касающиеся выбросов газов) практически те же, что и у хвойных пеллет.

«Отличия гранул, полученных из разных пород древесины, минимальны. Теплотворная способность от породного состава практически не зависит. Зольность чистой древесины у некоторых лиственных пород выше, чем у хвойных, но основной вклад в повышенную зольность дают включения коры и привнесённая минеральная составляющая — пыль, песок.

Прочность гранулы из лиственных пород из-за меньшего содержания лигнина несколько меньше, но это компенсируется правильно подобранной технологией или добавками связующего. Гранулы из лиственных пород в своём составе содержат меньше смолистых веществ, потому в процессе горения дают меньше тёмного дыма и отложений сажистых веществ в топочных устройствах.

Потому для некоторых видов горелок и котлов дают преимущество в минимизации обслуживания. Конечный потребитель, использующий гранулу, зачастую даже не знает, из каких пород древесины у него топливо: хвойных, лиственных или смесовое», — считает Владимир Еськов.

Качество почвы имеет значение

Что касается зольности, то некоторые специалисты, в частности, представители австрийского научно-исследовательского союза BioUP, высказывали мнение, что у лиственных пеллет она выше, чем у хвойных. Однако есть и обратное мнение. В частности, специалист австрийского федерального лесного исследовательского центра Андреас Хайдер убеждён, что из лиственной древесины можно делать не только пеллеты класса ENplus А2 и индустриальные, но и продукт, который полностью соответствуют стандартам ENplus А1 и DIN +.

По словам эксперта, всё дело в том, какую часть лиственной древесины использовать для переработки. Например, зольность заболони тополя существенно отличается от зольности сердцевины ствола. Содержание золы также значительно варьируется в зависимости от времени рубки и качества почвы, то есть от зоны роста дерева.

«Сорт (класс) пеллеты в основном определяется составом используемого сырья. Например, кора в составе сырья значительно снижает качество готового продукта. Также влияет качество почвы: заражённая вредными веществами почва способствует накапливанию таких веществ в древесине. Как следствие, биотопливо из неё будет иметь качество ниже либо вообще не соответствовать требованиям стандартов. На производительность оборудования по подготовке сырья (например, при сушке древесины) большое влияние оказывает сезон вырубки древесины», — отмечает Александр Сергеев.

Берёза — в плюс или в минус?

Относительно берёзового сырья мнения пользователей также расходятся.

«Бываю на производстве, где пеллетируют берёзу. Производительность и процент несгранулированного сырья на выходе удручают. Да и длина пеллет оставляет желать лучшего», — делится мнением один из участников отраслевого форума.

«Из берёзы можно делать отличные гранулы. Есть некоторые технологические тонкости подготовки берёзового сырья перед гранулированием, а также особые требования к подбору оборудования. Говорю это потому, что знаю эту тему, сам работал на предприятии, модернизировал оборудование и довел до производительности 3-4 т/час гранул на двух грануляторах. Сырьё — 100% береза.

Диаметр гранулы 6 мм. Гранулы продавались на ура, дороже, чем из хвойных пород. Почему? Берёза в отличие от хвои не содержит смол, которые при сжигании оседают на стенках дымохода и требуют периодической прочистки последнего. По теплотворной способности берёза и хвоя примерно равны. А вот зольность у берёзы несколько ниже, чем у хвои, опять же из-за отсутствия смолы.

К тому же берёзовые гранулы прекрасно подходят для кошачьего туалета — моментально разбухают и впитывают влагу, никакого запаха. Хвоя тоже впитывает влагу, но смола препятствует процессу и не позволяет делать это быстро. В общем, у гранул из берёзы одни плюсы. Нужно только научиться их делать», — вот один из примеров высказываний в защиту берёзового сырья.

Путь экспериментов

Но легко сказать — «нужно научиться». Эта технология ещё не отработана настолько, чтобы использовать готовые решения. Взять хотя бы вопрос оснащения производства.

«Состав оборудования, необходимый для производства пеллет из древесины лиственных пород, подбирается на основании анализа физических и химических свойств сырья, используемого в основном производстве, а также имеющихся на предприятии ресурсов. Как правило, оборудование для выпуска пеллет из лиственных пород древесины можно использовать и для изготовления пеллет из хвойных пород, но при обратном переходе требуется частичное перевооружение», — утверждает Александр Сергеев.

«Для пород, имеющих близкую к сосне и ели плотность (в основном это осина, также подходят липа, тополь, ольха), самый простой способ — использовать дополнительное связующее. При этом переработка идёт с применением матрицы для хвойных пород. В состав линии вводят узел дозирования крахмала. Его количество сравнительно небольшое — от доли процента до 1-2%. Подобная линия может перерабатывать, даже без замены матрицы, как хвойные, так и мягколиственные породы.

Второй способ несколько сложнее и затратнее на первом этапе. Если сырьё достаточно стабильно по породному составу, то можно подобрать матрицу, которая будет формовать гранулу при меньшем содержании лигнина. Есть несколько влияющих друг на друга зависимостей. Чем меньше содержание лигнина, тем выше должно быть давление прессования. Чем плотнее сырьё, тем большее давление развивается при той же рабочей длине канала. Чем больше рабочая длина канала, тем выше развиваемое давление. Чем выше давление, тем меньше производительность пресса и больше нагрузка на его элементы, вплоть до выхода из строя или поломки.

Экспериментально подбирается матрица с увеличенной длиной канала, которая позволяет получать достаточно прочную гранулу без перегрузки пресса и при приемлемой производительности. Так, для берёзы необходимо использовать матрицу с нужной длиной канала — меньше, чем для хвойных, но больше, чем для твердолиственных. И дополнительно использовать добавку связующего. Возможен также вариант без связующего с подбором нужной рабочей длины канала матрицы», — резюмирует Владимир Еськов.

Перспективный ресурс

Безусловно, всё это требует затрат, как временных, так и финансовых. Но с учётом перспективы сокращения ресурсов хвойной древесины переход на переработку отходов лиственных пород выглядит весьма перспективно.

«Хороших лесов с большим выходом товарной древесины с каждым годом всё меньше. Сейчас вовсю осваивают делянки с содержанием дровяной древесины до 60% и выше, поэтому использование лиственных пород будет только возрастать. Но есть ещё очень большие и при этом слабо используемые сырьевые ресурсы, не связанные напрямую с лесозаготовкой и лесопилением, — это лесонасаждения в городе, вдоль автомобильных и железных дорог, линии ЛЭП, которые регулярно чистят. Если полученное сырьё не вывозить на полигоны и не сжигать, а использовать для производства биотоплива, то выиграют все и улучшится экологическая обстановка», — убеждён Владимир Еськов.

«На фоне роста стоимости возобновляемых природных ресурсов перспектива использования в качестве сырья лиственных пород древесины очень высокая, особенно для регионов с лиственными и смешанными лесами. Также свою роль в необходимости полного использования древесины вносит действующее законодательство.

Нужно учесть, что есть предприятия, которые для производства основного продукта используют только древесину лиственных пород, такие как фанерные комбинаты, а также организации, проводящие санитарную рубку. Таким образом, отходы, получаемые при использовании древесины лиственных пород, занимают существенную долю в объёмах сырья для производства биотоплива, и потребность в технологиях их переработки растёт с каждым годом», — подводит итог Александр Сергеев.

Подготовила Мария Кармакова