Получение пиролизного газа из древесных отходов

Пиролиз древесины еще называют сухой перегонкой. Этот процесс представляет собой разложение древесины в условиях высокой температуры в пределах 450 °C без доступа кислорода. Вследствие такого процесса получаются газообразные и жидкие (в том числе древесная смола) продукты, а также твердый материал — древесный уголь.

Технология пиролиза древесины

Пиролиз является одним из первых технологических химических процессов, которые известны человечеству. Еще в середине XII века этой технологией активно пользовались для получения сосновой смолы, которую применяли для пропитки канатов и просмолки деревянных кораблей. Этот процесс тогда называли смолокурением.

С началом развития металлургической отрасли, возник иной промысел, основанный на сухом пиролизе лесоматериалов, — углежжение. В этом процессе конечным материалом являлся древесный уголь. Началом распространения промышленного использования пиролиза дерева можно называть XIX век. Основным продуктом пиролиза в те времена была уксусная кислота. Сырьем служили лишь лесоматериалы лиственных сортов.

Процесс пиролиза основывается на разных свободно-радикальных реакциях термодеструкции целлюлозы, лигнина и гемицеллюлоз. Эти реакции происходят в условиях температур от 200 до 400°C. Пиролиз древесины является экзотермическим процессом, в ходе которого получается большой объем тепла (примерно 1150кДж/кг).

Технологическая схема пиролиза лесоматериалов состоит из таких этапов:

  • измельчение древесины
  • высушивание измельченной древесины
  • пиролиз
  • охлаждение и стабилизация угля, чтобы предотвратить самовозгорания
  • процесс конденсации паров летучих продуктов.

Наиболее длительной и энергозатратной стадией можно назвать сушку древесины до уровня влажности 15%. Сушка осуществляется в условиях температуры 130-155°C при помощи подвода внешнего тепла. При этом из лесоматериалов удаляется вода, а также меняются некоторые компоненты древесины.

После этого древесина уже начинает разлагаться. Происходит это в пределах температуры от 155 до 280°С. На этой стадии распадаются наименее стойкие ее составные части. При этом выделяются углекислый газ, окись углерода, уксусная кислота.

Далее температура поднимается до отметки 280-455°С. В этих условиях начинается испарение и образование основного объема продуктов разложения лесоматериалов. При этом происходит активное высвобождение тепла (экзотермический процесс) с выделением большого количества CO2, СО, CH4, эфиров, карбонильных соединений, углеводородов, уксусной кислоты, ее гомологов и метанола. В самом конце удаляется смола.

Затем начинается прокаливание древесного остатка. Температура поднимается более 500°С. Во время этого процесса выделяется и удаляется тяжелая смола, а также СО2, Н2, СО и углеводороды. Это и есть окончание пиролиза, а полученный остаток является древесным углем.

Объем полученных продуктов пиролиза древесины очень различается, все зависит от размера кусков лесоматериалов, температуры процесса, его длительности, а также уровня влажности сырья.

Устройства для осуществления пиролиза

Этот процесс протекает в ретортах. Реторта – это цельносварной металлический сосуд цилиндрической формы. Внутри он имеет диаметр от 2,5 до 2,9 м, а толщина стенок составляет 15 мм. Вверху аппарата есть загрузочное устройство для сырья, а снизу располагается конусная часть и выгрузочное устройство для угля. Реторта имеет высоту около 25 м. Реторта оборудована четырьмя патрубками. Через верхний патрубок выводится парогазовая смесь, через второй вводится теплоноситель, третий отводит нагретые газы из области охлаждения угля, а по четвертому, самому нижнему, вводятся холодные газы, которые охлаждают уголь.

  • непрерывного действия
  • периодического действия
  • полунепрерывного действия.

Кроме этого по принципу обогрева бывают:

  • устройства с внутренним обогревом. В таких аппаратах тепло подается к лесоматериалам от теплоносителя в ходе прямого контакта. В качестве теплоносителя выступают горячие топочные газы, которые принудительно загружаются в устройство. В таком случае процесс пиролиза осуществляется более мягко, но объем продуктов разложения примерно в 7-10 раз меньше
  • устройства с наружным обогревом. В таких аппаратах тепло подводится посредством металлических стенок реторт, которые обогреваются горячими дымовыми газами.

Самыми распространенными являются устройства полунепрерывного действия. В них древесина загружается периодически, малыми количествами через равные отрезки времени. Парогазовая смесь отбирается непрерывно, а выгрузка угля происходит периодически, порционно.

В устройствах непрерывного действия все стадии процесса происходят одновременно: в верхней части происходит сушка, далее — лесоматериалы прогреваются до температуры разложения, в средней части древесина разлагается, а в нижней — прокаливается и охлаждается уголь.

Быстрый пиролиз древесины

Довольно распространенной разновидностью пиролиза можно назвать быстрый пиролиз, в ходе которого тепловая энергия подводится к исходной смеси на высокой скорости. Весь процесс протекает без доступа кислорода.

Процесс медленного пиролиза сравним доведением воды до точки кипения, а вот метод быстрого пиролиза можно сравнить с попаданием в раскаленное масло капли воды, которое иначе называется взрывное вскипание.

Главные особенности быстрого пиролиза лесоматериалов:

  • возможность формирования замкнутого непрерывно текущего технологического производственного процесса
  • значительная «чистота» конечных продуктов пиролиза, которая достигается вследствие отсутствия стадии осмоления
  • низкая энергоемкость подобного процесса, по сравнению с прочими видами пиролиза
  • в этой процессе выделяется большое количество тепловой энергии (экзотермические реакции при быстром пиролизе превосходят эндотермические).

Продукты пиролиза древесины

Сегодня для реализации процесса пиролиза лесоматериалов чаще всего используют лиственные сорта, однако иногда, в ходе комплексной переработки сырья, применяется и древесина хвойных сортов. Конечные продукты пиролиза и их количество зависит от вида древесины. К примеру, из березы можно получить:

  • 24-25% древесного угля
  • 50-55% жидких отходов (жижки)
  • 22-23% газообразных продуктов.

Чем крупнее куски лесоматериалов, тем больше получается твердого остатка.

В ходе переработки жижки, осуществляется отстаивание древесной смолы, ее около 7-10%. В это же время происходят разнообразные превращения компонентов. Из смолы выделяют большое количество ценных продуктов. Чаще всего, это уксусная кислота. Ее получают методом экстракции, с дальнейшей ректификацией и тщательной химической очисткой. После этих действий получается пищевой продукт.

Среди газообразных продуктов пиролиза:

  • 45-55% диоксида углерода CO2
  • 28-32% оксида углерода CO
  • 1-2% водорода H2
  • 8-21% метана CH4
  • 1,5-3,0% прочих углеводородов.

Технологии пиролиза древесины довольно разнообразны. Тем не менее, большая часть применяемых в мировой практике аппаратов полностью устарела и не отвечает всем современным требованиям. Помимо этого, необходимость в пиролизе лесоматериалов все время снижается, потому что уничтожать столь экологичное сырье довольно расточительно. В тоже время сегодня набирает популярность технология пиролиза опилок.

Полезная деструкция

Современные установки пиролиза древесных опилок российского производства могут давать до 340 м 3 синтез-газа калорийностью 6000–9000 ккал/м 3 . В процессе когенерации электроэнергии это позволяет получать до 1,1 МВт/ч электрической энергии и 1,3 МВт/ч тепла.

Еще несколько лет назад оборудование для пиролиза опилок было способно производить горючий газ калорийностью всего 1200 ккал/м 3 и с низкой степенью чистоты: содержание азота составляло 55–60%.

Этот газ можно было применять лишь в узкоспециализированных ГПУ (газовых поршневых установках) для когенерации малого объема электрической энергии. Идея была реализована в так называемых мини-ТЭЦ — комбинации пиролизной установки и генератора. Такое оборудование выпускается в США, Европе и Китае.

Ценный компонент

Именно газ, который получается при деструкции древесных отходов, в свое время стал главным ориентиром для разработчиков усовершенствованных технологий пиролиза древесины. Начиная с середины прошлого века их усилия были направлены на то, чтобы увеличить процент выхода синтез-газа и повысить его калорийность. Очищенный «древесный» газ кое-где применялся взамен бензина в лесовозных автомобилях: на них устанавливали небольшие газогенераторы с упрощенной системой очистки газа.

В России исследования в этом направлении весьма активно велись в 1950–60-е годы. Перед учеными ставилась задача обеспечить леспромхозы и лесные поселки электроэнергией и теплом за счет утилизации отходов заготовки и переработки леса. Но дешевое электричество, которое вырабатывалось в стране в избытке другими способами, сделало вопрос неактуальным.

Тему убрали в дальний ящик до 2000-х, когда рост цен на нефть спровоцировал повышение интереса в некоторых странах к получению газа из древесного сырья (газификации древесины). Зарубежная промышленность начала производить дизельные агрегаты, использующие низкокалорийный синтез-газ. Но основное назначение сингаза сегодня — работа в нагревательных котлах систем отопления и горячего водоснабжения.

В режиме реактора

Существенный рост производительности пиролизных установок объясняется изменением технологии деструкции древесины. Если в прежних версиях оборудования процесс шел при ограниченном доступе кислорода, а сырье использовалось с высокой влажностью, то сегодня многие производители предлагают раскладывать на составляющие древесные и другие отходы по-другому.

Современная методика быстрого (высокоскоростного) пиролиза предполагает работу в режиме реактора при отсутствии кислорода и высокой температуре (870–950 °С), которая поднимается до нужного значения всего за несколько секунд. Это дает возможность из единицы массы сырья получить максимальный выход продукта: синтез-газа с высокой калорийностью, синтетической нефти и ВУМ. Технология применяется также для переработки других органических веществ: полимеров, растительности, сланцев, торфа, бытовых отходов и других.

Перед деструкцией опилки требуется измельчить до фрагментов длиной в один-три миллиметра — в специальных мельницах. Затем сырье высушивается до влажности 2% и подается в реактор быстрого пиролиза.

Существуют установки для быстрого пиролиза, которые самостоятельно выпаривают влагу из опилок, то есть сушить их предварительно не нужно. В этом случае эффект термоудара приводит к «взрывному» вскипанию жидкостей низкомолекулярной структуры. Образуется много горячего водяного пара, который можно использовать в системах отопления. А исключение этапа сушки сырья позволяет сэкономить до 30% электроэнергии.

Процент влажности

Из одного килограмма опилок в современных установках быстрого пиролиза получается от 0,4 до 2 кубометров синтез-газа. Оборудование московской компании «Цивилизация», например, способно перерабатывать 10 миллионов тонн опилок в год и производить от 4 млн м 3 до 10 млн м 3 пиролизного газа.

«Разбег» цифр объясняется просто: выход продукта всегда зависит от влажности исходного сырья. Чем она выше, тем больше веса уйдет в пар при высушивании опилок. При влажности 70% одна тонна древесных отходов содержит всего 300 килограммов полезного сырья.

Отходы столярного или мебельного производства с влажностью 8–10% дают намного больше энергоносителей с тонны. Самый распространенный сырьевой источник для пиролиза — отходы «деловой древесины», влажность которых 22–30%.

Быстрая окупаемость

Производитель уверяет: если сырье находится рядом с установкой, себестоимость «куба» синтез-газа составляет около 10 копеек. Электроэнергия, получающаяся при его сжигании, обходится в 45 копеек за 1 кВт/ч. Для сравнения: цена магистрального природного газа во многих регионах России — 5 руб/м 3 . Выгода очевидна.

Как утверждает один из российских поставщиков, оборудование для пиролиза древесины может окупиться очень быстро — за два с половиной года. При этом выручка от реализации ВУМ и синтетической нефти не учитывается, но увеличивает экономическую эффективность работы установки.

Хотя древесная «нефть» вполне может быть основным продуктом производства. В США, в штате Орегон действует завод, выпускающий такое синтетическое топливо. Из одной тонны сырья, влажностью не более 4% термохимической обработкой здесь получают до 300 килограммов «нефти».

Нюансы логистики

Однако конечная цена синтез-газа из опилок складывается из нескольких составляющих, в том числе транспортных затрат. И может быть в десятки раз выше минимального значения.
Чем ближе находится установка к месту непосредственного «образования» опилок, тем выгоднее заниматься их пиролизом. Другими словами, поставив линию на лесопильном заводе или прямо на делянке в лесу, можно «гнать» дешевое топливо и направлять его на собственные нужды предприятия или же продавать.

Впрочем, если бы ларчик открывался так просто, наверное, пиролиз опилок уже давно применялся бы повсеместно и покрывал бы солидную часть энергозатрат «производителей» древесных отходов. Но этого пока не происходит.

Денежная составляющая

Есть мнение, что проблема заключается в нехватке на рынке адекватных предложений оборудования.

«В России сегодня данную технологию представляет несколько десятков предприятий. Однако предлагаемое ими оборудование недостаточно производительно: максимум 1–2 м 3 /час. Кроме того, большие габариты делают его немобильным. Плюс сравнительно высокая цена — десятки миллионов рублей. Результат — особым спросом такие установки не пользуются», — объясняет главный инженер и эксперт ООО «СНДВ» Александр Тотов (г. Коломна).

Однако другие специалисты утверждают, что экономичные, практически «бюджетные», варианты сегодня есть. Но даже они оказываются для отечественных потребителей слишком дорогими.

«Мы предлагаем решения по получению электрической энергии из древесных отходов для небольших пилорам со стартовой стоимостью от 400 000 рублей. Но даже это пока себе могут позволить не все люди, занимающиеся деревообработкой. А для промышленных предприятий лесного комплекса у нас есть решения по генерации электрической и тепловой энергии мощностью от 200 кВт до 10 МВт. Несмотря на огромное количество древесных отходов от пилорам и бум лесозаготовок, в России, на наш взгляд, спрос на оборудование для переработки данного вида сырья практически отсутствует. Это порождает все новые короотвалы, горы опилок, часто их несанкционированный вывоз, приводящий к возгоранию. Причина, с одной стороны, в малой информированности лесоперерабатывающих предприятий, с другой — в ограниченных финансовых возможностях этого сектора предпринимательской деятельности», — говорит директор ООО «РосБиогаз» Виталий Молочный (г. Пермь).

Компактный универсал

Возможно, сделать пиролиз древесных отходов более популярным методом получения энергоносителей могло бы увеличение линейки компактного оборудования универсального типа.

«Существуют пиролизные установки, способные перерабатывать одновременно различное органосодержащее сырье и отходы (в том числе иловые осадки городской водной канализации и старые шины). Производителей такого многопрофильного оборудования немного, и наша компания относится к их числу», — говорит Александр Тотов.

Сегодня быстрый пиролиз древесины и других видов отходов называют самым эффективным методом утилизации органического сырья. И великолепной альтернативой традиционным видам топлива. Основа такой уверенности — экологичность метода, а также наличие неисчерпаемого, постоянно возобновляемого источника сырья — леса. При работе пиролизной установки отсутствуют вредные выбросы в атмосферу, и работает она практически бесшумно.

«Дело не столько в выгоде, как таковой, а в экологичном взгляде на отходы не как на то, от чего надо срочно избавляться, а как на ресурс для дополнительных благ. Даже человек, который постоянно занимается постройкой срубов при желании может обеспечить себя тепловой и электрической энергией. Вопрос только в доступности той же тепловой или электрической энергии и вытекающий отсюда срок окупаемости вложений в оборудование», — считает Виталий Молочный.

В процессе пиролиза — сухой перегонки древесины без доступа воздуха при высокой температуре (от 450 °С и выше) дерево распадается на отдельные молекулярные вещества. В результате образуется несколько продуктов. Первый — смесь газов, называемая синтез-газ (сингаз): диоксид углерода CO2 , оксид углерода CO, водород H2 , метан CH4 , другие углеводороды. Точный состав сингаза определяется породой древесины, температурой пиролиза, скоростью и способом нагрева.

Второй продукт пиролиза — жидкие примеси (жижка), из которых выделяется синтетическая нефть, небольшое количество уксусной кислоты и других веществ. Третий — остаточная «зола» с большим содержанием углерода, ВУМ — высокоуглеродистого вещества со значительной долей кремния (SiO2) и углерода. Более привычное название ВУМ — древесный уголь.