Паньков Р. О., аспірант
Таврійський державний агротехнологічний університет
Постановка проблеми. В умовах дефіциту в Україні традиційних джерел енергії потреби сільського господарства в ній значною мірою можуть бути задоволені за допомогою нетрадиційних носіїв.Крім економічного це матиме і значний екологічний ефект.У садівництві щорічно проводиться обрізування дерев – необхідна й важлива операція, яка сприяє отриманню стабільних врожаїв, після якої у саду залишається багато зрізаних гілок, які є потенційним носієм тепла. При існуючий технології гілки вивозяться за межі кварталу машинами і спалюються. Процес спалювання вимагає певної кількості палива, а не спалені гілки є осередком для шкідників та збудників хвороби внаслідок не обробітку отрутохімікатами.Одним з енергозберігаючих способів утилізації цієї побічної продукції є виробництво з подрібнених гілок брикетів для використання у якості твердого палива з наступним поверненням попелу у сади, як добрива[1].
Аналіз останніх досліджень. Використання деревних відходів як сировини для виготовлення екологічно чистого твердого біопалива є актуальним завданням, оскільки вирішує питання отримання додаткової теплової енергії та дає змогу покращити екологічну ситуацію навколишнього середовища. Біопаливо (рідке, тверде) - це паливо з поновлювальних джерел сировини (відходів деревини, відходів сільського господарства і різних рослин) [2, 3].
Основна частина. Сировиною для виробництва твердого біопалива можуть бути різні деревні відходи як кускові (рейки, обаполи, сучки та ін.), так і м'які (тирса, стружка, деревний пил), а також низькоякісна деревина. При цьому, усі деревні відходи повинні бути однакової консистенції, як за величиною, так і за вологістю. Тому кускові відходи, геометричні розміри яких перебувають у межах: довжина до 6000 мм, ширина до 400 мм, товщина до 100 мм, необхідно подрібнювати і сушити до заданої вологості. Процес їх подрібнення є складним. Відходи розрізняють за величиною і видом (рейки, обаполи, сучки, відрізки частини стовбура, пілопродукції, шпону та ін.), що вимагає різного устаткування. При цьому відходи необхідно переробляти в одну сипучу фракцію, частинки якої повинні мати вигляд і розміри тирси (основної маси). Для цього процесу використовують спеціальні технології підготовки деревної сировини. Крупномірну деревину кряжують, розколюють, подрібнюють і доподрібнюють за допомогою спеціального устаткування. Щільність твердого біопалива досягається за рахунок високого тиску за певної температури пресованої маси, а склеювання - за рахунок лігніну, що знаходиться у клітинах деревини. Лігнін - це аморфний полімер ароматичної природи (поліфенол), складної будови, від світло-жовтого до темно-коричневого кольору (залежить від способу виділення його з деревини). Вміст лігніну у хвойних породах деревини становить 28-34 %, у листяних породах - 17-27 %, у деревній корі - 17-44 %. Для виготовлення твердого біопалива можна використовувати відходи всіх деревних порід та сільського господарства (качани кукурудзи, солома, лушпиння соняшнику, гречки, рису та ін.).
Першим важливим чинником у технології виготовлення твердого біопалива є облік деревної сировини, особливо для підприємств, які закуповують сировину (відходи). Для правильного обліку об'ємів відходів існує коефіцієнт повнодеревності (Кп). Нижче наведено величини коефіцієнта для деяких видів відходів, а саме:
1) обрізання стовбурів і колод - 0,40;
2) вершинки стовбурів - 0,30;
3) суміш обаполів і рейок - 0,46;
4) шпон-рванина - 0,45.
Облік подрібненої деревини (тирса, тріска, подрібнена деревина та ін.) здійснюється згідно з відповідним коефіцієнтом, наприклад: Кп для тирси у разі перевезення до 5 км дорівнює 0,30. Належний облік сировини дає змогу фактично оцінити витрати на виготовлення твердого біопалива.
Другим важливим чинником є величина подрібненої деревної маси. Виробники устаткування (прес-гранулятор, прес для брикетів) подають відомості про пресування деревних частинок розміром до 16 мм, але на підприємствах пресуванню підлягає деревна маса з розміром частинок до 1 мм, тобто тирса. Якщо на підприємстві, окрім тирси, є інші відходи, то до технологічного процесу необхідно долучити операції подрібнення і, за потреби, доподрібнення деревної маси (під час гранулювання).
Зазвичай, подрібнення кускових відходів у деревну масу здійснюють поетапно. На першому етапі виготовляють тріска, яку доподрібнюють у молотковій дробарці, висушують і, за потреби, додатково доподрібнюють. Таке доподрібнення зумовлене тим, що наявні молоткові дробарки не можуть подрібнювати вологу тріску чи утворювати з тріски тирсу. Цей ланцюг операцій значно підвищує собівартість гранул чи брикетів.
Більш перспективним є одноетапне отримання брикетної маси. Це процес, за якого з кускових відходів або привезеної тріски, відразу виробляють деревну масу (переважно тирсу), придатну для пресування. Третім важливим чинником є наявність вологи у деревних частинках. Для отримання твердого біопалива деревні частинки повинні мати вологість не більше 16 % під час гранулювання і не більше 10-12 % - під час виробництва брикетів, тому сировину необхідно просушити. Спеціальних сушарок для тирси у деревообробній промисловості не існує, а використовують модифіковані пристрої з інших виробництв.Застосовують два типи сушарок: барабанні і конвеєрні. Як тепловіагенти використовують топкові гази, нагріте повітря або пару. Для отримання агента сушки ефективним є спалювання подрібненої деревини природної вологості в спеціальних топкових пристроях, що забезпечують температуру на виході близько 10000°С.Подачу агента в сушильний агрегат здійснюють за принципом прямопоточності (рух деревних частинок збігається з напрямом руху агента сушки). Останнім часом з'явилися й інші розроблення, а саме: створення сушарок з протипоточною подачею агента сушки (деревні частинки рухаються назустріч руху агента сушки). Під час пересування величину агента сушки його подачу і температуру можуть регулювати. Для отримання однієї тонни сухої подрібненої біомаси необхідно витратити близько 400-500 кВт електроенергії, при цьому потрібно спалити близько 200 кг подрібненої деревної маси природної вологості. У виборі устаткування варто враховувати витрати електроенергії на виробництво твердого палива, наприклад: середні витрати електроенергії на виготовлення однієї тонни брикетів становлять 60-80 кВт, а на одну тонну гранул - 90-110 кВт.
Технологічний процес пресування займає близько 20 % від усіх затрат. В економічній оцінці виробництва варто враховувати витрати на підготовку деревної сировини і наявність власних деревних відходів. Для виготовлення гранул використовують пресове устаткування з плоскою матрицею (дискового типу) і циліндричною. Суть процесу гранулювання полягає в продавлюванні спеціальними роликами подрібненої деревної маси через отвори обертальної матриці. Отвори бувають різного діаметра: від 6 до 12 мм, довжина і форма якого залежить від виду пресованої маси.
Брикети виготовляють на штемпельних і шнекових пресах. У штемпельних пресах відбувається поштучне виготовлення брикетів (величина брикету залежить від дозованої подачі деревної маси в зону пресування). У шнекових пресах процес є неперервним (відбувається витискування деревної маси через канал певної форми, шнек, зазвичай, конусоподібної форми з кутом конуса 6-80). Брикет має внутрішній наскрізний отвір, наявність якого позитивно впливає на процес горіння.
Стосовно такої важливої характеристики твердого біопалива, як його теплотворна здатність, існує твердження, що для гранул і брикетів цей показник значно вищий, ніж для деревини (теплотворність пресованого палива становить 4000-5000 ккал/кг, а деревини - 2350 ккал/кг).
Таке твердження не має фізичної суті, оскільки з одного кілограма деревини або деревних матеріалів з одним значенням вологості, у т.ч. і пресованих виробів (гранули, брикети), можна отримати однакову кількість тепла. У випадку, якщо величину теплотворної здатності виразити в ккал/м3 тоді різниця кількості тепла має місце і теплотворність брикетів становитиме приблизно 52160⋅102 ккал/м3, а теплотворність деревини - 21733⋅102 ккал/м3. Суть різниці полягає в щільності матеріалів; щільність деревини, наприклад, сосни становить 500 кг/м3, а щільність брикетів з цієї деревини - 1200кг/м3.В основі технології виробництва паливних гранул, як і паливних брикетів лежить процес пресування подрібнених відходів деревини, соломи, лузги і ін.Сировина (тирса, солома тощо) поступає в дробарку, де подрібнюються до стану муки. Отримана маса поступає в сушарку, з неї у – прес-гранулятор, де деревну муку пресують у гранули. Стиснення під час пресування підвищує температуру матеріалу, лігнін, що міститься в деревині розм'якшується і склеює частки в щільні циліндри. На виробництво однієї тонни гранул йде 3…5 кубометрів деревних відходів природної вологості. Готові гранули охолоджують, пакують у великі (по кілька тонн) або дрібні упаковки від декількох кг до декількох десятків кг. Розрізняють промислові (доставляються насипом без упаковки і споживчі гранули (у дрібній розфасовці, орієнтовані на приватних і невеликих промислових споживачів).
Деревні паливні гранули (пелети, ДТГ) – це невеликі циліндричні пресовані деревні вироби діаметром 4-12 мм, завдовжки 20-50 мм, перероблені з висушених залишків деревообробного та лісопильного виробництва: тирса, стружка, деревне борошно, тріска, деревний пил і т. д. Гранули використовуються в котлах для отримання теплової та електричної енергії шляхом спалювання. Перевагою використання деревних гранул перед іншими видами палива є:
1) зниження шкідливих викидів в атмосферу: деревне біопаливо визнано СО2 - нейтральним, тобто при його спалюванні кількість виділяється вуглекислого газу в атмосферу не перевищує обсяг викидів, який би утворився шляхом природного розкладання деревини;
2) велика теплотворна здатність: в порівнянні з тріскою і з кускових відходи деревини. Енергоємність одного кілограма деревних гранул відповідає 0,5 літра рідкого дизельного палива; деревні гранули не поступаються за теплотворної здатності ні вугіллю, ні мазуту;
3) низька вартість у порівнянні і дизпаливом і опаленням електрикою;
4) чистота приміщення, в якому встановлений котел;
5) можливість автоматизації котелень.
Розстановка устаткування на кожному підприємстві може бути різна. Однак принципи – загальні з моменту виникнення технологія виробництва пелет в 1947 році. Сам по собі процес гранулювання - пеллетизації відбувається в спеціальних кільцевих штампах (прес-формах) обертовими роторними вальцями, які упресовують в численні отвори – фільєри прес-форми, активізувати паром подрібнене деревне сировину, після чого, зрізані з зовнішньої сторони штампа спеціальним ножем гранули, повинні бути охолоджені й відділені від дрібних частинок. Весь процес виробництва умовно можна розділити на кілька етапів:
1) подрібнення;
2) сушіння;
3) подрібнення;
4) водо підготовка;
5) пресування;
6) охолодження;
7) розфасовка;
8) упаковка.
Розглянемо докладніше кожен етап виробництва:
Рубальні машини (дробарки) подрібнюють деревну сировину до фракції з розмірами не більше 25х25х2 мм для подальшої сушки. Найкраще для зниження енерговитрат на сушіння подрібнювати до більш дрібної фракції.
Деревна сировина перед пресуванням повинно мати вологість 10% ± 2%. Сировина з більшою або меншою вологістю вимагає додаткового зволоження або додаткової сушки. Сушарки діляться на два типи: барабанного і стрічкового. Стрічкового типу: дорожче, але безпечніше. За типом вживаного сушильного агента вони поділяються на сушарки на топкових газах, гарячому повітрі і водяній парі. За типом вживаного виду палива для виробництва ДТГ: газові і на деревних відходах.
Для стійкої роботи преса вхідна фракція повинна бути не більше 4 мм. Таку фракцію може забезпечити молотковий млин, стружковий верстат або дезінтегратор.
Сировина з вологістю менше 8% погано піддається пресуванню, тому потрібно, пристрій додаткового зволоження сировини. Кращий варіант - це шнекові змішувачі, що мають можливість подачі води або пари. Пар застосовують для зниження міцності і збільшення пластичності деревної сировини твердих порід. Преси деяких виробників через конструктивні особливості не вимагають додавання пара. Деякі застосовують пар для старого, злежалого сировини, але такою сировиною складно отримати гранули хорошої якості. В основі всього процесу гранулювання перебуває прес. Сьогодні існує кілька десятків виробників пресів з різних країн світу.Багато пресів конструктивно розрізняються за видами матриць: з круглою матрицею або плоскою матрицею. Прес з круглою матрицею розроблявся для комбікормової, харчової та хімічної промисловості, а прес з плоскою матрицею спочатку для утилізації промислових і побутових твердих відходів. На сьогоднішній день преси обох модифікацій, що використовуються в гранулювання, працюють за однаковим принципом. Біжучі катки створюють контактне напруження зминання сировини на матриці, і через отвори в матриці продавлюють сировина, яка обрізується ножами. Преси виконані з особливо міцних матеріалів з жорсткими могутніми корпусами. Матриця і катки виготовлені із спеціальних загартованих зносостійких сплавів. Гранулювання деревини, як матеріалу має високу щільність, вимагає підвищеної зусилля для пресування. При пресуванні відбувається ущільнення деревної сировини до 3 разів. Питоме споживання електроенергії складає від 30 до 50 кВт в годину на тонну. Через сили тертя і адіабатичних процесів, що відбуваються при різкому стисненні сировини, температура в робочій зоні преса сягає 100°С [4].
Чим вище зусилля пресування і вище температура сировини, тим краще гранули по якості. При збільшенні температури пресування понад 120°С відбуваються незворотні процеси в гранульованій сировині, які призводять до погіршення якості гранул. Охолодження необхідно для кондиціювання гранул після пресування. У хороших виробників обладнання в технологічному процесі, після охолоджувача існують системи для очищення готових гранул від пилу, що істотно покращує якість продукції, що випускається. Для кожного виду палива існує своя технологія спалювання, обґрунтована, як технічно, так і економічно. Паливну гранулу можна спалювати на різному устаткуванні. Однак максимальної ефективності можна досягти лише за допомогою котлів та пальників, спеціально для цього призначених. Процес отримання теплової енергії з гранул можна назвати горінням тільки з великою натяжкою, оскільки гранули не горять у прямому розумінні цього слова, а тліють. При цьому котел, вичерпавши паливо в контейнері, може продовжувати постачання теплом протягом 24 годин за рахунок малої швидкості протікання процесу. У Європі більше половини котлів на деревних гранулах мають середню потужність від 100 кВт до 1 МВт[5]. Зазвичай такі печі встановлюються у великих приватних будинках, школах, на невеликих підприємствах. Крім котелень на пелетах, існують також каміни на гранулах і брикетах. Подібні каміни працюють не як котли, а як повітронагрівачі, тому не вимагають системи трубопроводів. Найчастіше вони використовуються (як і традиційні каміни) в якості додаткового засоби обігріву. На сьогоднішній день на ринках країн СНД представлені й пальники для переобладнання рідко паливних котлів під гранулу, і котельне обладнання великої потужності, і промислові парогенератори на біопаливі, і малопотужні автоматизовані котли для приватних будинків, і кімнатні каміни для спалювання паливної гранули. Велика частина обладнання імпортується. Однак і цілий ряд вітчизняних підприємств пропонує обладнання, призначене для спалювання пелет. Для кожного виду біопалива існує своя спеціальна і специфічна технологія:
1) котли на пресування біопаливі – гранулах і брикетах;
2) котли на сухому біопаливі (вологість до 30%);
3) котли на вологому біопаливі (вологість до 55%);
4) котли для спалювання торфу та сумішей з торфу;
5) котли для спалювання кори та сумішей з кори;
6) котли для спалювання іншого органічної сировини.
В залежності від характеристик котли орієнтуються на різні сегменти ринку: від приватних споживачів до великих підприємствах і муніципальних котелень.
В основі технології виробництва паливних брикетів лежить процес пресування шнеком агро-відходів (лушпиння соняшнику, гречки та ін) і дрібно подрібнених відходів деревини (тирси) під високим тиском, а в ряді випадків і при нагріванні від 250 до 350 С °. Одержувані паливні брикети не включають в себе ніяких зв'язувальних речовин, крім одного натурального - лігніну, що міститься в клітинах рослинних відходів. При використанні агросировини можливе додавання сполучних елементів. Температура, присутня при пресуванні, сприяє оплавленню поверхні брикетів, яка завдяки цьому стає більш міцною, що важливо для транспортування брикет. Сировиною для виробництва брикетів є той самий матеріал, що і для виготовлення гранул - тирса різних порід деревини, тріска, лушпиння соняшнику, гречки, солома і багато інших рослинні відходи. Технологія виробництва брикетів схожа з технологією гранулювання, але більш проста. Брикети бувають різних форм - у вигляді цегли, циліндра або шестикутника з отвором всередині. Стандартних розмірів у даній продукції немає. Основним чинником, що визначає механічну міцність, водостійкість і калорійність брикету, є його щільність. Чим щільніше брикет, тим вище показники його якості. Чим нижче щільність брикетів, тим менше їх калорійність. Наприклад, при щільності брикету 650-750 кг/м3 калорійність брикетів дорівнює 12-14 МДж / кг; при щільності 1200-1300 кг/м3 - 25-31 МДж / кг. Якість брикетів в значній мірі залежить від вологості вихідної суміші. Розрізняють оптимальну і критичну вологості. Оптимальна вологість становить 4-10%, при ній досягаються найкращі механічні характеристики брикетів (слід враховувати, що для деяких видів сировини верхньою межею вологості є 6-8%). Критичною називається вологість, при якій можливе утворення брикетів, але в ньому з'являються тріщини - таким чином, брикет товарного вигляду не має. Критична вологість знаходиться в межах 10-15%. При більш високій вологості отриманий брикет буде «розірваний» внутрішнім тиском вологи, що виникає при стисненні подрібненої маси.Існує три основних типи паливних брикетів. Вони відрізняються за формою, яка залежить від методу виробництва. Виділяють брикети RUF, брикети NESTRO і брикети Pini-Kay. Однак, окрім згаданих виробників Брикетуюче обладнання, існують і інші фірми - наприклад CFNielsen (Данія), UPM (Литва), Bogma (Швеція), Pawert-SPM AG (Швейцарія), DI-PIU (Італія).Брикети підрозділяються за двома принципами:
1)по сировині, з якого вони виготовлені. Тут виділяють: брикети з деревних відходів (стружка і опил без кори, відходи з корою, кора, відходи виробництва МДФ, шліфпиль, відходи фанерних виробництв, лігнін, брикети з сільськогосподарських відходів); брикети з агробіомасси (солома, лушпиння соняшнику, лушпиння злакових, відходи бавовни, сіно, очерет); брикети з інших матеріалів (папір, картон, целюлоза, полімери, торф).
2)за способом пресування і формі. Брикети бувають трьох видів: циліндричні, екструдерні і у вигляді цеглинки.
Циліндричні брикети пресують на обладнанні ударно-механічного типу. Вони мають нескінченну довжину, і можуть бути розділені як на шайби, так і на поліна. Мають дуже високу щільність, користуються великою популярністю в Європі. Такі брикети можуть мати не тільки круглу, але і квадратну або восьмикутну форму, мати або не мати отвір. Вид брикету замовляє покупець, він залежить від того, які форми більше популярні в кожній окремо взятій країні. Дані брикети охоче купують такі країни, як Німеччина, Данія, Великобританія, Норвегія, Швеція, Італія. На внутрішньому ринку, найчастіше використовують кускові брикети, виготовлені за даною технологією, в якості палива для твердопаливних котлів[6, 8, 9].
Екструдерні брикетимають отвір всередині і обпалену верхню поверхню. В основі екструзивної технології виробництва брикетів лежить процес пресування шнеком під високим тиском при нагріванні від 250 до 350 С °. Температура, присутня при пресуванні, сприяє оплавленню поверхні брикетів, яка завдяки цьому стає міцною, що важливо для транспортування брикету.Такі брикети закладаються вручну в топку котла чи в грубку, вони користуються попитом у Прибалтиці. Брикети у вигляді цеглинки мають вигляд прямокутного паралелепіпеда зі скошеними кутами. Такий брикет виходить шляхом гідравлічного пресування, і його розміри залежать від пухкості сировини, з якої він зроблений і тиску, який на нього чинився. Вони добре використовуються на внутрішньому ринку, і також відмінно купуються в усі європейські країни.
Таблиця 1 – Вплив вологості брикету на теплотворність
| № експерименту | Вага, г | Вологість, % | Температура сушіння, °С | Час знаходження у печі, хв |
| Експеримент 1 | 42,9 | 23 | 80 | 40 |
| Експеримент 2 | 42, 9 | 31,2 | 80 | 80 |
| Експеримент 3 | 42,9 | 40 | 80 | 80 |
Висновки В експерименті 1 зі свіжою щепою пелета вийшла гарна, товарного виду. Теплотворність висока. В експерименті 2 щепа менш успішна, пелетарозсипчаста, але горить якісно. В експерименті 3 брикет зі щепи неякісний через сухий стан, форма пелети розсипчаста, горить погано.
Література
1. Черевко Г.П. Вдосконалення енергетичної бази сільського господарства України//Економіка України, № 10.-К., Преса України, 1993, 62 с.
2. Ангилеева О.Г. Комплекснаяутилизацияпобочноїпродукциирастениеводства.-М.:Росагропромиздат, 1990, 160 с.
3. ZugmutJoe, Rippenga/RobertИспользованиесоломы в качестветоплива//FarmerWeekly №5 – 1993.-52 с.
4. RobertKoy Источники энергии, применяемые в сельском хозяйстве// FarmerWeekly №9– 1993.-26с.
5. DunnNorman Оборот используемых земель в Швеции//FarmerWeekly №5 – 1993.-36 с.
6. Заявка 2665906 МКИ С 10 5/44. Установка для получениябрикетовизпочатковкукурузы./HumbertBenedict (Франция) – Опубл. 21.02.92.
7. Антонов Ю. Отходы на тепло//Сельскиймеханизатор, №1 – М., ВО «Агропромиздат», 1993. – 11 с.
8. Система для прессованиябрикетов. Пат. 48846826ША, МКИ4 В 65 Д 71/00 /Weder E.H.HighlandManufacturinganuSalesCo - № 605386 опубл. 05.12.89.
9. Прессы брикетировочные. Заявка 3831528 ФРГ, МКИ 5 В 30 ВII/24/HeimerFrahz/ Опубл. 29.03.90.
10 Устройство для брикетирования опилок. А.с. 1706870 МКИ 4 5 В 27 №3/20. А.М.Пицур, Т.М.Шкиря. Львовский лесотехнический институт.
11. Устройство для брикетирования древесных частиц. А.С.1749034 МКИ 4 5 В27 № 3/28. В.И. Сулимов, А.К. Гороховский, Г.А.Повод. Уральский лесотехнический институт.
12. Брикетный пресс. А.с. 1373356, МКИ А 01 F15/00. Рощин П.И., Князев В.В., Яговсикий П.В. Кировский сельскохозяйственный институт.
13. Способ получения топливных древесных брикетов. А.с. 1754768 МКИ 5 С 10 5/44. Н.М.Гришаков, В.Н.Николаев, А.И.Николаева, Т.П.Швец. НПО
14. Способ получения топливных брикетов. А.с. 1756330 МКИ 5 10 F 7/06, В.В.Борисейко, Н.П.Марук, И.Н.Мерыщева. Белорусский комплексный проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт топливной промышленности.
15. Состав для получения брикетировочного топлива. А.с. 173700 МКИ 5 С 10 5/44. Р.С.Фармозян, Э.А.Гогинян, С.А.Даштоян, В.А.Манукян, А.А.Набалдян. НПО «Камень и силикаты».
16. Schether Использование древесной золы в качестве удобрения. ЗкфсеДфрвеусрт 1993, - 46 № 10. с. 27-30
17. Волеваха И.М., Волеваха В.А. Нетрадиционные источники энергии.-К.: Вища школа, 1988.
