Юдкевич Ю.Д., Коршиков В.И. (доклад)

ПРОИЗВОДСТВО КАЧЕСТВЕННОГО ДРЕВЕСНОГО УГЛЯ ИЗ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ. ОПЫТ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Резюме: Разработаны принципы и конструктивные решения позволяющие изготавливать качественный древесный уголь из древесных отходов любых пород в экологически чистом процессе. Значительная часть конструктивных решений проверена в промышленной эксплуатации.

Ключевые слова: Древесный уголь, древесные отходы, экология, биоэнергетика.

В процессе лесозаготовок и первичной разделки древесины более половины ее переходит в отходы. Только в Ленинградской области древесных отходов накапливается в год не менее 4 млн м³. Почти все эти отходы можно рассматривать как биотопливо - возобновляемое сырье для получения товарных продуктов или энергии.

В течение 12 лет в Лесотехнической академии, АОЗТ “Партнер” и ныне в ООО “Биоэнергия” мы развиваем это направление.

В условиях рыночной экономики производство древесного угля на больших предприятиях стало нерентабельным, т.к. сырье приходится везти издалека, а транспортные тарифы сильно возросли. Традиционное сырье для пиролиза – твердолиственная древесина. В существующих экономических условиях изготовителям древесного угля трудно конкурировать при закупках сырья с деревообработкой или целлюлозно-бумажной промышленностью. Вместе с тем, существует неудовлетворенный спрос на древесный уголь. Потребление древесного угля на душу населения в год в Европейских странах превышает 20 кг, в Японии свыше 60 кг. В России этот показатель менее 50 грамм. Бизнесмены пытаются заполнять дефицит с минимальными затратами. Поэтому, повсеместно эксплуатируются установки, которые выбрасывают ядовитые пары и газы в окружающую среду и крайне нерационально используют тепло. Из-за неэффективной организации теплового режима слишком много дров тратится на нагрев, и дымовой газ, содержащий фенолы, кислоты и окислы азота попадает в воздух. Жидкие продукты отравляют почву. Окружающий лес за несколько лет высыхает, а люди страдают от профессиональных заболеваний. Если теоретически в древесный уголь переходит более половины тепловой энергии древесины, то в кустарных установках эта величина не превышает 10%. Мы поставили перед собой задачу создать экологически чистое и энергосберегающее производство древесного угля.

1.1 Существующие технологии. Классификация, экономичность, экологичность

Исторически наиболее ранними были ямное и кучное углежжение. Именно эти способы производства обеспечивали углем знаменитые демидовские заводы Урала, многочисленные кузницы, существовавшие почти в каждой деревне. Профессия углежога была очень распространенной и в России, и в Европейских странах и в Азии. У многих народов в Африке, в Азии и в Латинской Америке до сих пор в очагах для приготовления пищи применяется только древесный уголь, и его заготавливают традиционными способами. Эти способы не требуют аппаратуры и, поэтому, в слаборазвитых странах сохранились до сих пор. Их огромное преимущество – отсутствие капиталовложений и небольшие удельные трудозатраты, а главные недостатки – отравление окружающей среды и низкая эффективность использования сырья. В тропических и субтропических странах регенерация природы идет быстро. В условиях Северо-Запада России, где природа легко ранима и трудно восстанавливается, а плотность населения высока, использование этих методов недопустимо.

В наших лесах до сих пор продолжают работать установки, которые отличаются от углевыжигательных куч тем, что выполнены из металла, т.е. не имеют экономических достоинств своих предшественников, но имеют их недостатки. Это прежде всего разные модификации печей УВП, которые в Ленинградской, Псковской, Новгородской, Вологодской областях буквально наводнили леса при попустительстве контролирующих органов. Они сравнительно дешевы, но наносимый ими вред окружающей среде трудно оценить. Аналогично воздействуют на природу и некоторые установки, поставляемые из Швеции и Польши. Сомневаюсь, что их используют в своих странах. К сожалению “изобретать” новые установки с аналогичными показателями стали сейчас многие, и потребители – лесники и лесозаготовители часто принимают на веру рекламные посулы. Все эти относительно дешевые “УП”, “уральские печи” и т.п. могут существовать только там, где предприниматель не озабочен ни чем, кроме быстрого получения прибыли. После себя они оставляют мертвую землю, которая в северных условиях регенерируется через много лет.

Рис. 1. Классификация аппаратов для пиролиза древесины

В период индустриализации в многолесных районах было построено несколько крупных заводов по производству древесного угля. Часть из них была снабжена “американскими” вагонными ретортами, другие печами разных конструкций так же с передвигающимися вагонетками. Эти конструкции требовали большого количества неквалифицированного труда и не были экологически чистыми. Постепенно, большая их часть была заменена вертикальными ретортами. Эти аппараты были более экологичны и в большей степени механизированы. Заводы проектировались таким образом, чтобы получать не только уголь, но и жидкие продукты термораспада древесины. Такие продукты были востребованы в течение многих лет, пока не оказались вытеснены более дешевыми синтетическими. Предприятия с улавливанием жидких продуктов сделались нерентабельными. К тому же, они успели вырубить вокруг себя всю пригодную для углежжения древесину. Еще один большой недостаток вертикальных реторт, это неизбежное получение большого количества (до половины) мелкого угля. Этот уголь без брикетирования не пользуется спросом.

В последние годы появились новые конструкции, учитывающие современные реалии. Экологически чистыми являются установки ООО Сыктывкармаш ("ПАРМА"); ЗАО “СКК” (“УПР”, “УМПУ-30”, “УМПУ-50”) и некоторые другие.

Основное решение, которое позволяет сделать эти установки экологически чистыми, состоит в сжигании парогазов разложения в собственной топке. Одновременно решается и энергетическая задача – покрывается частично или полностью потребность установки в тепле. От конструктивных решений зависит большая или меньшая рентабельность этих установок.

Все конструктивные решения, которые когда-либо применялись или будут применяться в углежжении, сведены в приведенной выше схеме (рис.1) Сочетание тех или иных принципов при конструировании нового аппарата во многом зависит от пристрастий разработчика, но, в первую очередь, определяется экономическими приоритетами.

Мы видели своей целью разработку установок способных использовать лесосечные отходы, нетоварную древесину, отходы деревообработки. Производство должно было быть экологически безопасным, а капиталовложения минимальными.

Выбирая производительность установки, мы исходили из той позиции, что этот параметр должен быть ограничен количеством отходов, которые собираются вблизи установки (в радиусе не далее 50 км), чтобы избежать расходов по перевозке дров. Возможно, и размещение передвижных модулей непосредственно около лесосеки.

Разработанное нами семейство установок получило общее название “ПОЛИКОР”. Они удовлетворяют современным экологическим и технологическим требованиям, просты в обслуживании и производят товарный древесный уголь из древесных отходов. Первая установка этого типа “ПОЛИКОР1” пущена в эксплуатацию в мае 1999 г. Вторая, вдвое большей мощности “ПОЛИКОР2” построена в г. Приозерск и пущена в эксплуатацию в ноябре 2000 г. Несколько позже в г. Тихвине построена и эксплуатируется вторая такая установка. Испытания установок показали, что они управляемы и могут поддерживать различные температурные режимы. Древесный уголь высокого качества из отходов произведен впервые. В зависимости от запросов потребителей может быть произведен уголь с разным содержанием нелетучего углерода и различный по другим показателям. Благодаря особенностям технологии можно получать уголь, сохраняющий форму и размеры поленьев. Такие угольные “поленья” удобны для сжигания в каминах. Поскольку они горят значительно медленнее, чем дрова, а тепла выделяют больше, и, в отличие от дров при их сгорании не образуется угарный газ, они являются особо комфортным топливом.

В настоящее время большая часть производимого древесного угля отправляется на экспорт. Теоретически процесс пиролиза древесины, сопряженный со сжиганием парогазов теплоизбыточен, и тот факт, что известные углевыжигательные установки потребляют значительное количество дополнительного топлива, объясняется пренебрежением к экономии тепла и нерациональной организацией процессов. Установка “ПОЛИКОР2” не требует дополнительного топлива. Испытания показали, что образуется избыточное тепло, которое можно использовать.

Принцип действия установки: дрова в выемных ретортах помещаются сперва в сушилку, а, после подсушки, в пиролизер. Газообразные и жидкие продукты теплового разложения в виде паров и газов поступают в топку через специальные каналы, и полностью сгорают. Таким образом, вредные выбросы не попадают в воздух, а сжигаются и покрывают потребность установки в тепле. Помимо печи установка включает склад сырья с зоной фасовки, погрузчик, площадки подготовки сырья с пилой и колуном, подъемный кран, опорные подставки для реторт, устройства для загрузки и разгрузки реторт, бытовку и операторскую. Необходимая площадь для размещения всех подразделений установки, включая биржу сырья и склад составляет 30^х55 м².

Состав выбросов в окружающую среду, %: N₂ 37,5; O₂ 10,0; NO_x5,0^x10^-3; H₂O 43,8; СО 5,0^x10^-2; CO₂ 9,0. В выбрасываемом отработанном теплоносителе концентрация вредных компонентов NО_x и СО - намного ниже допустимых.

Опыт эксплуатации “ПОЛИКОР2” позволил усовершенствовать технологию и конструкцию и был выпущен проект установки “ПОЛИКОР3”, которая по производительности аналогична установке “ПОЛИКОР2”, но дешевле ее в изготовлении и проще в эксплуатации. В декабре 2002 и марте 2003 года пущены две установки “ПОЛИКОР3” в Архангельске и Боровичах.

Характеристика установок “ПОЛИКОР2” и “ПОЛИКОР3” представлена в таблице1

Параметры	ПОЛИКОР2/ ПОЛИКОР3
Производительность по древесному углю, т/год	800-1000
Расход технологических дров, м³ /год	8000-11000
Емкость одной выемной реторты, м³	2,4
Количество реторт в обороте, шт.	36
Размеры печи, м: Ширина х Длина х Высота	6,5 х13,0х6,0 / 5,0 х14,0 х6,0

Применение установок типа “ПОЛИКОР” улучшает экологические условия на территориях, где они располагаются, не только из-за отсутствия вредных выбросов, но и за счет очистки от неликвидной древесины. Территории, которые были заняты для хранения отходов, освобождаются и возвращаются в оборот. Возрастает объем товарной продукции. Создаются новые рабочие места. Выработка собственного тепла позволяет отказаться от привозного топлива.

Анализ работы установок “ПОЛИКОР3” позволил сделать следующий шаг. Для многолесных районов начата разработка проекта установки производительностью 2000 т/год угля. Благодаря новым решениям эта установка при удвоенной мощности будет стоить не дороже чем “ПОЛИКОР3”.

Существует потребность и в установках другого типа - небольших, транспортабельных, способных передвигаться к местам скопления отходов. Такие установки могут пригодиться для утилизации древесины рубок ухода в лесхозах, в составе автопоездов при прокладке по многолесным районам различных трасс и т.п. Такая установка при нашем участии запроектирована, изготавливается и в октябре 2003 года головной образец будет готов. Это будет полностью автономный аппарат, не требующий ни внешних источников энергии, ни инфраструктуры. Проектная производительность 300 т/год угля (3000 пл кбм/год древесных отходов). Установка получила имя “Полевка”. После испытаний и доводки мы планируем начать выпуск таких установок серийно под ключ. Уже имеются заказы на несколько “Полевок”.

Другое “экзотическое” решение разработано нами совместно с учеными из индийского института “ARTI” в г. Пуне, штат Махараштра. Были применены решения, использованные в семействе “Поликор”, но в значительно уменьшенном формате с учетом потребностей этой страны. Сырьем служат листья сахарного тростника. Уголь из них размалывается, а, затем брикетируется. Сейчас в Индии уже работают 4 такие установки, и планируется строительство новых.

Для отечественных фермеров, желающих изготавливать уголь время от времени для своих нужд, разработан вариант этой конструкции, получивший название “Полевая печь ЛТА”.

Мы продолжаем двигаться к нашей генеральной цели – вытеснению из Российских лесов всех экологически грязных и энергетически затратных углевыжигательных установок.

Древесный уголь в том виде, как он получается при термическом разложении древесины, пользуется сейчас спросом. Большая часть производимого угля, как в России, так и за рубежом сжигается в разнообразных шашлычницах, барбекю, каминах. Другая часть используется в металлургии как восстановитель и для изготовления электродов, в химической промышленности по ряду направлений. Зарубежные потребители значительную часть угля направляют на производство активированных углей и брикетов.

В России эти виды переработки древесного угля развиты слабо.. В странах Скандинавии и Польше за последнее время сложилась обширная и прибыльная индустрия изготовления брикетов, пользующихся особым спросом на Западе, из Российского и Белорусского угля.

Активированный уголь необходим в пищевой и винно-водочной промышленности, а так же для очистки питьевой воды, промстоков, органических жидкостей и газов, воздуха и отечественные потребители активированного угля зачастую приобретают за рубежом активированные угли, изготовленные из Российского угля.

Мы поставили перед собой задачу развить процессы вторичной переработки древесного угля на Российской территории. В этом направлении нами сделаны уже первые шаги.

Разработана и рассчитана конструкция экологически чистого и безотходного активатора. Эта работа ожидает своего заказчика.

Проведены исследовательские работы по созданию новых типов брикетов. Мы разработали рецептуру быстро возгорающихся брикетов и брикетов длительного горения. Такие брикеты востребованы в азиатских и некоторых европейских странах.

Созданы так же брикеты медленного тления, саморазогревающиеся при добавлении воды. Эти брикеты могут использоваться, например при доставке горячей пищи от места приготовления к удаленному месту потребления.

Ведутся переговоры с потенциальными инвесторами, заинтересованными в такой продукции.

Комплекс наших работ должен сделать производство и переработку древесного угля в России исчерпывающими, экологичными и экономически и энергетически высокоэффективными.