Переработка органических полимеров растительного происхождения в твердое топливо
Аннотация. В работе проведен анализ существующих технологий переработки биомассы растительного происхождения в сравнении с предлагаемой технологией увлаженного прессования. Сделан вывод о более высокой эффективности технологии увлажненного прессования, достигаемой вследствие учета физико-химических свойств перерабатываемого материала.
Ключевые слова: биомасса, увлажненное прессование, микроизмельчение, целлюлоза, шнековый пресс,
1. Введение
Основным запасом альтернативного топлива является биомасса, полученная в большой степени как отходы агропромышленном комплексе. Лесные запасы в Украине составляют около 15 % территории. Остальное – это угодья, возделываемые человеком. Поэтому переработка биомассы имеет большую актуальность. Причин, как всегда, много. Например - быстрый рост цен на ископаемые виды топлива, стремление минимизации транспортных расходов, усиление экологических требований и др. Нет смысла их все перечислять, т.к. с точки зрения бизнеса существенной является только одна причина – гранулы/брикеты из биомассы являются товаром, тогда как отходы товаром практически не являются. Иными словами, гранулы можно продавать на постоянной основе, по прогнозируемым ценам, с хорошей прибылью. Существует биржевой рынок топливных гранул. Отходы, конечно, тоже можно продать, на них даже есть товарный код, но продажи носят эпизодический характер, цены низкие, сделки носят исключительно локальный характер.
Первоначально нами была поставлена задача по разработке недорогой технологии получения гранулированного топлива из соломы, т.к. здесь существует промышленный способ предварительной уборки сырья.
На сегодняшний день гранулированная биомасса, поставляемая из Украины в Европу, на 90% отбраковывается из-за низкой механической прочности. Поэтому многие производители топлива недополучают ожидаемую прибыль.
Очень многие люди, которые решили заняться переработкой биомассы, столкнулись с множеством «подводных камней». При изучении различных технологий, и особенно практических результатов их применения, было выявлено, что только единицы получают стабильный результат, при этом реальная доходность производства не превышает 15%. Все заявленные производителями оборудования параметры не выдерживают никакой критики. Если задать вопрос производителям: «Покажите стабильно работающий завод по переработке соломы», то в ответ мы получим обещание, что вот-вот это случится. Положительных результатов добились лишь несколько фирм в Европе. Остальных постигла неудача. Основной причиной этого явился неправильный технологический подход и, следовательно, неверный выбор оборудования.
2. Цель и задачи
Как правило, для переработки биомассы, используется классическая технология переработки комбикормов с частичной адаптацией к перерабатываемому материалу. Но производство комбикормов отличается от производства твердого топлива. Эффективность работы оборудования пришедшего из «комбикормовых» технологий, имеющее при переработке комбикормов значение в районе 70%, при переходе к переработке древесины опускается до значений менее 30%, а при переработке соломы становится менее 10%. Это связанно с тем, что решаются изначально разные задачи, и, следовательно, необходимо достаточно глубоко изучить физико-химические процессы, проходящие при переработке биомассы в топливо.
Ни один производитель не уделил должного внимание тому, что перерабатывает органический полимер растительного происхождения. В результате машины работают в высокотемпературных режимах, имеют высокие энергетические затраты, низкую работоспособность рабочих органов.
Целью данной работы является анализ существующих технологий и их сравнение с предлагаемой технологией увлажненного прессования. При этом биомасса рассматривается как упругий, капиллярно-пористый полимер растительного происхождения, способный удерживать в себе влагу. По результатам анализа недостатков существующих технологий и оборудования для получения твердого топлива предложен новый подход, позволяющий получить высокое качество твердого топлива при малых энергозатратах.
3. Анализ
При изучении данного вопроса мы сталкиваемся с множеством других вопросов, которые необходимо решать в первую очередь. Постараемся их систематизировать и дать советы и технические решения. При рассмотрении вопросов о выборе технологии и оборудования необходимо ответить на следующие четыре вопроса.
1. Тип сырья, которое будет перерабатываться.
2. Технология и оборудование для переработки.
3. Хранение готовой продукции.
4. Пути реализации готовой продукции
3.1. Выбор сырья
Существуют три основных источника органики, из которых возможно получение твердого топлива:
1) древесина;
2) отходы сельского хозяйства;
3) торфяники.
Первые два из перечисленных источников сырья относятся к возобновляемым природным ресурсам, а переработка каждого вида сырья имеет свои технологические особенности.
Древесина. Переработка отходов деревоперерабатывающей промышленности или утилизация древесных материалов при санитарных и других видах работ возможна при наличии природных ресурсов в регионе. Основными проблемами при переработке такого сырья будут:
1) измельчение материала;
2) сушка;
3) прессование.
Важным моментом является качество сырья. Фактор влажности сырья и присутствие смол оказывают влияние на процесс горения топлива. При использовании древесины в качестве сырья очень много энергии при производстве твердого топлива будет тратиться на предварительную сушку материала, что существенно влияет на рентабельность производства.
Отходы сельского хозяйства. Переработка данного вида сырья считается наиболее экономически перспективным. Сама природа дарит сухой материал. Вопрос в том, как его правильно перерабатывать и эффективно использовать. Разработанная нами технология переработки позволяет увеличить доходность сельского хозяйства в 1,5-2 раза, при этом необходимо соблюдать рекомендации агрономов и ученых, чтобы не истощать землю в погоне за прибылью.
Торфяники. При получении дешевых энергоносителей данный вид ресурсов забыт. Сейчас при изменении ситуации на рынке энергоносителей ожидается существенный интерес к переработке данного сырья.
3.2. Технологии и оборудование для переработки.
Изучая рынок технологий и оборудования, мы сталкиваемся с большой проблемой отсутствия качественного отечественного оборудования, а также отсутствием информации о технологиях переработки. Люди идут в основном методом проб и ошибок.
Первичным в этом вопросе является выбор технологии переработки. Вторичным – выбор оборудования под выбранную технологию.
Единичные фирмы выпускают оборудование под ключ и гарантируют соблюдение технологических режимов. Срок окупаемости таких проектов 5-10 лет. Иногда такой подход вызывает множество вопросов и разочарований. Представители фирм рассказывают о своих преимуществах и тщательно скрывают недостатки. Как правило, люди пытаются приспособить оборудование для конкретных целей, не понимая физико-химических свойств материала и влияния их на технологический процесс.
В основном реализация оборудования идет по следующим направлениям:
1. Применение разработок, которые используются при производстве комбикормов.
2. Различные самодельные устройства, на которых получается хоть какой-то результат. Основные недостатки, которые возникают в процессе работы:
- невозможность работы с влажным сырьем,
- повышенный износ оборудования,
- повышенные энергозатраты,
- отсутствие полной технологической цепочки,
- работа на одном типе сырья,
- дороговизна оборудования.
Первым этапом обработки биомассы является ее измельчение. Например, в качестве основного элемента при измельчении соломы используется молотковая дробилка, которая имеет низкий КПД. Он колеблется в диапазоне от 1 до 5% и зависит от влажности соломы. Практически никто не учел тот факт, что межмолекулярные связи у соломы близки по прочности атомным связям низкосортных сортов стали. В результате этого затраты на переработку одной тонны соломы колеблется от 120 до 420 кВт (в зависимости от качества исходного сырья), что приводит к крайне низкой рентабельности производства. Многие производители несут убытки и отказываются от переработки соломы.
Вторым важным этапом в существующей технологии получения твёрдого топлива из биомассы является такой параметр как влажность сырья, который необходимо поддерживать в диапазоне абсолютной величины 10-12%. К сожалению, многие продавцы оборудования не указывают, сколько необходимо тепловой энергии для проведения качественного процесса переработки, мотивируя, что сушка сырья является «бесплатной». Это серьёзная ошибка. В качестве примера можно показать, что для получения одной тонны топлива из древесины с абсолютной влажностью 50-60% для ведения процесса гранулирования необходимо 60-100 кВт электрической мощности, а для сушки необходимо 5-7 МВт тепла. Такие энергозатраты, а также инвестиционная стоимость сушильного комплекса требуют серьезного отношения и не должны превращаться в «скрытые». Кроме того серьезным фактором может явиться агрегатное состояние влаги находящейся внутри сырья. Задавшись вопросом – как изменяются энергозатраты при переработке сырья с разной входящей температурой, можно получите ответ, почему в зимний период возникают проблемы в переработке биомассы.
Предлагаемая нами технология позволяет отказаться от сушки сырья.
Мы производим микроизмельчение входного сырья и и сбор микропыли, что приводит к резкому снижению энергозатрат, возможности работы с любым сырьем, удешевлению оборудования, отсутствию химических наполнителей-склеивателей, полная переработка в технологической линии, получение твердого топлива с повышенными энергетическими показателями. С нашей точки зрения, не разрушив структуру материала невозможно достичь качественного гранулирования материала. Основные энергетические затраты необходимо направлять на микроизмельчение материала, а не на его сушку и прессование.
Основной проблемой микроизмельчения является отсутствие на рынке качественных «сухих» измельчителей, учитывающих особенности микроизмельчения биомассы, которая являясь капиллярно-пористым веществом, имеет низкую плотность, высокую упругость, инерционность и высокие показатели межмолекулярных связей. Исходя из изложенного выше, мы разработали принципиально новый механизм микроизмельчения и получили качественные результаты. Сейчас мы производим испытание новых дезинтеграторов, рассчитанных на измельчение биомассы. Используя новые методики расчетов, мы можем оптимизировать процессы измельчения для каждого материала в отдельности.
Данные виды исследований производятся совместно с Харьковским национальным техническим университетом сельского хозяйства им. Василенка. В составе университета есть научно-исследовательский технологический институт, где на базе опытного производства отрабатываются опытные образцы и новые технологии.
Современные дезинтеграторы являются высокоэффективными измельчающими и перемешивающими устройствами. Они способны решать комплекс вопросов диспергирования минерального и органического сырья, от сверхмелкого, до сверхтонкого помола материалов различного состава, влажности, прочности. Высокая размольная мощность, низкая себестоимость помола позволяют использовать дезинтеграторы там, где применение других видов оборудования для «сухого» измельчения экономически не целесообразно. За счет применения способа измельчения (свободный удар) для получения тонкомолотого материала потребление энергии снижается в 2-4 раза (это зависит от материала), а масса оборудования уменьшается в 15-20 раз. Сравнивая дезинтегратор с другим оборудованием для «сухого» измельчения мы видим его превосходство по совокупности технологических результатов и прямых затрат на их получение. Выдающийся советский ученый, родоначальник ударной дезинтеграторной активации, доктор технических наук Йоханес Александрович Хинт сравнивал рабочие органы дезинтегратора с резцами металлообрабатывающих станков. Он утверждал, что механоактивация меняет качественные характеристики материалов примерно на 30% и позволяет получать материалы с новыми характеристиками. Выводы относительно ударного измельчения и активации материалов с большей механической энергией, сделанные Й.А.Хинтом в 50х-70х годах прошлого столетия, основывались на глубоком понимании физической природы разрушения твердого тела. Под воздействием внешней нагрузки в твёрдом теле возникают напряжения, превосходящие силы внутреннего сцепления и оно разрушается. При измельчении биомассы, разрушения происходят на уровне молекулярных связей. Огромное значение данного процесса предсказывал Д.И. Менделеев: «Чтобы между твердыми телами протекали реакции, необходимо сколь мелко измельчить и перемешать их между собой. Через это, взаимодействие значительно ускоряется».
Проведенный анализ раскрывает энергетический баланс существующих технологий переработки биомассы и позволяет сделать вывод о том, что причины отсутствия экономического, а иногда и технологического результата при их использовании следует искать в недооценке важности учета физико-химических свойств исходного сырья.
Изучая состав различных биомасс, мы пришли к выводу, что любой материал можно гранулировать и получать топливо, используя эту технологию. Необходимо только изменять и оптимизировать рабочие органы машин для конкретного материала.
В распространенных технологиях переработки биомассы этап прессования часто выполняется с использованием прессов ролико-матричного типа (например, ОГМ), низкая эффективность которых для данного применения определяется следующими факторами:
1) высокая упругость прессуемого сырья (соломы);
2) расход энергии на «прессование» материала между отверстиями матрицы;
3) не большой процент деформационных сдвигов.
Детально изучив эти вопросы, мы пришли к заключению, что применение «комбикормовой» технологии для гранулирования биомассы не эффективно, что особенно заметно при переработке соломы. Необходимо создавать технологическую цепочку, которая учитывает физико-химические свойства органического полимера.
Изучив большое количество факторов, влияющих на качество твердого топлива из биомассы, мы пришли к выводу, что механическая прочность гранулы определяется глубиной прохождения термохимической реакции полимеризации. Основополагающую роль при прессовании играет сдвиг слоев материала, поэтому использование ударного воздействия при прессовании не эффективно, так как не соблюдаются условия для проведения процесса полимеризации.
Исходя из исследований физико-химических свойств целлюлозы и лигнина академиком Э.Л.Акимом и влияния на эти свойства воды, мы пришли к выводу, что прессование необходимо проводить при обязательном присутствии воды, т. к. вода выступает в роли катализатора и модификатора физико-химических превращений, происходящих с целлюлозой и лигнином. Для проведения качественного процесса полимеризации более всего подходит шнековый пресс-гранулятор. Нами, экспериментальным путем было определено время нахождения перерабатываемого материала под давлением, которое достаточно для процесса углефикации биополимера.
При предлагаемом технологическом подходе увлажненного прессования формирование требуемого влажностного режима осуществляется следующим образом:
1) часть избыточной влаги теряется на этапе микроизмельчения сырья и подогрева измельченной биомассы, причем в большей степени «капельным» путем (т.е. при отсутствии фазового перехода жидкости в пар);
2) перед прессованием микроизмельченная биомасса увлажняется паром, для обеспечения оптимальных тепло-влажностных режимов процесса прессования;
3) при прессовании часть влаги химически связывается в гранулированном материале, что, ко всему прочему, обуславливает подъём теплотворной способности гранулы по сравнению с исходным сырьем на 10-20 %;
4) на этапе термостабилизации готовой гранулы испаряется избыточная влага из гранулы, при этом часть энергии возвращается (рекуперируется) в технологический процесс.
В предлагаемом оборудовании для гранулирования микроизмельченного сырья используется пресс шнекового типа, обеспечивающий сдвиговые деформации в гранулируемом материале, сопротивление которым у измельченной биомассы ниже, чем деформации сжатия. Прессование сырья в увлаженном виде является следствием учета полимерной природы веществ, входящих в состав растительной биомассы (в первую очередь — целлюлозы), и позволяет существенно снизить температуру перехода прессуемого материала в более технологически эффективное агрегатное состояние и, как следствие, расходы энергии на переработку.
Думаю не совсем корректная цена в условиях нынешнего рынка в Украине...
...
