Введение
Твердое топливо, изготовленное из сжатого органического материала.
Пеллетное топливо (или пеллеты) – это вид твердого топлива, изготовленный из сжатого органического материала. Пеллеты могут быть изготовлены из любой из пяти основных категорий биомассы: промышленные отходы и побочные продукты, пищевые отходы, сельскохозяйственные отходы, энергетические культуры и необработанная древесина. Деревянные пеллеты являются наиболее распространенным видом пеллетного топлива и обычно изготавливаются из спрессованной древесной пыли и связанных с ней промышленных отходов, образующихся при распиловке древесины, производстве деревянных изделий и мебели, а также в строительстве. Другие источники промышленных отходов включают пустые плодовые кисти, скорлупу пальмового ореха, кокосовые скорлупы, а также верхушки и ветви деревьев, удаляемые во время лесозаготовок. Так называемые "черные пеллеты" производятся из биомассы, очищенной до состояния, напоминающего твердый уголь, и были разработаны для использования в существующих угольных электростанциях. Пеллеты классифицируются по теплотворной способности, влажности, содержанию золы и размерам. Они могут использоваться в качестве топлива для производства электроэнергии, коммерческого или бытового отопления, а также для приготовления пищи. Пеллеты отличаются чрезвычайно высокой плотностью и могут производиться с низким содержанием влаги (менее 10%), что обеспечивает их очень эффективное сгорание. С середины 1980-х годов был разработан и представлен на рынке широкий ассортимент пеллетных печей, котлов центрального отопления и других отопительных приборов. С ростом цен на ископаемое топливо с 2005 года спрос на пеллетное отопление увеличился в Европе и Северной Америке, и сформировалась значительная отрасль. Согласно данным Международного энергетического агентства (IEA) Task 40, производство древесных пеллет более чем удвоилось в период с 2006 по 2010 год, превысив 14 миллионов тонн. В отчете за 2012 год Центр энергетических ресурсов биомассы прогнозирует, что производство древесных пеллет в Северной Америке вновь удвоится в ближайшие пять лет.
Производство
Пеллеты производятся путем сжатия древесного материала, который предварительно измельчается в молотковой мельнице для получения однородной массы, напоминающей тесто. Эта масса подается в пресс, где она продавливается через фильеру с отверстиями требуемого размера (обычно диаметром 6 мм, иногда 8 мм или больше). Высокое давление пресса значительно повышает температуру древесины, и лигнин слегка пластифицируется, образуя естественный "клей", который связывает пеллету по мере ее охлаждения. В 2012 году Департамент сельского хозяйства Новой Шотландии объявил о демонстрационном проекте по переоборудованию котельной, работающей на мазуте, для использования травяных пеллет на исследовательском объекте. Пеллеты из рисовой шелухи производятся путем уплотнения рисовой шелухи, являющейся побочным продуктом выращивания риса. Они обладают схожими характеристиками с древесными пеллетами и более экологичны, поскольку сырье представляет собой отход производства. Энергетическая ценность составляет около 4,2 ккал/кг, а содержание влаги обычно не превышает 10%. Размер пеллет обычно составляет около 6 мм в диаметре и 25 мм в длину, имея форму цилиндра, хотя встречаются и более крупные цилиндрические или брикетированные формы. Они значительно дешевле аналогичных энергетических пеллет и могут быть спрессованы/произведены непосредственно на ферме с использованием недорогого оборудования. Как правило, они более экологичны по сравнению с древесными пеллетами. В регионах мира, где пшеница является основной продовольственной культурой, пшеничная шелуха также может быть спрессована для производства энергетических пеллет, обладающих характеристиками, аналогичными пеллетам из рисовой шелухи. В отчете CORRIM (Консорциум по исследованиям возобновляемых промышленных материалов) для инвентаризации жизненного цикла производства и использования древесных пеллет оценивается, что энергия, необходимая для сушки, гранулирования и транспортировки пеллет, составляет менее 11% от их энергетической ценности при использовании предварительно высушенных промышленных древесных отходов. Если пеллеты производятся непосредственно из лесного сырья, то на сушку древесины требуется до 18% энергии, а на транспортировку и производство – дополнительные 8%. В 2009 году Департамент химической и минеральной инженерии Болонского университета (Италия) и Центр исследований чистой энергии при Университете Британской Колумбии опубликовали оценку воздействия на окружающую среду экспортируемых древесных пеллет, в которой было заключено, что энергия, потребляемая для транспортировки канадских древесных пеллет из Ванкувера в Стокгольм (15 500 км через Панамский канал), составляет около 14% от общей энергетической ценности древесных пеллет.
Нормы пеллет
Пеллеты, соответствующие нормам, обычно используемым в Европе (DIN 51731 или Ö Norm M 7135), содержат менее 10% влаги и имеют однородную плотность (более 1 тонны на кубический метр, благодаря чему они тонут в воде). (В отличие от этого, объемный вес пеллет, включая заключенный воздух, составляет всего около 0,6–0,7 тонны на кубический метр). Пеллеты обладают хорошей структурной прочностью и низким содержанием пыли и золы. Пеллеты, соответствующие европейским стандартам и содержащие переработанную древесину или посторонние примеси, классифицируются как пеллеты класса B. В Соединенных Штатах новые правила, инициированные в 2009 году, завершили процесс нормативной оценки EPA, и окончательные новые правила были опубликованы для обсуждения 24 июня 2014 года. Американский комитет по стандартам лесоматериалов будет независимым органом по сертификации новых стандартов на пеллеты.
Опасности
Деревянные гранулы могут выделять значительное количество ядовитого угарного газа при хранении. Смертельные случаи происходили в частных помещениях для хранения и на борту морских судов. При работе с деревянными гранулами выделяется мелкая пыль, способная вызвать серьезные взрывы пыли. Обычно деревянные гранулы хранятся насыпью в больших силосах. Гранулы могут самонагреваться, воспламеняться и приводить к глубокому, тлеющему пожару, который очень трудно потушить. Тлеющий пожар выделяет токсичный угарный газ и легковоспламеняющиеся газы пиролиза, что может привести к взрывам силосов.
Работа печей на пеллетах
Существует три основных типа отопительных приборов, работающих на пеллетах: отдельно стоящие пеллетные печи, пеллетные вставки и пеллетные котлы. Пеллетные печи работают подобно современным печам, где топливо – древесные или другие биомассовые пеллеты – хранится в бункере, называемом загрузочным бункером (хоппером). Хоппер может располагаться сверху, сбоку или удаленно от печи. Механический шнек автоматически подает пеллеты в топку. Там они сгорают при высоких температурах с минимальными выбросами. Теплообменные трубы направляют нагретый огнем воздух в помещение. Конвекционные вентиляторы циркулируют воздух через теплообменные трубы и в помещение. Пеллетные печи оснащены платами с электронными схемами, которые выполняют функции термостата и регулируют температуру. Пеллетная вставка – это печь, которая устанавливается в существующий каменный или сборный камин, аналогично каминной вставке. Пеллетные котлы – это автономные системы центрального отопления и горячего водоснабжения, предназначенные для замены традиционных систем на ископаемом топливе в жилых, коммерческих и общественных зданиях. Автоматические пеллетные котлы включают в себя силосы для хранения больших объемов пеллет, систему подачи топлива из силоса в хоппер, логический контроллер для регулирования температуры в нескольких зонах отопления и автоматическую систему удаления золы для длительной автоматизированной работы. Пеллетные корзины позволяют отапливать дом пеллетами, используя существующие печи или камины.
Выпуск энергии и эффективность
Энергетическая ценность древесных пеллет составляет примерно 4,7 – 5,2 МВтч/тонну (~7450 БТЕ/фунт), 14,4 – 20,3 МДж/кг. В последние годы были разработаны высокоэффективные печи и котлы на древесных пеллетах, обычно обеспечивающие эффективность сгорания более 85%. Новейшее поколение котлов на древесных пеллетах может работать в конденсационном режиме и, следовательно, достигать на 12% более высоких показателей эффективности. Котлы на древесных пеллетах имеют ограниченный контроль над скоростью и полнотой сгорания по сравнению с системами, работающими на жидком или газообразном топливе; однако, именно поэтому они лучше подходят для водяных систем отопления благодаря большей способности этих систем накапливать тепло. Также доступны пеллетные горелки, которые можно установить на существующие мазутные котлы. Известной проблемой является выброс мелких твердых частиц в атмосферу, особенно в городских районах с высокой концентрацией пеллетных или угольных/мазутных систем отопления. Выбросы PM2.5 от старых пеллетных печей и котлов могут быть проблематичными в закрытых помещениях, особенно по сравнению с природным газом (или возобновляемым биогазом), хотя на крупных установках электростатические фильтры, циклонические сепараторы или рукавные фильтры могут контролировать содержание твердых частиц при надлежащем обслуживании и эксплуатации.
Аспекты изменения климата
Существует неопределенность относительно того, в какой степени производство тепла или электроэнергии путем сжигания древесных гранул способствует глобальному изменению климата, а также в том, как воздействие на климат сопоставимо с воздействием от использования альтернативных источников тепла. Факторы, вызывающие эту неопределенность, включают происхождение древесины, выбросы углекислого газа при производстве и транспортировке, а также при окончательном сжигании, и выбор подходящего временного масштаба для оценки. В отчете и ученые указали на недочеты в докладе, предполагая, что климатические последствия оказываются более серьезными, чем было заявлено. До 2008 года, даже в научных публикациях, широко распространено было мнение, что энергия биомассы (включая энергию из древесных гранул) является углеродно-нейтральной, в основном из-за веры в то, что повторный рост растительности поглощает и сохраняет углерод, выбрасываемый в атмосферу. Однако затем стали появляться научные работы, изучающие климатические последствия использования биомассы, которые опровергли упрощенное предположение о ее углеродной нейтральности. Согласно Центру энергетических ресурсов биомассы, представление об углеродной нейтральности «сместилось в сторону признания того, что углеродные последствия использования биомассы зависят от способа сбора топлива, типа лесов, применяемых методов лесопользования и того, как биомасса используется с течением времени и на различных территориях».
Стоимость
Из-за быстрого роста популярности с 2005 года доступность и стоимость пеллет могут быть проблемой. Это важный фактор, который следует учитывать при покупке пеллетного котла, печи, корзин для пеллет или других устройств, известных в отрасли как Bradley Burners. Однако текущее производство пеллет увеличивается, и запланирован запуск нескольких новых предприятий по производству пеллет в США в 2008–2009 годах. На стоимость пеллет может влиять строительный цикл, что приводит к колебаниям в поставках опилок и обрезков. Согласно информации Управления энергетики и планирования штата Нью-Гэмпшир о ценах на топливо, обновленной 5 октября 2015 года, стоимость доставленного мазута №2 можно сравнить со стоимостью доставленных оптом древесных пеллет, используя их теплотворную способность (BTU): 1 тонна пеллет эквивалентна 118,97 галлонам мазута №2. Это основано на предположении, что одна тонна пеллет производит 16 500 000 BTU, а один галлон мазута №2 – 138 690 BTU. Таким образом, если стоимость доставленного мазута №2 составляет 1,90 доллара США за галлон, то точка безубыточности для пеллет составляет 238,00 долларов США за тонну с доставкой.
Индия
В 2019 году Индия начала совместное сжигание пеллет биомассы на угольных электростанциях в окрестностях столицы Дели с целью снижения загрязнения воздуха, вызванного сжиганием стеблей сельскохозяйственных культур и биомассы на открытых полях для подготовки полей к посеву следующего урожая. Планируется использовать пеллеты биомассы для производства электроэнергии по всей стране, чтобы утилизировать около 145 миллионов тонн сельскохозяйственных отходов и заменить ими эквивалентное количество импортируемого угля.
Новая Зеландия
В 2013 году общий объем продаж древесных гранул в Новой Зеландии составил от 300 000 до 500 000 тонн. Недавнее строительство новых заводов по производству древесных гранул значительно увеличило производственные мощности. Завод по переработке древесных гранул Nature's Flame, расположенный в Таупо, планирует к концу 2019 года удвоить свою годовую производственную мощность до 85 000 тонн. Azwood Energy управляет заводом по переработке древесных гранул в Нельсоне, используя более 1,2 миллиона кубических метров лесных отходов ежегодно для производства углеродно-нейтрального топлива для бытового использования, больниц, школ и промышленных процессов, включая переработку молока.
Соединенные Штаты
Некоторые компании импортируют котлы европейского производства. По состоянию на 2009 год, около 800 000 американцев использовали древесные пеллеты для отопления. Экспорт древесных пеллет из США в Европу вырос с 1,24 миллиона тонн в 2006 году до 7 миллионов тонн в 2012 году, но при этом площадь лесов увеличилась еще больше.
Ложечные принадлежности для лошадей
Когда к древесным гранулам добавляют небольшое количество воды, они расширяются и превращаются обратно в опилки. Это делает их подходящими для использования в качестве подстилки для лошадей. Простота хранения и транспортировки – дополнительные преимущества по сравнению с традиционной подстилкой. Однако некоторые породы дерева, включая орех, могут быть токсичны для лошадей и ни в коем случае не должны использоваться для подстилки. В Таиланде производятся гранулы из рисовой шелухи для подстилки животных. Они обладают высокой впитывающей способностью, что делает их идеальными для этой цели.
Корм для скота
Пеллеты биомассы, изготовленные из пищевого сырья, также могут использоваться в качестве корма для скота, путем импорта из регионов с избытком кормов для решения проблемы их дефицита.
Абсорбенты
Деревянные гранулы также используются для поглощения загрязненной воды при бурении нефтяных и газовых скважин.