Партнеры журнала:

Биоэнергетика

Древесный уголь, биоуголь, биочар: расставляем все точки над «био»

Обращали ли вы внимание, что продукция с приставкой «био» все чаще привлекает покупателей, несмотря на более высокую цену? Биопродукты и биокосметика в биоразлагаемой упаковке, биоткани, биомебель... Такие товары отличаются особенностями исходного (естественно, экологически чистого, без каких-либо примесей) сырья и принципов производства (ориентированных на экологичность, натуральность, органику). Биофилософия уже давно стала трендом, за который люди готовы платить больше. Не обошла эта тема и лесопромышленный комплекс: так появился биоуголь с биочаром как альтернатива древесному углю, и не только.

Лет пять-семь назад на страницах отраслевых изданий и на площадках специализированных мероприятий стали активно обсуждать технологии торрефикации, а продукт, получаемый в результате этого процесса, назывался биоуглем (англ. biocoal, от coal – ископаемый уголь) и ему прочили большое будущее в энергетике. Началось все с Западной Европы, а затем эта популярная тема пришла в Россию, и название «биоуголь» закрепилось за продуктами торрефикации. В то же время за рубежом был введен термин biochar (от charcoal – уголь, получаемый при сжигании биомассы, чаще всего древесной), который на русский переводится так же: биоуголь. Из-за одинакового перевода часто непонятно, о каком именно продукте идет речь. Потому предлагаем внести ясность и разграничить эти понятия.

Древесный уголь (сharcoal)

Древесная щепа – сырье для производства угля
Древесная щепа – сырье для производства угля

Древесный уголь – продукт пиролиза (интенсивного нагрева без доступа кислорода) древесины. Технология производства довольно простая, популярная и... все чаще сегодня критикуется экологами, и не только ими. По данным FAO, 2–7% глобальных антропогенных выбросов приходится именно на производство и использование древесного топлива и древесного угля: в атмосферу поступает 1–2,4 Гт CO2-эквивалента ежегодно. Эти выбросы происходят из-за неполного выгорания дымовых газов и интенсивного выделения пиролизных газов, которые частично переходят в жидкую фазу, а остальное выделяется в атмосферу. Утилизация жидкой фазы также является проблемой.

Древесный уголь характеризуется пористой структурой и повышенным содержанием углерода (до 84% нелетучего углерода), высокой теплотворной способностью (до 30 МДж/кг) и довольно низкой себестоимостью. В качестве сырья зачастую служит дровяная древесина твердых пород. Используется для приготовления пищи на гриле, при производстве активированного угля, в химической промышленности и энергетике – в качестве топлива.

В России ГОСТ 7657–84 «Уголь древесный» содержит требования к содержанию углерода, золы, влажности, фракционному составу, но не нормирует содержание примесей и другие свойства угля. Этот нормативный документ предназначен прежде всего для промышленности, таким образом, уголь для химической промышленности и для приготовления пищи производится по одному стандарту.

А вот в Европе есть отдельный стандарт на уголь для барбекю – DIN EN 1860–2:2005, который предполагает использование в качестве сырья не только древесины, но и растительной биомассы (например, кочерыжки кукурузы). Помимо нормирования ряда показателей, этот европейский стандарт ограничивает 1% содержание в угле органических и неорганических веществ (следов топлива, пластика, стекла, шлаков, каменной пыли и др.) и запрещает присутствие химических примесей. К слову, требования к углю в этом DIN EN 1860–2:2005 соответствуют требованиям к углю марки А первого сорта по российскому ГОСТу, но потребители в Европе хотят иметь продукт более высокого качества, поэтому сертификация DIN plus рассчитана на уголь с лучшими характеристиками.

Биоуголь (biocoal)

Ограниченность энергоресурсов, в данном случае запасов древесины (да и запасов каменного угля), глобальное изменение климата, необходимость сокращения выбросов углекислого газа в атмосферу, а также растущая потребность утилизации промышленных отходов заставили специалистов искать альтернативные источники энергии и разрабатывать технологии, которые позволили бы решить все эти проблемы одновременно. Так появился биоуголь.

Биоуголь (biocoal) – искусственное твердое биотопливо, созданное на основе возобновляемых источников энергии. В основном под этим термином понимается биомасса с содержанием углерода до 65%, получаемая путем мягкого пиролиза при температуре примерно 300°С или гидротермической карбонизации. Биоуголь в основном используется в качестве топлива, как альтернатива каменному углю. К его преимуществам можно отнести высокую теплотворную способность (21–25 МДж/ кг), высокую энергетическую плотность и, как следствие, относительно низкие транспортные расходы и возможность длительного хранения без особого режима с сохранением свойств.

Биочар (biochar)

Производство биочара
Производство биочара

Биочар – это уголь растительного происхождения, то есть получаемый не только из древесины. В частности, для производства этого вида биоугля допускается использование отходов лесопромышленного комплекса и сельского хозяйства: коры, измельченной древесины, в том числе вторичной, в виде паллет, поддонов и прочего, щепы, фрезерной и окорочной стружки, круглых лесоматериалов, опилок, спелой древесины, ореховой скорлупы, тростника, кукурузных кочерыжек и др. Продукт отличается высоким содержанием углерода – 93–99% и отсутствием вредных и токсичных примесей.

На основе многочисленных исследований, ведущихся во всем мире, в том числе в России, в Университете Эдинбурга был разработан «Мандат качества биочара» (Biochar Quality Mandate – BQM). В нем дано следующее определение: биочар – это твердый материал, содержащий углерод с большим количеством трудноминерализуемых ароматических структур, полученный путем карбонизации возобновляемой органической биомассы при высокой температуре и без доступа кислорода (пиролиза). Стоит подчеркнуть, что, во избежание спекуляций относительно применения в качестве биоугля различного обугленного сырья, произведенного не из возобновляемой биомассы, биоуглем не может считаться материал, содержащий меньше 10% органического углерода и большое количество различных загрязнителей окружающей среды (тяжелых металлов, бензапирена и прочих, которые сохраняются при пиролизе). Иными словами, обугленный бытовой мусор рассматривать как биоуголь нельзя!

Также BQM определяет требования к технологии производства биочара (например, полное сжигание пиролизных газов или их улавливание и ограничение выбросов в атмосферу), подготовке сырья, а главное – нормирует проведение анализов продукта и устанавливает максимальные допустимые концентрации отдельных групп веществ.

Производится биочар стандартного и высокого качества. Отнесение ко второй категории определяется в первую очередь низким содержанием минеральных и токсичных соединений. То есть биочар, соответствующий требованиям BQM, может применяться в сельском хозяйстве и животноводстве как абсолютно безопасный, а при его производстве не наносится ущерб окружающей среде.

К слову, этот продукт находит применение прежде всего в аграрно-промышленном секторе: для секвестрации углерода в почве на длительное время и повышения почвенного плодородия, в качестве кормовой добавки в животноводстве. Но это далеко не полный перечень сфер применения биочара. Произведенный из растительного сырья, он может использоваться наравне с древесным углем.

Различие в технологии производства биоугля (biocoal) и биочара заключается прежде всего в температуре пиролиза: 300°С против 800°С в среднем).

Будущее за biochar?

Биомасса после карбонизации
Биомасса после карбонизации

Если biocoal в России уже известен как биоуголь, на заводах, например, в Сибири, производят торрефицированную древесину и брикеты, то биочар разве что упоминается в некоторых исследованиях, касающихся аграрно-промышленного комплекса, поэтому остановимся на этом продукте подробнее.

Чистота – главное, что отличает биочар от других видов угля. Согласно BQM в нем контролируется содержание вредных примесей, что открывает высокомаржинальные рынки сбыта. Тогда как при большинстве технологий производства угля такие требования невыполнимы. Повторимся: биочар может служить источником чистого углерода, содержание которого достигает 99%.

Широкие возможности открываются для задействования биочара в производстве активированного угля, особенно при создании новых продуктов, для которых особенно важна чистота и экологичность.

Этот вид угля используется для изготовления углеродного волокна, применяется для электромагнитного экранирования и в 3D-печати, в качестве адсорбента для систем контроля выбросов, для обогащения углеродом в металлургии и для получения карбидов вольфрама, кремния и других, а также в качестве источника углерода при производстве шин, резины и пластмасс.

И, конечно же, крупный потребитель биочара – сельское хозяйство. Прежде всего это эффективный почвенный субстрат: он повышает плодородие почвы, уменьшая ее твердость и плотность. Таким образом, корни легче проникают в почву и лучше растут. Кроме этого, создается особая среда обитания для почвенных микроорганизмов и грибов, что обеспечивает здоровье растений. К тому же, биочар задерживает воду в почве, повышает эффективность удобрений и поглощает питательные вещества и полезные минералы, способствуя тем самым достижению высоких показателей сельскохозяйственной деятельности и росту урожайности. За счет адсорбционной способности этот вид угля может применяться для удаления загрязняющих веществ и обеззараживания почвы, питьевой воды и сточных вод, а также служить в качестве барьера, предотвращающего попадание пестицидов и гербицидов в поверхностные воды.

Биочар уменьшает потребность в удобрениях и препятствует оседанию питательных веществ и нитратов в грунтовых водах, увеличивает микробиологическую массу, водопоглощение и водонакоппление почвы, одновременно снижая выбросы метана, усиливает рост растений.

В качестве кормовой добавки в животноводстве улучшает пищеварение и гигиену животных, а также укрепляет иммунную систему и увеличивает темпы роста, снижает себестоимость килограмма мяса на 10%, как свидетельствуют исследования, проведенные в России, Индии и европейских странах. При этом уменьшается распространение хронического ботулизма и снижается объем поступлений метана в атмосферу.

Поскольку biochar довольно новый продукт, некоторые из перечисленных возможностей его применения только исследуются, хотя многие направления хорошо освоены в европейских странах. Так, например, в Германии биочар Green Carbon (производится по технологии, разработанной компанией Polytechnik Luft-und Feuerungstechnik GmbH, Австрия) уже широко представлен в торговых сетях в качестве угля для барбекю и за счет сопоставимой цены успешно конкурирует с традиционным углем. Продукция того же производителя активно используется в сельском хозяйстве в качестве почвенного субстрата и готовой почвы, смешанной с биоуглем (Terra Preta), а также в виде кормовых добавок для скота, птицы и домашних животных. В России тоже появились предложения подобного продукта частным потребителям, но без соответствующей сертификации.

Себестоимость производства одной тонны биочара без учета стоимости вырабатываемого тепла составляет от 10 до 14 тыс. руб. в зависимости, например, от типа сырья и удаленности мест его расположения. А отпускная цена продукции с завода – 40–80 тыс. руб. При этом технология производства Green Carbon позволяет использовать как сырье древесные и растительные отходы любой влажности – тем самым решается проблема их утилизации. Так что в некоторых случаях стоимость сырья может быть даже отрицательной и высокомаржинальный продукт на выходе. Более того, при производстве биочара генерируется углерод-нейтральное тепло и электроэнергия, идущие на нужды предприятия.

Таким образом, несмотря на общее слово «уголь» в названиях, и технологии производства, и получаемые продукты отличаются, а понятие «биоуголь» гораздо шире его традиционного понимания в России, как и возможности применения. Этот рынок только формируется, но уже можно говорить о его перспективности.

Текст Илья Лелеков