Древесина применяется как топливо для теплоснабжения зданий и со­оружений, получения горячей воды и воздуха. Однако это применение в России, как правило, носит частный бытовой характер и в промышленном масштабе используются главным образом другие источники энергии: электричество, ка­менный уголь, нефтепродукты и природный газ. Стоимость тепловой и элек­трической энергии, полученной при использовании последних, превышает этот показатель для случая использования древесины от 2 до 18 раз. При этом древесина имеет неоспоримое преимущество, являясь возобновляемым и экологически чистым ресурсом.

В любом лесном регионе России ежегодно образуется значительное ко­личество низкотоварной древесины и отходов, при разумном использовании которых может быть значительно снята острота постоянного роста стоимо­сти энергии.

Достаточно эффективное решение в использовании древесины дает её предварительная газификация и испозование в тепло — и паропроизводящих ус­тановках генераторного газа. В настоящее время имеются многочисленные примеры применения газогенераторных установок, как за рубежом, так и в России.

Широкое внедрение газогенераторных технологий позволит решить вместе с энергетической также проблему очистки значительных территорий от лесосечных отходов и отходов деревообработки, что будет способствовать ре­шению не менее важной задачи экологической и пожарной безопасности.

Основным методом использования древесины в качестве топлива явля­ется её прямое сжигание в топках котлов. С низким коэффициентом полезного действия от 20 до 60 %; имеются значительные выбросы золы и углей, конвек­ционные и радиационные поверхности нагрева покрываются слоем твёрдых отложений, что требует частой остановки котлов для чистки; в атмосферу вы­брасываются сложные углеводороды, вредящие здоровью людей. Системы

Сжигания твёрдого древесного топлива трудно автоматизировать.

Этих недостатков лишена система сжигания газообразного топлива. Га­зообразное топливо из древесины может быть использовано там, где твёрдое древесное топливо использовано быть не может: для сушки древесины, привода транспортных и стационарных силовых установок, получения электроэнергии в дизельгенераторах.

Газообразное топливо может быть передано на большие расстояния по трубопроводам и в баллонах, его удобно использовать в быту для приготовлении пищи, для отопления и нагревания воды, а также в технологических и силовых установках. Сжигание газа легче автоматизировать; продукты сгорания его менее токсичны.

В газогенераторах используются разнообразные виды топлива: отходы древесины разных пород в виде кусков размером от 1 см до 200 см, щепы, опилок, брикеты из опилок и лигнина (отход гидролизного производства), а также дре­весный уголь, отходы с/х, брикеты торфа и бытовые отходы.

Сырьё может быть различной влажности вплоть до 60 — 65 %, однако предпочтительно использование древесины влажностью 30 — 35 %, что дости­гается при вылёживании в течение 3-х месяцев. Порода древесины мало влияет на состав газа, жидких и твёрдых продуктов.

Древесина содержит три главных компонента:

— горючее вещество — уголь 50 — 52 % и водород 6 — 6,5 %;

— золу (калий, кальций, магний) при содержании 0,5 %;

— влагу от 20 % до 60 %.

В связанном состоянии содержатся кислород (40 — 45%), азот (около 0,2 %) и сера (около 1 %).

При нагревании большая часть древесины (80 %) превращается в газ и сгорает в газообразном состоянии и меньшая часть сгорает в связанном виде в твёрдом слое. Сгорание в газообразном состоянии имеет ряд преимуществ.

Древесина может быть переведена в газообразное состояние в процессе газификации при нагреве при температуре 700 — 800 0С, и ограниченном доступе воздуха. Теплотворная способность образующегося газа приближается к при­родному газу. Использование газа в существующих котельных не требует пере­делки котлов и улучшает их характеристики.

Генераторный газ образуется в газогенераторных установках различной конструкции. Топливо нагревается при ограниченном доступе воздуха и разлага­ется на твёрдый углерод, парогаз, смолы и масла. Парогаз в своём составе содер­жит СО (14 — 22 %), СО2 ( 8 — 15 %), С2О2 (1 — 4 %), Н2 (10 — 17 %), О2 (< 5 %), N2 (50 %).

Теплота сгорания генераторного газа, полученного из древесины, составляет 4-6 МДж/м3.

При использовании в качестве сырья древесного угля эта характеристика возрастает и достигает 12 — 15 МДж/м3 и выше, что сравнимо с природным газом (10,8 МДж/м ). Использование для дутья кислорода позволяет теплоту сгорания увеличить до 20 — 30 МДж/м.

Газогенераторы состоят из бункера — накопителя топлива, камеры газифи­кации (реактора), системы подачи первичного (вторичного) воздуха, камеры роз­жига, зольника, камеры (трубы) возгорания (в некоторых конструкциях) и стыко­вочных устройств (фланцев) с котлами, водо — и воздухонагревательными устрой­ствами.

Работа газогенератора осуществляется следующим образом:

— на колосниковую решётку загружается растопочный материал и производится розжиг генератора как обычной печи, время розжига составляет от 0,5 до 1 часа;

— в бункер загружается основное топливо, которое поступает в реактор, преобразуясь в газ. Загрузка в зависимости от мощности газогенератора произ­водится либо вручную, либо механизировано;

— вырабатываемый в результате пиролиза газ поступает в топку или трубу горения, куда поступает вторичный воздух и смесь возгорается;

— продукты горения подаются в агрегат — котёл, водо — или воздухонаг­реватель, в паре с которыми работает генератор.

Регулирование процесса осуществляется путём изменения подачи пер­вичного и вторичного воздуха.

Газогенераторы применяются в стационарном и передвижном исполнении. Последние широко применялись в 40 — 50-х годах прошлого столетия. В лесной промышленности газогенераторными установками были оборудованы 68 % ле­совозных машин, 27 % хозяйственных автомобилей, все трелёвочные тракторы. В последующие годы в связи с изменением структуры топливно-энергетического баланса и дешевизной энергоносителей газогенераторы утратили свою актуаль­ность.

В последнее десятилетие заметно увеличился интерес к газу из возобнов­ляемого органического топлива, в том числе к транспортным установкам на ге­нераторном газе в связи с резким ростом цен на энергоносители.

Развитие процесса ведётся на новом уровне с использованием генератор­ного газа и как топлива (в том числе для дизельных мотор-генераторных схем ), и как сырья для производства жидких топлив и масел.

Разработчиками и изготовителями оборудования на основе газогенера­торов являются учебные, научно-исследовательские учреждения, ГНЦ ЛПК, а также организации, входящие в энергетическую корпорацию, и ряд других предприятий. Широкий круг предложений исходит и от зарубежных компаний. Газогенераторы работают на принципе прямого и обратного горения. Принцип прямого сгорания применяется главным образом для стационарных установок, а обратного действия для транспортных устройств. При обратном горении продукты сгорания имеют значительно меньше паров смол и кислот.

Разработаны и выпускаются различного типа газогенераторы и оборудо­вание на их основе:

— предтопочные устройства к котлам;

— теплогенераторы;

— водонагреватели;

— миниэлектростанции.

Разрабатываются:

— модульные энергетические станции, производящие тепло, электроэнер­гию и питающие газовые сети;

— установки по производству дизельного топлива и масел.

Имеющийся спектр установок позволяет надеяться на успешное ис­пользования древесины для решения энергетических проблем.

Применение газогенераторов имеет ряд преимуществ:

— низкая температура сжигания, в результате чего содержание СО2 на 30 — 40 % ниже, чем даже при сжигании природного газа;

— КПД топочного устройства повышается по сравнению с мазутом или углем, не требуется большой переделки котлов, что разрешает использование на одном оборудовании разного топлива;

— генераторный газ можно использовать в двигателях внутреннего сго­рания и в газовых турбинах, что позволяет исключить из схем котлы и паровые турбины (для установок сравнительно малой мощности).

Газогенераторные установки различаются:

— малой мощности — до 100 КВт;

— средней мощности — от 100 до 1000 КВт;

— большой мощности — свыше 1000 КВт.

При выборе типоразмера генератора допустимо исходить из нормы: для отопления 100 м площади (при высоте потолков 3 м) требуется 5 КВт те­пловой мощности генератора.

Выпускаются предтопочные устройства для различных котлов (серии КЕ, ДКВр). Стоимость предтопка теплопроизводительностью 6,5 МВт составляет 650 — 700 тыс. р. без учёта стоимости кирпичей и работы по переоборудованию.

Выпускаются газогенераторы на 5, 15, 30, 60, 100, 200, 400, 600 и 700 КВт. стоимостью от 30 до 150 — 300 тыс. р. и массой от 290 кг до 1,5 — 2,0 т.

Газогенераторы стыкуются с котлами различного типа: серии КЕ, ДКВр, КС-ТГ(ТГВ), КЧ, КВ, КТ.

Теплогенераторы и водогрейные модули на основе упомянутых газо­генераторов стоят от 100 до 160 — 300 тыс. р.

Миниэлектростанции выпускаются мощностью от 200 КВт до 6 — 8 МВт. Стоимость станций различна. Для примера, миниэлектростанция по газоди­зельному циклу мощностью 200 КВт, предлагается ГНЦ ЛПК по цене 1,5 — 2,0 млн. р., а предполагаемая стоимость энергетической станции, выра­батывающей 200 КВт электроэнергии, до 400 КВт тепла и генераторный газ на 50 потребителей составит при серийном изготовлении — 8 200 000 рублей.

Стоимость 1 КВт установленной мощности колеблется для отечественных установок от 30 $ до 500 — 700 $. Стоимость электроэнергии, полученной на установках миниТЭЦ-дизель в условиях удалённых посёлков, на 20 % меньше, чем электроэнергия из системы.

Срок окупаемости газогенераторных установок различен и колеблется от 3 — 5 мес. для малых установок до 2,5 — 5 лет для миниТЭЦ.

Количество перерабатываемого сырья (низкотоварной древесины и отхо­дов) зависит от мощности агрегата и составляет из расчёта 300 — 400 кг на 1 Гкал тепла. Для сравнения — на выработку 1 Гкал тепла требуется 97 л жидкого топлива, 130 кг каменного угля, 1 630 КВтч электроэнергии.

Газогенераторы мощностью от 30 до 200 КВт перерабатывают от 10 до 65 кг щепы в час.

Газогенераторные котлы длительного горения мощностью от 5 до 40 КВт перерабатывают от 2,5 до 20 кг/ч.

Для справки:

• 1 тонна усл. топлива = 42 ГДж; 1 МВт ч = 3,6 ГДЖ,

• эфф. теплосодержание дрова (щепа, кора) ………. 8,5 ГДж/т (2,4 МВтч/т),

Брикеты………………………………………………………….. 17 ГДж/т (4,7 МВтч/т),

Древесный уголь……………………………………………… 29 ГДж/т /(8,1 МВтч/т),

3

Природный газ…………………………………………………………… 10.8 МДж/м,

Генераторный газ (из древесины)…………………………………. 4 — 10 МДж/м,

Генераторный газ (из древ, угля)…………………………………… 12 — 15 МДж/м,

Каменный уголь……………………………………………….. 27 ГДж/т (7,5 МВтч/т),

Мазут………………………………………………… 36 — 39 ГДж/т (9,9 — 10,8 МВтч/т).

Стоимость 100 КВтч тепловой энергии, выработанной на жидком топливе составляет 64 р., на каменном угле — 16 р., с помощью электроэнергии — 140 р., на торфе — 28 р., на дровяных отходах и щепе 2 — 8 р., на древесном угле — 3,5 — 5 р. Газогенераторы мощностью от 5 до 40 КВт способны дать тепло для отопления от 100 до 1400 м площади помещений различного назначения. Применение газогенераторов на древесных отходах:

— приводит к снижению давления на природу отходов древесины в лесу, снижая их количество, т. к. применение газгенов, особенно работающих на дре­весном угле, делает экономически целесообразной очистку леса от отходов;

— к резкому снижению вредных выбросов в атмосферу: 1000 мг/ м про­тив 46 000 мг/м для водогрейных котлов мощностью до 100 КВт (ГОСТ 20548-93), работающих на каменном и буром угле;

— к снижению в 1,5 — 2 раза вредных выбросов в атмосферу по срав­нению со сжиганием древесины в топках котлов.

Для выбора мощности тепловых агрегатов можно пользоваться табл. 15.

Тепловая мощность агрегатов _______________________________________ Таблица 15 Требуемая тепловая мощность, кВт Тип здания 550 775 100 150 200 300 400 500 Жилые и административные здания м3 2 500 3 700 5 000 7 500 10 000 16 000 20 000 24 000 Производственные помещения утепл. (мастерские, ангары) 2 000 3 000 4 200 6 300 8 400 13 400 16 800 20 200 Гаражи, столярные участки и цеха (сильно вентилируемые) 850 1 300 1 750 2 600 3 500 5 600 7 000 8 400

Использование в качестве сырья для газогенераторов древесного угля резко снижает содержание в генераторном газе смол, тяжёлых углеводородов (на по­рядок), что снижает выброс в атмосферу вредных веществ и позволяет снизить затраты на очистку генераторного газа при его использовании в качестве топлива для дизельных установок, а соответственно значительно улучшить состав вы­хлопных газов.

В заключение следует отметить:

1. Применение древесины для целей отопления и электроснабжения наиболее целесообразно с помощью энергетических установок, использующих газификацию древесины.

2. В качестве сырья необходимо применять щепу или древесный уголь, при этом с учётом стоимости перевозок до 50 км можно транспортировать ав­тотранспортом щепу, до 100 — 150 км — транспортировать хлысты с производ­ством щепы на месте раскряжёвки, а при больших расстояниях — транспортиро­вать древесный уголь. Поскольку расстояния вывоза древесины в Хабаровском крае превышают 100 км без технологии углежжения на временных лесных пло­щадках не обойтись.

3. Необходимо переводить транспортные средства и механизмы, при­меняемые при лесоразработках, на газогенераторные установки.

4. В перспективе при выработке достаточного количества древесного угля необходимо:

— наладить производство генераторного газа и транспортировку его по тру­бопроводам и в баллонах;

— наладить производство моторных топлив и масел на возобновляемом древесном ресурсе.