В данной статье исследуются экологические характеристики биотоплива, получаемого с использованием различных технологий, включая: традиционную земляную печь; кольцевую металлическую печь, Миссурскую печь и Миссурскую печь с рециркуляцией газа.
Медленный пиролиз используется с доиндустриальных времен для преобразования лигноцеллюлозной биомассы в древесный уголь (биоуголь), возобновляемое твердое топливо с улучшенными теплотворными способностями и свойствами топлива за счет снижения содержания воды и кислорода, меньшей летучей фракции и большей концентрации элементарного и постоянного углерода).
Биоуголь может использоваться в качестве топлива для замещения сырьевой биомассы или минеральных углей для производства тепла и электроэнергии. Кроме того, он может применяться в качестве кондиционера почвы, адсорбента для очистки воды, восстановителя в металлургии, производства углеродных электродов и медицинской детоксикации.
Большинство исследований основаны на неполных и/или устаревших данных инвентаризации выбросов в атмосферу, которые не позволяют в полной мере оценить экологическую значимость процесса карбонизации.
Другой ключевой вопрос, недостаточно освещенный в научной литературе, касается применения современных технологий карбонизации и борьбы с загрязнением, которые могут улучшить экологические показатели за счет повышения выхода углерода и сокращения выбросов в атмосферу.
В зависимости от наличия капитала, стоимости рабочей силы, планируемого объема производства, требований к качеству и ограничений экологического контроля, биоуголь может производиться с использованием широкого диапазона конфигураций установок, масштабов и технологий карбонизации.
Испания, в настоящее время, является одним из основных производителей и экспортеров в Европейском союзе (ЕС), где большая часть биотоплива производится с использованием традиционных недорогих серийных технологий, таких как земляные печи, кольцевые металлические печи и печи типа Миссури.
В связи со снижением рентабельности, технологии непрерывной эксплуатации с более высокими капитальными вложениями, такие как печи с несколькими подами и реакторы с кипящим слоем, экономически жизнеспособны только в крупномасштабных проектах или производстве продукции с более высокой добавленной стоимостью, такой как активированный уголь.
Три технологии, наиболее часто используемые в Испании для производства биоугля:
- Традиционные земляные печи - самый дешевый вариант с точки зрения капитальных затрат. Эти печи, как правило, имеют мощность от 5 до 10 м3 , в зависимости от цели их эксплуатации (муниципальное или промышленное производство). Древесина штабелируется и покрывается герметичным слоем земли, состоящим из ряда воздухозаборников в основании и отверстия сверху (около 20 см Ø) для контроля циркуляции воздуха и удаления выхлопных газов. Недостатками этой технологии являются высокая трудоемкость, длительные сроки переработки (12-15 дней, в том числе 2-3 дня на обезвоживание, 6-7 дней на карбонизацию и 3-4 дня на охлаждение), ограниченная производительность одной партии, ограниченный выход продукции (15-20 % сухого вещества) и низкая однородность конечного продукта.
- Более современной концепцией в производстве биоугля является технология стальных колец. Эти печи состоят из двух взаимосвязанных металлических колец (обычно 200-230 см Ø и 75-90 см высотой каждое), сложенных друг на друга конической крышкой для объемной емкости обычно от 5 до 8 м 3 . Для облегчения рассеивания дыма печи оснащены воздухозаборниками соединенными с вертикальными трубами. Благодаря улучшенному контролю температуры и меньшим потерям тепла, данная технология обеспечивает более высокий выход угля (20-25% массы) и сокращение времени обработки (8-10 дней).
- Печи типа Миссури представляют собой постоянные конструкции, аналогичные по концепции каточным печам, но большие по объему, для промышленного производства древесного угля. Печь построена из бетона и армированной стали. Воздухозаборные отверстия в основании печи используются для управления фазой горения, а воздухозаборные отверстия, соединенные с дымовыми трубами, - для выпуска летучих продуктов. В южных районах Испании (Эстремадура) эти печи обычно предназначены для загрузки биомассы одного или двух 24-тонных прицепов (35-75 м3). Выход древесного угля аналогичен показателям, полученным в сталеплавильных печах, а время обработки ниже (7-8 дней), что позволяет увеличить пропускную способность.
В целях экономии на использовании оборудования и рабочей силы, Миссури и кольцевые стальные печи могут работать как батареи (от двух до шести и более).
Эта стратегия также позволяет использовать системы рециркуляции газа, обычно состоящие из центрального дымохода и дожигателя, подающего газ в общую дымоходную трубу. Тепловая энергия, вырабатываемая в дожиговой печи на пиролитической стадии одной группы печей, может быть использована другими печами для удовлетворения потребностей в энергии на стадии обезвоживания.
Кроме того, системы конденсации могут использоваться для разделения компонентов с низкой температурой кипения, что позволяет снизить выбросы газа и получить пиролитическое масло, потенциально пригодное для использования в качестве альтернативного топлива.
Экологические характеристики древесного угля в значительной степени зависят от характеристик технологии, используемой в его производстве. Воздействие на изменение климата варьировалось от 4714 кг СО2/тонну в земляных насыпях до 2773 кг СО2/тонну в печи Миссури, оборудованной конденсатором и технологией постгорания.
Это связано, прежде всего, с увеличением выхода продукции, повышением теплового КПД (что приводит к снижению объемов сжигания сырья) и устранением летучих загрязняющих веществ на стадии конденсации и после сжигания. Нормализованные результаты свидетельствуют о том, что категориями воздействия, наиболее сильно затронутыми системой древесного угля, являются местные категории (фотохимическое образование окислителей, токсичность человека и экотоксичность суши) и глобальные категории, такие как изменение климата.