Получение древесного угля и жидких продуктов пиролиза

В настоящее время существует множество альтернативных способов получения энергии. Одним из перспективных способов является биоэнергетика, распространенная не так широко, однако представляющая интерес из-за выгодности использования и наличия огромного количества возобновляемых органических ресурсов. При этом растительное сырье является более предпочтительным, так как растительная биомасса имеет низкое содержание серы, следовательно, при сгорании двуокись серы практически не выделяется.

Для получения энергии может быть использовано следующее сырье растительного происхождения:

• неделовая древесина, в основном мягких пород, заготовленная при санитарной вырубке лесных массивов; потенциальный объем данного типа сырья достигает 20% от общего объема лесного массива ежегодно;
• отходы лесозаготовки – пни, корье, сучья, щепа; доля отхода лесозаготовки от ее объема может составлять 40% и более;
• древесная и кустарниковая обрезь, образующаяся при обработке растительных насаждений в городской черте;
• отходы деревообработки – опилки, щепа, горбыль – составляют не менее 40% от объема деревообработки.

Запасы древесины в России составляют не менее 30% ее мировых запасов, что эквивалентно 18 млрд. тонн условного топлива. По предварительным оценкам, в виде отходов ежегодно образуется древесного сырья эквивалентного 40 млн. тонн условного топлива.

В некоторых районах в лесных хозяйствах есть необходимость производить очистку леса от хвороста и излишек деревьев. В итоге повсеместная переработка отходов позволит получить не только древесный уголь, но и здоровый лес с меньшей вероятностью возникновения пожаров, количество которых ежегодно увеличивается. Причем по данным лесного хозяйства известно, что хорошо ухаживаемые здоровые леса растут на 55 % быстрее.

В России при лесозаготовках и при переработке древесины ежегодно образуется огромное количество низкосортной древесины (береза, осина и др.), пригодной для энергетического использования. Несмотря на наличие таких огромных древесных ресурсов, к настоящему времени, доля получаемой из них энергии не превышает 2%.

Количество промышленных отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности в Республике Татарстан с 2008 по 2010 годы составило с 54,8 тыс. до 98,56 тыс. тонн. При этом количество собранных отходов деревообработки в 2010 г. составило 0,64669 тыс. тонн, из которых переработано 0,2931 тыс. тонн, что составило всего 0,3% от всего количества отходов.

Основными недостатками, препятствующими широкому использованию низкокачественной древесины в энергетике, являются ее относительно низкая теплота сгорания и высокая влажность (до 70%). Один из способов устранения этих недостатков – превращение древесной биомассы в более удобные для использования продукты, такие как уголь, бионефть, горючие газы. Подобные продукты можно получить посредством пиролиза.

Пиролиз – это термическое разложение древесины без доступа кислорода, в процессе которого образуются твердые, жидкие и газообразные продукты. Твердым продуктом пиролиза является древесный уголь, остающийся в камере сгорания в виде твердого остатка после завершения процесса пиролиза древесины. Жидкие и газообразные продукты выделяются совместно в виде сложной парогазовой смеси, которую при последующем охлаждении разделяют на жидкий дистиллят (жижку) и неконденсируемые газы. Состав и количество продуктов термического разложения зависят от температуры, продолжительности процесса, метода нагрева и породы древесины. Однако, химизм и механизм процесса пиролиза до сих пор полностью не изучен.

На кафедре «Переработки древесных материалов» Казанского национального исследовательского университета тема пиролиза древесины изучается с 2005 года. Проведены исследования по темам: термическая переработка отходов деревообрабатывающих предприятий, изучение процесса пиролиза древесины при регулировании давления среды [1], утилизация отработанных деревянных шпал методом пиролиза [2], термическое разложение древесины при кондуктивном подводе тепла, быстрый пиролиз древесины в абляционном режиме [3].

В настоящее время на кафедре разработана установка для производства древесного угля и жидких продуктов пиролиза. Основными преимуществами установки являются: малая энергоемкость, автономность технологического процесса, полное отсутствие вредных выбросов в окружающую среду, универсальность [4].

Малая энергоемкость процесса достигается за счет того, что горючие газообразные вещества, выделяющиеся во время процесса пиролиза, используются в качестве топлива для поддержания технологического процесса. Это позволяет экономить природный газ, который нужен только для запуска установки и выхода на режимные параметры. Возможна подача природного газа в малых порциях при нехватке теплоты горения от парогазов (при использовании отходов высокой влажности). Также в установке применяется система теплообменников, которая позволяет более эффективно использовать теплоту топочных газов и теплоту пиролиза, что исключает потери большого количества тепла в окружающую среду. В итоге после выхода на режимные параметры установка может работать без значительных затрат энергии извне.

Загрузка сырья и выгрузка угля происходит непрерывно. Технологический процесс регулиру-

ется автоматически без участия человека.

Состав продуктов горения парогазовой смеси и природного газа схож и не содержит вредных веществ. Следовательно, отпадает потребность в очистке дымовых газов.

Универсальность заключается в возможности работать в двух режимах:

–– c использованием в качестве топлива образующейся парогазовой смеси (без значительных затрат природного газа) для получения только древесного угля (рис. 1а);

–– на природном газе с получением, как угля, так и жидких продуктов пиролиза – жижки, включающей смолу, эфирные масла, кислоты, спирты (рис. 1б).

1.а

1.б

Рис. 1 – Режимы работы установки:

а – получение угля; б – получение угля и побочных продуктов

Данная установка позволяет повысить эффективность процесса пиролиза за счет использования несконденсировавшегося пиролизного газа в качестве топлива для сжигания в топке, многократного использования топочных газов в рециркуляционном режиме, получения древесного угля более высокого качества (равномерное охлаждение получаемого угля не вызывает трещинообразование) и повышения пожаробезопасности работы установки вследствие выгрузки охлажденного угля, а также повышения производительности процесса за счет сокращения времени прогрева древесной биомассы и времени охлаждения угля.

Данная работа выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2013 г.» по теме: «Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала», при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.

Список литературы

1. Грачев, А.Н. Исследование быстрого пиролиза древесины в абляционном режиме / А.Н.
   Грачев, Р.Г. Хисматов, Р.Г. Сафин, В.Н. Башкиров // Известия Самарского научного центра РАН. – 2008. – Специальный выпуск – С. 25-29.
2. Исхаков, Т.Д. Энерго- и ресурсосбережение при утилизации отработанных деревянных шпал методом пиролиза / Т.Д. Исхаков, А.Н. Грачев, В.Н. Башкиров, Р.Г. Сафин // Известия вузов. Проблемы энергетики. – 2008. – № 11-12. – С. 16-20.
3. Сафин, Р.Р. Математическое моделирование процесса пиролиза древесины при регулировании давления среды / Р.Р. Сафин, Р.Г. Сафин, И.А. Валеев // Вестник МГУЛ. – 2005. – №2. – С. 168-174.
4. Тимербаев, Н.Ф. Современное состояние процесса пирогенетической переработки органических веществ / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, И.И. Хуснуллин // Вестник казанского технологического университета. – 2011. – №3. – С. 169-173.

УДК 66.092-977