КАК ОТКРЫТЬ НЕФТЯНУЮ СКВАЖИНУ НА ЛЕСОПИЛКЕ
Перспективы производства и применения
в энергетике гранулированных топлив
на основе растительного сырья

Дмитрий Александрович Боев

Большую часть своей истории человечество никаких других топлив кроме органики растительного происхождения не знало и не использовало. Производство было в известной мере безотходным: что можно было сжечь, то и жгли. В основном, конечно, это была древесина, но помимо нее сжигали отходы сельскохозяйственного производства: солому, сушеный кизяк, сучья, ветошь и даже сушеную рыбу! Дрова в течение тысячелетий обогревали человеческое жилище и общественные здания, а также использовались в качестве топлива для металлургии. Впоследствии почти повсеместно древесина стала вытесняться каменным углем.

Для освещения использовались еще и растительные масла. В некоторых местах, например, в центральной и малой Азии нашли применение нефть и минеральные масла. Впрочем, столетиями проблема освещения не вставала так остро, как сейчас, когда без него жизнь технологически развитых стран просто немыслима.

Революция в промышленности в середине девятнадцатого века дала в руки человеку электрическую энергию. Использование ее в бытовых и промышленных целях, новые технологии отопления жилищ и промышленных сооружений сделали неприемлемым дальнейшее применение в массовых масштабах растительного (в первую очередь дровяного) топлива.

Изобретение и последующее масштабное внедрение двигателя внутреннего сгорания также потребовали новых топлив - жидких. К моменту, когда технически развитые промышленные страны были готовы начать добычу и переработку нефти в промышленных масштабах, продолжалась (и до сих пор продолжается) добыча угля. Дрова как основной вид топлива достаточно быстро потеряли свое былое значение. До конца пятидесятых годов, впрочем, это топливо еще кое-где использовалось в качестве промышленного, а льнозаводы и до шестидесятых годов двадцатого века все еще оснащались локомобилями - паровыми машинами, через трансмиссионную схему приводившими в действие линии очистки льна. В топках локомобилей сжигались отходы льняного производства.

Таким образом, к концу двадцатого века дровам сохранили крохотную нишу "экзотического топлива" - в деревенских домах, каминах и в качестве необходимого ингредиента для приготовления шашлыка. Между тем сухую древесину (а также и сухую солому) следует отнести к разряду высококалорийных и, что очень важно, экологически чистых топлив.

Низшая теплота сгорания древесины влажностью 8…10% сравнима с теплотворной способностью энергетических углей, но древесина имеет перед углем абсолютно неоспоримое преимущество - при ее сгорании зола практически отсутствует. Энергетические угли имеют зольность до 40%, причем зола углей по происхождению минеральна и создает достаточно высокий радиоактивный фон. Древесное топливо имеет зольность, приблизительно равную 1%, и никакой опасности для людей не представляет. Более того, древесная зола является ценным удобрением.

Но при всех теоретических достоинствах древесного топлива интерес к нему со стороны крупных потребителей (промышленности и ЖКХ городов и поселков) не возникал до начала неконтролируемого роста цен на минеральные энергоносители (нефть и газ). В настоящей статье не будут рассматриваться причины такого роста и не предполагается давать прогнозы по ценам на минеральные энергоносители. Но один важный момент необходимо отметить для обозначения тенденций - в последние двадцать лет стоимость добывающего оборудования и технологий добычи возросла в несколько раз, места добычи переместились (и продолжают перемещаться) в более сложные районы - на морской шельф или в тайгу. Не рассматривая, в связи с этим, политические последствия, следует отметить, что составляющая добычи и транспортировки минеральных топлив в их стоимости будет расти и в будущем достаточно высокими темпами. Поэтому стоимость гигакалории тепла, полученной при сжигании естественного возобновляемого топлива - древесины, стала ниже, чем при употреблении традиционных для двадцатого века топлив - мазута и угля. С того момента, когда цена одного барреля нефти пересекла отметку в 50 долларов, проблема использования возобновляемого растительного топлива вновь актуализировалась. Заметим, что в Европе стоимость отопления с использованием гранулированного древесного топлива оказалась ниже стоимости отопления, осуществляемого путем сжигания природного газа.

Все виды древесных топлив можно разделить по двум признакам - по теплотворной способности и по технологии использования.
Топливо с естественной влажностью более 40…80% - это скорее не топливо, а просто горючее вещество. При влажности более 70% тепло, получаемое при сгорании топлива, практически полностью используется для выпаривания имеющейся в топливе воды. Для практического использования такие виды топлив представляют лишь незначительный интерес.

Другое дело - дрова, топливные брикеты и отопительная щепа, влажность которых колеблется в диапазоне 18…40%, а теплотворная способность - от 8 до 16 МДж/кг. В эту категорию входят привычные нам классические заготовленные и высушенные естественным способом дрова (которые можно применять непосредственно в отопительных печах и котлах), а также измельченная в стандартную топливную щепу древесина с примесями хвои и листьев по ГОСТ 17462-77. Сюда же относят топливные брикеты - дрова или щепу, измельченные до еще более мелкой фракции и спрессованные в прямоугольные изделия размером ~10х5х5 см. Но все эти виды топлива не могут в полной мере претендовать на категорию промышленных ввиду ряда недостатков. Главное препятствие - большой разброс по теплотворной способности, что ведет к непредсказуемой теплоотдаче и сложности регулирования процессов использования тепла. Существенная помеха промышленного использования такого топлива - его низкая технологичность. Для дров и брикетов это выражается в необходимости ручной подачи в отопительные системы, а для щепы в низкой объемной плотности и, как следствие, в огромных потребных площадях для хранения. Но главная неприятность - гигроскопичность и склонность влажной щепы к самовозгоранию. Об этом напоминают постоянно горящие (возможно, и не без приложения чей-то злой воли) щепоотвалы целлюлозно-бумажных комбинатов.
Из этого положения есть интересный выход: применение гранулированного топлива. При этом древесина должна превращаться в цилиндрические изделия диаметром 6…12 мм длиной 3…30 мм, имеющие собственную плотность не ниже 1,2 г/см³ и насыпную плотность 650…700 кг/м³ по DIN 51731 (российского стандарта пока нет). Влажность этого топлива должна составлять 8…12%, теплотворная способность 17…19,5 МДж/кг, а содержание золы не превышать 1,5%.

Главное преимущество этого вида топлива состоит в высокой теплотворной способности и стабильности тепловых характеристик топлива, а также в невозможности самовозгорания. Гранулированное топливо может транспортироваться любым существующим зерновозным транспортом (например, железнодорожными вагонами - хоперами). Оно имеет высокую насыпную плотность, не смерзается и может перегружаться пневмотранспортом. Подача таких гранул в устройства сжигания легко дозируется, механизируется и автоматизируется. И самое главное: в качестве исходного сырья для растительного гранулированного топлива может применяться сено, солома, ветки, кора деревьев, щепа. Словом, любой мусор растительного происхождения. Использовать деловую древесину для производства топливных гранул расточительно и экономически невыгодно. И самое главное: при организации производства гранул, борьба с отходами лесозаготовительного производства превращается в… добычу топлива.

Для того чтобы определить сырьевую базу для производства гранулированного топлива, необходимо проанализировать объемы расчетной лесосеки. Из доклада министра природных ресурсов РФ Юрия Трутнева "О ходе выполнения мероприятий по реализации Концепции развития лесного хозяйства Российской Федерации на 2003-2010 годы" на заседании правительства РФ, состоявшемся 24 ноября 2005 г., следует, что общий запас древесины в нашей стране превышает 80 млрд м³, при этом более половины леса пригодно для рубок. По нашим оценкам, потенциальный объем сырья для гранул - 8 млрд м³ (20% от 40 млрд. м³). Заметим, что при использовании современных методов лесозаготовки и деревообработки объем отходов при лесозаготовке составляет 50…60%. Из 8 млрд м³ сырья можно получить более 1,5 млрд т. гранул.

Что касается годового объема производства, то следует иметь в виду, что расчетная лесосека всех регионов России составляет около 500 млн м³, а это - 30 млн т. гранул в год.

Для Российской Федерации, имеющей самые большие запасы лесного растительного сырья на планете, гранулированная древесина - пока экзотика, а в Европе, США и Канаде применение гранул в теплоцентралях и отоплении индивидуальных домов получило огромное распространение. Это не слова: потребность в гранулированном древесном топливе стран ЕС, США, Канады и Японии уже сегодня оценивается в десятки миллионов тонн.

Гранулированное топливо весьма активно используется в электрогенерирующих отраслях. Понятно, что угольные теплоэлектростанции могут в качестве как основного, так и резервного топлива использовать топливные гранулы. Это распространено уже повсеместно, но такое применение гранул - не самый выгодный, на наш взгляд, способ применения этого топлива в промышленности. Наиболее выгодным представляется использование процесса газификации с последующим сжиганием синтез-газа в существующих генераторных установках на базе ДВС и даже ГТУ. Тем более что подобные энергоузлы уже достаточно распространены в нашей стране.

Синтез-газ, получаемый из гранул, с успехом может применяться и в двигателях внутреннего сгорания. Журнал "Двигатель" описывал аналогичный процесс еще в 1910 г. И только технологическое несовершенство системы воспрепятствовало ее широкому распространению. Впрочем, использования газификаторов на автомобилях, тракторах и стационарных электрогенераторах наибольшее распространение получило в тридцатых-пятидесятых годах двадцатого века. Однако топливом для газификаторов тогда были дрова и солома, которые, несмотря на их дешевизну и доступность, не смогли вытеснить жидкие минеральные топлива для ДВС по уже указанным причинам.

В отличие от дров, втрое более дорогое гранулированное топливо имеет вдвое большую теплотворную способность и стабильные свойства. Оно технологично, легко транспортируется, а главное - куда эффективней газифицируется ввиду большей поверхности горения и относительно равномерного размера. Процесс газификации гранул характеризуется на 20…30% более высоким к.п.д., нежели процесс газификации дров. Оборудование для газификации гранул может быть весьма компактным. В мире сегодня работает более 470 газифицирующих устройств различного типа суммарной мощностью 50000 МВт.
Впрочем, у процесса сжигания синтез-газа в ДВС есть существенный недостаток: при резком изменении нагрузки двигатель, работающий на синтез-газе, реагирует очень медленно. Этот недостаток, являвшийся основным препятствием для широкого использования синтез-газа в ДВС, на сегодняшний день устранен. Созданы конструкции газодизелей на комбинированном топливе. Для пуска и работы на переходных режимах используется дизельное топливо, а в стационарных режимах - синтез-газ. При этом двигатель работает без потери мощности и без переделки впускных и выпускных каналов, а также камер сгорания. Аналогичный процесс может быть реализован в газовых турбинах. Представляется возможным использование в газовой турбине синтез-газа и керосина. Таким образом, реализуется процесс совместного сжигания. И самое главное - разрешается сложнейшая проблема топливоснабжения отдаленных районов, где обычно древесины бывает в избытке (речь идет о нашей стране).

Технология производства топливных гранул известна с 1947 г. и с тех времен кардинально не изменилась. Если не вдаваться в подробности, она выглядит следующим образом. Сырье для производства топливных гранул (опилки, ветви, щепа, горбыль, кусковые отходы деревообработки и т.д.) очищается от металлических включений, песка, камней и измельчается до размеров, оптимальных для процесса сушки. В качестве топлива для теплогенератора используются 8…10% такого же сырья, которое подвергается сушке. Высушенное сырье измельчается в дробилке до состояния муки, которая подается в пресс-гранулятор, формирующий гранулы. Далее продукт охлаждается до температуры окружающего воздуха в охладителе и поступает в систему фасовки. Оборудование для производства топливных гранул должно иметь широкий диапазон регулировок для работы на сырье с разной влажностью, фракционностью и т.д. Тем не менее такое производство не энергоемко и может быть организовано для работы в автономном режиме.

Наибольший экономический эффект может быть достигнут при организации централизованного строительства предприятий по производству топливных гранул в местах, где в изобилии имеется сырье для них. Оптимальным, как мы полагаем, является строительство заводов средней производительности (4…10 т/ч), равноудаленных от деревообрабатывающих, лесозаготовительных и сельскохозяйственных предприятий. Средняя годовая производительность такого завода может составлять 10…30 тыс. тонн гранул. Основная задача: обеспечить завод сырьем на постоянной основе и по приемлемым ценам на базе долгосрочных контрактов. Поскольку сельскохозяйственное производство сезонно и циклично, то такие заводы рационально создавать на мобильной базе и перемещать по мере накопления сырья.

Что касается деревообрабатывающих производств, то для достижения объемов производства гранул порядка 10 млн т. в год необходимо создавать собственные стационарные цеха. В таком случае решается проблема утилизации отходов деревообработки и существенно повышается рентабельность бизнеса (благодаря сокращению расходов на привозное топливо) без всякой дополнительной финансовой поддержки со стороны.

В связи с тем, что рынок сбыта гранул на территории России только начинает формироваться, в настоящее время основным потребителем такого топлива являются компании-посредники, экспортирующие его в Европу, где этот товар востребован и остродефицитен. Главной проблемой экспортеров-посредников является качество гранул, произведенных в России: ведь в нашей стране нет стандартов на топливные гранулы и единой технологии их производства.

Столь же острой проблемой производителей топливных гранул является высокая стоимость их перевозки железнодорожным транспортом. Поскольку себестоимость производства такого товара невысока, доля транспортных расходов в рыночной цене весьма значительна. Так, при производстве гранул, к примеру, в Иркутской области, стоимость тонны гранул с доставкой в порт Санкт-Петербурга или Владивостока становится выше среднерыночной в 1,5…2 раза.

Для развития рынка промышленного потребления гранул и замены гранулами угля на ТЭЦ, котельных и т.д. необходимо дать потенциальным потребителям гранул уверенность в стабильности поставок, чего при нынешних объемах производства и разрозненности заводов по производству гранул достичь весьма сложно. В данном случае надежнее всего строить заводы по производству гранул с ориентацией на конкретного потребителя такого топлива. Без вмешательства государственных структур решение вышеуказанных вопросов представляется весьма и весьма проблематичным.

Можно с уверенностью утверждать, что в Российской Федерации на настоящий момент спрос на гранулированное топливо минимален. Это объясняется как невысокой информированностью потенциальных потребителей, так и отсутствием какой-либо четкой структуры строительства заводов по производству топливных гранул. Но в тех регионах, где функционирует основной объем предприятий, гранулированное топливо быстро завоевывает рынок и пользуется стабильным спросом. Так, объемы продаж котлов на гранулах для частных потребителей в 2008 г. выросли на 60…80%. И это понятно: отапливать частный дом гранулами гораздо выгоднее, чем дровами, и несравнимо чище и экологичнее, чем углем. Использование гранул в газифицирующих системах централизованного отопления и электроснабжения может существенно снизить "головную боль" администрации небольших поселков и даже городов в удаленных сельскохозяйственных и лесных районах. И дышаться там будет легче.