Альтернативные источники топлива являются одной из самых обсуждаемых тем в современном мире. Политическая обстановка, рост цен на нефть и газ, а также экологические проблемы вынуждают многие страны искать новые пути получения энергии. Одним из самых перспективных направлений на данный момент является использование топливных пеллет.

Топливные пеллеты – это цилиндрические гранулы, которые изготавливаются из различных органических отходов. Наиболее распространенным сырьем для их производства служат древесные опилки, стружки и щепа. Этот материал обладает высокой теплотворной способностью, легко поддается обработке и доступен в больших объемах.

Другие виды сырья, которые также могут использоваться для производства топливных пеллет, включают:

• Сельскохозяйственные отходы: солома, стебли кукурузы, подсолнечника и других культур;
• Торф: разложившиеся растительные остатки, образующиеся в болотных условиях;
• Биомасса: различные растения и отходы, такие как сахарный тростник, пшеница, рапс и другие культуры.

Каждый из этих видов сырья обладает своими особенностями и характеристиками, но не все они способны составить достойную конкуренцию пеллетам из древесных отходов.

Мискантус гигантский – источник «чистой» энергии

Мискантус гигантский (Miscanthus Giganteus), известный также как «слоновая трава», представляет собой стерильный гибрид мискантуса китайского (Miscanthus sinensis) и мискантуса сахарифлоруса (Miscanthus sacchariflorus), созданный в 1989 году датским селекционером Карлом Фостером.

Это многолетняя трава со стеблями, похожими на бамбук, которые вырастают до высоты 3-4 метров за один сезон, начиная с третьего сезона.  Мискантус гигантский неприхотлив в уходе и растет даже на низкоплодородных почвах, ежегодно производя 15-18 тонн биомассы с 1 гектара плантации. Помимо этого, мискантус гигантский приспосабливается к широкому спектру климатических условий, что делает его выгодным выбором для возделывания в разных регионах нашей страны. Лучше всего подходит Центральная часть России.

Одной из ключевых особенностей этого растения является его высокий потенциал к сокращению углеродного следа, делая его значительным участником в борьбе с глобальным потеплением. Эта трава превосходит многие культуры по объемам фиксации углекислого газа (поглощает до 26 тонн СО2 с 1 га плантации в год!), тем самым улучшая качество воздуха и способствуя снижению уровня парниковых газов. Помимо этого, результаты исследований показывают, что мискантус гигантский оказывает положительное влияние на качество почвы: очищает от органических отходов и тяжелых металлов, способствует развитию полезной микробиоты, предотвращает ветровую и водную эрозию.

Мискантус гигантский обладает не только экологическими преимуществами, но и играет важную роль в развитии биоэнергетики. Благодаря сходству химического состава с древесиной, данная культура является альтернативным источником сырья для изготовления топливных гранул, используемых в системе теплоснабжения жилищных и промышленных зданий.

Технология производства топливных пеллет из мискантуса гигантского

Для изготовления пеллет из мискантуса гигантского подходит любое оборудование для изделий из древесной щепы на всех этапах производства.

1 этап. Подготовка сырья. Дробилкой измельчаются крупные сырьевые материалы до нужных размеров для упрощения работы пресс-гранулятора, так как чем меньше материал, тем качественнее и быстрее формируются гранулы. Дробление производиться до момента достижения необходимой фракции материала.

2 этап. Сушка обработанного сырья. Подготовленное сырье подвергается сушке горячим воздухом с помощью теплогенератора или в туннельных печах. Высушенные щепки должны иметь влажность от 8% -12 %, иначе реакция склеивания и спекания в процессе прессования будет проходить неправильно, в результате чего гранулы могут рассыпаться сразу после выхода из пресса, требуя повторной обработки. 

Стоит отметить, что данный этап производства топливных гранул необязателен. Все зависит от времени сбора урожая. Если солома мискантуса гигантского собирается в марте, она уже достаточно сухая и не требует дополнительной сушки.

3 этап. Грануляция и прессование происходит в специальном пресс-грануляторе. Под высоким давлением пресса и высокой температурой (250-300 °С) сырье продавливается через специальную матрицу, проходя через которую, оно склеивается в гранулы цилиндрической формы. Содержащиеся смолы и лингин в измельченной биомассе мискантуса являются склеивающим природным материалом, которые высоким давлением и температурой качественно склеивают частички сырья в гранулы. В грануляторе установлен неподвижный нож, который режет выдавливаемый из матрицы готовый материал в гранулы нужного размера. Далее они подают в охладитель.

4 этап. Охлаждение пеллет. Готовые гранулы очень горячие, поэтому их необходимо остудить с помощью охладителя. Поступившие в охладительную колонку пеллеты продуваются воздухом из вентилятора.

Физико-химические свойства топливных гранул изменяются во время охлаждения, и благодаря этому они приобретают правильный уровень содержания влаги, твердости и температуры (70-90°С). Далее гранулы отправляются на расфасовку.

5 этап. Расфасовывание готовой продукции. Из охладительной колонки по ленточному либо скребковому транспортеру готовые гранулы поступают в бункер для готовой продукции. Бункер оборудован весами, чтобы точно знать массу упакованного пеллетами мешка. Здесь осуществляется упаковка гранулированных пеллетов в мешки (10 кг, 25 кг, 50 кг) и в большие мешки (250 кг, 500 кг, 1000 кг).

Характеристики топливных пеллет

1. Высокая теплотворная способность. Пеллеты из мискантуса обладают высокой теплотворной способностью (около 17,7 MДж/кг.) и полностью соответствуют требованиям Европейского стандарта 303-5:2012 (стандарт, который распространяется на отопительные котлы номинальной теплопроизводительностью до 500 кВт, предназначенные для сжигания твёрдого топлива, с естественной или принудительной подачей воздуха на горение, ручной или автоматической загрузкой топлива – прим. ред.). Помимо этого, температура сжигания пеллет из мискантуса ниже (1220°C), чем у древесных изделий (>1400°C), что позволяет использовать их для различных целей, где требуется менее высокая температура горения, например, в системах отопления с низкотемпературными котлами.

• Низкая зольность. Зольность мискантуса находится в пределах от 1% до 3%, что намного меньше по сравнению с другими травянистыми растениями, такими как пшеница (5-6%) или рис (до 20%). Выбор правильного времени для сбора урожая значительно улучшает этот показатель. Оптимально собирать урожай в ноябре. В этом случае собранное сырье можно сушить зимой, чтобы получить к весне малозольное и сухое сырье, которое отлично подходит для производства топливных пеллет.
• Экологическая чистота. Результаты исследований показывают, что пеллеты из мискантуса оказывают меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению с древесными, в основном из-за меньшего потребления энергии во время гранулирования. В частности, 1 т пеллет из мискантуса дает углеродный след 121,6 кг CO2-экв, что примерно на 8% ниже по сравнению с древесными пеллетами. Помимо этого, при сжигании топливных пеллет выделяется значительно меньше вредных веществ, таких как углекислый газ и оксиды серы, чем при использовании традиционных видов топлива. Это делает их более безопасными для окружающей среды.

• Экономичность. Главное экономическое преимущество пеллет мискантуса гигантского заключается в возможности выращивать сырье рядом с заводом, что исключает необходимость поставок отходов лесопилок, которые часто становятся дорогими из-за логистических затрат.
• Простота хранения сырья. Под крышей в упакованных и укрытых тюках на твердом покрытии солома мискантуса гигантского может храниться круглый год аналогично открытым складам для хранения сена. Мышей не боится, птиц не привлекает и, в отличие от древесных отходов, не портится. Об этом мы подробно писали в статье.
• Универсальность. Пеллеты из мискантуса гигантского могут использоваться в различных типах отопительного оборудования, включая котлы, камины. Это расширяет возможности их применения и делает их востребованным топливом в актуальной экологической стратегии государства – В 2021 году правительством Российской Федерации была представлена обновлённая «Стратегия развития лесного комплекса Российской Федерации до 2030 года», предполагающая перевод муниципальных котельных с традиционных «неэкологичных» типов топлива на биоаналоги: щепу, биогаз, торф, топливные гранулы (пеллеты) и т.д.

• Доступность. Благодаря доступности разных типов оборудования, пеллеты из мискантуса гигантского могут производиться не только крупными сельхозпредприятиями, но и личными подсобными хозяйствами.
• Возможность экспорта. В июле 2022 года вступили в силу санкции Евросоюза, запрещающие импорт древесных изделий из России. Данные ограничения нанесли существенный удар по направлению производства древесных топливных пеллет, поскольку 95% продукции производилось на экспорт. Альтернативным решением в таком случае может стать переход производства на сырье мискантуса гигантского, поскольку данное растение классифицируется как растительное сырье,  введенные санкции на него не распространяются.

Таким образом, благодаря своим качествам, пеллеты из мискантуса гигантского являются достойной альтернативой гранулам из древесных отходов. Переход на данный вид топлива позволит усилить потенциал России на пути к устойчивому развитию, поддерживая глобальные усилия по сокращению выбросов парниковых газов и пополняя реестр возобновляемых источников энергии.

Авторы – Анисимова Елена, Лукина Любовь