Биотехнология. 13
Введение
Вопрос развития биотопливной индустрии становится все более актуальным. Истощение традиционных источников энергии и растущий спрос и цены на углеводородные энергоресурсы вызывают озабоченность всего мирового сообщества. Мировое потребление энергоресурсов с 1970 г. по 2008 г., по оценкам Международного энергетического агентства (МЭА), увеличилось в полтора раза. По прогнозам МЭА, мировой спрос на энергоресурсы возрастет на 65-70% к 2030 г. по сравнению с уровнем 2007 года.
С целью обеспечения глобальной энергетической и экологической безопасности мировое сообщество предпринимает активные попытки снизить зависимость энергетики от ископаемого топлива. Одним из направлений развития современной энергетики является использование биотоплива.
История мирового биотопливного
рынка насчитывает несколько
десятилетий с первого
- стремление снизить зависимость отдельных государств от импорта ископаемых энергоносителей и обеспечить энергетическую безопасность;
- следование требованиям Киотского протокола, предусматривающим сокращение выбросов парниковых газов в атмосферу (включая метан);
- необходимость развития аграрного сектора экономики, переработки отходов сельского хозяйства, создания новых рабочих мест и т.д.
Биомасса может использоваться для различных целей – от обогрева жилищ до производства электроэнергии и моторного топлива. Современная биоэнергетика основана на высокоэффективных технологиях преобразования биомассы в удобные для использования виды энергии (электроэнергию, жидкие и газообразные топлива и подготовленное твердое топливо).
Топливные гранулы
В основе технологии производства топливных гранул, как и топливных брикетов лежит процесс прессования измельченных отходов древесины, соломы, лузги и др.
Сырьё (опилки, солома и т.д.) поступает в дробилку, где измельчаются до состояния муки. Полученная масса поступает в сушилку, из неё — в пресс-гранулятор, где древесную муку прессуют в гранулы. Сжатие во время прессовки повышает температуру материала, лигнин, содержащийся в древесине размягчается и склеивает частицы в плотные цилиндрики.
На производство одной тонны гранул уходит 3—5 кубометров древесных отходов естественной влажности. Готовые гранулы охлаждают, пакуют в большие биг-бэги (по несколько тонн) или мелкую упаковку от нескольких кг до нескольких десятков кг.
Различают промышленные (доставляются насыпью без упаковки или в биг-бэгах) и потребительские гранулы (в мелкой расфасовке, ориентированные на частных и небольших промышленных потребителей).
Древесные топливные гранулы
(пеллеты, ДТГ) – это небольшие
цилиндрические прессованные древесные
изделия диаметром 4-12 мм, длиной 20-50
мм, переработанные из высушенных остатков
деревообрабатывающего и
Преимуществом использования древесных гранул перед другими видами топлива является:
- снижение вредных выбросов
в атмосферу: древесное
-большая теплотворная способность: по сравнению со щепой и с кусковыми отходами древесины. Энергосодержание одного килограмма древесных гранул соответствует 0,5 литра жидкого дизельного топлива; древесные гранулы не уступают по теплотворной способности ни углю, ни мазуту.
-низкая стоимость по сравнению с дизтопливом, и отоплением электричеством.
-чистота помещения, в котором установлен котел.
- возможность автоматизации котельных.
Технология производства древесных топливных гранул.
Расстановка оборудования на каждом предприятии может быть разная. Однако принципы – общие с момента возникновения технологии производства пеллет в 1947 году. Сам по себе процесс гранулирования – пеллетизации, происходит в специальных кольцевых штампах (пресс-формах) вращающимися роторными вальцами, которые впрессовывают в многочисленные отверстия - фильеры пресс-формы, активизированное паром измельченное древесное сырье, после чего, срезанные с наружной стороны штампа специальным ножом гранулы, должны быть охлаждены и отделены от мелких частиц.
Весь процесс производства
условно можно разделить на несколько
этапов:
•Измельчение
•Сушка
•Доизмельчение
•Водоподготовка
•Прессование
•Охлаждение
•Фасовка и упаковка
Рассмотрим подробнее каждый этап производства:
• Измельчение древесного сырья. Рубительные машины (Дробилки) измельчают древесное сырьё до фракции с размерами не более 25х25х2 мм для дальнейшей сушки. Лучше всего для снижения энергозатрат на сушку измельчать до более мелкой фракции.
• Сушка. Древесное сырье перед прессованием должно иметь влажность 10 % ± 2 %. Сырье с большей или меньшей влажностью требует дополнительного увлажнения или дополнительной сушки.
• Доизмельчение сухого сырья. Для устойчивой работы пресса входная фракция должна быть не более 4 мм. Такую фракцию может обеспечить молотковая мельница, стружечный станок или дезинтегратор.
• Водоподготовка. Сырье с влажностью менее 8% плохо поддается прессованию, поэтому требуется, устройство дополнительного увлажнения сырья. Лучший вариант - это шнековые смесители, имеющие возможность подачи воды или пара. Пар применяют для снижения прочности и увеличения пластичности древесного сырья твердых пород. Прессы некоторых производителей из-за конструктивных особенностей не требуют добавления пара. Некоторые применяют пар для старого, слежавшегося сырья, но таким сырьем сложно получить гранулы хорошего качества.
В основе всего процесса гранулирования или в сердце его находится пресс. Сегодня существует несколько десятков производителей прессов из разных стран мира (CPM, Andritz, Salmatec, Amandus Kahl, Buhler, Munch и многие другие).
Многие прессы конструктивно
различаются по видам матриц:
-пресс с круглой матрицей
- пресс с плоской матрицей.
Пресс с круглой матрицей разрабатывался для комбикормовой, пищевой и химической промышленности. А пресс с плоской матрицей изначально для утилизации промышленных и бытовых твердых отходов.
На сегодняшний день прессы обеих модификаций, используемые в гранулировании, работают по одинаковому принципу. Бегущие катки создают контактное напряжение смятия сырья на матрице, и через отверстия в матрице продавливают сырье, которое обрезается ножами. При прессовании происходит уплотнение древесного сырья до 3 раз. Удельное потребление электроэнергии составляет от 30 до 50 кВт в час на тонну. Из-за сил трения и адиабатических процессов, происходящих при резком сжатии сырья, температура в рабочей зоне пресса достигает 100°С.
• Охлаждение. Чем выше усилия прессования и выше температура сырья, тем лучше гранулы по качеству. При увеличении температуры прессования свыше 120°С происходят необратимые процессы в гранулируемом сырье, которые приводят к ухудшению качества гранул. Охлаждение необходимо для кондиционирования гранул после прессования.
• Фасовка и упаковка.
Фасовка и упаковка топливных
гранул зависит от того, какая система
хранения существует у потребителя.
- в свободном виде - насыпью.
- в мешках биг-бэг - от 500 до 1200 кг.
- в мелкой расфасовке - по 10…20 кг.
Способы расфасовки топливных гранул.
• В свободном виде - насыпью
Подразделяется на две группы:
- Первая идет на крупные ТЭЦ, требования
по качеству невысокие, цена также небольшая:
промышленные пеллеты.
- Вторая - высокого качества для котлов небольшой мощности и дальнейшей фасовки в мелкую упаковку, требования высокие, цена также достаточно высокая.
•Фасовка в биг-бэги
Фасовка в биг-бэги применяется
для индустриальной транспортировки
сыпучих продуктов. Биг-бэги изготавливаются
из прочного полимера, имеют петли
для механизации погрузо-
• Мелкая расфасовка
Самая дорогая группа. Цены на гранулы в мелкой расфасовке наиболее высокие, и превышают 200 Евро за тонну. К данной группе ДТГ предъявляются повышенные требования по качеству. Очень удобна для тех заказчиков, кто не может иметь склада для хранения в насыпном виде. Перевозится на паллетах (поддонах). Массой до одной тонны. На снимках показаны варианты транспортного пакета и мешка 20 кг.
Топливные брикеты
В основе технологии производства топливных брикетов лежит процесс прессования шнеком агро-отходов (шелухи подсолнечника, гречихи и др.) и мелко измельченных отходов древесины (опилок) под высоким давлением, а в ряде случаев и при нагревании от 250 до 350 С°. Получаемые топливные брикеты не включают в себя никаких связующих веществ, кроме одного натурального — лигнина, содержащегося в клетках растительных отходов. При использовании агросырья возможно добавление связующих элементов. Температура, присутствующая при прессовании, способствует оплавлению поверхности брикетов, которая благодаря этому становится более прочной, что немаловажно для транспортировки брикет.
Сырьем для производства
брикетов является тот же материал,
что и для изготовления гранул
– опилки различных пород древесины,
щепа, лузга подсолнечника, гречихи,
солома и многие другие растительные
отходы. Технология производства брикетов
схожа с технологией
Брикеты бывают разных форм – в виде кирпича, цилиндра или шестигранника с отверстием внутри.
Стандартных размеров у данной продукции нет.
Основным фактором, определяющим механическую прочность, водостойкость и калорийность брикета, являются его плотность. Чем плотнее брикет, тем выше показатели его качества. Чем ниже плотность брикетов, тем меньше их калорийность.
Качество брикетов в значительной
мере зависит от влажности исходной
смеси. Различают оптимальную и
критическую влажности. Оптимальная
влажность составляет 4-10 %, при ней
достигаются наилучшие
Существует 3 основных типа топливных брикетов. Они отличаются по форме, которая зависит от метода производства.
«В народе» прижилось три названия, которые произошли из имен компаний, выпускающих оборудование для производства того или иного брикета. Таким образом, выделяют брикеты RUF, брикеты NESTRO и брикеты Pini-Kay. Однако, кроме упомянутых производителей брикетирующего оборудования, существуют и другие фирмы — например C.F.Nielsen (Дания), UPM (Литва), Bogma (Швеция), Pawert-SPM AG (Швейцария), DI-PIU (Италия).
Брикеты подразделяются по двум принципам:
Первое - по сырью, из которого
они изготовлены. Здесь выделяют:
брикеты из древесных отходов (стружка
и опил без коры, отходы с корой,
кора, отходы производства МДФ, шлифпыль,
отходы фанерных производств, лигнин,
брикеты из сельскохозяйственных отходов);
брикеты из агробиомассы (солома , шелуха
подсолнечника, шелуха злаковых, отходы
хлопка, сено, камыш); брикеты из прочих
материалов (бумага, картон, целлюлоза,
полимеры.
Второе — по способу прессования и форме.
Брикеты бывают трех видов:
цилиндрические, экструдерные и в виде кирпичика.
Цилиндрические брикеты.
Этот вид брикетов получается путём прессования на оборудовании ударно-механического типа. Они имеют бесконечную длину, и могут быть разделены как на шайбы, так и на поленья. Имеют очень высокую плотность и пользуются большой популярностью в Европе.
Такие брикеты могут иметь не только круглую, но и квадратную или восьмиугольную форму, иметь или не иметь отверстие. Вид брикета заказывает покупатель, он зависит от того, какие формы больше популярны в каждой отдельно взятой стране. Данные брикеты охотно покупают такие страны, как Германия, Дания, Великобритания, Норвегия, Швеция, Италия. На внутреннем рынке, чаще всего используют кусковые брикеты, изготовленные по данной технологии, в качестве топлива для твёрдотопливных котлов.
Экструдерные брикеты.
Эти брикеты обязательно имеют отверстие внутри и обожженную верхнюю поверхность.
В основе экструзивной технологии
производства брикетов лежит процесс
прессования шнеком под высоким
давлением при нагревании от 250 до
350 С°. Температура, присутствующая при
прессовании, способствует оплавлению
поверхности брикетов, которая благодаря
этому становится прочной, что немаловажно
для транспортировки брикета.
Такие брикеты закладываются вручную
в топку котла или в печку, они пользуются
спросом в Прибалтике и на внутреннем
рынке России.
Брикеты в виде кирпичика.
Эта продукция имеет вид
прямоугольного параллелепипеда со
скошенными углами. Такой брикет получается
путём гидравлического
Технология.
Процесс брикетирования - это
процесс сжатия материала под
высоким давлением, с выделением
температуры от силы трения. За счет
данного воздействия в
Объем брикета составляет 1/10 от объёма затраченного на его производство сырья, что дает значительную экономию при транспортировке и хранении биотоплива.
Для производства древесных брикетов применяют поршневые и шнековые прессы, сырье – опилки и стружки. Перед прессованием материал дополнительно измельчают и подсушивают.
Поршневой пресс работает циклически – при каждом ходе поршня продавливают определенное количество материала через коническое сопло. Износ поршня невелик, поскольку относительное перемещение между прессуемым материалом и поршнем мало, быстро изнашивается сопло. Поршневые прессы относительно дешевы и поэтому широко распространены.
Шнековый пресс легче поршневого, поскольку отсутствуют массивные поршни и маховики. Продукция выходит непрерывно, поэтому ее можно разрезать на нужные куски. Плотность выше, чем у поршневых прессов. Шнековые прессы менее шумные, благодаря отсутствию ударных нагрузок. К недостаткам можно отнести больший расход энергии и быстрый износ шнека.
Топливные брикеты имеют широкое применение и могут использоваться для всех видов топок, котлов центрального отопления и пр. Большим достоинством брикетов является постоянство температуры при горении на протяжении 4 и более часов.
Дрова
В настоящее время для производства дров или биомассы используются, так называемые, энергетические леса. В их составе включают быстрорастущие породы древесины, кустарников и трав. Посадку производят квадратно-гнездовым способом или в шахматном порядке. В междурядьях из деревьев часто высаживают сельскохозяйственные культуры (так называемые, комбинированные посадки).
Период ротации
Экологические достоинства энергетической биомассы:
-предупреждение эрозии почвы;
-при сжигании биомассы, в атмосферу выделяется только CO2,
поглощенный при ее росте.
Биоуголь
Биоуголь обычно получают в процессе нагревания древесины, стеблей растений или других органических материалов без доступа кислорода. Наиболее распростравненный способ получения биоугля – пиролиз. В последние годы возрастает интерес к применению технологии отжига биомассы (торрефакция), повышающий эффективность производства электроэнергии. Данная технология позволяет получать биотопливные гранулы с высоким объемным теплосодержанием.
Фрезерный торф.
Торф добывают фрезерным способом из недр болот, а затем его высушивают в производственных помещениях. По своему составу неоднороден. Подходит для использования на электростанциях и в больших теплоэлектростанциях (котлах с кипящим слоем).
Кусковой торф.
Кусковой торф является наименее возобновляемым природным ресурсом. По ценовой характеристике он наиболее выгоден и подходит лучше всего в качестве сырья для больших биотеплоэлектростанций.
Производство и применение твердого биотоплива в мире и в России.
Под древесным топливом понимают все виды топлива древесного происхождения, полученные из леса. Основные виды древесного топлива - дрова, щепа, ДТГ и брикеты.
Древесное топливо составляет 10% топлива, используемого в мире и из древесного топлива можно получить различные виды энергии:
- тепловая энергия,
- электрическая энергия,
- транспортное топливо.
Перспективы по использованию древесного топлива определяются основными факторами:
- ресурсами (сырьевые, человеческие, экономические),
- спросом на древесное топливо.
Надо отметить, что сырьё - ресурсы древесного топлива в большинстве регионов РФ можно классифицировать, как неиспользуемые (т.е. потери), и конечно, для этого можно найти оправдания со ссылкой на отсутствие экономических и других ресурсов. По оценкам экспертов, износ основных фондов в теплоэнергетике РФ составляет около 80%, рост тарифов на электроэнергию за 10 лет вырос в 3,5 раза, т.е. модернизация и инвестиции всё равно необходимы, нельзя до бесконечности «заговаривать» проблему, мы уже в «тупике». Тарифы не энергоносители и энергию уже сопоставимы, а иногда и превышают, тарифы в развитых зарубежных странах, правда, зарплаты гораздо ниже.
В Швеции доля биотоплива в производстве разных видов энергии следующая:
Тепловая энергия - 52% (от 179 ТВтч),
Электроэнергия – 4,5% (132 ТВтч),
Транспортное топливо -1% (91 ТВтч),
В России такие данные отсутствуют, ТЭБы регионов засекречены, но по данным экспертов доля биотоплива в производстве энергии составляет:
Тепловая энергия - 5%,
Электроэнергия – 1%.
Ресурсы и спрос на них – это главные темы планирования.
При планировании важно соблюдения
принципа сбалансированного спроса
и предложения на древесное топливо,
т.е. решение проблем лесного
В настоящее время, в некоторых регионах РФ разработаны программы, связанные с использованием древесного топлива (Архангельск, Вологда, Великий Новгород). Согласно ФЗ № 261 РФ от 23 апреля 2012 года «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», предполагается использование ВИЭ в соответствующих региональных и муниципальных Программах. Но фактически, планируемые единичные проекты по переводу муниципальных котельных малой мощности на биотопливо, не решают проблем экологии, экономики регионов и не оказывают влияния на региональные ТЭБы. Таким образом, внятных целей и сбалансированного планирования по производству и использованию биотоплива на Федеральном и региональных уровнях нет.
Выводы.
1. Модернизация энергетического
сектора РФ – острая
2. Модернизация котельных,
за счёт замещения ископаемых
видов топлив древесным
3. Дальнейшие перспективы
использования древесного
Перспективы производства и применения твердого биотоплива в Орловской области.
При сегодняшнем уровне рыночных цен, следует обратить внимание на существенный экономический потенциал при замене газа на гранулированное топливо из лузги, стеблей кукурузы и соломы зерновых, которые являются отходами сельскохозяйственной деятельности компаний.
Так как в настоящее время в Орловской области выращивается большое количество зерновых и масленичных культур, то в перспективе планируется создание безотходного производства.
Тем более уже существует целая отрасль, уверенно реализующая концепцию построения энергетически независимого производства – это масложировая промышленность. Предприятия этой отрасли широко используют диверсификацию производства на основе внедрения безотходной технологии. При этом применяются три варианта утилизации отходов:
- Получение гранулированной лузги и шрота для экспорта в Европу;
- сжигание лузги для получения тепловой энергии;
- сжигание лузги для получения электрической энергии.
Успешная реализация вышеизложенной концепции основана на рассмотрении свеклосахарного завода как агропромышленного проекта. Современные сахарные компании, в частности их агрохолдинги, обладают достаточным потенциалом биомассы, которую можно использовать для производства биотоплива и замены природного газа. Основными источниками сырья для получения энергетической биомассы являются отходы зерновых культур и кукурузы.
Заключение.
Для того, чтобы в полной мере реализовать потенциал биоэнергетики в России с нашей точки зрения необходимы два условия:
Первое условие заключается в максимально широком сотрудничестве участников отрасли друг с другом и с зарубежными коллегами. На таком быстрорастущем рынке стирается грань между конкурентами и коллегами. Вместе мы могли бы эффективнее продвигать интересы отрасли, как внутри страны, так и за ее пределами, обмениваться знаниями и опытом, разрабатывать предложения по формированию нормативной и законодательной базы отрасли.
Второе условие – внятная и последовательная государственная политика в области энергосбережения и использования возобновляемых источников энергии. Она позволит обеспечить более благоприятный инвестиционный климат в отрасли и, таким образом, будет способствовать ее интенсивному развитию.
В результате, доля дорогостоящих ископаемых энергоносителей в топливном балансе страны будет сокращаться, а высвобождающиеся ресурсы смогут быть отправлены на экспорт и/или переработаны химической промышленностью с более высокой рентабельностью.
Твердое биотопливо - это возобновляемый источник энергии, его вклад в развитие «парникового эффекта» признан минимальным. При сгорании биоматериалов в атмосферу выбрасывается такое же количество углекислого газа, сколько бы выделилось при их гниении.
Сырьем для производства биотоплива являются отходы производства не только не имеющие коммерческой ценности, но и требующие дополнительных затрат на вывоз и утилизацию. При таких условиях, учитывая постоянный рост цен на ископаемые углеводороды, производство твердого биотоплива из древесных и растительных отходов становится привлекательным долговременным коммерческим проектом с высоким уровнем доходности и минимальным сроком окупаемости.
Список используемой литературы.
1) Http://bioethanol.ru
2) http://ru.wiipedia.org
3) http://research-techart.ru
4) http://advis.ru
5) http://e-yrok.ru
6) http://paskalex.blogspot.com
7) http://fhp.bsu.by
8) http://finam.info
9) Булаткин Г.А. Перспективы и ограничения производства биотоплива II поколения из растительного сырья /Г.А.Булаткин // Экологический вестник России. - 2009. - № 10. -49-52 с.;
10) Карпов С.А. Биобутанол - биотопливо II поколения / С.А.Карпов // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2008. - №7. -14-16 с.;
11) Шлегель Г. Общая микробиология: Учеб. для вузов / Г.Шлегель.. - М.: Мир, 1987. - 293-295 с.
