2.1.2 Характеристика топливных древесных гранул

Древесные пеллеты – это изделия цилиндрической формы, спрессованные методом экструзии из высушенного, предварительно измельченного древесного сырья.

В качестве сырья для пеллет обычно используются отходы деревообработки: опилки, стружка, горбыль, обрезки и т. п. Также при производстве древесных топливных гранул перерабатываются лесосечные отходы: тонкомерная и дровяная древесина, верхушки, откомлевки, ветки, искривленные стволы и др. Чтобы добиться оптимального качества гранул, древесина должна быть определенным образом обработана. В частности, необходимо произвести гомогенизацию гетерогенного сырья, включающего в себя смешивание различного сырья, сушку и измельчение, а также разрушить структуру древесины перед гранулированием [19].

Преимуществом использования прессованного биотоплива в виде пеллет является их большая теплотворная способность по сравнению со щепой и кусковыми отходами древесины. Цены на древесные пеллеты значительно ниже цен на другие традиционные виды топлива, при сопоставимых потребительских свойствах [7].

Физико-механические показатели ТДГ приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Физико-механические показатели ТДГ

Наименование показателя	Значение
Плотность, г/см3 не менее Влажность, % Зольность, % Насыпная плотность, кг/м3 Низшая теплота сгорания, МДж/кг,	1.0 ≤10.0 ≤0.7 600≤ НП≤750 16.5≤ ТС≤19.0

Технологические факторы, влияющие на процесс производства ТДГ:

– сырьё: используются как лиственные, так и хвойные породы. Хвойные породы увеличивают прочность гранул, а лиственные в свою очередь увеличивают теплотворную способность. Также могут использоваться отходы деревообработки (опилки, стружка, горбыль, обрезки), солома, отходы сельскохозяйственного производства (солома, кукурузные стебли, лузга), отходы фанерного производства [6, с. 119];

– влажность подаваемого сырья в гранулятор должна быть в пределах 12–14%;

– измельчение: сырьё проходит через молотковую дробилку для уменьшения размеров до минимальных – 14–16 мм;

– охлаждение проходит от температуры 90–95˚С до необходимой температуры 20–25˚С или на 5˚С выше, чем температура окружающей среды.

Качество топливных пеллет зависит от многих факторов, среди которых можно выделить следующие: влажность, зольность, породный и фракционный состав исходного древесного сырья, технологические факторы получения пеллет [8]. Одним из важных показателей качества пеллет является их механическая прочность, так как при хранении и транспортировке пеллет нижние слои испытывают высокое давление и крошатся, образуя пылевидную фракцию, что приводит к ухудшению внешнего вида пеллет и их свойств как топлива – снижению энергоэффективности.

Процесс производства ТДГ включает в себя следующие стадии:

– равномерная подача сырого (влажность 30–60%) древесного сырья (древесной технологической щепы, опилок) в производство для дальнейшей переработки;

– доизмельчение крупного сырого сырья на молотковой мельнице;

– транспортировка сырой измельченной древесной фракции на сушку;

– сушка сырой измельченной фракции;

– транспортировка и временное хранение сухого (влажность 9–12%) сырья;

– равномерная подача сухого сырья на измельчение;

– измельчение сухого сырья;

–транспортировка и временное хранение измельченного сухого сырья;

– равномерная подача сырья на гранулирование;

– гранулирование сырья;

– транспортировка горячих гранул к охладителю;

– охлаждение горячих гранул;

– просеивание гранул с целью отделения пыли и мелкой фракции;

– фильтрация запыленного воздуха, образующего при измельчении сухого древесного сырья и при просеивании гранул, с возвратом древесной пыли обратно в производственный процесс;

– транспортировка готовой продукции в бункер хранения;

– упаковка и отгрузка готовой продукции.

Сортирование древесного сырья. На стадии сортировки щепы и опилок при производстве ТДГ выделяется крупная фракция (5% от всей массы сырья), которую следует доизмельчить для меньшего количества отходов и для улучшения однородности состава гранул.

Станки вторичного измельчения отличаются большим многообразием типов и конструкций. Особенно распространены молотковые дробилки и мельницы с зубчато-ситовыми барабанами. В них крупные частицы размалываются на более мелкие путём истирания.

Молотковые мельницы весьма чувствительны к неравномерности загрузки и требуют большого расхода воздуха (в соотношении 99:1 к объёму древесины).

Зубчато-ситовые мельницы подходят и для приготовления стружки внутренних слоев. Производительность у крестовинных мельниц до 1500 кг/ч, у зубчато-ситовых до 2000 кг/ч [22, c. 93].

Компания IMAL PAL предлагает в качестве оборудования для доизмельчения RE-CHIPPERS – RMG [23, c. 68], представленный на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Оборудование для доизмельчения крупной фракции компании IMAL PAL

Это устройство способно перерабатывать мелкие отбракованные древесные материалы, такие как кора или отходы лесного хозяйства, а также древесину негабаритного размера, поступающую с других стадий.

Основная концепция этой машины такая же, как и у всех других барабанных измельчителей, за исключением системы верхней гравитационной подачи входного материала.

Большие модели оснащены гидравлическим подъемом верхнего колпака и выбросом контрножей.

Компания Dieffenbacher предлагает ClassiSizer, который измельчает сырье до требуемых материалов в один этап. Измельчитель представлен на рисунке 2.4 [24, c. 49].

Рисунок 2.4 – ClassiSizer

Материал подается сверху в ударную камеру, где его размер изменяется с высокой кинетической энергией за счет быстро вращающегося ротора и взаимодействия частиц. Окончательная калибровка материала осуществляется с помощью сит, перфорированных в соответствии с применением. Конечный продукт собирается в два разгрузочных короба и выводится шнеками.

Процесс гранулирования ТДГ. Пресс является основным оборудованием в технологическом процессе гранулирования, и от его работы зависит эффективность всего производства.

Процесс прессования древесных отходов происходит в так называемых матричных прессах. Прессы для гранулирования конструктивно различаются по видам матриц. Матрицы могут иметь кольцевую (круглую) или плоскую конструкцию. Прессы обеих модификаций работают по одинаковому принципу. Бегущие стальные валки создают контактное напряжение смятия сырья на матрице, и через отверстия матрицы продавливают сырье. Образующиеся при этом цилиндрические жгуты бесконечной длины обрезаются ножами на выходе на необходимую длину [19, c.13].

В кольцевых прессах узел прессования представляет собой непосредственно кольцевую матрицу, закрепленную в бандажных кольцах, с размещенными внутри прессующими роликами. При этом реализуются два варианта: кольцевая матрица вращается, а блок роликов остается неподвижным или наоборот – неподвижная матрица и вращающийся блок роликов.

Недостатками прессов с кольцевыми матрицами является усложнение конструкции за счет наличия механизма принудительной подачи материала во внутреннюю полость матрицы, сложность и дороговизна изготовления матрицы, повышенный износ матрицы и роликов вследствие неравномерного, скачкообразного питания сырьем [20].

Работа пресса с круглыми матрицами представлена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Схема конструкции пресса с круглой матрицей

Наряду с кольцевой матрицей все большее применение находят грануляторы с плоской матрицей.

Пресс с плоской матрицей представлен на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 – Схема конструкции пресса с плоской матрицей

В процессе прокатки сырье запрессовывается в каналы вращающимися роликами. После прохождения ролика над каналом в нем происходит уплотнение и продвижение очередной порции материала в свободный объем. Затем в канал поступает следующая порция сыпучего материала.

Прессы с плоской матрицей обладают простотой конструкции, удобством эксплуатации и обслуживания, длительным сроком непрерывной эксплуатации и относительной простотой в производстве матриц. При изготовлении матриц каналы в них выполняют как с постоянным так и с переменным сечением.

Стандарты и показатели качества древесных гранул. В 2015 году вступили в силу требования нового европейского стандарта на топливные гранулы EN 14961-1 [21].

Показатели качества зависят от назначения установок, использующих топливные гранулы. Существует два перечня показателей:

 для частного сектора (премиум-класс) A1, A2, B;

 для промышленного сектора (индустриальные гранулы) I1, I2, I3.

В каждом из случаев стандарт EN 14961-1 предусматривает подразделение топливных гранул на 3 категории качества. Категории качества A1, A2, I1, I2 относятся к гранулам из древесины, не подвергавшейся химической обработке. Понятие химическая обработка древесины включает в себя использование любых химических веществ, за исключением воды и воздуха. Причем если в составе исходного сырья, из которого были получены гранулы, присутствовала кора, то такие гранулы получат категорию не выше A2.

Из побочных продуктов деревообрабатывающей промышленности, химически обработанной и неликвидной древесины можно получать гранулы категории B и I3, но они не должны содержать галогенизированные органические соединения и тяжелые металлы.

Новые европейские нормы позволяют продавать гранулы, которые до последнего времени не соответствовали требованиям старых стандартов (особенно по зольности и содержанию коры в сырье). Теперь эти нормы расширены, что позволит использовать большую сырьевую базу для производства таких гранул. Это очень важно для стран, которые используют небольшое количество гранул для собственных нужд и в основном сжигают их в крупных котельных и на электростанциях (Великобритания, страны Бенилюкса), а также для экспортеров гранул в Европу. По стандарту EN-B допускается зольность гранул до 3,0% (по старым нормам  до 1,5%).

Увеличить продолжительность сгорания пеллет и повысить их теплотворную способность можно при помощи добавления в композицию наполнителей, а именно – углеродных волокон.