Бегунков О.И., Выводцев Н.В., Гурьев В.В. и др. Использование низкотоварной древесины и отходов лесопромышленного производства

Подождите немного. Документ загружается.

Газификация древесины

Древесина применяется как топливо для теплоснабжения зданий и со-

оружений, получения горячей воды и воздуха. Однако это применение в России ,

как правило, носит частный бытовой характер и в промышленном масштабе

используются главным образом другие источники энергии: электричество, ка-

менный уголь, нефтепродукты и природный газ. Стоимость тепловой и элек-

трической энергии, полученной при использовании последних, превышает

этот показатель для случая использования древесины от 2 до 18 раз. При этом

древесина имеет неоспоримое преимущество, являясь возобновляемым и

экологически чистым ресурсом.

В любом лесном регионе России ежегодно образуется значительное ко-

личество низкотоварной древесины и отходов, при разумном использовании

которых может быть значительно снята острота постоянного роста стоимо-

сти энергии.

Достаточно эффективное решение в использовании древесины дает её

предварительная газификация и испозование в тепло- и паропроизводящих ус-

тановках генераторного газа. В настоящее время имеются многочисленные

примеры применения газогенераторных установок, как за рубежом, так и в

России.

Широкое внедрение газогенераторных технологий позволит решить

вместе с энергетической также проблему очистки значительных территорий от

лесосечных отходов и отходов деревообработки, что будет способствовать ре-

шению не менее важной задачи экологической и пожарной безопасности.

Основным методом использования древесины в качестве топлива явля-

ется её прямое сжигание в топках котлов. С низким коэффициентом полезного

действия от 20 до 60 %; имеются значительные выбросы золы и углей, конвек-

ционные и радиационные поверхности нагрева покрываются слоем твёрдых

отложений, что требует частой остановки котлов для чистки; в атмосферу вы-

брасываются сложные углеводороды, вредящие здоровью людей. Системы

сжигания твёрдого древесного топлива трудно автоматизировать.

Этих недостатков лишена система сжигания газообразного топлива. Га-

зообразное топливо из древесины может быть использовано там, где твёрдое

древесное топливо использовано быть не может: для сушки древесины, привода

транспортных и стационарных силовых установок, получения электроэнергии в

дизельгенераторах.

Газообразное топливо может быть передано на большие расстояния по

трубопроводам и в баллонах, его удобно использовать в быту для приготовлении

пищи, для отопления и нагревания воды, а также в технологических и силовых

установках. Сжигание газа легче автоматизировать; продукты сгорания его

менее токсичны.

В газогенераторах используются разнообразные виды топлива: отходы

древесины разных пород в виде кусков размером от 1 см до 200 см, щепы, опилок,

брикеты из опилок и лигнина (отход гидролизного производства), а также дре-

весный уголь, отходы с/х, брикеты торфа и бытовые отходы.

Сырьё может быть различной влажности вплоть до 60 – 65 %, однако

предпочтительно использование древесины влажностью 30 – 35 %, что дости-

гается при вылёживании в течение 3-х месяцев. Порода древесины мало влияет

на состав газа, жидких и твёрдых продуктов.

Древесина содержит три главных компонента:

- горючее вещество - уголь 50 – 52 % и водород 6 – 6,5 %;

- золу (калий, кальций, магний) при содержании 0,5 %;

- влагу от 20 % до 60 %.

В связанном состоянии содержатся кислород (40 – 45%), азот

(около 0,2 %) и сера (около 1 %).

При нагревании большая часть древесины (80 %) превращается в газ и

сгорает в газообразном состоянии и меньшая часть сгорает в связанном виде в

твёрдом слое. Сгорание в газообразном состоянии имеет ряд преимуществ.

Древесина может быть переведена в газообразное состояние в процессе

газификации при нагреве при температуре 700 – 800

С, и ограниченном доступе

воздуха. Теплотворная способность образующегося газа приближается к при-

родному газу. Использование газа в существующих котельных не требует пере-

делки котлов и улучшает их характеристики.

Генераторный газ образуется в газогенераторных установках различной

конструкции. Топливо нагревается при ограниченном доступе воздуха и разлага-

ется на твёрдый углерод, парогаз, смолы и масла. Парогаз в своём составе содер-

жит СО (14 – 22 %), СО

( 8 – 15 %), С

(1 – 4 %), Н

(10 – 17 %), О

(< 5 %),

(50 %).

Теплота сгорания генераторного газа, полученного из древесины, составляет

4–6 МДж/м

При использовании в качестве сырья древесного угля эта характеристика

возрастает и достигает 12 – 15 МДж/м

и выше , что сравнимо с природным газом

(10,8 МДж/м

). Использование для дутья кислорода позволяет теплоту сгорания

увеличить до 20 – 30 МДж/м

Газогенераторы состоят из бункера- накопителя топлива, камеры газифи-

кации (реактора), системы подачи первичного (вторичного) воздуха, камеры роз-

жига, зольника, камеры (трубы) возгорания (в некоторых конструкциях) и стыко-

вочных устройств (фланцев) с котлами, водо- и воздухонагревательными устрой-

ствами.

Работа газогенератора осуществляется следующим образом:

- на колосниковую решётку загружается растопочный материал и

производится розжиг генератора как обычной печи, время розжига составляет от

0,5 до 1 часа;

- в бункер загружается основное топливо, которое поступает в реактор,

преобразуясь в газ. Загрузка в зависимости от мощности газогенератора произ-

водится либо вручную, либо механизировано;

- вырабатываемый в результате пиролиза газ поступает в топку или

трубу горения, куда поступает вторичный воздух и смесь возгорается;

- продукты горения подаются в агрегат - котёл, водо- или воздухонаг-

реватель, в паре с которыми работает генератор.

Регулирование процесса осуществляется путём изменения подачи пер-

вичного и вторичного воздуха.

Газогенераторы применяются в стационарном и передвижном исполнении.

Последние широко применялись в 40 – 50-х годах прошлого столетия. В лесной

промышленности газогенераторными установками были оборудованы 68 % ле-

совозных машин, 27 % хозяйственных автомобилей, все трелёвочные тракторы. В

последующие годы в связи с изменением структуры топливно-энергетического

баланса и дешевизной энергоносителей газогенераторы утратили свою актуаль-

ность.

В последнее десятилетие заметно увеличился интерес к газу из возобнов-

ляемого органического топлива, в том числе к транспортным установкам на ге-

нераторном газе в связи с резким ростом цен на энергоносители.

Развитие процесса ведётся на новом уровне с использованием генератор-

ного газа и как топлива (в том числе для дизельных мотор-генераторных схем ), и

как сырья для производства жидких топлив и масел.

Разработчиками и изготовителями оборудования на основе газогенера-

торов являются учебные, научно-исследовательские учреждения, ГНЦ ЛПК, а

также организации, входящие в энергетическую корпорацию, и ряд других

предприятий. Широкий круг предложений исходит и от зарубежных компаний.

Газогенераторы работают на принципе прямого и обратного горения. Принцип

прямого сгорания применяется главным образом для стационарных установок,

а обратного действия для транспортных устройств. При обратном горении

продукты сгорания имеют значительно меньше паров смол и кислот.

Разработаны и выпускаются различного типа газогенераторы и оборудо-

вание на их основе:

- предтопочные устройства к котлам;

- теплогенераторы;

- водонагреватели;

- миниэлектростанции.

Разрабатываются:

- модульные энергетические станции, производящие тепло, электроэнер-

гию и питающие газовые сети;

- установки по производству дизельного топлива и масел.

Имеющийся спектр установок позволяет надеяться на успешное ис-

пользования древесины для решения энергетических проблем.

Применение газогенераторов имеет ряд преимуществ:

- низкая температура сжигания, в результате чего содержание СО

на

30 – 40 % ниже, чем даже при сжигании природного газа;

- КПД топочного устройства повышается по сравнению с мазутом или

углем, не требуется большой переделки котлов, что разрешает использование

на одном оборудовании разного топлива;

- генераторный газ можно использовать в двигателях внутреннего сго-

рания и в газовых турбинах, что позволяет исключить из схем котлы и паровые

турбины (для установок сравнительно малой мощности).

Газогенераторные установки различаются:

- малой мощности – до 100 КВт;

- средней мощности – от 100 до 1000 КВт;

- большой мощности – свыше 1000 КВт.

При выборе типоразмера генератора допустимо исходить из нормы:

для отопления 100 м

площади (при высоте потолков 3 м) требуется 5 КВт те-

пловой мощности генератора.

Выпускаются предтопочные устройства для различных котлов (серии КЕ,

ДКВр). Стоимость предтопка теплопроизводительностью 6,5 МВт составляет

650 – 700 тыс. р. без учёта стоимости кирпичей и работы по переоборудованию.

Выпускаются газогенераторы на 5, 15, 30, 60, 100, 200, 400, 600 и 700 КВт.

стоимостью от 30 до 150 – 300 тыс. р. и массой от 290 кг до 1,5 – 2,0 т.

Газогенераторы стыкуются с котлами различного типа: серии КЕ, ДКВр,

КС-ТГ(ТГВ), КЧ, КВ, КТ.

Теплогенераторы и водогрейные модули на основе упомянутых газо-

генераторов стоят от 100 до 160 – 300 тыс. р.

Миниэлектростанции выпускаются мощностью от 200 КВт до 6 – 8 МВт.

Стоимость станций различна. Для примера, миниэлектростанция по газоди-

зельному циклу мощностью 200 КВт, предлагается ГНЦ ЛПК по цене

1,5 – 2,0 млн. р., а предполагаемая стоимость энергетической станции, выра-

батывающей 200 КВт электроэнергии, до 400 КВт тепла и генераторный газ на

50 потребителей составит при серийном изготовлении – 8 200 000 рублей.

Стоимость 1 КВт установленной мощности колеблется для отечественных

установок от 30 $ до 500 – 700 $. Стоимость электроэнергии, полученной на

установках миниТЭЦ-дизель в условиях удалённых посёлков, на 20 % меньше,

чем электроэнергия из системы.

Срок окупаемости газогенераторных установок различен и колеблется от

3 – 5 мес. для малых установок до 2,5 – 5 лет для миниТЭЦ.

Количество перерабатываемого сырья (низкотоварной древесины и отхо-

дов) зависит от мощности агрегата и составляет из расчёта 300 – 400 кг на 1 Гкал

тепла. Для сравнения – на выработку 1 Гкал тепла требуется 97 л жидкого топлива,

130 кг каменного угля, 1 630 КВтч электроэнергии.

Газогенераторы мощностью от 30 до 200 КВт перерабатывают от 10 до 65 кг

щепы в час.

Газогенераторные котлы длительного горения мощностью от

5 до 40 КВт перерабатывают от 2,5 до 20 кг/ч.

Для справки:

• 1 тонна усл. топлива = 42 ГДж; 1 МВт ч = 3,6 ГДЖ,

• эфф. теплосодержание дрова (щепа, кора) …….8,5 ГДж/т (2,4 МВтч/т),

брикеты ..................................…...………………...….17 ГДж/т (4,7 МВтч/т),

древесный уголь …………………………………….29 ГДж/т /(8,1 МВтч/т),

природный газ .......................................................................… 10.8 МДж/м

генераторный газ (из древесины)........................................... .4 – 10 МДж/м

генераторный газ (из древ, угля)…………………………..….12 – 15 МДж/м,

каменный уголь ……………………………………… 27 ГДж/т (7,5 МВтч/т),

мазут ........................... ……………..……...36 – 39 ГДж/т (9,9 – 10,8 МВтч/т).

Стоимость 100 КВтч тепловой энергии, выработанной на жидком топливе

составляет 64 р., на каменном угле – 16 р., с помощью электроэнергии – 140 р., на

торфе – 28 р., на дровяных отходах и щепе 2 – 8 р., на древесном угле –

3,5 – 5 р. Газогенераторы мощностью от 5 до 40 КВт способны дать тепло для

отопления от 100 до 1400 м

площади помещений различного назначения.

Применение газогенераторов на древесных отходах:

- приводит к снижению давления на природу отходов древесины в лесу,

снижая их количество, т.к. применение газгенов, особенно работающих на дре-

весном угле, делает экономически целесообразной очистку леса от отходов;

- к резкому снижению вредных выбросов в атмосферу: 1000 мг/ м

про-

тив 46 000 мг/м

для водогрейных котлов мощностью до 100 КВт (ГОСТ 20548-93),

работающих на каменном и буром угле;

- к снижению в 1,5 – 2 раза вредных выбросов в атмосферу по срав-

нению со сжиганием древесины в топках котлов.

Для выбора мощности тепловых агрегатов можно пользоваться табл. 15.

Тепловая мощность агрегатов

Таблица 15

Требуемая тепловая мощность, кВт

Тип здания

550 775 100 150 200 300 400 500

Жилые и административные

здания м

2 500

3 700

5 000

7 500

10 000

16 000

20 000

24 000

Производственные помещения

утепл. (мастерские, ангары) 2 000 3 000 4 200 6 300 8 400 13 400 16 800 20 200

Гаражи, столярные участки и

цеха (сильно вентилируемые) 850 1 300 1 750 2 600 3 500 5 600 7 000 8 400

Использование в качестве сырья для газогенераторов древесного угля резко

снижает содержание в генераторном газе смол, тяжёлых углеводородов (на по-

рядок), что снижает выброс в атмосферу вредных веществ и позволяет снизить

затраты на очистку генераторного газа при его использовании в качестве топлива

для дизельных установок, а соответственно значительно улучшить состав вы-

хлопных газов.

В заключение следует отметить:

1. Применение древесины для целей отопления и электроснабжения

наиболее целесообразно с помощью энергетических установок, использующих

газификацию древесины.

2. В качестве сырья необходимо применять щепу или древесный уголь,

при этом с учётом стоимости перевозок до 50 км можно транспортировать ав-

тотранспортом щепу, до 100 – 150 км - транспортировать хлысты с производ-

ством щепы на месте раскряжёвки, а при больших расстояниях - транспортиро-

вать древесный уголь. Поскольку расстояния вывоза древесины в Хабаровском

крае превышают 100 км без технологии углежжения на временных лесных пло-

щадках не обойтись.

3. Необходимо переводить транспортные средства и механизмы, при-

меняемые при лесоразработках, на газогенераторные установки.

4. В перспективе при выработке достаточного количества древесного

угля необходимо:

- наладить производство генераторного газа и транспортировку его по тру-

бопроводам и в баллонах;

- наладить производство моторных топлив и масел на возобновляемом

древесном ресурсе.

Производство химико-термомеханической

массы и бумаги из нее

В настоящее время по ряду причин лесной комплекс практически остался

без утилизаторов низкотоварной древесины и вторичного древесного сырья. В

ближайшие годы это может стать одной из основных причин падения объемов

лесозаготовок.

Резкое увеличение стоимости производства целлюлозы, проблема рацио-

нального использования древесного сырья

, высокие капитальные затраты на

строительство целлюлозных заводов, возросшие требования к охране окру-

жающей среды выдвигают на первый план производство ХТММ и бумаг из нее.

Химико-термомеханический процесс отличается незначительным воздействием

на природную среду и низкими удельными капитальными затратами:

50 – 60 тыс.

$ на 1т вместо 200 – 300 тыс. $/т суточной мощности целлюлозного

завода. ХТММ – волокнистый полуфабрикат с выходом более 90 %, получае-

мый из растительного сырья, подвергнутого мягкой химической и тепловой об-

работке с последующим размолом в дисковых мельницах под давлением. Рас-

четный выход беленой ХТММ для бумаг – 91 %, белизна – до 75 % ISO. Раз-

рывная длина – 5,5 – 7,5 км, сопротивление раздиранию 7,8 – 9,8 мН·м

/г.

Химико-термомеханическая масса применяется при производстве раз-

личных бумаг и картонов. Процесс производства поддается оптимизации, по-

зволяющей наилучшим образом использовать различное местное сырье, доби-

ваясь в то же время заданного качества. При производстве ХТММ может ис-

пользоваться как хвойная, так и лиственная древесина. Наилучшей товарной

массой является беленая химико-

термомеханическая масса (БХТММ), полу-

ченная из мягких пород древесины (хвойных) без применения хлора для отбел-

ки. Процесс обеспечивает высокий выход и почти вдвое меньший, по сравне-

нию с варкой целлюлозы, удельный расход древесного сырья. Высокие энер-

гетические затраты на производство ХТММ могут быть снижены за счет эф-

фективной рекуперации пара и

его использования в производстве.

Возможна организация производства как товарной ХТММ, так и произ-

водства бумаг из нее (жидкий поток). В России мощности по производству ме-

ханической массы из щепы составляют 717 тыс. т в год (АО “Сыктывкарский

ЛПК”, АО “Волга” - Балахнинский ЦБК, Сясьский ЦБК, АО “Камский ЦБК”).

Товарная механическая масса не производится.

В крае

возможна организация производства ХТММ из древесины хвой-

ных пород 2 и 3 сорта, представленных елью и пихтой в соотношении 90:10.

Примесь других пород – не более 10 %. Возможно использование технологиче-

ской щепы из окоренных отходов, а также применение лиственной древесины.

Требования к сырью определяются ГОСТ. Потенциальные поставщики сырья -

арендаторы участков лесного фонда, лесхозы, деревообрабатывающие пред-

приятия

, производящие технологическую щепу, удовлетворяющую требовани-

ям производства ХТММ.

Технологический процесс производства ХТММ

Процесс производства ХТММ включает следующие стадии:

- подготовка древесного сырья (исключается при использовании техноло-

гической щепы) – окорка древесного сырья, рубка и сортирование щепы;

- промывка щепы;

- пропитка щепы;

- пропарка;

- двухступенчатый размол;

- промывка массы;

- двухступенчатое сортирование и

очистка;

- переработка отходов;

- отбелка массы;

- промывка беленой массы;

- сгущение и хранение массы;

- сушка при производстве товарной ХТММ;