Заготовка, транспортировка и переработка древесного биоэнергосырья: опыт Финляндии

На страницах журнала «ЛесПромИнформ» и других СМИ довольно давно ведутся активные дискуссии о развитии биоэнергетики в России. Эта тема особенно актуальна для Северо-Запада, в частности для Республики Карелия, ввиду обсуждения вопроса о переходе на интенсивную модель использования и воспроизводства лесов. Положительный вклад в процесс перехода от экстенсивной модели развития лесной отрасли к интенсивной могло бы внести развитие лесной биоэнергетики за счет применения передовых технологий и способов полной утилизации древесной биомассы на лесозаготовках.

Рис. 1. Котельная на щепе, Восточная
Финляндия

Большой опыт в лесной биоэнергетике накоплен в странах Северной Европы, в частности в Финляндии, где производство древесного топлива интегрировано во все системы лесопользования, планирования и логистики лесозаготовок. Например, энергетическая (топливная) щепа находит применение как топливо в основном на мини-ТЭЦ и в котельных (рис. 1), расположенных недалеко от источников древесного сырья.

Гранулы используются, если потребитель находится на таком расстоянии от лесных территорий, что подвоз щепы наземным транспортом нерентабелен, в отличие от поставок гранул морскими или речными судами. Гранулы и брикеты, а также колотые дрова находят применение в частном секторе.

Использование возобновляемых источников энергии в Финляндии к 2020 году может достичь 38% от общего потребления энергоресурсов (нефтепродуктов, газа, угля и др.) и уже сейчас положительно отражается на экономическом развитии муниципалитетов и предпринимательства в сфере биоэнергетики.

В производстве топливной щепы все технологические цепочки строятся вокруг операции измельчения, которая выполняется рубительной машиной. Стоимость машины и ее положение (на делянке, погрузочной площадке, терминале или у потребителя) в технологической цепочке существенным образом сказываются на себестоимости энергии, получаемой при сжигании древесного топлива. Для изготовления топливной щепы применяются в основном мобильные рубительные машины (рис. 2).

Технологии и системы машин, позволяющие получать топливную щепу, как правило, из предварительно подсушенной древесной биомассы, можно классифицировать по месту выполнения операции измельчения (рис. 3 и 4):

Рис. 2. Работа рубительной машины Bruks
на шасси автомобиля Scania: измельчение
малоценной древесины в топливную щепу
с погрузкой в щеповоз на площадке
у дороги, Финляндия

• на делянке (у пня) - древесная биомасса измельчается в щепу непосредственно на делянке;
• на погрузочной площадке (у дороги) - древесная биомасса трелюется с делянки к площадке, находящейся у лесовозной дороги, где измельчается в щепу;
• на специализированном терминале (например, нижнем складе): биомасса транспортируется на терминал, где измельчается в щепу;
• у потребителя (мини-ТЭЦ, котельная): древесная биомасса доставляется потребителю, там и измельчается.

Остановимся подробнее на технологии производства топливной щепы при заготовке тонкомерной древесины.

Тонкомерная древесина может быть получена при проведении рубок ухода некоммерческих (в молодняках) и первых коммерческих рубок (прореживаниях), при расчистке линейных объектов (обочин дорог, линий электропередач), а также при заготовке сплошнолесосечным способом специально выращиваемой для энергетических целей плантационной древесины.

Вершины и ветви составляют значительную часть биомассы дерева, поэтому заготовка тонкомерной древесины позволяет получать большие объемы сырья. Тонкомерная древесина в виде хлыстов больше востребована небольшими котельными, где требования к качеству топливной щепы (например, к зольности, составу мелких включений, примесям хвои или листьев) выше, чем в крупных котельных.

Современные, полностью машинизированные технологии заготовки тонкомерной древесины довольно производительные, но себестоимость 1 м³ топливной щепы, полученной из предварительно высушенной (влажностью до 30%) тонкомерной древесины (до 40 евро; и требуется субсидирование государства) выше себестоимости щепы из порубочных остатков (до 20 евро за 1 м³).

Как показывает опыт Скандинавских стран, тонкомерная древесина в качестве сырья для производства щепы может использоваться довольно широко.

Применительно к условиям Северо-Запада России заготовку тонкомерной древесины можно рассматривать как способ сокращения затрат на проведение рубок ухода, расчистку дорог и трасс.

На рис. 3 приведена технологическая схема заготовки древесной биомассы в зависимости от применяемых систем машин и бензомоторного ручного инструмента. В Финляндии 70% заготовленной тонкомерной древесины измельчается в щепу на площадке у лесной дороги, 20% - на терминале, 10% - у котельной.

При машинизированной заготовке тонкомерных деревьев используются специальные харвестерные и валочно-пакетирующие головки. На харвестерные головки в качестве опции может устанавливаться накопитель стволов, который позволяет значительно увеличить производительность заготовки тонкомерных деревьев. При заготовке тонкомерной древесины в большом объеме харвестерные головки могут заменяться специализированными аккумулирующими (с накопителем) валочными головками, созданными специально для заготовки энергетической древесины (например, Ponsse EH25, Naarva E20).

Заготовленная тонкомерная древесина затем может собираться и трелеваться форвардером (с классической или модернизированной платформой), трактором сельскохозяйственного или общего назначения с активным прицепом.

Использование комбинированных машин, позволяющих выполнять операции по заготовке и трелевке, дает возможность повысить производительность.

При небольших объемах заготовки и выполнении рубок в молодняках применяются ручная валка с использованием мотокусторезов (например, Husqvarna, Stihl). Реже используются легкие малогабаритные харвестеры. Харвестер может оснащаться валочной головкой с накопителем или специальным кусторезом (например, Usewood Pro), агрегируемыми с манипулятором машины.

При заготовке тонкомерной древесины с рубкой биомассы в щепу на делянке может применяться мобильная рубительная машина на базе форвардера, работающая непосредственно на делянке и перерабатывающая в щепу сваленные и пакетированные тонкомерные деревья. Также возможно применение комбинированных машин, оснащенных харвестерной головкой с накопителем, рубительным модулем и контейнером для щепы.

В случае работы рубительной машины на погрузочной площадке готовая щепа доставляется потребителю в автощеповозах. При незначительных объемах биомассы на множестве разрозненных делянок может найти применение автощеповоз, оснащенный рубительным модулем.

Заготовленную тонкомерную древесину можно транспортировать до терминала или потребителя, где биомасса будет перерабатываться в щепу на высокопроизводительных передвижных или стационарных рубительных установках.

Рис. 4. Технологические операции производства топливной
щепы: A – делянка; B, C – погрузочная площадка или
терминал; D – потребитель

Российские предприятия сельскохозяйственного машиностроения выпускают широкий спектр машин, часть которых могут быть задействованы при производстве машинно-тракторных агрегатов для выполнения следующих операций в цепочке производства топливной щепы (рис. 4):

• для валки и первичной обработки на трактор навешивается манипулятор с валочной или харвестерной головкой, обычно с накопителем;
• для трелевки деревьев или сортиментов может использоваться трактор с прицепом, оснащенным грузовыми стойками, или трактор, оборудованный щитом с тросо-чокерным оборудованием;
• для перемещения щепы или порубочных остатков по дорогам общего пользования (вблизи лесных поселков), а также для трелевки порубочных остатков может использоваться трактор с бортовым прицепом;
• при измельчении древесного сырья в щепу трактор может использоваться в качестве тягово-энергетической установки;
• для погрузки щепы на терминале или у потребителя трактор может оснащаться ковшом.

Сельскохозяйственный трактор можно использовать для выполнения разных работ, в том числе в лесном хозяйстве, что позволит исключить сезонные простои техники.

На рис. 5 представлена схема комплексного использования древесной биомассы, когда при сплошнолесосечной сортиментной технологии наряду с заготовкой деловой, дровяной и малоценной древесины осваиваются порубочные остатки. Комплексная заготовка деловой и древесной биомассы для производства топливной щепы позволяет снизить затраты на планирование, управление и другие основные затраты в расчете на произведенный кубический метр лесопродукции (снизить себестоимость 1 м³ щепы до 30 евро). Кроме того, дополнительно минимизировать затраты позволяет применение одних и тех же лесозаготовительных машин для выполнения разных видов работ, например, использование форвардера на операциях сбора и трелевки порубочных остатков.

Рис. 5. Комплексная технология освоения древесной биомассы для биоэнергетики при сплошнолесосечной сортиментной технологии в Финляндии

Размещение рубительной машины на делянке, погрузочной площадке, терминале или у потребителя определяет, в каком виде осуществляется транспортировка древесной биомассы до конечного потребителя: в виде щепы, обвязанных пакетов или насыпных порубочных остатков.

Рис. 6. Работа рубительной машины Kesla
на двуосной прицепной тележке с приводом
от трактора-тягача John Deere: измельчение
порубочных остатков в топливную щепу с
погрузкой в щеповоз на площадке у дороги,
Финляндия

При переработке биомассы в щепу на делянке может использоваться мобильная рубительная машина на базе форвардера. Рубительная машина может быть скомпонована на шасси автомобиля или прицеплена к сельскохозяйственному трактору (рис. 6).

Также возможно использование специализированных комбинированных машин, представляющих собой автощеповоз с рубительным модулем.

Наибольшее распространение в странах Скандинавии нашли технологические цепочки, в которых рубительные машины устанавливаются на площадке у дороги.

Сложные дорожные условия в российских регионах могут затруднить доставку рубительной машины на погрузочную площадку у дороги. В таком случае биомассу с нескольких лесосек целесообразно доставлять на специализированный терминал, где она будет измельчаться в щепу. Наличие промежуточного терминала позволяет создавать запас древесной биомассы для бесперебойного снабжения потребителей (котельных).

Щепа от терминала до потребителя доставляется автощеповозами большой вместимости. Для измельчения биомассы на терминале могут использоваться мощные, высокопроизводительные рубительные машины.

Переработка древесной биомассы у потребителя возможна при наличии у него стационарной или крупной передвижной рубительной машины. Одна мощная передвижная рубительная машина может обслуживать нескольких потребителей, отдаленных друг от друга.

Лесная биоэнергетика России может быть обеспечена значительными объемами древесной биомассы, которые можно получать из неделовой древесины (малоценной, низкокачественной, дровяной). Себестоимость топливной щепы, полученной из неделовой древесины, значительно ниже себестоимости щепы, в качестве сырья для которой выступают порубочные остатки или тонкомерная древесина. В связи с этим на начальных этапах развития лесной биоэнергетики России в качестве источника сырья для производства древесного топлива следует рассматривать неделовую древесину. Но не нужно забывать, что такими же значимыми источниками сырья для производства древесного топлива являются отходы лесопиления и деревообработки (как показывает пример Архангельской области).

Заготовка древесной биомассы из пней и корней осуществляется в основном на делянках с рыхлыми и богатыми минеральными почвами в условиях равнинного рельефа. Причем маленькие пни не выкорчевывают; кроме того, корчевание не проводится у границы стены леса, в прибрежной зоне и на участках - рядом с теми деревьями, которые оставляют на доращивание. Пнево-корневую древесину ели заготавливать проще, чем сосновую.

Рис. 7. Технология заготовки и измельчения пнево-корневой древесины
в щепу (доля по месту выполнения операции измельчения: у дороги – 20%,
на терминале – 40%, у котельной – 40%), Финляндия

На рис. 7 показана технологическая схема заготовки биомассы из пнево-корневой древесины машинным способом с использованием экскаватора, оснащенного специальным оборудованием, и измельчением биомассы у потребителя.

Для корчевания и последующей трелевки может применяться одна машина - форвардер, оснащенный специальным корчевальным оборудованием и платформой с расширенными стойками.

При заготовке пнево-корневой древесины технология, по которой велась заготовка деловой древесины, не играет особой роли. Для производства топливной щепы из пнево-корневой древесины необходимо применять тяжелое и мощное рубительное оборудование, которое не боится повышенного содержания минеральных включений и может без проблем переработать плотную корневую древесину. Эксплуатация таких рубительных машин непосредственно на делянке невозможна, да и на погрузочной площадке осложнена необходимостью доставить в лес тяжелую рубительную машину, у которой внушительные габариты. В то же время производственные площадки, находящиеся на терминале или на территории потребителя, не только позволяют свободно установить и эксплуатировать тяжелое оборудование, но и выделить место для складирования и просушки значительных объемов пнево-корневой древесины.

Рис. 8. Использование рубительной машины на
одноосной прицепной тележке с приводом от трактора-
тягача на расчистке обочин дорог, Сортавальский р-н
Республики Карелия


Рис. 9. Работа рубительной машины на шасси
автомобиля в условиях специализированного терминала,
Сортавальский р-н Республики Карелия

Пнево-корневая древесина востребована в качестве сырья для переработки в топливную щепу для крупных ТЭЦ городов или поселков, на которых требования к качеству топливной щепы не такие жесткие, как на мини-ТЭЦ.

Себестоимость производства 1 м³ щепы из пнево-корневой древесины доходит до 35 евро, а наиболее затратными операциями в производственном процессе являются корчевание и транспортировка.

Рассматривая разные варианты технологий освоения древесной биомассы для производства топливной щепы в условиях Северо-Запада России, можно выделить следующие:

• при сплошнолесосечной сортиментной заготовке (с измельчением древесной биомассы, прежде всего неделовой древесины, в щепу на терминале или у потребителя);
• при заготовке тонкомерной древесины в ходе рубок ухода (также с измельчением древесной биомассы в щепу на терминале или у потребителя), при расчистке линейных объектов (обочин дорог, линий электропередач, газопроводов).

В публикации использованы материалы некоммерческого проекта «Новые трансграничные решения в области интенсификации ведения лесного хозяйства и повышения степени использования топливной древесины в энергетике» (2012-2014 гг.) по международной программе ППС ЕИСП «Карелия».

Хотелось бы поблагодарить коллег из Института лесных, инженерных и строительных наук (ИЛИСН) Петрозаводского государственного университета (ПетрГУ), сотрудников Научно-исследовательского института леса Финляндии МЕTLA (Института природных ресурсов Финляндии LUKE), Лесного центра Финляндии в Северной Карелии (NKFC), Университета прикладных наук Северной Карелии (NKUAS) и Лесотехнического колледжа Валтимо (NKCV) за совместную работу по проекту ППС ЕИСП «Карелия».

Александр СЕЛИВЕРСТОВ,
канд. техн. наук, доцент ИЛИСН Петрозаводского государственного университета