Что такое биотопливо, в самом широком понятии? Во первых - это топливо, то есть полезную энергию оно дает в результате процесса горения - реакции с атмосферным кислородом на высоких температурах.
А во вторых - био. Это значит, что оно встраивается в естественные биологические процессы, не нарушая сколь ни будь серьезно их.
Как все выглядит без участия человека? Растет дерево, или трава, или водоросль - из углекислого газа и воды, используя энергию солнечного света, формирует биомассу - ствол дерева, листья, травинки, корни, побеги и прочее. Затем эта биомасса с привлечением микроорганизмов разлагается (гниет) превращаясь снова в углекислый газ и воду, выделяя тепло. То есть идет процесс окисления органики - "медленное горение". Полезное тепло от этого "медленного горения" мы иногда используем - например, грядки в парнике с компостным подогревом. Но чаще всего этого тепла не замечаем по причине малой интенсивности как по времени так и по площади.
Изымая биомассу и сжигая ее, человек практически не нарушает сложившийся круговорот углерода в природе и кислородно - углекислотный баланс в атмосфере.
Биотопливо бывает: Газообразное - биогаз, генераторный газ, пиролизный газ; Жидкое - биоэтанол, биодизель; Твердое - брикеты, гранулы, дрова, щепа и многое другое.
Вот про твердое биотопливо мы далее и будем говорить. А если точнее - про биотопливо достаточно большой степени переработки - брикеты, гранулы, древесный уголь в различных видах, а так же различные торрифицированные продукты.
Легкое отступление. Процесс усвоения информации человеком - достаточно медленный и последовательный. Поэтому подача информации должна быть постепенная, от простого к сложному. В этой статье озвучим основную базовую характеристику твердого биотоплива как с точки зрения его производства, так и хранения и использования.
Виды твердого биотоплива — гранулы, брикеты РУФ, брикеты «нельсон», брикет пини-кей.
Все перечисленное биотопливо производится из подготовленного сырья - высушенной и раздробленной древесины - что то похожее на сухие однородные опилки. В составе всей линии непосредственно прессование занимает малую часть площади, меньше 1/10, потребляет примерно половину( 1/2) всей потребляемой электроэнергии и по стоимости оборудования может "весить" от четверти до половины всей линии. Далее в этой части из оборудования рассматриваем только пресса.
Брикет РУФ
Особенности производства брикета:
Температуры прессования — низкие, меньше 100 градусов. Можно сказать, что брикет формуется "на холодно". Хотя на выходе он чуть теплый на ощупь (в процессе сжатия до 700 кг/см2 несколько нагревается за счет трения), но на процессы формования это никак не сказывается.
Внутренние деформации сдвига и перемешивание - низкие. Дозированная порция сырья сжимается в замкнутом объеме, образованном матрицей и упорной плитой, пуансоном - почти равномерное трехосное сжатие.
Как "склеивается" — механически и Ван-дер-ваальсовские силы. Пример механического сцепления - войлок или травинки в пучке сена. Только в брикете все сжато гораздо сильнее. Ван-дер-ваальсовские силы - силы межмолекулярного притяжения. Капля воды на стекле, лапка геккона на гладкой поверхности, муха на потолке - примеры этих сил.
Породы древесины из которых производится - любые разумные. Это связано с предыдущим пунктом - за счет чего брикет держит форму.
Сложность оборудования — пресса — сложный. Серьезная гидравлика, большие усилия и мощные силовые элементы, датчики, обратная связь, контроллер управления - пожалуй, самый сложный из всех прессов для биотоплива.
Особенности работы пресса — полный автомат. Как ни удивительно, несмотря на сложность - пресс работает сам. Главное, что бы было сырье в приемном бункере (а если закончится, то пресс просто остановится), более менее подходящей влажности и фракции.
Настройка и запуск - простая. Все сложности остаются на заводе изготовителе. Для пользователя пресс немного сложнее стиральной или посудомоечной машины.
Квалификация персонала, обслуживающего пресс — низкая. Это минимальная потребная. Вытекает из вышеизложенных пунктов. Грамотный оператор, конечно, гораздо лучше - пресс проработает долго, производительно и без поломок.
Полученный брикет, его особенности:
Прочность — низкая. Не то, что бы совсем низкая, но в сравнении с другими видами биотоплива.
Объемная плотность в упаковке — высокая. Близко к 1000 кг/м3. Поскольку прямоугольные брикеты укладываются в пачке почти без пустот, а пачки, в свою очередь, в паллету на поддоне то же без пустот.
Гигроскопичность — высокая, требует упаковки. Это связано с "холодным" прессованием, древесина не претерпевает каких либо изменений.
Особенности горения — короткое пламя, рассыпается.
Уголь из брикета — не получается. Но то, что бы совсем, а уголь кусочком - только крошка и пыль, как из опилок.
Брикет Нельсон (ударно-штемпельный)
Температуры прессования — средние, 100-150 градусов. Пресс, посредством кривошипного механизма совершает удары пуансоном по сырью, продавливая его через фильеру сложной цилиндро-коническо-цилиндрической формы. При деформации и за счет трения о поверхность фильеры сырье разогревается.
Внутренние деформации сдвига и перемешивание - средние. Объемно деформированное состояние - среднее между двухосным сжатием (при котором проявляется одноосное растяжение) и трехосным сжатием. При этом наблюдается скольжение отдельных слоев сырья относительно друг друга.
Как "склеивается" - как РУФ (частично) плюс частичная полимеризация лигнина. Про лигнин и его размягчение, полимеризацию/стеклование поговорим в одной из следующих частей.
Породы древесины — не все одинаково хорошо прессуются, нужно подбирать режим на соответствие породе, фильеру, её степень сжатия и угол конусности, скорость подачи и прочее.
Сложность оборудования — пресса — средне-простой. Мощный электродвигатель, массивный маховик, кривошип, направляющие, качественный металл на исполнительных элементах, хорошая термообработка.
Особенность работы пресса — настройка и разогрев, контроль работы. При каких либо отклонениях - брикет идет не качественный или перегрузка и останов.
Настройка и запуск - средние по сложности.
Квалификация персонала, обслуживающего пресс — средняя. Здесь уже оператор одновременно и технолог, в больше или меньшей степени, все другие системы (участок сушки, участок дробления и додрабливания) подстраиваются под пресс.
Полученный брикет:
Прочность — средняя
Объемная плотность в упаковке — средняя или низкая - брикет, как правило, круглый в сечении, иногда с отверстием.
Гигроскопичность — средне-высокая. Процесс стеклования лигнина проходит частично, только в самых горячих местах.
Особенности горения — короткое пламя, рассыпается меньше чем РУФ.
Уголь из брикета — не получается - так же как из РУФа.
Древесные гранулы
Температуры прессования — средние, 100-150 градусов, иногда до термомодификации — 160-180.
Внутренние деформации сдвига и перемешивание - средние. Выше, чем у брикетов Нельсон - сырье в процессе продавливания через фильеры проходит стадию "накатывания коржа" где дополнительно деформируется.
Как "склеивается" - как РУФ плюс частичная полимеризация лигнина, полимеризация сильнее чем у Нельсон
Породы древесины— не все, нужно подбирать режим на соответствие породе, правильную матрицу, роллеры. Иногда, для некоторых пород (типа осины) приходится добавлять немного связующего (крахмал).
Сложность оборудования — пресса — средняя. Но обязательны в комплекте охладитель и сепаратор, плюс сопутствующие системы, что усложняет участок гранулирования.
Особенность работы пресса — настройка и разогрев, контроль работы, степень приработки и выработки матрицы.
Настройка и запуск - средне-сложная.
Квалификация персонала, обслуживающего пресс — высокая. Помимо знаний технологии и умений работы с оборудованием, необходимо некое "чутье", которое приходит только с опытом, если тот ложится на хорошую "базу".
Полученная гранула:
Прочность — средняя, может быть высокая - зависит от степени перегрузки пресса.
Объемная плотность в упаковке — средняя - примерно 650 кг/м3.
Гигроскопичность — средне-высокая до средне-низкой - зависит от степени стеклования лигнина, а она от перегрузки пресса.
Особенности горения — короткое пламя, рассыпается меньше чем руф. Но сравнение с другими видами условно, ввиду меньших, на порядок, размеров.
Уголь из гранулы — не получается, как и из предыдущих.
Брикет пини-кей
Температуры прессования — высокие, больше 150 (иногда за 200) градусов. Высокое внутреннее трение, плюс подогрев фильеры.
Внутренние деформации сдвига и перемешивание - высокие. Пресс шнековый (как очень мощная мясорубка) и сырье между витками многократно переминается, сдавливается, деформируется по всем направлениям.
Как склеивается — механически (малая составляющая), но в основном полимеризация лигнина (иногда полная, до гидрофобности).
Породы древесины, из которых производится — подбор сырья и режимов, сложный.
Сложность оборудования — пресса — простой. Электродвигатель, муфта шнек, фильера. Но в простоте и сложность - небольшое отклонение в геометрии шнека и фильеры - и все, брикет не идет.
Особенности работы пресса — шнек, фильера, зазоры, разогрев фильеры, влажность, фракция и т.д. Можно остановить вечером, а утром на том же сырье уже не запустить.
Настройка и запуск — очень сложная. Почти на уровне "шаманства".
Квалификация персонала, обслуживающего пресс — высокая. И квалификация приобретается только длительным опытом работы.
Полученный брикет:
прочность — высокая
Объемная плотность в упаковке — средняя, средне-высокая. Поперечное сечение брикета - почти квадрат, отсюда и плотность.
Гигроскопичность — средняя, низкая, иногда гидрофобны.
Особенности горения — короткое пламя, обугливается, долго горят угли.
Уголь из брикета — великолепный. Потому иногда применяют такое прессование как первую ступень получения качественного угля из древесины малой плотности.
Часть 2. Стоит ли заниматься производством биотоплива?
