Топливные гранулы (или пеллеты ) представляют собой тип твердого топлива, изготавливаемого из спрессованного органического материала . [1] Пеллеты могут быть изготовлены из любой из пяти общих категорий биомассы : промышленные отходы и побочные продукты, пищевые отходы , сельскохозяйственные отходы , энергетические культуры и необработанная древесина . [2] Древесные гранулы являются наиболее распространенным типом топливных гранул и обычно изготавливаются из прессованных опилок [3] и связанных с ними промышленных отходов от измельчения пиломатериалов, производства изделий из дерева и мебели , а также строительства . [4] Другие источники промышленных отходов включают пустые гроздья фруктов, скорлупу ядер пальм , скорлупу кокосовых орехов , а также верхушки деревьев и ветки, выброшенные во время лесозаготовок . [5] [6] Так называемые «черные гранулы» изготавливаются из биомассы , очищенной до состояния, похожего на каменный уголь , и были разработаны для использования на существующих угольных электростанциях . [7] Пеллеты классифицируются по их теплотворной способности , влажности и содержанию золы , а также размерам. Их можно использовать в качестве топлива для выработки электроэнергии, коммерческого или жилого отопления, а также приготовления пищи . [8]
Пеллеты чрезвычайно плотные и могут производиться с низким содержанием влаги, ниже 10%, что позволяет сжигать их с очень высокой эффективностью сгорания . [9] Их правильная геометрия и небольшой размер позволяют осуществлять автоматическую подачу с очень точной калибровкой. Их можно подавать в горелку с помощью шнековой подачи или пневматической транспортировки. Их высокая плотность позволяет компактно хранить и транспортировать на большие расстояния. Их можно удобно выдувать из танкера в бункер для хранения или силос на территории заказчика. [10]
Широкий спектр пеллетных печей , печей центрального отопления и других отопительных приборов был разработан и продается с середины 1980-х годов. [11] С ростом цен на ископаемое топливо с 2005 года спрос на пеллетное отопление увеличился в Европе и Северной Америке , и возникла значительная отрасль. Согласно Международному энергетическому агентству Task 40 , производство древесных пеллет более чем удвоилось в период с 2006 по 2010 год и составило более 14 миллионов тонн. [12] В отчете за 2012 год Центр ресурсов биомассы заявил, что ожидает, что производство древесных пеллет в Северной Америке снова удвоится в течение следующих пяти лет. [13]
Пеллеты производятся путем сжатия древесного материала, который сначала прошел через молотковую мельницу, чтобы получить однородную тестообразную массу. [14] Эта масса подается в пресс, где она продавливается через матрицу с отверстиями необходимого размера, обычно диаметром 6 мм, иногда 8 мм или больше. Высокое давление пресса приводит к тому, что температура древесины значительно повышается, а лигнин слегка пластифицируется, образуя естественный «клей», который удерживает гранулу вместе по мере ее охлаждения. [9]
Пеллеты могут быть изготовлены из травы и других недревесных форм биомассы, которые не содержат лигнин. В новостной статье 2005 года из Cornell University News говорилось, что производство травяных гранул было более развито в Европе, чем в Северной Америке. В ней говорилось, что преимущества травы как сырья включают ее короткое время роста (70 дней) и простоту выращивания и обработки. В статье цитировался Джерри Черни, профессор сельского хозяйства в школе, который утверждал, что травы производят 96% тепла древесины и что «можно использовать любую смесь трав, срезанную в середине или конце лета, оставленную на поле для выщелачивания минералов, затем тюкованную и гранулированную. Для гранулирования не требуется сушка сена, что делает стоимость обработки ниже, чем при гранулировании древесины». [15] В 2012 году Департамент сельского хозяйства Новой Шотландии объявил в качестве демонстрационного проекта перевод работающего на мазуте котла на травяные гранулы в исследовательском центре. [16]
Топливные гранулы из рисовой шелухи производятся путем прессования рисовой шелухи, полученной в качестве побочного продукта выращивания риса на полях. Они также имеют схожие характеристики с древесными гранулами и более экологичны , поскольку сырье представляет собой отходы . Содержание энергии составляет около 4-4,2 ккал/кг, а содержание влаги обычно менее 10%. Размер гранул обычно составляет около 6 мм в диаметре и 25 мм в длину в форме цилиндра; хотя более крупные цилиндрические или брикетные формы не являются редкостью. Они намного дешевле, чем аналогичные энергетические гранулы, и могут быть прессованы/изготовлены из шелухи на самой ферме с использованием дешевого оборудования. Они, как правило, более экологичны по сравнению с древесными гранулами. [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] В регионах мира, где пшеница является преобладающей продовольственной культурой, пшеничную шелуху также можно прессовать для производства энергетических гранул, имеющих характеристики, аналогичные гранулам из рисовой шелухи.
В отчете CORRIM (Консорциум по исследованиям возобновляемых промышленных материалов) для инвентаризации жизненного цикла производства и использования древесных гранул оценивается, что энергия, необходимая для сушки, гранулирования и транспортировки гранул, составляет менее 11% от энергосодержания гранул, если используются предварительно высушенные промышленные древесные отходы. Если гранулы производятся непосредственно из лесного материала, требуется до 18% энергии для сушки древесины и еще 8% для транспортировки и производства энергии. Оценка воздействия на окружающую среду экспортируемых древесных гранул, проведенная кафедрой химического и минерального машиностроения Болонского университета , Италия , и Исследовательским центром чистой энергии при Университете Британской Колумбии , опубликованная в 2009 году, пришла к выводу, что энергия, потребляемая для перевозки канадских древесных гранул из Ванкувера в Стокгольм (15 500 км через Панамский канал ), составляет около 14% от общего энергосодержания древесных гранул. [24] [25]
Пеллеты, соответствующие общепринятым в Европе нормам (DIN 51731 или Ö-Norm M-7135), содержат менее 10% воды и имеют однородную плотность (более 1 тонны на кубический метр, поэтому они тонут в воде. (В отличие от этого, насыпная плотность массы гранул, включая захваченный воздух, составляет всего около 0,6-0,7 тонны на кубический метр). Пеллеты обладают хорошей структурной прочностью и низким содержанием пыли и золы. [8] Поскольку древесные волокна измельчаются молотковой дробилкой, в готовых гранулах практически нет разницы между различными типами древесины. [ требуется цитата ] Пеллеты можно изготавливать практически из любой породы древесины; при условии, что пресс-гранулятор оснащен хорошим оборудованием, различия в исходном материале могут быть компенсированы в регулировании прессования. [ требуется цитата ] В Европе основными районами производства являются Южная Скандинавия , Финляндия , Центральная Европа [ требуется разъяснение ] , Австрия и страны Балтии . [26] [27]
Пеллеты, соответствующие европейским стандартам, содержащие переработанную древесину или внешние загрязнители, считаются пеллетами класса B. [8] Переработанные материалы, такие как древесно-стружечная плита, обработанная или окрашенная древесина, панели с покрытием из меламиновой смолы и т. п., особенно не подходят для использования в пеллетах, поскольку они могут производить вредные выбросы и неконтролируемые изменения в характеристиках горения пеллет. [ необходима ссылка ]
Стандарты, используемые в Соединенных Штатах, отличаются, они разработаны Институтом топливных гранул и, как и в Европе, не являются обязательными. [ требуется ссылка ] Тем не менее, многие производители их соблюдают, поскольку гарантии на оборудование для сжигания, произведенное в США или импортированное, могут не покрывать ущерб, нанесенный гранулами, не соответствующими нормам. [ требуется ссылка ] Цены на гранулы в США резко возросли во время инфляции цен на ископаемое топливо в 2007–2008 годах, но позже заметно упали и в целом ниже по цене за количество энергии, чем большинство видов ископаемого топлива , за исключением угля .
Регулирующие органы в Европе и Северной Америке находятся в процессе ужесточения стандартов выбросов для всех форм древесного тепла, включая древесные гранулы и печи на гранулах. Эти стандарты станут обязательными, с независимыми сертифицированными испытаниями для обеспечения соответствия. [28] [29] В Соединенных Штатах новые правила, инициированные в 2009 году, завершили процесс нормативного обзора Агентства по охране окружающей среды , [30] а окончательные новые правила были выпущены для комментариев 24 июня 2014 года. [31] [32] [33] Американский комитет по стандартам на пиломатериалы будет независимым сертификационным агентством для новых стандартов на гранулы. [34]
Древесные гранулы могут выделять большое количество ядовитого угарного газа во время хранения. Смертельные случаи имели место в частных складах [35] и на борту морских судов. [36] [37]
При обращении с древесными гранулами выделяется мелкая пыль, которая может стать причиной серьезных взрывов пыли . [38]
Древесные гранулы обычно хранятся навалом в больших силосах. Гранулы могут самонагреваться, воспламеняться и вызывать глубокое тление, которое очень трудно потушить. Тление производит токсичный угарный газ и горючие пиролизные газы, которые могут привести к взрывам силосов. [39]
Существует три основных типа отопительных приборов на пеллетах: отдельно стоящие печи на пеллетах, печи-вставки на пеллетах и котлы на пеллетах .
Пеллетные печи работают как современные печи , где топливо, древесина или другие гранулы биомассы хранятся в бункере, называемом бункером. Бункер может быть расположен сверху прибора, сбоку или удаленно. Механический шнек автоматически подает гранулы в горшок для сжигания. Оттуда они сгорают при высоких температурах с минимальными выбросами. Теплообменные трубки отправляют нагретый огнем воздух в помещение. Конвекционные вентиляторы циркулируют воздух через теплообменные трубки и в помещение. Пеллетные печи имеют внутри печатные платы, которые действуют как термостат и регулируют температуру. [40]
Печь-вставка на пеллетах — это печь, которая вставляется в существующий каменный или сборный дровяной камин , подобно каминной вставке .
Пеллетные котлы — это автономные системы центрального отопления и горячего водоснабжения, предназначенные для замены традиционных систем на ископаемом топливе в жилых, коммерческих и институциональных приложениях. Автоматические или автопеллетные котлы включают в себя силосы для хранения гранул в больших объемах, систему подачи топлива, которая перемещает топливо из силоса в бункер, логический контроллер для регулирования температуры в нескольких зонах нагрева и автоматизированную систему удаления золы для долгосрочных автоматизированных операций. [41]
Корзины для пеллет позволяют отапливать дом, используя пеллеты в существующих печах или каминах. [42]
Энергоемкость древесных гранул составляет приблизительно 4,7–5,2 МВт ·ч / тонну [43] [44] (~7450 БТЕ/фунт), 14,4–20,3 МДж/кг. [45] [ Ни один из этих трех наборов значений даже близко не совпадает. ]
В последние годы были разработаны высокоэффективные печи и котлы на древесных гранулах, которые, как правило, обеспечивают эффективность сгорания более 85%. [46] Новейшее поколение котлов на древесных гранулах может работать в конденсационном режиме и, следовательно, достигать на 12% более высоких значений эффективности. [47]
Котлы на древесных гранулах имеют ограниченный контроль над скоростью и наличием горения по сравнению с жидкостными или газообразными системами. По этой причине они лучше подходят для систем водяного отопления из-за большей способности водяной системы хранить тепло. [ необходима цитата ] Также доступны горелки для пеллет, которые можно модернизировать для котлов, работающих на мазуте. [10]
Выбросы, такие как NO x , SO x и летучие органические соединения от оборудования для сжигания пеллет, в целом очень низки по сравнению с другими формами сжигания отопления. [48] Признанной проблемой является выброс мелких твердых частиц в воздух, особенно в городских районах, где в непосредственной близости находится большое количество систем отопления на пеллетах или угольных или масляных систем отопления. Выбросы PM 2.5 старых печей и котлов на пеллетах могут быть проблематичными в тесных помещениях, особенно по сравнению с природным газом (или возобновляемым биогазом ), хотя на крупных установках электростатические осадители , циклонные сепараторы или рукавные фильтры для частиц могут контролировать твердые частицы при правильном обслуживании и эксплуатации. [49]
Существует неопределенность относительно того, в какой степени производство тепла или электроэнергии путем сжигания древесных гранул способствует глобальному изменению климата , а также как это воздействие на климат соотносится с воздействием использования конкурирующих источников тепла. [9] [50] [51] [52] Факторы неопределенности включают источник древесины, выбросы углекислого газа от производства и транспортировки, а также от окончательного сжигания, и какой временной масштаб подходит для рассмотрения. [9] [50] [53]
В отчете [9] за 2010 год сделан вывод о том, что сжигание биомассы, такой как древесные гранулы или щепа, выбрасывает в воздух большое количество CO2 , создавая «углеродный долг», который не погашается в течение 20–25 лет, после чего появляется чистая выгода. [9] Другие оспаривают эти выводы, [54] [55] и ученые указывают на упущения в отчете, предполагая, что воздействие на климат хуже, чем сообщается. [50] [56]
Примерно до 2008 года даже в научных работах считалось, что энергия биомассы (включая древесные гранулы) является углеродно-нейтральной, в основном потому, что считалось, что возобновление роста растительности улавливает и сохраняет углерод, который выбрасывается в воздух. [57] Затем начали появляться научные работы, изучающие климатические последствия биомассы, которые опровергли упрощенное предположение о ее углеродной нейтральности . [53] [58] По данным Центра ресурсов биомассы, предположение об углеродной нейтральности «перешло к признанию того, что углеродные последствия биомассы зависят от того, как заготавливается топливо, от того, какие типы леса, какие виды лесоуправления применяются и как биомасса используется с течением времени и в ландшафте». [49]
Влияние биоэнергетики на климат значительно варьируется в зависимости от того, откуда поступает сырье для биомассы и как оно выращивается. [59] Например, сжигание древесины для получения энергии выделяет углекислый газ; эти выбросы можно значительно компенсировать, если заменить вырубленные деревья новыми деревьями в хорошо управляемом лесу, поскольку новые деревья будут поглощать углекислый газ из воздуха по мере роста. [60] Однако создание и выращивание биоэнергетических культур может вытеснять естественные экосистемы , ухудшать почвы и потреблять водные ресурсы и синтетические удобрения. [61] [62]
Примерно треть всей древесины, используемой для традиционного отопления и приготовления пищи в тропических зонах, заготавливается неустойчивым образом. [63] Биоэнергетическое сырье обычно требует значительного количества энергии для сбора, сушки и транспортировки; использование энергии для этих процессов может привести к выбросам парниковых газов. В некоторых случаях последствия изменения землепользования , выращивания и переработки могут привести к более высоким общим выбросам углерода для биоэнергетики по сравнению с использованием ископаемого топлива. [62] [64]Деревообрабатывающая промышленность обеспокоена тем, что если будет введено широкомасштабное использование древесной энергии, поставки сырья для строительства и производства ( пиломатериалов ) будут значительно сокращены. [9] [65]
Из-за быстрого роста популярности с 2005 года доступность и стоимость пеллет могут стать проблемой. [66] Это важный фактор при покупке печи для пеллет, печи, корзин для пеллет или других устройств, известных в отрасли как горелки Bradley. [67] Однако текущее производство пеллет увеличивается, и в 2008–2009 годах в США планируется запустить несколько новых пеллетных заводов. [68] [ Устарело. ]
Стоимость пеллет может зависеть от строительного цикла, что приводит к колебаниям поставок опилок и обрезков. [69]
Согласно пресс-релизу Управления энергетики и планирования Нью-Гемпшира о ценах на топливо, обновленному 5 октября 2015 года, стоимость доставленного мазута № 2 можно сравнить со стоимостью доставленных оптом древесных топливных гранул, используя их эквивалент в БТЕ: 1 тонна гранул = 118,97 галлона мазута № 2. Это предполагает, что одна тонна гранул производит 16 500 000 БТЕ, а один галлон мазута № 2 производит 138 690 БТЕ. Таким образом, если доставленное мазут № 2 стоит 1,90 долл. США за галлон, то цена безубыточности для доставленных гранул составляет 238,00 долл. США за тонну.
Использование в Европе различается из-за правительственных постановлений. В Нидерландах , Бельгии и Великобритании пеллеты используются в основном на крупных электростанциях. Крупнейшая электростанция Великобритании, электростанция Drax , перевела некоторые из своих блоков на пеллетные горелки, начиная с 2012 года; к 2015 году Drax сделала Великобританию крупнейшим получателем экспорта древесных пеллет из США. [71] В Дании и Швеции пеллеты используются на крупных электростанциях, средних системах централизованного теплоснабжения и малом жилом отоплении. В Германии , Австрии , Италии и Франции пеллеты используются в основном для малом жилом и промышленном отоплении. [70]
Великобритания инициировала схему грантов под названием « Стимулирование возобновляемого тепла» (RHI), позволяющую бытовым и небытовым установкам котлов на древесных гранулах получать платежи в течение периода от 7 до 20 лет. Это первая подобная схема в мире, и она направлена на увеличение количества возобновляемой энергии, вырабатываемой в Великобритании, в соответствии с обязательствами ЕС . В Шотландии и Северной Ирландии действуют отдельные, но похожие схемы. С весны 2015 года все владельцы биомассы — как бытовые, так и коммерческие — должны покупать топливо у поставщиков, одобренных BSL (Список поставщиков биомассы), чтобы получать платежи RHI. [72] Скандал о стимулировании возобновляемого тепла, также известный как «скандал с деньгами за золу», был политическим скандалом в Северной Ирландии, который был сосредоточен на неудачной схеме стимулирования возобновляемой энергии (сжигание древесных гранул).
Пеллеты широко используются в Швеции, главном производителе пеллет в Европе, [26] в основном как альтернатива центральному отоплению на мазуте. В Австрии, ведущем рынке печей центрального отопления на пеллетах (по отношению к ее населению), по оценкам, 2/3 всех новых бытовых отопительных печей являются горелками на пеллетах. В Италии сформировался большой рынок печей на пеллетах с автоматической подачей топлива. Основное применение пеллет в Италии — это небольшие частные жилые и промышленные котлы для отопления. [73]
В 2014 году в Германии общее потребление древесных гранул в год составило 2,2 млн тонн. Эти гранулы потребляются в основном сектором малой теплофикации жилых домов. Установки совместного сжигания, использующие пеллетный сектор для производства энергии, не получили широкого распространения в стране. Наибольшее количество древесных гранул сертифицировано по DINplus, и это гранулы самого высокого качества. Как правило, гранулы более низкого качества экспортируются. [74]
Еще в 1997 году в Австрии появились полностью автоматические котлы на древесных гранулах, имеющие такой же уровень комфорта, как котлы на жидком топливе и газе . [75]
В 2019 году Индия начала совместное сжигание пеллет из биомассы на угольных электростанциях вокруг своей столицы Дели, чтобы уменьшить загрязнение воздуха, вызванное сжиганием стерни/биомассы на открытых полях для расчистки полей для посева следующего урожая. [76] Планируется использовать пеллеты из биомассы для выработки электроэнергии по всей стране, чтобы утилизировать около 145 миллионов тонн сельскохозяйственных отходов для замены равного количества импортируемого угля при выработке электроэнергии. [77]
Общий объем продаж древесных гранул в Новой Зеландии в 2013 году составил 300 000–500 000 тонн. Недавнее строительство новых заводов по производству древесных гранул дало огромный рост производственных мощностей. [78] Завод по переработке древесных гранул Nature's Flame в Таупо должен в конце 2019 года удвоить свою годовую производственную мощность до 85 000 тонн. [79] Azwood Energy [80] управляет заводом по переработке древесных гранул в Нельсоне, ежегодно используя более 1,2 миллиона кубических метров лесных отходов [81] для обеспечения углеродно-нейтрального топлива для бытовых нужд, больниц, школ и промышленных процессов, включая переработку молока. [82]
Некоторые компании импортируют котлы европейского производства. По состоянию на 2009 год [обновлять]около 800 000 американцев использовали древесные гранулы для отопления. [48] Было подсчитано, что в 2013 году в США для отопления будет использовано 2,33 миллиона тонн древесных гранул. [83] Экспорт древесных гранул из США в Европу вырос с 1,24 миллиона тонн [ какого сорта? ] в 2006 году до 7 миллионов тонн в 2012 году, но леса выросли еще больше. [84]
При добавлении небольшого количества воды к древесным гранулам они расширяются и превращаются в опилки. Это делает их пригодными для использования в качестве подстилки для лошадей . Простота хранения и транспортировки являются дополнительными преимуществами по сравнению с традиционной подстилкой. Однако некоторые виды древесины, включая грецкий орех, могут быть токсичными для лошадей и никогда не должны использоваться в качестве подстилки. [85]
В Таиланде производятся гранулы из рисовой шелухи для подстилки животных. Они обладают высокой скоростью всасывания, что делает их идеальными для этой цели.
Гранулы биомассы, изготовленные из съедобных материалов, также можно использовать в качестве корма для скота, импортируя их из отдаленных мест с избытком корма для преодоления нехватки корма. [86] [87]
Древесные гранулы также используются для поглощения загрязненной воды при бурении нефтяных или газовых скважин. [88]
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )PFI min std is 8000 BTU/lb => 5,2 МВт·ч/т
VT Wood Chip & Pellet Heating Conference
{{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка ){{cite web}}
: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )Из-за возможных серьезных последствий отравления подстилка для стойл для лошадей никогда не должна содержать древесину черного ореха.