Биотехнология

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 нефтяного  кризиса 1970-х гг. Современный биотопливный рынок начал формироваться в  последнее десятилетие. Его развитие обуславливают следующие факторы:

- 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 лесопильного производства: опилки, стружка, древесная  мука, щепа, древесная пыль и т.д. Гранулы используются в котлах для  получения тепловой и электрической  энергии путем сжигания.

 

 

 

 

 

 

 

 

Преимуществом использования  древесных гранул перед другими видами топлива является:

- снижение вредных выбросов  в атмосферу: древесное биотопливо  признано СО2 – нейтральным, т.е.  при его сжигании количество  выделяемого углекислого газа  в атмосферу не превышает объем  выбросов, который бы образовался  путем естественного разложения древесины.

-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-разгрузочных работ, а также позволяют сохранять  постоянную требуемую влажность  ДТГ при открытом складировании. Цена ДТГ в биг-бэгах выше, чем  при доставке насыпью.

• 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 гранулирования, но более простая.

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 механические характеристики брикетов (следует учитывать, что для некоторых видов сырья  верхним пределом влажности является 6-8%). Критической называется влажность, при которой возможно образование брикетов, но в нем появляются трещины — таким образом, брикет товарного вида не имеет. Критическая влажность находится в пределах 10-15 %. При более высокой влажности полученный брикет будет «разорван» внутренним давлением влаги, возникающем при сжатии измельченной массы.

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.