Как сократить выбросы в атмосферу при сжигании пеллет

Проблема сокращения объемов выбросов пыли (мелкодисперсных частиц) при сжигании древесины, в том числе и пеллет, до недавнего времени решалась в основном за счет изменения режима горения, в частности регулирования подачи воздуха в зону горения. В Техническом университете г. Гамбурга (ФРГ) ученые решили вопрос сокращения выбросов в атмосферу путем добавления небольшого количества каолинита (Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈ содержит 39,5% Al₂O₃, 46,5% SiO₂ и 14% H₂O) в сухую древесную биомассу, которая используется для производства древесных топливных гранул.

Каолинит

Около 50% добываемого каолинита используется при производстве бумаги для мелования и в качестве наполнителя. Каолинит также применяется в керамической промышленности для создания лазури, в фармацевтике - пищевая добавка в зубные пасты (как легкий абразивный материал), в косметике (под названием «белая глина») и во многих других областях.

Мелкодисперсная пыль, которая образуется при сжигании древесины, состоит в основном из химических соединений калия, таких как сульфат калия (K₂SO₄), гидроксид калия (KOH) и хлорид калия (KCl). У этих соединений низкая температура плавления и газообразования (600-800°С), из-за чего газообразные частицы калия конденсируются в виде пыли - мелкодисперсных частиц, размер которых измеряется микронами. А добавление всего 1-5% каолинита в древесную массу для производства пеллет позволяет сократить такие выбросы примерно на 48% по сравнению с выбросами при нынешних технологиях. Это высокий показатель, особенно на фоне того, что в Германии вступила в силу 2-я часть федерального закона о защите окружающей среды от воздействия экологически вредных выбросов BImSchV, приняты ужесточенные требования к ограничению выбросов СО и мелких взвешенных твердых частиц. В частности, в тексте этого закона от 2010 года для пеллетных котлов была установлена предельно допустимая норма подобных частиц 0,10 г/м³, а в тексте закона, принятого в 2015 году, - уже 0,06 г/м³.*

В результате химической реакции каолинита с находящимися в составе древесной массы пеллет алюминием и кремнием при сжигании гранул образуются силикаты калия и алюминия (такие как лейцит или кальцилит), температура плавления которых около 1500°С. Поэтому при температуре сжигания от 1000°С силикаты калия и алюминия не сплавляются, за счет чего и обеспечивается сокращение выбросов пыли при сжигании пеллет.

Научный сотрудник Гамбургского технического университета г-жа Хюльсманн отметила также, что добавление каолинита в древесную массу для изготовления пеллет не дает заметного снижения выбросов монооксида углерода в атмосферу. Подобные исследования проводились также в специализированном Центре возобновляемых источников сырья в г. Штраубинге, кроме того, на основании исследований, проведенных в Немецком центре исследования биомассы, было установлено, что существует прямая зависимость состава выбросов пыли при сжигании пеллет от содержания калия в древесной массе. Пеллеты с добавками каолинита сжигались в пеллетном котле и пеллетном камине, с тем чтобы установить, в каких установках достигается наилучший результат по сокращению выбросов. Оказалось, что тип используемого оборудования абсолютно не влияет на объем сокращения выбросов. Существует ли зависимость объема выбросов от сорта древесины, еще предстоит определить, а пока установлено, что чем больше в древесине содержится калия, тем больше каолинита приходится добавлять в массу. С другой стороны, возникает проблема: если в массу добавлять больше каолинита, то увеличивается содержание золы в пеллетах. Поэтому нужно найти некий компромисс, чтобы содержание золы не превышало указанного в регламенте по качеству пеллет. С алюминием проще: он вступает в реакцию с калием, в результате чего в золе образуется калиево-алюминиевый силикат - полевой шпат, который применяется в стекольной и керамической индустрии.

Изменяется ли технологический процесс пеллетирования при внесении в древесную массу добавок каолинита? При сравнении производств пеллет с добавками и без них никаких изменений в технологии не установлено. Потребители часто задают вопрос: «Соответствуют ли пеллеты с добавками каолинита требованиям к пеллетам согласно нормативам ENplus?». Результаты серии проведенных испытаний показали, что пеллеты с добавками полностью соответствуют требованиям ENplus - A1, за исключением одного. Как упомянуто выше, в пробах пеллет с большей добавкой каолинита отмечается немного большее содержание золы, чем в пеллетах, для производства которых использовалась древесная масса с содержанием 1-5% каолинита. Прочность пеллет на истираемость проверялась как в складском помещении, так и при транспортировке автомобилем - никаких отклонений от требований ENplus не обнаружено. Также следует отметить, что при использовании добавки каолинита стоимость 1 т пеллет на 1-2 евро больше стоимости пеллет без нее.

В числе других добавок, которые облегчают прессование, крахмал и мука. В биомассе для изготовления пеллет допускается 2% этих компонентов, но в основном производители добавляют меньше. Автору известен случай, когда кто-то из производителей пеллет для обеспечения их наружной белизны добавлял крахмал и, похоже, перестарался. И некоторые потребители отказались от использования этих пеллет в связи с неприятным запахом при их сжигании в пеллетных каминах.

В заключение немного об экологии. Самыми распространенными веществами, загрязняющими атмосферу, являются: оксид углерода CO, двуокись углерода СО₂ (пеллеты и другое древесное биотопливо признано СО₂-нейтральным, то есть при его сжигании объем выделяемого в атмосферу углекислого газа не превышает объема выбросов, который бы образовался при естественном разложении древесины) и серы SO₂, оксиды азота NО_х, летучие углеводороды, пыль.

Выбросы энергетических установок ТЭЦ и котельных определяются исходя из вида используемого топлива и режимов работы агрегатов. При сжигании органического топлива образуется СO, CO₂ и водяной пар. Но в атмосферу с ними поступают и примеси топлива, и продукты неполного сгорания топлива: оксид углерода, сажа, углеводороды, бензапирен С₂ОН₁₂, зола, оксиды серы, азота, свинца и др. Например, ТЭЦ мощностью 2,5 млн кВт за сутки расходует около 20 тыс. т угля и выбрасывает в атмосферу, помимо 700 т оксида и диоксида углерода, оксидов азота, около 200 т твердых частиц (золы, сажи, пыли).

Проблема защиты окружающей среды является одной из важнейших задач человечества. Для ее решения и проводится комплекс мероприятий, цель которых - совершенствование технологических процессов и разработка нового оборудования, обеспечивающих минимальный уровень выбросов и сбросов вредных веществ и отходов в окружающую среду. Одно из перспективных решений описано в настоящей статье.

Сергей ПЕРЕДЕРИЙ
s.perederi@eko-pellethandel.de