Экологически чистая технология углежжения
Юрий Юдкевич, к. т.н., доцент, гл. специалист отд. «Биоэнергия» -Технология» (AF)
+63 *****@***ru http://bioenergy-spb. *****/
Протокол Киото независимо от того, насколько достоверны его отправные позиции, сделал то, чего не могли до того добиться защитники окружающей среды. Регионам со скученными промышленными объектами и плотным населением действительно грозила катастрофа. Сжигание минеральных топлив, как правило содержащих соединения серы и фосфора, приводит к выбросу в приземный слой ядовитых паров и пыли. Густонаселенная и промышленно развитая центральная и северная Европа раньше других регионов почувствовала опасность такого развития. Этим объясняется победное шествие протокола Киото в Европейских странах. Страны-участники Протокола должны обеспечить снижение выбросов парниковых газов в атмосферу. Образование углекислоты при сжигании, а также при термических и химических превращениях древесины и других растительных остатков, не включается в баланс общих выбросов и рассматривается, как естественный фон.
В многолесных районах России, отдаленных от западных границ, заготовка хвойного пиловочника до сих пор сопровождается сжиганием или закапыванием лиственной древесины и всех видов отходов. Такие направления использования неликвидной древесины, как производство плит, фанеры требуют начальных капиталовложений от 40 млн. евро и выше. Средние и малые лесозаготовительные и деревообрабатывающие предприятия не могут позволить себе такие затраты. Да и сырья для обеспечения единичной мощности в этих направлениях требуется много больше, чем имеет отходов среднее лесозаготовительное предприятие. Поэтому, для таких предприятий, привлекательным направлением утилизации древесины является производство древесного угля.
Получение продуктов из древесины путем воздействия высокой температурой относится к числу древнейших технологий в истории человечества. Археологические раскопки свидетельствуют, что еще пещерные люди знали древесный уголь. Его собирали на пожарищах или делали специально, засыпая золой тлеющие головни, а укрываясь в пещерах от непогоды, использовали как топливо, не вызывающее угара. Наверное, первый металл был выплавлен случайно, когда камни, которыми обложили очаг с горящими углями оказались рудой. С начала бронзового века древесный уголь стал одной из основ развивающейся цивилизации.
Немыслимо представить старую деревню без кузницы. Кузнец был одним из самых уважаемых и необходимых членов общества. Оковать соху, выковать подковы, изготовить множество предметов быта было возможно только в кузне, работающей на древесном угле. С именем династии Демидовых связано развитие не только металлургии на Урале, но и углежжения. Только на древесном угле получается высококачественный ковкий, пластичный чугун. Вся мировая металлургия поднялась именно на древесном угле
Отсутствие вредных для многих технологий фосфора, серы, тяжелых металлов, возможность изготовления разнообразных сорбентов, позволяют древесному углю и сейчас оставаться одним из важных продуктов. Потребление древесного угля в качестве бытового топлива может служить критерием оценки уровня жизни населения в Европейских странах. Это не самое дешевое топливо, но привлекательное и освященное традициями. Используют его в основном на отдыхе. Иначе дело обстоит в Африке, Азии и Латинской Америке. Там древесный уголь применяется для повседневного приготовления пищи. ВОЗ придает большое значение более широкому использованию угля в некоторых африканских странах и южной Азии. Вместе с тем, экологи сильно обеспокоены, что в странах, где потребление древесного угля сделалось частью традиции, из-за массовой вырубки деревьев ради углежжения, вокруг поселений образуются рукотворные пустыни. На постсоветском пространстве древесного угля производят пока немного при обширных сырьевых ресурсах.
Предпочтительным сырьем для углежжения является твердолиственная древесина. Из нее получается более прочный и плотный уголь. В новых условиях сырьем для углежжения часто становятся отходы хвойных пород, осина, кустарниковые. Сделать из них качественный уголь можно, если производить уголь по отработанной технологии и брикетировать.
При термическом распаде древесины помимо древесного угля, образуются жидкие и газообразные продукты. Жидкие продукты выходят из горячей зоны частично в капельной фазе, частично в парах, образуя вместе с неконденсирующимися газами парогазовую смесь. До второй трети 20 века эти продукты были не менее востребованы, чем уголь. Но в конце века они были вытеснены более дешевыми, изготавливаемыми на основе синтеза из нефтепродуктов и природного газа. Это обстоятельство и изменение транспортных тарифов сделали существовавшие крупные углевыжигательные заводы нерентабельными, и они перепрофилировались или прекратили существование. Из всех заводов, построенных и эксплуатировавшихся в советское время, в России выжили только Амзинский и Моломский, в Украине Перечинский, но и они частично пересмотрели свою номенклатуру.
Потребность в древесном угле не просто осталась, а принципиально изменилась. Прежде основными потребителями были металлурги и изготовители активных углей для ядерных убежищ, теперь большая часть угля потребляется в быту. Нельзя сказать, что примитивные установки, выбрасывающие парогазы в окружающую среду, появились только после крушения промышленного углежжения. Цинический подход по принципу «после нас хоть потоп» скорее надо считать наследством времен, когда «неотложные потребности народного хозяйства» ставились выше выживания природы и здоровья населенья. Но в наше время психологию безжалостную к природе и людям подхватили те, кто считает обогащение единственным и все оправдывающим критерием. Разнообразные горизонтально и вертикально поставленные бочки с пристроенной топкой отличаются друг от друга только внешним оформлением. Все они одинаково вредны для природы и людей, расходны по сырью и не стабильны по качеству продукции. Во многих странах продукцию установок экологически не сертифицированных просто никто не решился бы купить.
Другая беда, это засилье безграмотных «изобретателей». Отброшены знания, которые копились несколько веков. Не удосужившись даже почитать доступную литературу предприимчивые, но безграмотные люди громоздят решения, которых бы устыдился инженер конца 19 века.
Еще одна беда - суетливое воровство конструктивных решений. Не только мы, но и другие разработчики жаловались, что кормящихся на незаконном использовании чужих идей и разработок, тьма. У этой черной ситуации есть светлая сторона. Хоть совесть у нынешних предпринимателей товар невостребованный, но потребность в хороших идеях есть. Значит, развивается отрасль!
Вернемся к углежжению. Технология производства древесного угля относительно проста. Но, все-таки, требует определенной культуры производства. Иначе выход угля снижается, уголь получается трещиноватый, мелкий, пахнущий смолами, недожженный.
Самые распространенные причины снижения выхода, это попадание кислорода воздуха в аппарат, вследствие чего происходит выгорание части угля, а также особенности режима и потери при перегрузках, исключение из баланса отсеянной и сожженной на своем производстве угольной пыли. Потери из-за сгорания части угля неотъемлемы от примитивных процессов с использованием внутреннего теплоносителя. Этот теплоноситель готовится путем сжигания дров. Чтоб обеспечить их горение, необходим избыток кислорода. Таким образом, кислород вместе с дымом поступает в аппарат.
Прежде единственным критерием качества древесного угля был ГОСТ 7657-84, который определял требования к его различным сортам. Этот ГОСТ составлен во времена, когда главными и почти единственными потребителями древесного угля были металлургия и производство активных углей. Высокое содержание нелетучего углерода и низкая зольность были необходимы промышленности. Вместе с тем, этих потребителей устраивало большое содержание мелкой фракции. Для бытовых целей нужен уголь более крупный. Качественным для бытового потребления считается уголь, содержащий% нелетучего углерода. Но многие производители не умеют контролировать процесс, и на рынке часто встречается уголь, содержащий нелетучего углерода%. Такого угля получается почти на треть меньше. При этом время его пребывания в аппарате больше и теряется еще и ресурс оборудования. Перекаленный уголь менее прочен и потери при рассеве выше. К тому же, бытовые потребители не жалуют его, так как он хуже разжигается. Для ряда промышленных целей наоборот нужен хорошо прокаленный уголь. Дополнительная проблема состоит в том, что уровень цен в промышленности, как правило, ниже, чем для быта при более строгих требованиях к качеству.
Рис.1 Систематизация углевыжигательной аппаратуры
Выход угля немного повышается, если процесс протекает медленно. Однако, встречающиеся в Интернете данные о выходе в 60%, результат недоразумения. Единственная оговорка: в Европе выпускается продукт для каминов, именуемый «красным углем». Фактически это высушенная почти полностью и побуревшая в первичной стадии разложения древесина. В ней содержание нелетучего углерода менее 60%. Выход такого «угля» может быть и 60% и даже больше от исходной абсолютно сухой древесины. Скорость собственно процесса разложения древесины с отщеплением летучих соединений и образования углеродного остатка составляет обычно от секунд до минут. Длительность технологического процесса, исчисляющаяся часами, а в некоторых технологиях и сутками, зависит исключительно от условий подвода и передачи тепла.
Предлагаемая вниманию схема (рис.1), разработана автором. Ее воспроизводили в Интернете и публикациях, порой без ссылки на первоисточник. Здесь она приведена с дополнением О. Есипова. Задача этой схемы – показать, что накопленный поколениями углежогов опыт позволяет делать выбор осознанно. Выбор варианта технического решения перестал быть результатом изобретательских фантазий. Он должен основываться на прогнозировании конъюнктуры и учете сырьевых факторов. Конструктивное решение выбирается при этом на основании знаний о сущности процессов и экономического анализа. В меняющихся экономических условиях требуются соответствующие им технологические решения. Вот почему при таком обилии конструкций надо создавать новые.
Требование к экологичности конструкций стало велением времени. В журналах и газетах иногда можно увидеть утверждение, что углежжение не может быть экологически чистым. Журналистам это внушают заинтересованные производители. Владельцы и изготовители всевозможных экологически грязных аппаратов иногда приводят тот довод, что прежде уголь делали в кучах, ямах и ничего не случилось. Известно, что мужики, обслуживавшие те кучи во времена Демидовых, умирали рано. Средняя продолжительность жизни тогда была много меньше, чем сейчас, и никто не выяснял, отчего умер крепостной. Концентрация населения и промышленности была ниже. Давление грязных технологий на природу ощущалось меньше.
Для создания экологически чистого оборудования мы выработали концепцию:
1. Наше сырье, это та часть древесины, которая не используется другими потребителями.
2. Технология должна быть безоговорочно экологически чистой.
3. Необходимо исключить и улавливание и выброс продуктов распада.
4. Тепло от сжигания летучих продуктов должно быть использовано для покрытия потребностей процесса.
5. Необходимо выбирать мощность оборудования, позволяющую длительное время обеспечивать установки сырьем при радиусе доставки не болеекм.
6. Установки должны быть устойчивы и работоспособны в условиях лесозаготовительных и деревообрабатывающих предприятий.
Мы решали эти проблемы начиная с 1992 года. В 1997 году начала работать первая установка нового типа «Поликор1».
Опыт работы этой установки позволил сделать следующие шаги. Были разработаны, построены и работают «Поликор2» и «Поликор3».
Все проекты, начиная с «Поликор3» выполнены в Технология»
Теперь мы предлагаем заказчикам установки серий «Эколон», «Корвет» и «Луч». Основное решение, это использование реторт, закрытых сверху, и имеющих отверстия для выхода паров и газов внизу. Реторта помещается в обогреваемую камеру вертикально. Это решение обосновано в патенте РФ № 000
Рис.2 «Эколон» Общий вид.
Дальнейшие разработки были подтверждены еще 9 патентами. Отвод паров и газов вниз сделал простым их путь в топку. Все компоненты сгорают в топке. Продукты горения омывают реторты в пиролизной камере. Затем горячие газы проходят через камеру сушки. Такое решение позволяет использовать топливо эффективно. Вся тер-ритория, включающая печь и вспомогательное оборудование, занимает не более 0,5 га. Анализы подтвердили, что «Эколон» экологически чистый аппарат. В таблице 1 представлены выбросы установки «Эколон» в сопоставлении с параметрами, разрешенными законодательством ЕС.
Разработанные нами малые установки предназначены для удовлетворения потребностей деревообработчиков, имеющих небольшие объемы отходов.
Печь «Корвет» имеет производительность по углю 1,5т/сутки. Потребляет 12 – 15м3 древесных отходов в сутки. Печи «Луч». Производительность по углю 1,0 и 1,6 т/сутки. Потребляют 8 – 10 и до 16 м3 в сутки древесных отходов. «Корвет» представляет собой уменьшенную копию «Эколона». Печи «Луч» - последняя наша разработка. Конфигурация, по сравнению с «Эколоном» значительно изменена. Это должно дать удешевление конструкции и упрощение в обслуживании.
Табл.1 Характеристика выбросов
Ключ | Компонент | Тонн в год | |
Допускается | Факт | ||
SO2 | 0,108 | 0,000 | |
D | NO2 | 30,348 | 1,295 |
CO | 28,836 | 12,950 | |
PM-sum | Пыль | 15,294 | 10,420 |
Смола | 13,479 | 0,000 | |
VOC-com | Летучие | 16,245 | 0,000 |
74-62-8 | СН4 | 6,066 | 0,000 |
64-19-7 | Кислоты | 13,029 | 0,000 |
67-56-1 | Метанол | 8,538 | 0,000 |
RM-sum | Тяж. металлы | 0.0096 | 0,00244 |
СО2 | 0,000 | 0,000 |
Одна из последних наших разработок - уголь из опилок. Опилки предварительно брикетируются на экструдерном прессе. Брикеты из опилок подвергаются пиролизу.
Проведен промышленный эксперимент на действующей углевыжигательной установке «Эколон», в ходе которого переработано 60 тонн брикетов из хвойных опилок. Получено около 20 тонн угольных брикетов. Брикеты более прочные, чем самый качественный древесный уголь и с высокой теплотворной способностью. Выявлены режимные особенности, вытекающие из свойств брикетов. В настоящее время нет препятствий к формированию этого производства.
Спрос на такие брикеты особенно активен в Японии. Там их ценят выше, чем кусковой уголь из твердых пород. Их охотно покупают в южной Европе. Рис.3. Уголь из экструзионных брикетов
В России не существует ни производства, ни предложения угольных брикетов из опилок. Соответственно, не зафиксирован и спрос. Основные производители таких брикетов – страны Юго-Восточной Азии, где их делают из опилок тропических твердых пород. Опыт показал, что брикеты, изготовленные из опилок хвойных пород, ни в чем им не проигрывают. Другой важный вывод из этого опыта – пригодность углевыжигательных печей с выемными ретортами для такого производства. Опровергнуто мнение, бытующее в ряде стран, потребителей и производителей такого угля, что только традиционная технология Юго-Восточной Азии пригодна для этого.
