Получение новых видов топлива на основе торфа

19 ноября 2013 г.

[Информационно-аналитический журнал «Новости науки и технологий» / учредитель ГУ «БелИСА». — Минск: ГУ «БелИСА», 2013, № 1-2(24-25)]

УДК 622.331.002.5:553.973

Б. В. Курзо,
зав. лабораторией Института природопользования НАН Беларуси, д-р техн. наук, доцент

В. К. Жуков,
вед. науч. сотрудник Института природопользования НАН Беларуси, канд. хим. наук

П. А. Зданович,
мл. науч. сотрудник Института природопользования НАН Беларуси

О. М. Гайдукевич,
ст. науч. сотрудник Института природопользования НАН Беларуси, канд. техн. наук

Л. С. Лис,
вед. науч. сотрудник Института природопользования НАН Беларуси, канд. техн. наук, доцент

И. В. Кляуззе,
науч. сотрудник Института природопользования НАН Беларуси

Изучена возможность получения топливных гранул на основе торфа в композициях с растительными отходами сельскохозяйственного производства, тростником и сапропелем.

The possibility of getting out of the peat fuel pellets in the composition of the waste vegetable agricultural production, reeds and sapropel. 

В настоящее время стало ясно, что имеющиеся на Земле ресурсы нефти и газа не бесконечны, и современное общество все больше поворачивается в сторону сокращения потребления энергетических ресурсов. Остро стоит вопрос экономии энергоресурсов и в нашей стране, где собственными топливно-энергетическими ресурсами (ТЭР) обеспечивается 15–17 % их потребности. Поэтому задача максимального вовлечения в топливно-энергетический баланс страны местных видов топлива и возобновляемых источников энергии является первостепенной. Государственное регулирование в сфере энергосбережения основывается на принципах эффективного и рационального использования ТЭР, приоритетности внедрения энергоэффективных технологий, энергосберегающего оборудования и материалов, научно-технической обоснованности реализуемых мероприятий, стимулирования достижения положительных результатов [1]. В утвержденной Советом Министров Республики Беларусь стратегии развития энергетического потенциала Республики Беларусь предусматривается внедрение энергоэффективных технологий, развитие энергетических источников на местных видах ТЭР и возобновляемых источниках энергии, максимально возможное увеличение собственной минерально-сырьевой базы, введение системы перспективных технических регламентов, национальных стандартов и норм, унифицированных с международными, которые повышают управляемость процессом развития энергетики и стимулируют энергосбережение.

В стратегии намечается увеличение в топливном балансе республики доли местных ТЭР, вторичных энергоресурсов, возобновляемых источников энергии. За счет этого к 2015 г. доля собственных энергоресурсов в балансе котельно-печного топлива составит не менее 28 %. К 2020 г. доля увеличится до 32 %. Это будет сделано за счет увеличения объемов использования местных видов топлива и возобновляемых источников энергии.

В качестве местных видов топлива могут использоваться кусковой и фрезерный торф, древесина, а также древесные и бытовые отходы, отходы переработки сельскохозяйственных культур. Получаемое из этого сырья твердое биотопливо представляет собой альтернативу традиционным видам топлива для производства тепловой и электрической энергии — углю, природному газу, нефтепродуктам.

Самым технологичным видом твердого биотоплива считаются топливные гранулы (пеллеты). Пеллеты получают путем переработки древесных отходов (опил, щепа, горбыль, низкотоварная древесина, баланс, концовка), отходов сельскохозяйственного производства (солома, лузга подсолнуха, шелуха, лузга, отходы крупяного производства, куриный помет), из торфа. Пеллеты используют в котлах и каминах для отопления частных домов, офисов, торговых площадей котельными жилищно-коммунального хозяйства, в системах комбинированного производства тепла и электроэнергии для тепло­энергоснабжения.

При производстве пеллет особое внимание уделяется их качеству. В странах Европы и США, а в последнее время и в Российской Федерации введены нормативные документы, регламентирующие качество топливных гранул [2, 3]. Главными показателями качества гранулированного топлива, которые обеспечивают высокие потребительские свойства, считаются теплота сгорания, зольность, прочность и истираемость (доля мелкой фракции), насыпная плотность. Топливные гранулы высшего качества имеют низкую (0,5–1,5 %) зольность.

Перспективы использования топливных гранул обусловлены возможностями полной автоматизации подачи топлива в зону горения, переоборудования действующих котлов, использования в котлах любой мощности — от отопления дома до гигантской ТЭЦ. Сыпучесть пеллет позволяет полностью автоматизировать их сжигание как в бытовых, так и промышленных котлах: пеллеты пересыпаются в бункер, откуда с помощью шнека дозированно подаются в топку. Таким образом, котел без дозаправки может работать несколько суток. Существуют модульные котельные установки на пеллетах различных производителей, которые позволяют минимизировать затраты на проектирование и строительную часть.

Пеллеты безвредны для окружающей среды, максимально безопасны при хранении и перевозке (не взрывоопасны, не подвержены самовозгоранию), не разлагаются при длительном хранении. Пеллеты имеют минимальный несгораемый остаток (являющийся удобрением для растений), из-за высокой насыпной плотности им необходима малая площадь хранения и объем при перевозке. Благодаря сыпучести и однородности могут транспортироваться автоцистернами, а затем пневмотранспортом подаваться на склад (в бункер топлива).

Теплотворная способность топливных древесных гранул сопоставима с углем. Гранулы намного экологичнее указанных традиционных видов топлива, так как при их сжигании эмиссия углекислого газа от 10 до 50 раз ниже, от 15 до 20 раз меньше золы, в выбросах практически полностью отсутствует сера.

В нашей республике, обладающей большими запасами торфа, весьма перспективно использование его в качестве сырья для производства пеллет. Анализ данных торфяного фонда Республики Беларусь (табл. 1), выполненный по данным [4], показывает, что запасы малозольного торфа зольностью менее 3 % составляют 3,6 % от общих запасов торфа, в интервале содержания золы 3–5 % — 11,6 %. Запасы среднезольного торфа (зольностью 5–10 %) в республике  составляют 30,2 %. Высокозольные торфа зольностью более 10 % оцениваются в 54,6 % всех запасов. Наибольшие запасы мало– и среднезольных торфов сосредоточены в Витебской области — 46 % всех запасов республики. К тому же торфа месторождений Витебской области в основном малозольны. Высокозольных торфов в этой области только 16 %. Примерно 40–45 % запасов составляют мало– и среднезольные торфа в Гомельской и Могилевской областях, третья часть запасов таких торфов — в Брестской и Минской областях и только 14 % — в Гродненской области.

 Таблица 1

Распределение торфяного фонда в административных областях Республики Беларусь
по содержанию зольного остатка, тыс. т

В Республике Беларусь существуют работающие в течение многих лет специализированные предприятия по добыче и переработке торфа. Поэтому для Беларуси организация пеллетных производств на основе торфяного сырья, производимого в стране предприятиями различной формы собственности, весьма актуальна, а экспортный потенциал данного продукта перспективен.

Торфяные пеллеты зольностью 2–4 % считаются низкозольными, хотя согласно [3] допускается наличие золы до 15 %. С помощью добавок в торф низкозольного сырья растительного происхождения, в том числе отходов сельскохозяйственного производства, биомассы болотной и озерной растительности, можно изменять зольность торфяных гранул и тем самым обеспечивать запросы как пользователей бытовых котлов на топливных гранулах, так и крупных теплоэлектростанций и энергетических концернов.

При переработке сельскохозяйственной продукции удельный вес отходов весьма значителен. При производстве пшеницы, кукурузы и ячменя остатки в виде соломы, шелухи, стеблей и листьев на 1 т готового продукта составляют соответственно 2; 2,4 и 1,5 т отходов. В Республике Беларусь общий потенциал отходов растениеводства оценивается до 1,46 млн т у. т. в год [1]. В сельскохозяйственных организациях республики в 2009 г. из зерновых и зернобобовых культур получено 8000 тыс. т соломы, свободные ресурсы которой составили 957,1 тыс. т, что эквивалентно 230 тыс. т у. т.

Проводимая в настоящее время Институтом природопользования НАН Беларуси работа по переоценке запасов торфяного фонда и направлений использования торфа в каждом административном районе для разработки обновленного варианта «Схемы рационального использования торфяных месторождений и охраны торфяных болот Республики Беларусь на период до 2030 г.» только в Лельчицком районе Гомельской области позволила рекомендовать для производства торфяных топливных гранул низкой зольности месторождения Забок (запас торфа 1370 тыс. т, зольность 3,5–4,2 %), Топиловское (северо-западный участок площадью 133 га и зольностью торфа 2,2–5,9 %), урочище Берин (запас торфа 280 тыс. т, зольность 3,8 %), Синьковское (3650 тыс. т; 3,7–7,0 %) и др. [4].

В целях изучения возможности получения качественных топливных гранул на основе малозольного торфа и в композициях с отходами сельскохозяйственного производства, тростником и сапропелем проведена серия лабораторных экспериментов. Исходным сырьем служил верховой и низинный торф месторождений Берин и Топиловское и сапропель месторождения Прибыловичи Лельчицкого района. Этот сапропель кремнеземистого типа с естественной влагой 82,6 % имел довольно высокое содержание золы — 53,1 % и, следовательно, пониженное содержание органического вещества. В экспериментах также использовали органический сапропель оз. Судобль Смолевичского района Минской области с содержанием влаги 72,4 % и зольностью 14,7 %.

Теплотворная способность любого топлива определяет его энергетическую ценность и зависит от качественных параметров сырья, его состояния, наличия примесей и влаги. По нашим данным, низшая теплота сгорания пеллет из верхового и низинного торфов составляет соответственно 23,4 и 22,7 МДж/кг. Как показывают исследования, низшая теплота сгорания пеллет из низинного торфа и кремнеземистого сапропеля по мере увеличения в композициях последнего падает.

Относительная влага топливных гранул обычно составляет 8–12 %. Этот диапазон влаги оптимален при гранулировании путем формования через горячую матрицу фрезерного торфа или биомассы. Кроме того, топливо с таким содержанием воды позволяет обеспечить достаточно высокий КПД при сжигании. Граничный показатель влаги гранулированного топлива в 10 % зафиксирован в большинстве стандартов качества [2].

Прочность гранул имеет значение при погрузке и транспортировке, поскольку может быть причиной потерь, повышенной пылимости, снижения плотности, пожарной опасности при хранении тонкодисперсоной составляющей. В работах [6–8] детально изучена природа прочности формованного торфа, в том числе и с модифицирующими добавками. Главными факторами, от которых зависит прочность гранул, в том числе и торфяных, являются качественные характеристики используемого сырья и растительных добавок (наличие лигнина в их составе), их физико-химическая природа, дисперсный состав, содержание влаги в исход­ном материале, наличие связующих добавок. Большое значение на прочность гранул оказывают также технологические факторы.

Изучено влияние добавок сапропеля на качественные характеристики гранул (пеллет) на основе торфа, полученных в результате: 1) прессования влажного торфа (с содержанием влаги 81–86 %); 2) прессования предварительно подсушенного (до влаги 25–30 %) торфа. В первой серии экспериментов использовали шнековый гранулятор КЭМ-36/220-4, который диспергирует, перемешивает и продавливает материал с получением пеллет диаметром 16 мм. После гранулирования композиции подвергали сушке в радиационно-конвективном режиме. Конечный продукт — торфо-сапропелевые пеллеты неправильной цилиндрической формы диаметром 8–10 мм с содержанием влаги 7–15 %. У полученных таким способом пеллет из верхового торфа прочность сжатия составляет 14–20 МПа, из низинного — около 7 МПа. Установлено, что при добавлении кремнеземистого сапропеля в композиции на основе верхового торфа прочность сжатия у пеллет падает, низинного — увеличивается [9].

Во второй серии экспериментов при получении пеллет прессованием сырья с содержанием влаги 25–30 % и измельченного до размеров фракций менее 1 мм изучена возможность получения качественной формованной пеллетизированной продукции на основе торфа (зольностью 3,9 %) и растительных отходов сельского хозяйства, а также тростником и органическим сапропелем оз. Судобль.

В экспериментах с помощью лабораторного пресс-гранулятора ZLSP-100 гранулировали торф и тростник без добавок, торф в композициях с 10 и 30 % сапропеля, с 20 и 30 % початков кукурузы, с 30 и 50 % зерновых отходов, отходов сои и тростника, а также сапропель в композиции с 80 % тростника. Все расчеты выполнены в пересчете на сухое вещество торфа и добавок. Диаметр получаемых цилиндрических гранул — 6 мм.

Опытным путем для данного типа лабораторного оборудования найдено оптимальное содержание влаги прессования сырья, которое составляет 25–30 %. В этом случае отсев мелочи в готовой продукции минимален и составляет от 2 до 10 %. Эксперименты показывают, что уменьшение содержания влаги до 10–15 % при прессовании сырья резко увеличивает отсев мелкой фракции.

Топливные пеллеты содержат 10–15 % влаги, имеют насыпную плотность 430–640 кг/м³, прочность сжатия 17–35 МПа, прочность истирания 73–95 %. После отсева на сите остается до 98 % пеллет. В результате проведенных экспериментов установлено, что из торфа низкой степени разложения месторождения Топиловское на лабораторном прессе получаются высококачественные пеллеты правильной цилиндрической формы. Пеллеты имеют товарный вид, их поверхность ровная и гладкая. Конечное содержание влаги в пеллетах — 11–13 %. Прочность на сжатие пеллет из торфа месторождения Топиловское составляет 25 МПа, насыпная плотность — 640 кг/м³, содержание мелких фракций — менее 2 %. В соответствии с [3] пеллеты отвечают I сорту: имеют насыпную плотность порядка 650 кг/м³ (по нормам для I сорта — не менее 600 кг/м³, для II сорта — не менее 450 кг/м³). По остальным показателям они также превышают уровни, заложенные в стандарте.

Добавки в торф органического сапропеля еще более усиливают прочностные качества пеллет: их прочность сжатия повышается с 25 до 35 МПа, то есть на 40 %. Сапропель с повышенным содержанием органического вещества обладает ярко выраженными связующими свойствами и его добавление в торф при пеллетировании положительно сказывается на прочности получаемого топлива. Однако это качество проявляется только при достаточно высокой влаге сапропеля — порядка 70 %. Сапропель с содержанием влаги порядка 25 % в композиции с торфом  гранулируется с большим выходом мелкой фракции.

Добавки в торф отходов сельскохозяйственного производства и тростника в целом несколько снижают прочностные характеристики пеллет. В соотношении пеллеты/отходы 1:1 прочность падает на 20 % — с 25 до 20 МПа. Закономерно снижается и насыпная плотность композиций и увеличивается содержание мелких фракций. В наименьшей степени на прочность влияют добавки тростника. Если отходы зерновых, початки кукурузы и тростник составляют половину количества сырья, то насыпная плотность готовых пеллет опускается до уровня 460–510 кг/м³, а содержание мелочи увеличивается до 10–30 %. Значительно меньше изменяется насыпная плотность и содержание мелочи в пеллетах при добавлении в торфяную основу отходов сои и сапропеля.

По содержанию мелких фракций в соответствии с нормативом уровень I сорта (массовая доля мелочи не более 5 %) может обеспечиваться при доле отходов сельхозпроизводства примерно 25–30 % .

Тростниковое сырье имеет естественную влагу порядка 10 % и с трудом поддается гранулированию в лабораторных условиях с отсевом мелких фракций порядка 80 %. После гранулирования такие пеллеты из тростника весьма хрупкие, имеют невысокие качественные характеристики: насыпную плотность 440 кг/м³, прочность сжатия 17 МПа. Поэтому необходимо предусматривать его увлажнение до содержания влаги порядка 30 %. Современные промышленные пресс-грануляторы оборудованы специальными кондиционерами, которые позволяют с помощью добавления в сырье пара или воды регулировать содержание влаги подаваемой массы и тем самым добиваться снижения выхода мелких некондиционных отходов, которые направляются на повторное гранулирование. Добавление к тростнику перед гранулированием торфа и сапропеля в объеме 20–30 % к общей массе сухого вещества позволяет получать высококачественные пеллеты. Такие пеллеты имеют насыпную плотность 580 кг/м³, прочность сжатия 24 МПа, прочность истирания 94 %. Отсев мелких фракций составляет около 10 %. Композиционное сырье из 80 % тростника (влага 10,7 %, зольность 10 %) с 20 % органического сапропеля (зольность 14 %, влага 70 %) перед прессованием имеет содержание влаги 36,3 %. Высококачественные пеллеты из такого сырья характеризуются насыпной плотностью 500 кг/м³, прочностью сжатия 27 МПа, прочностью истирания 95 %. Отсев составляет 4 %.

Таким образом, оценены перспективы производства твердого топлива на основе имеющихся в Республике Беларусь больших запасов  торфяного сырья. Установлена возможность получения качественной гранулированной продукции топливного назначения из малозольного торфа небольшой степени разложения и отходов сельского хозяйства. Кондиционные пеллеты, отвечающие требованиям нормативных документов, можно получать путем добавления в торфяное сырье до 30 % отходов зерна и кукурузы и до 50 % отходов сои и тростника. Добавление в тростниковое сырье 20 % органического сапропеля влагой 60–70 % позволяет получить высококачественное гранулированное топливо. Полученные результаты лабораторных экспериментов важны для отработки технологических регламентов производства гранул из торфа и в смеси с добавками биомассы.

Литература:

1. Постановление СМ РБ от 09.08.2010 № 1180 «Об утверждении стратегии развития энергетического потенциала Республики Беларусь». Режим доступа: http//www.pravo.by. — Дата обращения: 01.09.2013 г.
2. Топливные пеллеты (гранулы): стандарты качества DIN, DINplus, ONorm. — Режим доступа: http://www.suntechnology.com.ua/din51731.htm. — Дата обращения: 01.09.2013 г.
3. ГОСТ Р 54248-2010. Брикеты и пеллеты (гранулы) торфяные для коммунально-бытовых нужд. Технические условия. — М., 2012. — 3 с.
4. Торфяные месторождения Республики Беларусь, пригодные для комплексного освоения на ближайшую и отдаленную перспективу / сост. Л. С. Лис [и др.]. — Минск: Беларус. навука, 2013. — 115 с.
4. Курзо, Б. В. Ресурсный потенциал торфяных и сапропелевых месторождений Лельчицкого района и проблемы его освоения / Б. В. Курзо [и др. ] // Природопользование. — Минск, 2013. — Вып. 23. — С. 134–144.
6. Лиштван, И. И. Физико-химические основы технологии торфяного производства / И. И. Лиштван [и др.]. — Минск, 1983. — 232 с.
7. Терентьев, А. В. Структура и свойства формованной торфяной продукции / А. В. Терентьев, В. И. Суворов. — Тверь, 2004. — 136 с.
8. Лиштван, И. И. Физические свойства торфа и торфяных залежей / И. И. Лиштван [и др.]. — Минск, 1985. — 240 с.
9. Курзо, Б. В. Прочностные показатели торфо-сапропелевых гранул / Б. В. Курзо [и др.] // Процессы и средства добычи и переработки полезных ископаемых: Сборник трудов Междунар. науч.-технич. конф., посвященной 80-летию со дня рождения заслуж. работника высшей школы Беларуси, д. т. н., проф. Кислова Н. В., 17–20 апреля 2012 г. — Минск: БНТУ, 2012. — С. 133–138.

Ссылки по теме:

• Оглавление № 1-2(24-25) 2013 журнала «Новости науки и технологий»


• Архив журнала «Новости науки и технологий»


• Другие издания  БелИСА