Технология производства торрефицированных «черных пеллет» была разработана всего несколько лет назад. Но уже сейчас эксперты в энергетической сфере говорят о большом будущем нового вида топлива. В отличие от обычных пеллет, новые гранулы не боятся влаги, отличаются более высокой теплотворностью. Кроме того, они могут храниться очень долго, причем даже под открытым небом. Новое биотопливо можно использовать в угольных котельных без их предварительной модернизации. Поэтому его и называют биоуглем.
Дословный перевод - «биоуголь» не полностью раскрывает подтекст, стоящий за этим понятием. Так что же такое biocoal? Как появился этот термин и в чем особенности технологии, стоящей за этим названием?
В Европейском Союзе введены жесткие правила, связанные с выбросами в окружающую среду. В соответствии с принципами, заложенными еще протоколом Киото и подтвержденными впоследствии нормативами европейских стран, к выбросам отнесены не только соединения, отравляющие среду обитания, но и углекислый газ, если он образуется при сгорании минерального, невозобновляемого топлива (так называемые «парниковые газы»). Крупные ТЭС в Европе работают на каменном угле. Как бы ни очищали выбросы, но в воздух попадает углекислый газ и какая-то часть окислов фосфора, серы, азота. За выбросы предприятия платят весьма значительные штрафы. Замена минерального топлива продуктами, воспроизводимыми природой, напротив, поощряется, как и всякое производство энергии из природных ресурсов (приливные, ветровые, солнечные и другие подобные электростанции).
Наиболее распространенная технология сжигания угля, это подача в топку в форме пыли с воздухом. Топливо эффективно сгорает в факеле. Чтоб не менять технологию, биотопливо должно поддаваться дроблению. Транспортировку можно удешевить и упростить, если топливо предварительно брикетировать. Так формируются требования к biocoal., т.е. к углю, но биологического происхождения. Этот продукт должен быть из возобновляемого сырья, не содержащего компонентов, порождающих вредные выбросы, а его теплотворная способность не хуже каменных углей (от 17 до 29 кДж/кг). К тому же желательно, чтобы он был удобным для транспортировки и пригодным для размола. Таким образом, под это определение подходит материал из любого растительного сырья, подвергшийся температурному воздействию до любой стадии и брикетированный.
«Торрефикация» (torrefaction) - точный перевод - «обжаривание». Термин этот появился сначала применительно к обжарке кофе, разнообразных орехов, потом его стали применять относительно сушки макаронных изделий при их изготовлении. Относительно недавно этот термин стали применять к мягкому пиролизу древесины. Термическое воздействие на древесину проходит через несколько стадий.
Первая стадия - это сушка. Она, в свою очередь, делится на три периода. В первом периоде, когда влаги в древесине много, скорость диффузии влаги из куска к поверхности могла бы быть и больше, но ограничивается скоростью уноса влаги теплоносителем с поверхности куска. По мере высыхания скорость диффузии внутри куска снижается. Наступает второй период, когда скорость отвода влаги падает в каждый следующий момент. Наконец, вся свободная влага исчезает. Влага, связанная с веществом материала, удаляется все труднее, и в третьем периоде скорость существенно снижается. В зависимости от свойств древесины, особенностей теплоносителя, температуры процесса, границы первого и второго периода могут приходиться на влажность порядка 20-30% относительный, а критическая точка перехода из второго в третий период в районе 6-8% относительный. Как правило, в технологических процессах древесину сушат только до завершения первого периода, а досушка протекает уже совместно со следующими стадиями процесса.
Тут следует оговориться, что существенную роль играет толщина куска. Невозможно достичь одинаковой сушки всех слоев толстого полена. Чем тоньше кусок, тем равномернее меняются его характеристики при прогреве. Это относится и к последующим стадиям термического воздействия на древесину.
Следующая стадия сводится к отщеплению от сложных молекул, составляющих древесину, более термолабильных боковых цепей. Процесс этот был хорошо изучен русскими учеными. Еще в 1926 году в книге «Очерки по химии древесины» Н. И. Никитин описал этот процесс. Подробно и с балансами эта стадия обсуждена в книге В. Н. Козлова «Пиролиз древесины», изданной в 1952 году. Во многих последующих работах рассматривалась прикладная сторона дела. Тогда продукт, образующийся в этой стадии, в советской литературе называли «красным углем». Процесс на этой стадии именовали «мягким пиролизом», «предпиролизом», «форпиролизом». Так что, торрефикация вовсе не новинка. Относительно новым является лишь название, точнее его перенесение на древесину, процесс распада которой «обжаркой» можно назвать с большой натяжкой. Вторая стадия («торрефикация») эндотермическая, т. е. идет с поглощением тепла.
Третья стадия, глубокий термический распад древесины с образованием древесного угля. Эта стадия экзотермична, т.е. выделяется тепло. Далее следует четвертая стадия прокалки угля, уже эндотермичная.
Но вернемся к торрефикации. Диапазон температур, в котором протекает эта стадия, исследователями определяется по-разному. Разнобой можно обнаружить и в последних англоязычных публикациях, посвященных именно торрефикации в ее сегодняшнем понимании. Указываются значения от 160 до 340 °С. Вероятно, следует учесть, что древесина разных пород и разной исходной влажности может достигать требуемых свойств при различной температуре.
К тому же, понятие глубины разложения при торрефикации определено не слишком строго. Возможна большая или меньшая степень отщепления боковых цепей при разных температурах. Много значит время пребывания и толщина куска. Для березовой древесины, по данным В. Н. Козлова, если температура достигнет 260 °С за три часа, выход продукта составит порядка 70%. Указанное время учитывает нагрев, сушку и сам процесс отщепления. Собственно, реакция начинается уже одновременно с последней стадией сушки и занимает очень короткое время при достижении нужной температуры.
Мягкий пиролиз (торрефикация) может легко перейти в стадию углежжения, если превышено время пребывания или температура. После 320-340 °С начинаются процессы экзотермического распада. Тепло поступает непосредственно от самого материала. Температура продолжает расти независимо от регулирования извне. Поэтому управление торрефикацией требует тщательного регулирования температуры и своевременного вывода материала из горячей зоны. Лучше, если этот процесс управляется автоматикой.
Для потенциальных потребителей торрефикация, это разновидность биоугля, о котором мы уже говорили. Торрефикат очень хорош в качестве потенциального топлива для котельных, работающих на каменном угле. Причем привлекателен он исключительно в гранулированном виде, т. к. значительно облегчаются вопросы логистики, хранения. Его достоинства в отношении выбросов важны в условиях давления, оказываемого властями на угольные котельные в ЕС и некоторых других странах.
Вместе с тем, надо признать, что рынок торрефиката еще не сформировался. Потенциальный спрос только предполагается. Создатели версий оборудования для торрефикации в ЕС, Канаде, США усиленно формируют этот спрос через рекламу, публикации, презентации. Я полагаю, со временем им удастся создать спрос, как это уже произошло с пеллетами. Гранулированный торрефикат, как и пеллеты, станет востребованным, если соответствующие власти не изменят политику, поощряющую применение биотоплива.
С одной стороны, забота об экологии должна поддерживать эту политику. Но с другой - в условиях кризиса, затраты стараются уменьшить. В ряде стран такие тенденции уже проявляются. Если прежде поощряющие выплаты следовали даже за заменой части каменного угля биотопливом, то теперь эти выплаты поступают только в случае применения топлива из возобновляемого сырья. Надеюсь, наши инвесторы понимают, что, создавая крупные предприятия для изготовления торрефиката, они становятся заложниками политических решений зарубежных государств. Я убежден, что торрефикат никогда не будет играть существенной роли в энергетике России, всегда будет только экспортным товаром, сбыт которого будет зависеть от колебаний политического и экономического курса в странах-потребителях, а так же от постоянно растущих цен на транспортные услуги.
Проектирование, сооружение и эксплуатация пиролизных установок для углежжения давно освоены. Однако на выбор технологии влияет психологическая установка инвесторов, не знакомых с уровнем развития лесохимии в советские годы и уверенных, что передовые технологии существуют только на Западе.
Смею утверждать, что ни в ЕС, ни за океаном нет еще проверенного промышленного оборудования для торрефикации. Есть не вполне доработанные опытно-промышленные установки. Но делегациям их показывают в те периоды, когда они функционируют и не торопятся информировать о поломках и неурядицах. У людей, не владеющих предметом во всей его полноте, создается впечатление, что они посетили хорошо работающие промышленные объекты.
Юрий Юдкевич - DEREWO.RU (4/2012)
