Головков - Энергетическое использование древесных отходов

Головков С. И., Коперин И. Ф., Найденов В, И. Энергетическое использование древесных отходов.—М.: Леси, пром-сть, 1987.— 224 с.

Рассмотрены основные особенности древесных отходов как топлива. Дано описание котельного оборудования предприятий лесной  промышленности, обеспечивающего полное использование тепла при сжигании  древесных отходов. Рассмотрены технология подготовки древесных отходов к сжиганию, их хранение в буферных и межсезонных складах. Рассказано об организации учета расхода древесного топлива, механизации и автоматизации топливоподачи.

Для инженерно-технических работников лесной промышленности.

Табл. 43, ил. 73, библиогр.— 65 иазв.

Рецензент П. П. АЛЕКСАНДРОВ (Минлесбумпром СССР)

© Издательство «Лесная промышленность», 1987 Г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Древесина — самый древний вид топлива. Однако по мере развития  производительных сил общества значимость ее как топлива уменьшилась.  Снижение удельного веса древесного топлива в топливном балансе страны  обусловлено объективными причинами. Главнейшей из них являются  колоссальные потребности социалистического народного хозяйства в топливе, которые существенно превышают возможности воспроизводства древесного топлива в лесных массивах страны.

Затраты труда на заготовку и вывозку древесины выше затрат труда на добычу ископаемых видов топлива, а транспортабельность древесного топлива существенно ниже транспортабельности каменных углей и жидкого топлива. Это способствовало снижению значимости использования древесного  топлива в народном хозяйстве страны.

В связи с незначительным удельным весом древесины в энергетическом балансе промышленно развитых стран казалось, что интерес к  энергетическому использованию древесного топлива утрачен навсегда. Однако энергетический кризис, развившийся в 1973. ..1975 гг., заставил изменить точку зрения на перспективы энергетического использования древесины. Прежде всего древесина — это единственный вид топлива, естественно  возобновляющийся в больших объемах, в то время как запасы горючих ископаемых  ограничены. Затраты общественного труда на добычу ископаемых видов топлива с течением времени увеличиваются, в то время как трудоемкость заготовки и вывозки древесины уменьшается.

Немаловажное значение имеет и экологический аспект проблемы —  древесное топливо практически не содержит серы и имеет высокую реакционную способность, поэтому в дымовых газах при сжигании древесины не  содержится сернистого и серного газа, а содержание окиси углерода при  рационально сконструированных топочных устройствах минимально. 

Неудивительно, что в настоящее время как в СССР, так и за рубежом интерес к вопросам энергетического использования древесной биомассы возрастает.  Производственников-лесозаготовителей прежде всего интересуют вопросы  использования на топливо древесных отходов, не находящих по той или  другой причине технологического применения. Они являются вторичными  топливными энергетическими ресурсами — источником реальной экономии  горючих ископаемых.

Энергетическое использование древесных отходов, непригодных для  технологического применения, способствует выполнению задачи, поставленной XXVII съездом КПСС, по улучшению использования лесосырьевых ресурсов. Использование древесных отходов на топливо есть завершающая фаза  лесозаготовительного производства, придающая ему безотходный характер и направленная на повышение эффективности мер по охране природы. Вовлечение в топливный баланс лесопромышленных предприятий  древесных отходов — эффективное мероприятие по сбережению для будущих поколений горючих ископаемых, запасы которых в природе уменьшаются все возрастающими темпами.

Цель настоящей работы — информировать читателей о проблеме  энергетического использования древесных отходов в лесной и  деревообрабатывающей промышленности.

1. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ

1.1. ДРЕВЕСНАЯ БИОМАССА КАК ОДИН ИЗ ВИДОВ ЕСТЕСТВЕННО ВОЗОБНОВЛЯЮЩЕГОСЯ ТОПЛИВА

Древесина использовалась на топливо человеком с момента открытия огня. За долгий исторический период, прошедший с той поры, процесс сжигания древесины был достаточно  изучен и, казалось бы, все вопросы энергетического использования древесины должны быть решены. Однако опыт сжигания  древесины относился только к использованию древесного топлива для домашнего хозяйства. Промышленное использование  древесного топлива в больших масштабах началось с момента  возникновения производства чугуна и стали на базе древесного угля, а применение древесного топлива в энергетических целях не получило широкого развития. Древесное топливо было  быстро вытеснено из энергетики каменным углем и жидким  топливом, отличающимися более высокой транспортабельностью и имеющими, как казалось в то время, неисчерпаемые ресурсы.

Энергетический кризис 1973. ..1975 гг. заставил уточнить мировые запасы ископаемых видов топлива. Оказалось, что они при существующих темпах роста потребности в энергии  будут исчерпаны в течение ближайших столетий, т. е. в весьма короткий исторический период. При этом следует учитывать, что горючие ископаемые не только источник энергии, они в то же время сырье для технологии производства широкой гаммы продуктов, жизненно необходимых человечеству. По образному выражению Д. И. Менделеева, сжигать сырую нефть также  неразумно, как сжигать ассигнации. Необходимость экономии ископаемых топливно-энергетических ресурсов в масштабе всей планеты становится с каждым годом все более неотвратимой и заставляет промышленно развитые страны проводить широкие исследования по поиску альтернативных источников энергии.

Однако пока новые источники энергии (например, энергия термоядерного синтеза) будут промышленно освоены,  человечество вынуждено' для получения энергии сжигать  колоссальные объемы горючих ископаемых, оставляя, таким образом,  будущие поколения без органического сырья. Поэтому  чрезвычайно важно на данной ступени развития науки и  производства максимально использовать возобновляющиеся виды  топливно-энергетических ресурсов.

К таким ресурсам относится древесная биомасса,  самопроизвольно возобновляющаяся при жизнедеятельности лесных массивов. Однако необходимо трезво оценить возможности энергетического использования древесной биомассы. При этом следует исходить из того, что производительность лесов как источников энергии ограничена не столь высоким пределом. Расчеты показывают, что годовой прирост древесины в лесах Советского Союза эквивалентен по энергии всего 12. ..13% годового расхода по стране горючих ископаемых. Учитывая, что основная часть прироста древесины расходовалась и будет расходоваться для технологических целей, а также имея в виду, что часть прироста древесины в лесонасаждениях Сибири и Дальнего Востока технически и экономически недоступна в  ближайшей перспективе для использования, можно заключить, что применение на топливо древесной биомассы не может привести к большим сдвигам в структуре топливного баланса  Советского Союза. Это обусловлено прежде всего гигантскими  размерами топливно-энергетического комплекса нашей страны. 

Однако усилия энергетиков лесной промышленности должны быть сконцентрированы на вовлечении в топливный баланс страны древесной биомассы в максимально возможных, технически и экономически обоснованных объемах.

1.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ ЗА РУБЕЖОМ

В периодической печати зарубежных стран уделяется много внимания вопросам экономии энергии и топлива в лесных  отраслях промышленности, а также проблеме замены, где это возможно и целесообразно, дефицитного нефтегазового сырья топливом из древесных отходов и низкосортной древесины.  Обсуждаются проблемы использования древесной биомассы на  топливо, приводятся примеры работы электростанций и котельных установок на этом виде топлива, сведения о создании новых, более эффективных установок, работающих на древесном  топливе, а также о разработке вспомогательного оборудования для подготовки, складирования, хранения и транспортирования  древесного топлива. Имеются сообщения о проведении  исследований по получению из древесины жидкого топлива и газа,  пригодного для использования в бытовых целях. Как известно, древесина с давних пор традиционно  используется в качестве топлива для бытовых целей. Даже  сегодня, по оценкам зарубежных экспертов, около половины  заготавливаемой в мире древесины используется в качестве  топлива для приготовления пищи и отопления, а в развивающихся странах на эти цели расходуется до 90 % древесного сырья.

Американские специалисты считают, что вовлечение в  топливный баланс древесных отходов может полностью  удовлетворить потребность в топливе лесной отрасли. Считают, что в лесопильном производстве почти половина сырья переходит в отходы, а на мебельных предприятиях еще половина пиломатериалов превращается в отходы. Все неиспользуемые для  технологической переработки отходы лесозаготовок и  деревообработки должны найти применение в энергетике предприятий. В целях увеличения эффективности энергетического  использования древесной биомассы министерство энергетики США проводит в этой области все расширяющиеся по объему научно-исследовательские работы.

В Канаде принята специальная правительственная  программа по использованию древесной биомассы в качестве  энергетического сырья. Руководство программой осуществляет  министерство энергетики, шахт и ресурсов при участии  междуведомственного консультативного комитета. Цель программы — удвоить по сравнению с существующим уровнем и довести до 7 % долю древесных и коммунальных отходов в национальном энергетическом балансе страны.

Все большее значение использованию биомассы в качестве энергетического сырья придают в ФРГ. В одном из сообщений отмечается, что за счет энергетического использования  древесной биомассы в стране можно сэкономить около 1...1,5%  общего потребления нефтепродуктов.

Большие работы по вовлечению в топливный баланс  древесной биомассы проводятся в Швеции. Активно ведутся работы в этом направлении в Финляндии, Норвегии, Австрии,  Швейцарии, Франции, Италии и других странах.

На основании анализа зарубежной информации по  энергетическому использованию древесной биомассы можно установить, что основными направлениями проведения  научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ в этой области за рубежом являются: поиски возможностей увеличения резервов древесной  биомассы путем повышения производительности лесных массивов и оптимизации сроков рубки при заготовке энергетической  биомассы;

повышение эффективности использования различных видов древесной биомассы при непосредственном сжигании ее в  топках котельных установок для выработки тепловой и  электрической энергии;

производство из древесной биомассы твердого топлива с  повышенными показателями по транспортабельности, теплоте  сгорания и водостойкости;

получение из древесной биомассы жидкого топлива для транспортных машин;

производство на основе древесной биомассы газообразного топлива, пригодного для использования в современных  системах газоснабжения, а также в газобаллонных транспортных машинах.

Зарубежные специалисты выделяют два направления работ по увеличению резервов древесной биомассы для энергетического использования: во-первых, создание энергетических  плантаций, или плантаций энергетического сырья и, во-вторых,  повышение степени использования биомассы дерева в  существующих, эксплуатируемых лесонасаждениях.

Под созданием энергетических плантаций понимаются  посадки быстрорастущих лесных культур на пустующих землях, непригодных для земледелия, с последующим использованием вырастающей на них древесины для получения энергии. 

Отмечается привлекательность этого направления с точки зрения экологии. Продуктивность использования земельных площадей при этом, по зарубежным данным, может быть существенно повышена направленным генетическим совершенствованием лесных культур, введением оптимизированного короткого срока рубки и выращиванием саженцев в теплицах с продленным световым днем при применении искусственного освещения.

Повышение степени использования биомассы дерева в  эксплуатируемых лесных массивах, по мнению зарубежных  специалистов, может быть достигнуто за счет использования на топливо биомассы кроны, пней и корневой системы дерева, а также древесных отходов, оставляемых на лесосеке и  образующихся в процессе раскряжевки.

Эффективность непосредственного сжигания древесной  биомассы в топках котлоагрегатов повышается в результате  проведения следующих мероприятий:

машинизации и автоматизации процессов складирования и транспортирования древесного топлива к топочным  устройствам;

совершенствования топочных устройств, направленного на повышение КПД котлоагрегатов, снижение трудозатрат на  обслуживание котельных установок и обеспечение возможности сжигания древесных отходов высокой зольности и влажности;

разработки совершенных систем подготовки к сжиганию особо влажных отходов, главным образом коры.

Непосредственно образующиеся в процессе заготовки  древесины и ее первичной обработки древесные отходы и щепа имеют малую плотность и низкую теплоту сгорания.  Вследствие этого они как топливо малотранспортабельны, и при  сжигании развивают недостаточно высокую температуру горения, что исключает их применение для ведения  высокотемпературных процессов и снижает теплопроизводительность и КПД  котельных установок, в которых они используются. Так, за  рубежом проводятся исследования по разработке и  совершенствованию производства транспортабельного, высококачественного топлива на базе древесного сырья. Применение древесных  брикетов, по мнению специалистов, особенно привлекательно для бытового потребления, так как в их составе не содержится серы и других вредных элементов.

Ограниченность мировых запасов нефти, бесконтрольные действия транснациональных нефтяных корпораций вызывают на Западе неуверенность в будущем энергетики. Естественной реакцией технической общественности на сложившуюся  ситуацию явилось увеличение объемов исследований по  изысканию источников альтернативного топлива и, в частности,  научных работ по получению жидкого топлива для транспортных машин на основе древесной биомассы, возобновляющейся в сравнительно больших объемах. По имеющейся информации, эти исследования не вышли за рамки поисковых работ. В  состоянии научного поиска находятся и исследования по  получению из древесины горючего газа с высокой теплотой сгорания для использования его в существующих системах газоснабжения.

Вопросами использования древесины и древесных отходов для получения энергии занимаются специализированные органы ООН. Комитет по лесоматериалам (ФАО) и отдел энергетики Европейской Экономической Комиссии (ЕЭК) проанализировали тенденции и потенциальные возможности использования  древесины как возобновляемого источника энергии. При этом было установлено, что в развитых капиталистических странах доля энергии, получаемой из древесины, от общего потребления энергии, невелика и составляет в США 1,6%, в Канаде 2,2, во Франции 1,8, в ФРГ 0,9, Австрии 1,3, Швейцарии 1,1 %. 

Повышенное значение доли использования древесины на топливо от общего его потребления имеет место в Финляндии (8,9%), в Швеции (3,3 %) и Турции (22,9 %) Характерным для развитых капиталистических стран  является высокая степень использования на топливо древесных  отходов. В общем объеме используемой на топливо древесины древесные отходы составляют в США 70%, в Канаде 65, во Франции 28, в ФРГ 62, в Швеции 51, в Финляндии 53%.

1.3. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНОЙ БИОМАССЫ КАК ТОПЛИВА В СССР

Основной объем древесной биомассы, используемой на  топливо в Советском Союзе, занимают дрова. В табл. 1  приведены данные по заготовке дров на топливо, а также по добыче торфа и горючих сланцев, исчисленные в тоннах условного  топлива и в процентах от общей добычи всех видов топлива по Советскому Союзу.

Таким образом, дрова по объему их использования на  топливо составляют до сих пор значительную величину. По  тепловой энергии годовое использование дров эквивалентно годовой добыче торфа и сланцев вместе взятых. В то же время в  топливном балансе страны дрова составляли всего 1,1 %, что  обусловлено колоссальными объемами добычи нефти, природного газа и каменного угля.

Кроме дров, в лесной и деревообрабатывающей  промышленности в настоящее время используется на топливо около12 млн. м2 древесных отходов, что эквивалентно  приблизительно 3 млн. т условного топлива. В будущем объем  дровяной древесины, используемой на топливо, будет сокращаться ввиду увеличения производства из нее технологической щепы. Дрова используются в основном как бытовое топливо в  сельской местности. Целесообразно для восполнения уменьшения поставки дров наладить производство топливных брикетов из древесных отходов как превосходного бытового топлива, превосходящего дрова по показателю транспортабельности почти в 2 раза.

Основную массу древесных отходов, не находящих  технологического применения, предполагается в дальнейшем  использовать на топливо при прямом сжигании их в топочных  устройствах котлоагрегатов. Для этой же цели будут использоваться отходы древесины от рубок ухода, а также древесные отходы реконструкции лесных насаждений.

Энергетическое использование древесных отходов может  получить в Советском Союзе более широкое распространение только в том случае, если будет разработано и будет серийно выпускаться в заводском исполнении технологическое и  теплотехническое оборудование котельных, предназначенных для работы на древесных отходах. Это оборудование должно обеспечивать полную машинизацию и автоматизацию работ по  подготовке древесных отходов для сжигания, складированию,  хранению, внутризаводскому транспорту и эффективному сжиганию.

Наибольшее значение автоматизация процессов  производства тепла на базе древесных отходов имеет в котельных малой производительности, где штатный коэффициент недопустимо высок.