Торрефикат: мифы, значение, применение, производство
Торрефицированные пеллеты
В последние годы в биоэнергетической отрасли бурно обсуждается развитие новой технологии производства продукта, который называют торрефицированной биомассой, торрефикатом или биоуглем (biocoal)*. Как это часто бывает с разными инновациями, вокруг торрефикации и торрефиката циркулируют мифы.
Авторы настоящей публикации возьмут на себя смелость объяснить или разрушить некоторые из этих мифов и рассказать читателю, что же на самом деле представляет собой этот продукт.
Миф первый: торрефикат - новый продукт
Не будем спорить: создание современной технологии индустриального производства торрефиката предполагает использование ряда инноваций. Однако сам продукт производится довольно давно. В отечественной литературе он со второй половины XIX века известен под названиями «красный уголь» и «бурая чурка» и в конце XIX - начале XX века был широко распространен в Российской империи в качестве элитного топлива для печей и каминов. Совсем недавно в Европейском союзе этот продукт получил наименование «торрефикат» (от английского torrefiction - обжаривание). То есть, строго говоря, производство торрефиката и его внедрение в современную энергетику - не стопроцентная инновация, а использование модифицированных технологий, применявшихся в прошлом.
Смысл торрефикации биомассы и производства торрефиката заключается в следующем. В ЕС многие котельные и ТЭЦ работают на каменном угле, который размалывают в пыль и вдувают в топку через форсунку. Несколько лет назад перед европейскими разработчиками была поставлена задача создать технологию обработки возобновляемых органических отходов с получением продукта, которым можно заменить каменный уголь и при этом обойтись без существенной реконструкции котельной и потери ее производительности. Требования к биотопливу сводятся к тому, чтобы его теплотворная способность была не ниже, чем у каменного угля, чтобы оно было транспортабельно, гидрофобно и легко дробилось в пыль, подобную каменноугольной. Теплота сгорания каменного угля - 22-30 МДж/кг, его насыпная плотность - от 500 до 1500 кг/м3. Теплота сгорания древесины, даже в форме гранул, не выше 19 МДж/кг при плотности до 650 кг/м3, а у исходной древесины эти показатели ниже. Древесина и гранулы из нее гигроскопичны, и для их размола требуются значительные усилия. Кроме того, древесина и другие органические отходы отличаются еще и высокой влажностью. Потому для получения торрефицированного биотоплива необходимо прибегнуть к предварительной термической обработке биомассы. Таким образом, под термином biocoal понимается любое топливо растительного происхождения, которое в результате термической обработки приобретает свойства, приближенные к свойствам каменного угля. А торрефикация - это способ создания, по сути, традиционного продукта из нетрадиционного возобновляемого сырья.
Миф второй: рынок торрефицированной биомассы еще не сформировался
При рассмотрении проектов в сфере торрефикации инвесторы часто сталкиваются с труднопреодолимой на первый взгляд проблемой: развитого рынка торрефицированной биомассы сегодня нет. Торрефикат поставляется потребителям пока нерегулярными и довольно небольшими партиями. В результате при инвестиционном проектировании приходится решать проблемы планирования сбыта и прогнозирования цен.
На самом деле все не так плохо. Если внимательно изучить свойства торрефиката и пеллет из него, то можно обнаружить, что эти продукты соответствуют почти всем требованиям стандартов качества твердого биотоплива. То есть торрефицированные пеллеты и обычные пеллеты можно рассматривать как один и тот же продукт. А значит, они будут реализовываться на одном рынке, по крайней мере в части промышленного потребления. По сути дела, торрефицированные пеллеты - это обычные пеллеты с улучшенными характеристиками.
Вероятно, по мере роста объемов производства и потребления сегмент рынка торрефицированного биотоплива будет формироваться. Но это произойдет, только когда опыт использования торрефиката позволит обосновать достоинства нового продукта, связанные с его влагостойкостью, повышенной насыпной плотностью, легкостью измельчения и другими свойствами, которых лишено традиционное биотопливо.
Миф третий: цена торрефицированного биотоплива очень высока
Поскольку, как уже отмечено выше, регулярных поставок биоугля на мировом рынке пока немного, а интерес к этому продукту велик, в отрасли циркулирует множество слухов о фантастически высоких ценах на торрефицированные пеллеты. Скептики не верят в то, что дополнительные затраты окупятся при реализации торрефицированных пеллет на традиционном рынке биотоплива. Как в таких условиях надежно прогнозировать цену реализации торрефиката? Как оценить рентабельность проекта по производству торрефицированных пеллет?
Минимальную цену продукта определить довольно просто. Дело в том, что на рынке твердого биотоплива фактически продают и покупают не тонны пеллет, брикетов или щепы, а мегаджоули энергии, которая содержится в топливе и может быть выработана при сжигании. Все или почти все контракты на поставку твердого биотоплива промышленными партиями содержат поправку к цене, пропорциональную фактической калорийности топлива. Эту поправку можно рассчитать по формуле
Pf = Pb Wf/Wb,
где Pf - фактическая цена; Pb - базовая цена при базовой теплотворной способности; Wf - фактическая теплотворная способность топлива по результатам исследования конкретной партии; Wb - базовая теплотворная способность (обычно от 16 МДж/кг).
Таким образом, если базовая цена обычных пеллет составляет 150 евро* при теплотворной способности топлива 17 МДж/кг, то поставляемый по тому же контракту торрефикат с теплотворной способностью 22 МДж/кг будет фактически принят и оплачен по цене
150 х 22/17 = 194,12 евро за 1 т.
Согласитесь, это неплохая цена!
Понятно, что у пеллет из торрефицированной биомассы есть и достоинства, которые теоретически должны повышать их привлекательность для промышленных потребителей. Торрефицированные пеллеты можно хранить вместе с углем, готовить к сжиганию и подавать на сжигание с помощью оборудования участка топливоподготовки. Однако рассчитывать на то, что с учетом улучшенных характеристик торрефиката вам удастся убедить электростанцию заплатить больше за единицу энергии, чем при продаже обычных пеллет, пока трудно. Для того чтобы определить экономию электростанции от использования торрефиката по сравнению с применением традиционной биомассы, необходимо наработать опыт сжигания существенного количества торрефиката в течение хотя бы одного года. Тем не менее, вполне вероятно, что со временем торрефикат станет дороже, чем сейчас.
Значение биоугля для мировой биоэнергетики
Откуда же такой большой интерес к торрефикации? Сегодня развитие и рост биоэнергетической отрасли сдерживаются, с одной стороны, ограниченностью доступных ресурсов биомассы, пригодной для использования в энергических целях, а с другой - рынком «зеленой» энергии, который определяет максимальную закупочную цену твердого биотоплива.
Твердое биотопливо производят преимущественно из отходов деревообработки, растениеводства, а также из биомассы специально выращенных энергетических культур. На территории ЕС, основного потребителя биотоплива, объемы неликвидной биомассы не только не увеличиваются, но даже сокращаются. Земель для энергетических посадок тоже немного. В результате биомассу приходится завозить из других стран и даже с других континентов в виде щепы, топливных гранул или брикетов.
Обеспечить рентабельность перевозки биомассы через океан непросто. Для этого нужно, чтобы производитель пеллет находился в непосредственной близости от морского порта, у потребителя был собственный терминал для приема морских грузов, а партии поставляемого продукта были довольно большими. Пеллеты из Канады и Бразилии возят партиями объемом до 55 тыс. т (именно столько топливных гранул помещается в грузовые трюмы судов класса Panamax). Поставка морским или сухопутным транспортом в пределах одного континента - тоже непростое и недешевое дело: в том и в другом случае существуют жесткие требования к минимальному рентабельному объему партии, допустимой удаленности производства от порта. От развития технологий торрефикации биомассы рынок ожидает ослабления этих требований и расширения ресурсной базы биоэнергетики. С другой стороны, для сжигания торрефиката не нужно модернизировать мощности угольных электростанций, а хранение, подготовка и подача в топку такого топлива должны обходиться дешевле, чем в случае традиционного топлива. Это значит, что потенциально производство торрефиката может открыть новые сегменты рынка биотоплива, а также обеспечить приемлемый уровень закупочной цены на биоуголь за счет снижения издержек.
Значение производства биоугля для России
В России сосредоточено более четверти мировых запасов древесины. Ежегодный ее прирост - 0,9 млрд м3, а объем ежегодных заготовок - всего 0,1 млрд м3. Разница объясняется трудностями заготовки леса в отдаленных регионах и вывоза оттуда продукции потребителям. Эта проблема сдерживает развитие лесной биоэнергетики. Неразвитая инфраструктура и огромное транспортное плечо не позволяют осуществлять рентабельные поставки биотоплива из многих регионов России: затраты на логистику слишком велики.
Казалось бы, у этой проблемы нет решения. Поставщики не могут повысить цену «зеленой» энергии на мировом рынке. Им не под силу построить новые дороги и радикально снизить тарифы на перевозку биомассы по железной дороге и стоимость фрахта при морских перевозках. Но при этом мы знаем, что нефть и уголь успешно доставляют потребителям за тысячи километров. Почему то, что возможно на рынке ископаемого топлива, не работает на рынке биомассы? Одна из главных причин - так называемая «энергетическая плотность» биотоплива. В 1 т угля содержится 5-8 Гкал энергии, в 1 т топливной щепы при влажности 30% - около 3 Гкал, в 1 т обычных топливных гранул - около 4,1 Гкал. Причем перевозка топливных гранул обходится даже дороже перевозки угля, так как гранулы необходимо защитить от влаги с помощью биг-бэгов, а зачастую везти в крытых вагонах. Торрефикация - возможное решение описанной проблемы, поскольку теплотворная способность 1 т торрефицированной древесной биомассы 5-5,2 Гкал, а изготовленные из этой биомассы гранулы не боятся влаги.
Таким образом, потенциальное значение торрефикации для российской биотопливной промышленности трудно переоценить. Новая технология должна существенно расширить географию эффективного производства топливных гранул и в разы увеличить сырьевую базу будущих производителей биотоплива.
Технология торрефикации
Итак, основной смысл торрефикации заключается в том, чтобы максимально приблизить свойства биомассы к свойствам энергетического угля. Это можно сделать с помощью термической обработки биомассы в течение определенного времени, при определенной температуре и минимальном доступе кислорода.
Разная степень термической обработки приводит к разному выходу и разной теплотворной способности продукта. Теоретически теплотворная способность торрефицированных пеллет составляет от 17 МДж/кг (среднее значение для древесного топлива при влажности 10%) до 31 МДж/кг (теплотворная способность древесного угля). Использовать в качестве энергетического топлива древесный уголь, как правило, не имеет смысла, так как при его производстве теряется слишком много исходной энергии биомассы и топливо получается слишком дорогим. Поэтому при проведении торрефикации стараются найти оптимальный режим, который позволяет добиться наивысшей теплотворной способности при наименьшей потере исходной энергии. Как правило, этого оптимума удается достичь при температуре 250-280оС. Теплотворная способность полученного таким образом материала 21-25 МДж/кг, и он пригоден для прессования с добавлением минимального количества связующих добавок или без добавок. Прессование торрефиката, полученного из щепы, позволяет достичь плотности до 850 кг/м3 при теплоте сгорания до 25 МДж/кг. Сформированные гранулы сыпучи, прочны, не пылят при перевозке, гидрофобны, могут быть раздроблены в пыль на том же оборудовании, которое применяют в котельных для дробления угля. Высокая плотность при высокой теплотворной способности обуславливает экономическую целесообразность доставки продукта на большие расстояния. По всем параметрам биоуголь превосходит пеллеты. Замена им угля не приводит к снижению производительности котлов. Биоуголь можно сжигать вместе с каменным углем.
Процесс торрефикации эндотермический, для его осуществления требуется дополнительное топливо. Выход торрефиката составляет 70-80% абсолютно сухой древесины. Самая сложная задача, с которой сталкиваются инженеры, проектирующие торрефикационные реакторы, заключается в обеспечении непрерывного и регулируемого процесса с предсказуемым результатом - в плане как производительности, так и качественных характеристик полученного топлива. Решением этой задачи уже несколько лет с переменным успехом занимается целый ряд компаний.
Большинство стараются приспособить традиционные технологии к решению новой задачи. Кто-то нагревает биомассу в объеме вращающегося барабана (бывшей сушилки), кто-то помещает сырье между полыми шнеками, внутри которых находится теплоноситель, кто-то берет за основу технологию производства макаронных изделий.
Разработанные специалистами ООО «Портал-Инжиниринг» и ЗАО «Лонас технология» конструкции сушилки и торрефикатора предполагают обработку материала в нисходящем слое потоком теплоносителя (патент RU 140115).
Первый проект торрефикатора производительностью 5000 т/год торрефиката выполнен в ЗАО «Лонас технология» и передан заказчику. Разработан проект аппарата, производительностью 16 тысяч тонн торрефиката в год.
Антон ОВСЯНКО, ген. директор ООО «Портал-Инжиниринг»
Юрий ЮДКЕВИЧ, к.т.н., гл. специалист отдела «Биоэнергия» ЗАО «Лонас технология»
