CC BY
129Труды Инсторфа 10 (63)
29
УДК 662.62:662.81:66.099.2(470.331)
Шахматов К .Л.
Шахматов Кирилл Леонидович, к. т. н., доцент кафедры геологии, переработки торфа и сапропеля Тверского государственного технического университета, 170023, Тверь, Академическая, 12. krl81@list.ru
ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ И ГРАНУЛ БИОМАССЫ ТРОСТНИКА (PHRAGMITES AUSTRALIS) ВЫРАБОТАННОГО ТОРФЯНОГО
месторождения
чувицино
КАЛИНИНСКОГО РАЙОНА ТВЕРСКОЙ ОБЛАСТИ
Аннотация. На территории Тверской области площадь обводненных вторично выработанных торфяников составляет около 10 тыс. га. Это значительные площади, которые на сегодняшний день не используются. В то же время при значительном увлажнении на этих территориях активно произрастает тростник, использование которого возможно в качестве экологически чистого и доступного топлива для нужд малой энергетики. Изучение вопросов получения качественного топлива из тростника будет способствовать появлению подобных предприятий в местах значительного сосредоточения данного ресурса, а использование такого топлива позволит существенно снизить затраты муниципальных образований и частных потребителей на производство тепла.
Ключевые слова: торфяные месторождения, тростник, топливные гранулы, технология производства, биоэнергия, альтернативное топливо.
Skakhmatov K.L.
Shakhmatov Cyril L., Ph.D., assistant professor. Chair of Geology, Peat and Sapropel Processing of the Tver State Technical University. 170023, Tver, Academicheskay, 12. krl81@list.ru
FEATURES OF RECEIVING FUEL BRIQUETTES AND GRANULES OF BIOMASS OF A REED (PHRAGMITES AUSTRALIS) OF
a cutaway PEAT
DEPOSIT IN THE TVER REGION
Abstract. Flooded area of cutaway peatlands in the Tver region is about 10 000 hectares. This is a large area which currently is not used. At the same time at considerable moistening in these territories a reed actively grows which can be used as environmentally friendly fuel for needs of a small-scale power generation. Studying of questions of receiving high-qualitative fuel made of reed will promote of the similar enterprises in places of considerable concentration of this resource. Use of such fuel will allow lowering significantly costs of municipalities and private consumers for production of heat.
Key words: peatlands, reed, wood pellets, production technology, bio-energy, alternative fuel.
30
Труды Инсторфа 10 (63)
В последнее время уделяется все большее внимание вопросам получения альтернативного экологически чистого топлива из возобновляемого природного сырья - биомассы. Вклад биомассы в мировой энергобаланс оценивается в 10-15%, достигая в отдельных странах 23% (Финляндия). Ежегодный прирост биомассы на земле составляет 220 млрд. тонн, что позволяет запасать в виде энергии химических связей до 4*1021 Дж энергии [1].
Валовый потенциал биоэнергетики в России оценивается в 467 млн т у. т./год, что составляет 129 млн т у. т./год технического потенциала или 69 млн т у. т./год экономического потенциала. Среди основных источников российской энергетической биомассы являются органические отходы агропромышленного комплекса, органические отходы лесопромышленного комплекса, сточные воды, торф и т. д.
В экологическом отношении биомасса считается более безопасной, чем ископаемое топливо. При ее сжигании образуется меньшее количество SO2, HS, NOx и др. загрязнителей, чем при сжигании нефтепродуктов и угля. Выбросы диоксида углерода (С02) при сжигании биомассы считаются нейтральными, поскольку он находится в замкнутом цикле, а его количество равно объему С02, выделяемому при естественном разложении биомассы.
Для энергетических целей биомасса используется, в основном, как топливо, замещающее традиционное ископаемое. Здесь речь идет, прежде всего, об отходах лесозаготовительной, деревоперерабатывающей промышленности и остатках, отходах растениеводства. В том числе биомасса тростника, который как влаголюбивое растение представляет особый интерес в тех местах, где он произрастает в значительных объемах и в естественных условиях, поскольку не требует затрат на подготовку площадей, агротехнику, удобрения и т.п. Поэтому биомасса тростника может рассматриваться как реальный теплоэнергетический источник, который может влиять на проблемы экономического, экологического и социального значения.
В данной работе изучалась возможность и технологические особенности получения биотоплива на основе тростника, полученного на выработанном торфяном месторождении Чуви-цино Калининского района Тверской области, которое находится в 35 км на юго-запад от
г. Твери. Параллельно северо-западной границы массива в 5 км проходит шоссе Тверь-Старица. Площадь торфяного месторождения в нулевых границах залежи составляет 424 га, в промышленных границах - 306 га. Детальная разведка месторождения была проведена в 1950-х годах для фрезерной добычи торфа, которая осуществлялась в течение последующих десятилетий. В настоящее время месторождение выработано полностью и зарастает. Преобладает процесс естественного нерегулируемого восстановления болота. Остаточный слой торфа составляет 0-0,7 м. Преобладающим видом в растительном покрове является тростник.
Сырье для производства топливных брикетов было отобрано в апреле 2014 г. В исходном состоянии масса сухого тростника представляла собой длинноволокнистый растительный материал урожая 2013 г. с достаточно жестким и прочным стеблем, что и определяло технологические приемы его измельчения в лабораторных условиях:
• резка стеблей тростника на фрагменты размером 20-30 мм;
• переработка таких фрагментов в шнековом перерабатывающем механизме (рис. 1) с 2-кратной повторностью. В головке шнека устанавливали два режущих ножа с решетками.
Рис. 1. Шнековый диспергатор Fig. 1. Screw extruder
Труды Инсторфа 10 (63)
31
Установка двух режущих ножей позволяла избежать заклинивания механизма за счет намотки волокнистых составляющих тростника.
Полученную дробленку оценивали на влажность и зольность, которые составили 8% и 5% соответственно. Затем сырьевую массу подвергали фракционированию (сепарации) с помощью набора сит с диаметром отверстий 7, 5, 3, 2, 1 мм с целью изучения зависимости качества готовой продукции от характеристик исходного сырья.
Брикетирование - наиболее важная и энергоемкая операция во всем процессе производства гранулированного топлива. Механизм брикетирования и качество готовой продукции в основном зависят от структурно-механических и физико-химических свойств прессуемого материала, а также режима и условий прессования. Прессование осуществляли на лабораторном прессе при различных усилиях прессования от 5 до 40 т (рис. 2).
Рис. 2. Лабораторный пресс Nordberg
Fig. 2. Laboratory press Nordberg
Использован различный матричный инструмент, который позволял получать образцы топлива различной формы и размеров (рис. 3):
• брикет типа «салон» - l*d*h = 72x30x25 мм (рис. 3а);
• гранулы цилиндрические - d - 22 мм, h -16-20 мм (рис. 3б).
Фракционный состав и крупность частиц прессуемого материала существенно вли-
a б
Рис. 3. Матрицы для формования брикета типа «салон» (а) и цилиндрической гранулы (б)
Fig. 3. Matrix for molding briquettes «salon» (a) and cylindrical granule (б)
яют на получение качественных брикетов. Согласно молекулярной теории брикетирования [2], удельная сила между частицами определяется по формуле:
N = ~f№
г
где r - радиус контактирующих частиц; /(тр) - удельная работа отрыва слипшихся частиц в пересчете на 1 см2 контакта плоских поверхностей той же природы.
Отсюда следует, что чем меньше размер частиц прессуемого материала, тем сильнее должны проявляться силы молекулярного взаимодействия между ними. Однако эта зависимость четко проявляется только для упругих материалов, т. к. при прессовании крупных фракций значительная часть работы приходится на хрупкое разрушение частиц.
В рамках работы в качестве основного способа получения топлива из тростника использовался способ фракционного модифицирования, при котором в определенных соотношениях смешивались фракции разных размеров.
В результате при прессовании грубых фракций сушенки тростника (3-5 мм и более) в структуре образцов наблюдалась слабая связность частиц. В брикете после снятия нагрузки (в диапазоне удельных давлений от 570 до 2280 кг/см2) присутствовало упругое расширение, что приводило к образованию трещин, высокой крошимости и, как следствие, низкой прочности. Плотность образцов составила 0,65-1,045 г/см3 (рис. 4).
32
Труды Инсторфа 10 (63)
а б
Рис. 4. Образец брикета из тростника типа «салон» (размер гранул 3-5 мм и более)
Fig. 4. Sample of the reed briquette «salon» (grain size 3-5 mm or more)
Более качественный брикет получали при прессовании фракций с размером частиц 2-3 мм и менее в соотношении 1:1, у которых за счет увеличения числа контактов частиц возросла плотность и снизилась крошимость. При этом следует отметить, что образцы, имеющие плотность более 1 г/см3, имели качественный внешний вид и минимум дефектов (трещин) от упругого расширения (рис. 5).
Рис. 5. Топливная гранула из дробленого тростника
Fig. 5. Pellets of crushed reed
Для получения прочных брикетов влажность прессуемого материала должна соответствовать наличию в нем исключительно химически и адсорбционно связанной воды. Положительное влияние данного факта проявляется в наличии контрактации материала, т. е. в уплотнении без приложения внешней нагрузки.
Прессуемым органическим материалам присуща оптимальная влажность, при которой при прочих равных условиях получаются брикеты наибольшей плотности и механической прочности. Для тростника этот показатель
находится в интервале 8-10% и соответствует влажности тростниковой дробленки в воздушно-сухом состоянии.
Увеличение влажности приводит к снижению теплоты сгорания, увеличению энергозатрат на сушку и резкому снижению физикомеханических характеристик брикетов. Также оптимальная влажность топливных брикетов должна отвечать условиям хранения, т.е. быть равновесной. При влажности брикетов ниже равновесной будет иметь место поглощение влаги из окружающего воздуха до равновесного влагосодержания.
Предел зольности для брикетирования устанавливается с учетом того, что зола является балластным компонентом, понижающим теплоту сгорания топлива, способствует абразивному износу технологического оборудования и при низкой температуре плавления зашлаковывает колосниковые решетки топки. Поэтому данный показатель установлен на уровне <15% и соответствует фактическим данным исследуемого тростника (5%).
Давление прессования призвано обеспечить сближение частиц до контакта между собой и их удержание за счет действия водородных связей, межмолекулярных сил. При сравнительно низких давлениях прессования частицы не сближаются до расстояний, обеспечивающих проявление указанных сил, что в итоге приводит к растрескиванию и повышенной крошимости брикета. Многочисленными исследованиями [2-4] и практическим опытом установлено, что оптимальное давление прессования тростниковой дробленки составляет примерно 100-1500 кгс/см2.
Второй способ модифицирования, использованный в работе, заключался во введении в сушенку жидкого раствора добавки (связующего) в диапазоне 5-16 % по массе.
В качестве связующих добавок использовался жидкий раствор крахмала, а также жидкий раствор лигносульфаната, являющегося широкомасштабным отходом целлюлознобумажной промышленности. В состав тростниковой дробленки в значительном количестве («50%) входят такие вещества, как лигнин и пентозаны, являющиеся высокомолекулярными соединениями, гидрофобные по своей природе. К тому же дополнительная технологическая операция по введению определенного количества и качества связующего будет способствовать усложнению процесса производства топливных брикетов и их удорожанию. При
Труды Инсторфа 10 (63)
33
проведении лабораторных опытов с введением жидкого связующего наблюдался его отжим при прессовании, что существенно снижает эффективность введения данных добавок.
Для тестирования была получена партия продукта, изготовленная из дробленого тростника с размерами фракций менее 3 мм, влажностью 7-8%, без использования связующих материалов при давлении пресса 1700- 1900 кг/см2 (рис. 5). Продукция была проанализирована в лабораторных условиях филиала международной организации SGS в г. Санкт-Петербург. По результатам испытаний был получен сертификат, подтверждающий основные характеристики топливных гранул, в том числе - высшая теплотворная способность продукта при влажности 7% составила от 4100 ккал/кг или 4427 ккал на килограмм сухого вещества.
Следует отметить некоторые особенности производства топливных гранул/брикетов из тростника. Влажность тростника, собираемого после периода вегетации (осенью, зимой), будет составлять около 37-45%. Сушка и измельчение тростника проходят достаточно легко. Основным преимуществом тростника по сравнению с соломой является низкое содержание калия, что обеспечивает относительно высокую температуру плавления золы. По этому показателю материал близок к древесине.
В России при использовании тростника в качестве топлива средняя себестоимость
составит 15-25€, включая стоимость сырья, в зависимости от масштаба производства и стоимости электроэнергии. При производительности оборудования 2 тонны гранул в час этот показатель будет ближе к 25 €.
Таким образом, в работе были исследованы основные технологические операции по производству экологически чистого топлива из сухого тростника и показана возможность получения доступного энергетического продукта на региональном уровне. Это обстоятельство должно способствовать вовлечению в хозяйственный оборот достаточно больших заброшенных площадей выработанных торфяных месторождений и повышению их пожаробезопасности.
Библиографический список
1. Биоэнергетика в России в XXI веке / ФГБУ РЭА Минэнерго РФ, Российское энергетическое агентство. - М., 2012 г. - 37 с.
2. Наумович, В.М. Теоретические основы брикетирования торфа. - Минск, АН БССР, 1960 г. - 196 с.
3. Архангельский, К.Н. Брикетирование древесных опилок. - М., Гослесбумиздат, 1957 г. - 165 с.
4. Суворов В.И., Соловьев Н.Л. Отчет о НИР «Исследование особенностей получения из биомассы тростника прессованного топлива». - Тверь, ТвГТУ 2006 г. - 24 с.
