Стандартизация топливной массы - основа развития рынка биотоплива

Три стадии признания научной истины: первая − это абсурд, вторая − в этом что-то есть, третья − это общеизвестно…
Эрнест Резерфорд

В статье обоснована необходимость стандартизации в России твердых видов топлива на основе биомассы, а также рассмотрены их основные теплотехнические и энергетические характеристики, оборудование и методы силового и энергетического использования подобного биотоплива.

Рисунки смотрите в PDF-версии журнала

Всемерное развитие добычи и использования местных возобновляемых видов топлива на основе биомассы − залог устойчивого развития энергетики и залог процветания государства. Выявление любых дополнительных источников местных твердых видов топлива на основе биомассы, составление их баланса и разработка методов их энергетического и силового использования приобретают сегодня особенно важное значение для развития экономики нашего государства. Причина невостребованности биотоплива в России объясняется, с одной стороны, сравнительной обеспеченностью энергетики более распространенными видами топлива, такими как каменный уголь, топливо нефтяного происхождения и других, а с другой − отсутствием соответствующего государственного регулирования рынка традиционных ископаемых видов топлива.

Проблема биотоплива сегодня становится одной из крупных международных проблем, а вопросы стандартизации и сертификации в этой области не только чрезвычайно важны, но и являются одними из основополагающих при международной торговле биотопливом. Таким образом, особую актуальность приобретают воп­росы стандартизации и сертификации твердых видов топлива на основе биомассы в России как необходимый этап зарождения и развития внутреннего рынка биотоплива.

Постановка проблемы

Рис. 1. Древесные топливные гранулы

Под термином «биомасса» обычно подразумеваются углеродосодержащие органические вещества растительного или животного происхождения − древесина, растительные остатки сельскохозяйственного производства, навоз и т. д. Часто к понятию биомассы относят и органическую часть твердых городских отходов. Сегодня биомасса является четвертым по значению видом топлива в мире, покрывая 1250 млн тонн условного топлива (у. т.), что составляет около 15% общего объема первичных энергоносителей в мире и до 45% энергоносителей в развивающихся странах. В соответствии с прогнозом Мирового энергетического совета доля биомассы к 2020 году составит от 350 до 800 млн тонн у. т., или 42–46% от общего объема ископаемого топлива в 2020 году. При этом планируется, что 30% биомассы будут использованы для производства тепла в виде твердого топлива, 12,5% − для совместного сжигания биомассы и угля, 32% − для комбинированной выработки тепла и электроэнергии. Оставшиеся 25,5% биомассы, выращенной на энергетических плантациях, предполагается использовать для производства жидких и твердых моторных видов топлива. Это свидетельствует о формировании мощного мирового рынка топливной биомассы (ТБ), который представлен преимущественно биомассой древесного типа (~ 75%), травянистого типа (~ 10%) и торфом (~ 15%). Все эти виды биотоплива рассматриваются как возобновляемые, а образующийся при их сжигании углекислый газ по международным соглашениям не считается парниковым. Важно отметить, что торф, хоть его условно и относят к медленно возобновляемым видам топлива биологического происхождения, не является СО-нейтральным топливом. Возникающий при его сжигании углекислый газ считают парниковым.

Достоверные статистические данные о точном количестве различных видов биомассы и их использовании в России отсутствуют. Данные различных экспертных оценок относительно количества биомассы, доступной для получения энергии в РФ, колеблются в пределах 400–800 млн тонн у. т. / год, что создает хорошие предпосылки для занятия Россией лидирующей позиции на мировом рынке ТБ.

Придание биомассе статуса стандартизированного энергоносителя создаст экономические предпосылки для разбивки в нелесных районах РФ энергетических плантаций, или, как их еще называют, плантаций ускоренного роста. Такие плантации уже получили широкое распространение в Китае, Европе и Америке. В этом направлении были достигнуты значительные результаты по повышению интенсивности роста древесины, в том числе и методами генной инженерии.

Развитие плантаций ускоренного роста позволит в стратегическом плане решить проблемы устойчивого лесопользования и обеспечения отечественной промышленности стандартизированным биотопливом на длительную перспективу. Тем более что в соответствии с Киотским протоколом Россия дополнительно сможет продавать свои сэкономленные выбросы с более низким содержанием СО2 (известные как «горячий воздух») странам с выбросами, превышающими их целевые показатели. Потенциальные возможности дополнительного ежегодного депонирования углерода в случае полного освоения сущест­вующих лесных фондов достаточно велики. Общая площадь земель, пригодных для лесовосстановления и лесоразведения, составляет около 100 млн га, в том числе в лесном фонде до 80 млн га (не покрытые лесом и нелесные земли) и в сельском хозяйстве около 20 млн га (фонды защитного лесоразведения, облесения деградированных земель и биологической рекультивации). Отметим, что часть земель, безусловно, находится в труднодоступных районах.

Анализ основных исследований и публикаций

Рис. 6. Запасы древесины повторного использования

Масштабные и дорогостоящие исследования возможностей использования некоммерческих твердых отходов биомассы были проведены в последние годы в Швеции, Финляндии, Дании и ряде других стран. Исследования показали, что главным условием устойчивого развития рынка ТБ является установление стандартов на биотопливо как важный элемент управления производством и использования биотоплива. Стандартизация позволила США, Швеции, Германии, Финляндии и Дании в короткий срок занять лидирующие позиции в производстве и поставках ТБ на мировой рынок. Это также было обусловлено наличием в этих странах производственного опыта и опыта использования биомассы для топливных целей еще с середины прошлого века, когда только мировой парк газогенераторных автомобилей превышал 1 млн штук. Основы для разработки стандартов на биотопливо были заложены еще в середине 40‑х годов и развивались вплоть до 80‑х годов прошлого века.

Таблица 1. Выдержки из шведского стандарта SS 187120

Известно, что стандартизация − важный инструмент качественного контроля и управления производством, она предоставляет потенциальным потребителям техническую информацию об изделии и закрепляет основные его характеристики. Стандарт, кроме того, является гарантом стабильности качест­ва изделия. Однако до сих пор нет никаких международных стандартов на ТБ. Создание таких международных стандартов крайне желательно, т. к. это позволит сформировать качественный рынок ТБ и защитит потребителей от некачественного товара, который сегодня не редкость на рынке. Кроме того, появление соответствующих стандартов позволило бы предприятиям, осваивающим производство ТБ, опираться на опыт, заложенный в этих стандартах, избежать многих ошибок и производить изделия, не только отвечающие главному своему предназна­чению − хорошей сгораемости, но и удобству транспортировки. В настоящее время только некоторые виды ТБ (древесные топливные гранулы) регламентируются национальными стандартами Австрии, Германии, Норвегии, Швеции (табл. 1) и США.

Рис. 7. Принципиальная схема газогенераторной установки транспортного
типа

С опорой на эти национальные стандарты разрабатывается обще­европейский стандарт качества твердых видов топлива на основе биомассы. В настоящий момент остро нуждаются в сертификации такие характеристики твердых видов биотоплива, как энергетическая ценность, механическая прочность и долговечность, а также соответствующие методы определения и испытания этих характеристик. Здесь важно отметить, что необходимый сортамент твердых топлив на основе биомассы и их качество не могут быть определены независимо от технологических особенностей потребляющих установок. Различные силовые и энергетические установки требуют различных топливных характеристик ТБ. Можно выделить лишь одну характеристику ТБ, одинаково важную для различных систем потребления − это долговечность, т. е. устойчивость биотоплива к разрушению и образованию пыли и мусора. Последние создают технические проблемы при сжигании / газификации и автоматической подаче топлива в силовых установках.

Объем потребления силовой или энергетической установкой твердого топлива может быть классифицирован как крупномасштабный или незначительный. Применение биотоплива в крупномасштабных энергетических установках (таких как электростанции, котельные и т. п.) и соответствующие к нему требования достаточно широко освещены в специальной литературе, и мы не будем их подробно рассматривать. Мы остановимся на специфике использования биотоплива в малотоннажных силовых и энергетических установках (мощностью до 500 кВт), суммарная потребность которых в топливе в целом сопоставима с совокупной потребностью крупнотоннажных энергоустановок.

В 2005 году общее потребление первичных энергоносителей в России составило 900 млн тонн у.т., из которых 150–200 млн тонн у.т. было использовано малотоннажными силовыми и энергетическими установками (основу которых формирует автотранспорт), 80–90 млн тонн у. т. было использовано индивидуальными системами отопления, 60–100 млн тонн у. т. − сельскохозяйственными и промышленными силовыми установками (пилорамы, фермерские насосные станции для полива и прочее).

Важным параметром стандартизации биотоплива для малотоннажных систем потребления являются геомет­рические размеры частиц топлива, поскольку они оказывает исключительно важное влияние не только на системы автоматического питания, но и на процессы пиролиза / газификации самой биомассы (рис. 2). На сегодняшний день это наиболее трудно стандартизируемый параметр, поскольку размеры частиц топлива изменяются при транспортировке, особенно в процессе погрузочно-разгрузочных работ и даже в течение процесса производства. Открытым остается вопрос и о стандартизации накопителей для твердого топлива на основе биомассы. Производство однородных твердых видов топлива на основе биомассы невозможно без стандартизации лесоматериалов. Очень важным является сор­товой состав древесины, используемой для топливных целей, т. к. важнейшие характеристики древесного топлива определяются качеством исходного сырья. В то же время необходимо учитывать, что использование древесины в качестве биотоплива является наименее перспективным направлением. Древесина − великолепный конструкционный материал, по своему жизненному циклу максимально вписывающийся в концепцию устойчивого развития. Древесина должна максимально перерабатываться, в первую очередь в разнообразные деревянные конструкции и композитные материалы. Существующий уровень технологии позволяет перерабатывать практически любое доступное древесное сырье. Та же часть древесины, которая уже не может быть использована в технологиях глубокой переработки, собственно и является биотопливом.

Топливную биомассу древесного типа по происхождению сырья можно разделить (рис. 3) на ТБ, полученную из леса, из энергетических лесопосадок и топливо из древесины повторного использования. Если два первых типа топлива относятся к экологически безопасным, то третий (оставаясь СО-нейтральным) таковым не является. Обычно сырье третьего типа имеет пропитку, покраску и различные включения (металл, стекло, пластик и прочее), в связи с чем его переработка усложнена. Из-за включений его измельчение требует специальных дробилок. Повышаются требования к горелочному оборудованию и отходам. Таким образом, использование древесного топлива третьего типа можно скорее назвать утилизацией отходов.

Другая возможность классификации древесного топлива − по степени его улучшения (рис. 4). Неулучшенным считается топливо, при производстве которого сырье измельчается или пакетируется без изменения механичес­ких свойств. К этому виду топлива относят традиционные дрова, чурки, щепу, прессованные древесные отходы, отходы деревообработки (опилки, стружка). Типичные представители улучшенного топлива − древесные брикеты и пеллеты (древесные гранулы).

Продолжение статьи читайте в ближайшем номере журнала.

А. А. САМЫЛИН, инженер-конструктор 1-й категории
Задать свои вопросы автору вы можете по e-mail: gasgen@gmail.com