Отримання твердого палива з використанням перспективних видів біомаси

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний авіаційний університет

Кафедра біотехнології

Реферат

з дисципліни: «Технічна біоенергетика»

на тему: «Отримання твердого палива з використанням перспективних видів біомаси»

Київ 2013

Зміст

1. Виробництво твердого біопалива з деревних відходів

2. Перспективи виробництва пеллет

.1 Технологія виготовлення пиллет

. Виробництво паливних брикетів із соломи

. Вирощування біомаси для синтезу палива

Висновки

Література

.Виробництво твердого біопалива з деревних відходів

Досліджено технологію подрібнення різних деревних відходів, сушіння і пресування деревної маси у тверде біопаливо. Проаналізовано рівень теплотворної здатності деревини, твердого біопалива; подано рекомендації щодо організації їх виробництва на підприємствах лісового комплексу. Використання деревних відходів як сировини для виготовлення екологічно чистого твердого біопалива є актуальним завданням, оскільки вирішує питання отримання додаткової теплової енергії та дає змогу покращити екологічну ситуацію навколишнього середовища. Біопаливо (рідке, тверде) - це паливо з поновлювальних джерел сировини (відходів деревини, відходів сільського господарства і різних рослин).

На підприємствах лісового комплексу удосконалюється процес перероблення деревних відходів без застосування сторонніх в'яжучих речовин на тверде біопаливо (брикети, гранули). Сировиною для виробництва твердого біопалива можуть бути різні деревні відходи як кускові (рейки, обаполи, сучки та ін.), так і м'які (тирса, стружка, деревний пил), а також низькоякісна деревина. При цьому, усі деревні відходи повинні бути однакової консистенції, як за величиною, так і за вологістю. Тому кускові відходи, геометричні розміри яких перебувають у межах: довжина до 6000 мм, ширина до 400 мм, товщина до 100 мм, необхідно подрібнювати і сушити до заданої вологості. Процес їх подрібнення є складним. Відходи розрізняють за величиною і видом (рейки, обаполи, сучки, відрізки частини стовбура, пилопродукції, шпону та ін.), що вимагає різного устаткування. При цьому відходи необхідно переробляти в одну сипучу фракцію, частинки якої повинні мати вигляд і розміри тирси (основної маси). Для цього процесу використовують спеціальні технології підготовки деревної сировини. Крупномірну деревину кряжують, розколюють, подрібнюють і доподрібнюють за допомогою спеціального устаткування. Щільність твердого біопалива досягається за рахунок високого тиску за певної температури пресованої маси, а склеювання - за рахунок лігніну, що знаходиться у клітинах деревини. Лігнін - це аморфний полімер ароматичної природи (поліфенол), складної будови, від світло-жовтого до темно-коричневого кольору (залежить від способу виділення його з деревини). Вміст лігніну у хвойних породах деревини становить 28-34 %, у листяних породах - 17-27 %, у деревній корі - 17-44 %. Для виготовлення твердого біопалива можна використовувати від-ходи всіх деревних порід та сільського господарства (качани кукурудзи, солома, лушпиння соняшнику, гречки, рису та ін.).

Першим важливим чинником у технології виготовлення твердого біопалива є облік деревної сировини, особливо для підприємств, які закуповують сировину (відходи). Для правильного обліку об'ємів відходів існує коефіцієнт повнодеревності (Кп). Нижче наведено величини коефіцієнта для деяких видів відходів, а саме:

? обрізання стовбурів і колод - 0,40

? вершинки стовбурів - 0,30

? суміш обаполів і рейок - 0,46

? шпон-рванина - 0,45

Облік подрібненої деревини (тирса, тріска, подрібнена деревина та ін.) здійснюється згідно з відповідним коефіцієнтом, наприклад: Кп для тирси у разі перевезення до 5 км дорівнює 0,30. Належний облік сировини дає змогу фактично оцінити витрати на виготовлення твердого біопалива.

Другим важливим чинником є величина подрібненої деревної маси. Виробники устаткування (прес-гранулятор, прес для брикетів) подають відомості про пресування деревних частинок розміром до 16 мм, але на підприємствах пресуванню підлягає деревна маса з розміром частинок до 1 мм, тобто тирса. Якщо на підприємстві, окрім тирси, є інші відходи, то до технологічного процесу необхідно долучити операції подрібнення і, за потреби, доподрібнення деревної маси (під час гранулювання).

Зазвичай, подрібнення кускових відходів у деревну масу здійснюють поетапно. На першому етапі виготовляють тріска, яку доподрібнюють у молотковій дробарці, висушують і, за потреби, додатково доподрібнюють. Таке доподрібнення зумовлене тим, що наявні молоткові дробарки не можуть подрібнювати вологу тріску чи утворювати з тріски тирсу. Цей ланцюг операцій значно підвищує собівартість гранул чи брикетів.

Більш перспективним є одноетапне отримання брикетної маси. Це процес, за якого з кускових відходів або привезеної тріски, відразу виробляють деревну масу (переважно тирсу), придатну для пресування. Таку технологічну схему розроблено на навчально-виробничому впроваджувальному підприємстві "Лісотехніка" і використовують на багатьох підприємствах галузі. Третім важливим чинником є наявність вологи у деревних частинках. На підприємствах лісового комплексу сировина переважно має вологість, більшу за 30 %, а для отримання твердого біопалива деревні частинки повинні мати вологість не більше 16 % під час гранулювання і не більше 10-12 % - під час виробництва брикетів, тому сировину необхідно просушити. Спеціальних сушарок для тирси у деревообробній промисловості не існує, а використовують модифіковані пристрої з інших виробництв.

Застосовують два типи сушарок: барабанні і конвеєрні. Як тепловіагенти використовують топкові гази, нагріте повітря або пару. Для отримання агента сушки ефективним є спалювання подрібненої деревини природної вологості в спеціальних топкових пристроях, що забезпечують температуру на виході близько 10000°С.

Подачу агента в сушильний агрегат здійснюють за принципом прямопоточності (рух деревних частинок збігається з напрямом руху агента сушки). Останнім часом з'явилися й інші розроблення, а саме: створення сушарок з протипоточною подачею агента сушки (деревні частинки рухаються назустріч руху агента сушки). Під час пересування величину агента сушки його подачу і температуру можуть регулювати. Для отримання однієї тонни сухої подрібненої біомаси необхідно витратити близько 400-500 кВт електроенергії, при цьому потрібно спалити близько 200 кг подрібненої деревної маси природної вологості. У виборі устаткування варто враховувати витрати електроенергії на виробництво твердого палива, наприклад: середні витрати електроенергії на виготовлення однієї тонни брикетів становлять 60-80 кВт, а на одну тонну гранул - 90-110 кВт.

Технологічний процес пресування займає близько 20 % від усіх затрат. В економічній оцінці виробництва варто враховувати витрати на підготовку деревної сировини і наявність власних деревних відходів. Для виготовлення гранул використовують пресове устаткування з плоскою матрицею (дискового типу) і циліндричною. Суть процесу гранулювання полягає в продавлюванні спеціальними роликами подрібненої деревної маси через отвори обертальної матриці. Отвори бувають різного діаметра: від 6 до 12 мм, довжина і форма якого залежить від виду пресованої маси.

Брикети виготовляють на штемпельних і шнекових пресах. У штемпельних пресах відбувається поштучне виготовлення брикетів (величина брикету залежить від дозованої подачі деревної маси в зону пресування). У шнекових пресах процес є неперервним (відбувається витискування деревної маси через канал певної форми, шнек, зазвичай, конусоподібної форми з кутом конуса 6-80). Брикет має внутрішній наскрізний отвір, наявність якого позитивно впливає на процес горіння.

Для оцінювання організації нового виробництва необхідно орієнтуватися на технічні вимоги, що пред'являються покупцем готової продукції (брикетів, гранул). Чинні європейські стандарти на гранули (DIN, SS, O-Norm M і ін.) не дають змоги використовувати як сировину всі деревні відходи. Наприклад, стандарти обмежують вміст у деревній масі кори до 0,5-1,5 %.

Стосовно такої важливої характеристики твердого біопалива, як його теплотворна здатність, існує твердження, що для гранул і брикетів цей показник значно вищий, ніж для деревини (теплотворність пресованого палива становить 4000-5000 ккал/кг, а деревини - 2350 ккал/кг).

Таке твердження не має фізичної суті, оскільки з одного кілограма деревини або деревних матеріалів з одним значенням вологості, у т.ч. і пресованих виробів (гранули, брикети), можна отримати однакову кількість тепла. У випадку, якщо величину теплотворної здатності виразити в ккал/м3 тоді різниця кількості тепла має місце і теплотворність брикетів становитиме приблизно 52160?102 ккал/м3, а теплотворність деревини - 21733?102 ккал/м3. Суть різниці полягає в щільності матеріалів; щільність деревини, наприклад, сосни становить 500 кг/м3, а щільність брикетів з цієї деревини - 1200кг/м3.

У виборі технології перероблення деревних відходів на тверде біопаливо доцільно керуватися пропозиціями фірми-постачальника пресового устаткування і аналізом та рекомендаціями фахівців. Отримати технічну інформацію від підприємств, які виготовляють тверде біопаливо, практично неможливо (комерційна таємниця). Тому підприємства-виробники продукції пропонують укладати договори на пуско-налагоджувальні роботи, у яких передбачено технічну інформацію щодо запуску, налагоджування, експлуатації, режимів роботи устаткування тощо.

Для ефективної співпраці між виробником і замовником цього устаткування стає необхідним створення науково-виробничо-впроваджувального центру (НВВЦ). Залежно від специфіки виробництва НВВЦ може розробляти: проектно-кошторисну документацію на виробництво твердого біопалива; рекомендації щодо підбору устаткування, техніко-економічне обґрунтування; технологію виробничого процесу. Центр надаватиме послуги щодо розроблення стандартів на продукцію, що виготовляється, і погоджувати їх з Держстандартом. Окрім цього, фахівці центру можуть надати технічну допомогу в пуско-налагоджувальних роботах та навчанні операторів. У цьому напрямку працює науково-виробничо-впроваджувальне підприємство (НВВП) "Лістехніка".

.Перспективи виробництва пеллет

Наразі випуск екологічно чистого гранульованого палива - пеллет, виробництво і використання якого в Україні та світі зросло за останні роки в рази - може здійснюватись на обладнанні вітчизняного виробництва.

Підприємством з Сумської області у співпраці з Російськими та Західними партнерами налагоджений випуск ліній з виробництва екологічно чистого палива. Лінії призначені для переробки тирси та відходів АПК в гранульоване біопаливо - пеллети.

Обладнання для виробництва пеллет, виготовлене компанією Прокопенко Є.М. ФОП відповідає нормативам Євросоюзу і значно дешевше аналогів, що поставляються зарубіжними виробниками. Наприклад в Європі ціна ліній з виробництва пеллет становить від 450 тисяч до 1.2 млн. євро за комплект устаткування, залежно від потужностей виробництва, рівня автоматизації процесів і статусу фірми-виробника.

Ціна на обладнання для виробництва пелет українського підприємства Прокопенко Є.М. ФОП дозволяє придбати лінію для виробництва пеллет в рази вигідніше ніж замовляти аналогічне обладнання за кордоном. До того ж виробник крім поставки всіх вузлів і агрегатів здійснює монтаж та налагодження устаткування, консультує по всіх питаннях щодо виробництва пеллет і забезпечує комплексне обслуговування ліній з виробництва гранульованого палива, поставку запчастин і сировини для виробництва. Іншими словами здає бізнес з виробництва пеллет "під ключ"!

В Україні для виробництва пеллет найчастіше використовують лушпиння соняшника, яке раніше просто спалювалася у великих кількостях на підприємствах з виробництва соняшникової олії, а також солому, яку раніше також палили на підприємствах хлібної галузі.

Закупівля обладнання з виробництва пеллет хоча і не дешево обходиться, але ЄС і США вже давно визнали доцільність таких вкладень. Крім того наявність у нашій країні великої сировинної бази робить питання організації виробництва паливних пеллет ще більш привабливим, до того ж в Європі серйозно розраховують на збільшення поставок пеллет з України. До речі в 2010 році Україна своїм експортом паливних гранул забезпечила 10% від загального числа використаних в Європі пеллет. А до 2020 року в Євросоюзі очікується збільшення споживання гранульованого біопалива в 10 разів.

.1 Технологія виготовлення пиллет

Сучасне обладнання для виробництва пеллет має різну продуктивність і потужність, однак незалежно від використовуваних ліній технологічний процес виробництва паливних гранул можна представити у вигляді ряду послідовних етапів [4]:

. Прийом сировини

. Подрібнення сировини

. Сушка подрібненої сировини

. Гранулювання

. Охолодження

. Фасування.

Технологічний процес виробництва пеллет зображено на рис.1.

Процес виробництва пеллет починають із поділу відходів на дві групи: на дрібні і кускові відходи. Тут слід виділити ще одну групу - відходи з корою, тому що вони використовуються для виробництва пеллет нижчої якості [4].

Ділянка прийому сировини призначена для розміщення на ній сировини таким чином, щоб забезпечити її своєчасну і безперешкодну подачу для подальшої переробки.

Дана ділянка може бути автоматизованою і механізованою. Автоматизована ділянка складається з приймального бункера і транспортерів для подачі сировини у дробарку.

Використання механізованої ділянки передбачає наявність оператора, який повинен переміщати подаючий пристрій до місця знаходження вихідної сировини.

Кускові відходи подрібнюють за допомогою дробильних установок до розмірів, які менші 25×25×2 мм. Це дає змогу швидко і якісно висушити сировину і підготувати її до подальшого подрібнення на частинки потрібних розмірів.

Використовуються молоткові подрібнювачі з решетами або без них. На дільницю гранулювання має надходити сировина потрібної вологості і фракції, тому після сушіння сировини розміром менше ніж 25×25×2 мм проводять другий етап - сировину подрібнюють на частинки, розмір яких менший 4 мм. Завдяки двом етапам можна отримати більш однорідну сировину і зменшити сумарні витрати електроенергії.

Для отримання пеллет високої якості потрібно використовувати сировину, вологість якої 8-12%. Відходи із вологістю більше 15% погано пресуються, особливо пресами з круглою матрицею.

Подрібнена деревинна тирса подається в сушильний барабан. Відбір зайвої вологи здійснюється гарячим повітрям, виробленим теплогенератором. Температура агента сушки на вході в сушильний барабан близько 400С°, на виході - близько 100С°.

Прес для гранулювання - серце усього виробництва пеллет, від роботи якого залежить усе виробництво. Обладнання має гранулятор, укомплектований змішувачами і дозатором.

У грануляторі подрібнена сировина продавлюється в радіальні отвори матриці, що призводить до формування гранул [4].

Гранули, що виходять з-під преса, мають високу температуру і неміцні, тому вони транспортуються норією в охолоджувальну колонку, в якій відбувається їх охолодження. У процесі охолодження вологість гранул зменшується, в них відбуваються фізико-хімічні зміни. У результаті гранули набувають необхідну твердість, вологість і температуру. Готові гранули подаються транспортером безпосередньо в бункер готової продукції.

Пеллети транспортують:

насипом;

в мішках по 10-20 кг;

в мішках „биґ-беґ.

Насипом транспортують технологічні гранули рідше - гранули високої якості. Упаковка в мішки по 10-20 кг є доволі зручною і призначена для пересічних споживачів. Транспортують такі мішки на піддонах. Вміст одного піддона - 1 тонна. Мішки „биґ-беґ призначені для промислового транспортування сипких речовин. Один такий мішок містить 1-1,5 тонни пеллет. Вони використовуються для спрощення перевезення і збереження вологості. Заповнені мішки транспортуються на склад готової продукції навантажувачем або гідравлічної візком.

Типова схема заводу для виробництва пеллет наведена на рис. 2

- склад сировини; 2 - сепаратор; 3 - молотковий млин; 4 - пневмотранспорт; 5 - бункер-накопичувач прес-гранулятору; 6 - прес-гранулятор; 7 - транспортер; 8 - колона-охолоджувач; 9 - вібросито; 10 - лінія пакування; 11 - мішки типу «біґ-беґ».

Котли для спалювання пеллет виготовляють різної потужності. За потужністю їх поділяють на:

котли малої потужності;

котли середньої потужності;

котли великої потужності. Котли малої потужності (до 100 кВт) використовують для обігріву невеликих приміщень. Вони можуть працювати в автоматичному режимі, тільки потрібно регулярно поповнювати запаси пеллет у бункері. Зола з часом зашлаковує пальник котла, що призводить до зменшення потужності, а з часом і до припинення процесу горіння. Інтервал між зупинками котла для проведення чищення залежить від зольності пеллет. Чим більша зольність пеллет, тим менший інтервал між зупинками роботи котла.

У конструкції котлів середньої потужності передбачена система видалення золи і шлаку без їхньої зупинки. Потужність таких котлів може бути від декількох сотень кіловат до декількох мегават.

Котли великої потужності (десятки і сотні мегават) використовуються для промислових котелень. Останнім часом у Німеччині такі котли почали встановлювати на теплоелектростанціях. Але для отримання великої потужності пеллети перемішують із вугіллям. Вимоги до таких пеллет менші - в них допустимою є підвищена зольність і великий процент кори. Такі деревні гранули отримали назву „технологічних [4]. Використання пеллет на таких потужних установках призводить до зменшення забруднення навколишнього середовища.В окрему групу слід виділити комбіновані котли. Вони можуть працювати як на пеллетах, так і на іншому виді палива, причому, перехід з одного виду на інший відбувається автоматично. Потужність таких котлів може досягати 50 МВт. Можливі такі варіанти комбінацій: пеллети-газ, пеллети-дизпаливо, пеллети-кускова деревина.

Прикладом котлів для опалення пеллетами є водогрійні котли камінного виду «DENAU» (табл.2). Їх використовують для опалення житла або автономних офісів площею від 70 до 300 м2.

Застосування твердого палива забезпечить енергетичну стабільність України, низьку вартість паливної складової, вирішення проблеми утилізації відходів природного походження, автономністю та незалежністю від мережі. Вартість твердого палива, для прикладу пеллет, у перерахунку на одиницю енергії (ГДж) менше вартості природного газу в 2,3-2,6 рази. А при використанні обладнання українського виробництва, строки окупності становитимуть 10-12 років.

Таким чином, при проведені аналізу по енергетичній цінності, економії грошових коштів, мінімальним залишкам при спалюванні та утилізації відходів природного походження,можна зробити висновок, що використання деревних пеллет як паливного матеріалу є шляхом до енергозбереження в Україні.

Пеллети можуть зберігатися в безпосередній близькості від житлових приміщень (підвальні або підсобні приміщення), оскільки цей матеріал біологічно неактивний, так як пройшов термічну обробку. При спалюванні паливних брикетів забруднення навколишнього середовища мінімальне. Пеллети не схильні до самозаймання, а тому пожежобезпечні.

Поряд з екологічними перевагами застосування пеллет має і економічні. Одна з яких це стабільна ціна, яка не залежить від стрибків цін на викопні види палива і від зростання екологічних податків.

3.Виробництво паливних брикетів із соломи

біопаливо пиллети брикет паливний

Останнім часом при обговоренні теми виробництва паливних брикетів все більший інтерес викликає використання в якості сировини відходів рослинництва і, перш за все, соломи.

Як сказано в енциклопедії, солома - «Стебла і листя хлібних злаків, бобових, гречки, та ін с / г рослин після обмолачіванія». Таким чином, говорячи про соломі, ми маємо на увазі не тільки пшеничну солому, але і всі види відходів рослинництва такого роду. Такі відходи виникають щорічно у великих обсягах і використовуються вкрай обмежено і нераціонально. У тій же енциклопедії в якості напрямків використання соломи вказані.- «Підстилка, грубий корм, покрівельний матеріал, сировина для саманного цегли, ізоляційних плит, матів, капелюхів, і т. п.». При цьому, як ми розуміємо, тут мова йде звичайно, перш за все про зерновий соломі.

На практиці, найчастіше, попередньо подрібнена солома просто заорюють.

В процесі обговорення актуальної тематики виробництва біопалива (шляхом переробки рапсового насіння, кукурудзи, зерна і т. п.). Мова йде про зерно, використання якого в технічних цілях, в умовах дефіциту продовольства, на мій погляд, викликає досить багато питань і не у всіх випадках може бути виправданим.

Інша справа переробка паралельно виникають відходів. При цьому проводиться високоефективне тверде паливо, яке, до речі, в зонах культивування польових культур найчастіше є вельми дефіцитним.

Як джерело сировини для пресування паливних <#"justify">Таблиця 1.