Производство древесного угля

Россия является и субъектом и объектом Киотского Протокола. В его рамках страны-участники обязуются обеспечить снижение выбросов парниковых газов в атмосферу.

Когда деревья погибают по естественным причинам и их биомасса разлагается, углекислота вновь переходит в свободное состояние. Поэтому образование углекислоты при сжигании, а также при термических и химических превращениях древесины не включается в баланс общих выбросов и рассматривается как естественный фон. Эта ситуация сформировала мировую тенденцию к вытеснению традиционно использовавшихся в энергетике и технологии каменного угля и нефтепродуктов древесиной – и как топливом, и как сырьем для химических превращений.

Белая Книга ЕС ставит цель: утроить использование биоэнергии к 2010 году. Наши европейские соседи проявляют поэтому особый интерес к возможностям экспорта из России древесных отходов и полученных из них товарных продуктов. Использование древесного сырья позволит значительно сэкономить средства, а также получить экономические выгоды от улучшения ухода за лесом, от оздоровления окружающей среды, от создания новых рабочих мест.

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. С начала бронзового века древесный уголь стал одной из основ развивающейся цивилизации.

Немыслимо представить старую русскую деревню без кузницы. 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 углежжение. Только на древесном угле получается высококачественный ковкий, пластичный чугун. Его особые свойства позволили создать все замечательные чугунные ограды и многие памятники Петербурга. До сих пор этот чугун варят на Урале для художественного литья.

Отсутствие вредных для многих технологий фосфора, серы, тяжелых металлов, возможность изготовления разнообразных сорбентов, позволяют древесному углю и сейчас оставаться одним из важных продуктов.

Далеко в историю уходят такие разновидности термической переработки древесины, как производство дегтя, сосновой смолы "икрянки". В начале Великой Отечественной войны боеспособность авиации во многом зависела от выработки этилацетата – основы самолетного лака. Этилацетат делали из уксусной кислоты, полученной при газификации древесины. За разработку технологии улавливания этого соединения лесохимики А.А. Деревягин, А.А. Ливеровский и В.А. Лямин в разгар войны получили Сталинскую премию первой степени наравне с конструкторами оружия, создателями брони и взрывчатых веществ. Для того времени это была высшая мера признания заслуг и вклада в дело обороны.

Сегодня в мире производится около 9 млн т/год древесного угля. Более 7,5 млн тонн из этого количества делает Бразилия. Многолесная Россия производит немногим больше 100 тыс. т/год (в канун перестройки производилось 350 тыс. т/год). Существует неудовлетворенный спрос на древесный уголь. В Россию ввозят уголь из Белоруссии и Украины, из Китая. Потребление древесного угля на душу населения в год в европейских странах превышает 20 кг, в скандинавских странах 25 кг, в Японии свыше 60 кг. В России этот показатель менее 100 грамм.

Существует несколько разновидностей древесного угля, связанных с различной технологией изготовления и особенностями сырья. Например, в Японии очень велик спрос на так называемый «белый» уголь, выжигаемый из дальневосточного железного дуба. Некоторые зарубежные фирмы изготавливают в качестве топлива для каминов и грилей «красный уголь», получаемый мягким углежжением при невысокой температуре.

Предпочтительным сырьем для углежжения является твердолиственная древесина. Из нее получается более прочный и плотный уголь. В новых условиях сырьем для углежжения чаще 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 заводы нерентабельными, и они перепрофилировались или прекратили существование.

Режим пиролиза определяющим образом влияет на выход и состав продуктов, но при прочих равных условиях выход зависит от породы перерабатываемой древесины и части дерева, подверженной пиролизу. В промышленном производстве выход угля часто бывает заметно меньше, чем расчетный. Самые распространенные причины – 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. Качественным считается для большинства направлений потребления уголь, прокалка которого завершена при 450...550 градусов С.

Технология производства древесного угля относительно проста, но все-таки требует определенной культуры производства. Иначе выход угля снижается, уголь получается трещиноватый, мелкий, пахнущий смолами, недожженный.

Аппаратов для термического разложения древесины создано множество. Некоторые из них работают в настоящее время. Другие еще совсем недавно использовались в промышленности, но теперь потеряли свое значение. Еще больше таких, которые остались в патентах, конструкторских разработках, опытных установках.

Настало время, когда интуитивное изобретательство, основанное на «вкусовом» восприятии выбираемой конструкции, должно отойти в прошлое. Накопленных знаний достаточно, чтобы не изобретать новые углевыжигательные аппараты, а строго и точно рассчитывать вариант, соответствующий требованиям конкретного заказчика – составу и количеству сырья, особенностям спроса и другим параметрам.

На нынешнем этапе развития наиболее приемлемы те технологические решения, которые могут быть использованы в условиях лесопромышленного предприятия и позволяют переработать отходы. При этом углевыжигательные аппараты должны отвечать следующим условиям:

1. Производительность по сырью соответствует объему отходов на предприятии (как правило, 3…20 тыс. куб м/год). Таким образом, исключаются дальние перевозки сырья, удорожающие производство.
2. При небольшой производительности нецелесообразно перерабатывать жидкие продукты. Они должны сжигаться, покрывая потребности процесса в тепле.
3. Установка должна быть экологически чистой. Необходимо исключить выбросы в окружающую среду и загрязнения.
4. Установка должна быть простой в изготовлении. Транспортабельный вариант должен иметь возможность перемещения при передислокации лесозаготовок.
5. Установка должна быть проста в управлении, взрыво- и пожаробезопасна.

Исторически, углежжение было экологически грязным процессом. Углевыжигательные кучи и всевозможные примитивные «бочки» и ямы обеспечивали углем и промышленность, и население. Следует учесть, что с конца 19 века, благодаря успехам медицины произошло резкое увеличение численности населения, особенно увеличилась его плотность в Европейской части страны и западном Зауралье. В последнем столетии быстро рос спрос на товары, для изготовления которых требовался древесный уголь. В итоге, давление на природу, производимое экологически грязными технологиями, сделалось угрозой для выживания самой природы.

Между тем, спрос на древесный уголь растет. Предприниматели, заинтересованные только в прибыли, взяли на вооружение в первую очередь дешевые печи УВП-5. Их обслуживание требует тяжелого ручного труда. Главный их недостаток состоит в том, что все парогазы выбрасываются в атмосферу, загрязняя окружающую среду. Печи не имеют изоляции, и поэтому теплопотери велики. Температура поверхности печи в стадии экзотермы достигает 300 градусов С, что является грубым нарушением нормативов техники безопасности. Выход угля из кубометра дров вдвое ниже, чем у рационально организованных установок. Вместе с тем, благодаря плотной ручной укладке дров, они относятся к числу наиболее эффективных по выходу угля на единицу объема аппарата и на тонну израсходованного металла. Как правило, эти печи обслуживают гостарбайтеры. Когда они подрывают здоровье и уезжают домой, им на смену приезжают другие такие же. Наши традиции, восходящие к советской системе, позволяют оправдывать это истребление природы и людей производственной необходимостью. Нужно было разорвать этот порочный круг.

В 1992 году в ЛТА была разработана печь, которая должна была стать альтернативой экологически грязным установкам (патент России №2115689 от 24.01.1997, авторы Л.В.Свирин, Ю.Д.Юдкевич, А.С.Иванов). Сущность технического решения состоит в том, что выемные реторты устанавливаются в отверстия в верхнем настиле топочного устройства. Реторты устанавливаются в печь со сдвигом во времени. Так что, когда в одной идет сушка, в другой – пиролиз, а в третьей прокалка угля. Парогазы выходят через колосники и специальные каналы в топочный объем и там догорают. За счет этого удовлетворяется потребность в тепле, если исходная влажность дров ниже 50% отн. При более высокой влажности в топку добавляются дрова. Топка работает непрерывно, а реторты, в которых процесс завершился, извлекаются и устанавливаются для охлаждения в специальные подставки. В освободившееся отверстие вставляется очередная реторта, заполненная свежими дровами. Таким образом, топочное пространство не охлаждается, и теплопотери уменьшаются. Охлаждение угля также протекает эффективно, поскольку отвод тепла идет только от угля, через одинарную стенку реторты. Отпадает необходимость заливать уголь водой. Установка «всеядна» – способна перерабатывать и дрова, и отходы различных размеров. Благодаря тому, что охлаждению подвергается только выемная реторта, а не вся установка, не только выигрывается тепло, но и оборот реторт существенно снижается.

Эта конструкция в ее упрощенном виде была принята на вооружение в Индии. Там с ее помощью переугливают различные сельскохозяйственные остатки. Полученный уголь брикетируют. Сейчас в Индии работает около 400 таких установок.

Совершенствование этой технологии вылилось в создание семейства аппаратов с выемными ретортами, получивших общее название «ПОЛИКОР». В отличие от предыдущих конструкций установки этой серии имеют отдельно разнесенные зоны сушки и пиролиза. Это позволяет более рационально использовать тепло, направляя горячие дымовые газы сначала в зону пиролиза, а затем в сушилку. Сейчас в России работает 6 установок типа «Поликор». Дальнейшее развитие этого направления позволило создать печи «ЭКОЛОН», в которых устранены выявленные при эксплуатации «ПОЛИКОРОВ» недостатки.

Создана новая версия «ЭКОЛОН-М». Эта версия запланирована в двух модификациях с производительностью 800-1000 и 1800-2000 т/год угля. 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. Они горят значительно медленнее, чем дрова, а тепла выделяют больше, и, в отличие от дров, при их сгорании не образуется угарный газ. «Угольные поленья» пользуются спросом у владельцев каминов на Западе. Необходимая площадь для размещения всех подразделений установки, включая биржу сырья и склад составляет 30х55 кв. м.

1 топка; 2 пиролизная камера; 3 сушильная камера; 4 реторты с дровами; 5 реторты с остывающим углем; 6 вытяжная труба

Показатели	Углевыжигательная печь «Эколон»
Производительность по товарному продукту (уголь), т/год	1000	1800
Производительность по исходному сырью (древесина), м3/год	10000	18000
Капиталовложения, млн. руб.	6,0	9,6
Валовой доход в 1 год, млн.р.	12	15
Валовой доход во 2 год, млн.р.	15	18
Чистая прибыль в 1 год, млн.р.	3,2	5,2
Чистая прибыль во 2 год, млн.р.	4,3	7,0
Срок окупаемости, лет	2,0	1,4

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. Разработаны и спроектированы две установки этого назначения. Это «КОРВЕТ» и «ПОЛЕВКА». «КОРВЕТ» в формате транспортного контейнера в уменьшенном виде повторяет конструктивные решения «ЭКОЛОН». «ПОЛЕВКА» конструктивно решена иначе. Горизонтальное расположение реторт позволяет заменить подъемное устройство лебедкой. В уменьшенном варианте это может быть ручная лебедка, и тогда установка получается полностью энергонезависимой. И та, и другая установки построены, прошли уже опытную эксплуатацию и могут поставляться изготовителями заказчикам в готовом виде. Проектная производительность «Полевки» до 250 т/год угля (2000 куб. м/год древесных отходов), «Корвета» до 350 т/год (3000 куб. м/год дров).

В настоящее время разрабатывается новый тип стационарной установки производительностью до 600 т/год угля. Такая установка нужна там, где объем отходов не превышает 7000 куб. м/год. В установку заложен принцип, апробированный в мобильной установке «Полевка» – - горизонтальное перемещение выемных контейнеров.

Завершены экспериментальные работы по созданию линии, включающей брикетирование опилок и производство из них угля. Такой уголь пользуется повышенным спросом и в Европе и в ряде Азиатских стран.

Неиспользуемые опилки сделались бременем для многих лесопильных и деревообрабатывающих предприятий, и их превращение в товарную продукцию таким путем требует неизмеримо меньших капиталовложений по сравнению с производством пелет. Вдвое меньше энергозатраты, т.к. исключается размол опилок в муку. При этом можно создать эффективное производство, перерабатывающее от 40 куб. м/сутки опилок. Это достаточно большой объем, но, если вовлечь в производство отходы нескольких пилорам, можно получить эффективное производство на практически бросовом сырье. Брикеты имеют плотность 1100 – 1200 кг/куб. м и могут напрямую использоваться как элитное топливо. Из брикетов, изготовленных на отечественном станке, выпущена опытная партия угля. Полученный уголь удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым по ГОСТ 7657-94, высшему сорту марки А, хотя изготовлен из хвойных опилок.