Инсталации за производство на пелети

Основни етапи и използвани съоръжения в производството

    В последните години се забелязва непрекъснат ръст в производството и употребата на биогорива. Редица са факторите, определящи този процес. Сред основните е фактът, че като алтернатива на традиционно използваните горива, биогоривата, освен че са екологично чисти, употребата им води и до реални икономически ползи. Сред бързо навлизащите и придобиващи все по-голяма популярност биогорива са биопелетите. За относително кратък период от време те завзеха сериозен пазарен дял и спечелиха значително доверие сред потребителите. Принос за това имат и немалкото им предимства като високата им калоричност, движеща се обикновено в диапазона 4300 - 4500 kcal/kg (5 kW/h на 1 kg), и сравнително ниското съдържание на пепел. Пелетите са подходящо гориво както за битовия, така и за промишления сектор. Производителите на отоплителна техника предлагат отоплителни котли и камини, предназначени специално за изгаряне на пелети, характеризиращи се с много висока ефективност.

В ролята си на биогориво, пелетите са екологично чисти и при изгарянето им не се отделят вредни емисии. В сравнение с традиционните горива, при тяхното изгаряне се отделят от 10 до 50 пъти по-ниски емисии на въглероден диоксид, като отделеният се равнява на погълнатия от растението в процеса на неговото израстване. Пелетите се произвеждат в компактни размери, поради което не създават трудности при съхраняването и транспортирането им, а високата им плътност гарантира запазването на тяхната форма. Образуващото се по време на производството им повърхностно покритие възпрепятства проникването на влага. Допуска се съхраняването им в непосредствена близост до отопляваната сграда, тъй като те не поддържат самогоренето. Предимство на пелетите е и възможността за автоматизираното им подаване към съоръженията за изгаряне, където процесът на горене на дървесните гранули протича много ефективно и пълно.

Основни етапи в производствения процес

Пелетите се произвеждат под формата на гранули със стандартни размери, които се получават чрез пресоване под налягане на дървесни кори, трици и други дървесни отпадъци. В процеса на производство, към използваната биомаса не е необходимо допълнително добавяне на химически слепващи вещества. Необходимата суровина за производството на около един тон пелети обикновено е около 4 - 7 m3 дървесина, в зависимост от влажността и вида на използваните дървесни отпадъци. Производственият процес протича през няколко основни етапа (фиг. 1). Обикновено, като първи етап се посочва осигуряването на подходяща суровина. Най-често, суровина за производствата на пелети се явяват отпадни продукти от различни дървообработващи процеси. Например, работата на дъскорезниците е свързана с образуването на големи количества чисти, сухи стърготини и други дървесни отпадъци, които са много подходяща суровина за производство на дървесни пелети. Поради непрекъснатото нарастване на търсенето на пелети, през последните години се забелязва и засилен интерес към тяхното производство. Този факт обяснява тенденцията да се използват не само вторични продукти от дървообработващата промишленост, но и суров дървен материал, който директно да се използва за производството на пелети. Същинският процес на производство на пелети включва следните няколко етапа – едро смилане на дървесината, сушене, ситно смилане, пресоване, охлаждане и пакетиране или складиране, като при използването на суха дървесина може да се наложи към производствената схема да се добави и водоподготовка на дървесината.

Едро смилане на дървесината

Целта на едрото смилане на дървесината е да се осигури дървесна маса с подходящ за последващия етап на сушене размер на отделните частици. Обикновено след този етап, получената суровина е със сравнително еднороден размер на частиците. По този начин от една страна се гарантира бързо и качествено изсушаване на суровината, а от друга дървесината се подготвя за по-нататъшното й ситно смилане до получаване на по-фини частици.

Съоръженията, използвани за раздробяване на дървесината, обикновено са мелници барабанен тип или чукови мелници. В случаите, когато използваната суровина е сравнително еднородна, като например използването на отпадъчна дървесина от дъскорезниците, се допуска тя да не се подлага на едро смилане, а само на пресяване през сито. В този случай по-ситните дървесни частици се използват непосредствено в процеса на производство на пелети, а по-едрите се използват като гориво или постъпват в по-малки мелници.

Получената след едрото смилане суровина се съхранява в определени за тази цел места. Препоръчително е, поради съдържанието на влага в дървесината, тя да се съхранява в помещения с бетонен под, за да се избегне евентуално смесване с частици пясък или чакъл. За подаването на дървесината към следващия етап от производствения процес - системата за сушене, обикновено се използва лентов транспортьор.

Изсушаване на дървесината

Един от факторите, определящи качеството на пелетите, е осигуряване на суровина с подходящо влагосъдържание. Тъй като в повечето случаи суровината е с влажност значително превишаваща допустимата, е необходимо нейното предварително равномерно изсушаване. Наличието на излишна влага в изходната суровина може да е причина за възникването на различни проблеми в производствения процес, поради развиващите се високи температури. Например, използването на изходна суровина с влажност над 15% затруднява процеса на пресоване, тъй като трудно се поддава на пресоване, особено при използването на преси с кръгли матрици. Резултатът съответно е недобре гранулиран краен продукт. Съдържанието на излишна влага в дървесината предопределя и получаването на гранули с по-висока влажност от препоръчителната, което ги прави неподходящи за използването им като гориво за пелетните котли.

Препоръчителната влажност на суровината преди да се подаде към пресата е в границите между 8 и 12%. За оптимална се приема влажност около 10% +/- 1%. Осигуряването на суровина с подобно съдържание на влага предполага получаването на краен продукт с високо качество.

В процеса на производство на пелети за изсушаване на суровината се използват основно два вида сушилни - барабанни и лентови. Изборът се определя в зависимост от използваната изходна суровина (дървесен чипс, стърготини), изискванията към качеството на произведената продукция и наличния източник на топлина.

Барабанни сушилни

Характерна особеност на барабанните сушилни е конструкцията на сушилното пространство, което представлява въртящ се барабан. Барабанните сушилни могат да бъдат с различно конструктивно изпълнение, като например с движение на сушилния агент в правоток или противоток, с определен ъгъл на наклон на барабана. В зависимост от използвания топлоносител, барабанните сушилни, използвани в пелетните производства, могат да бъдат разделени на сушилни, използващи като сушилен агент горещи димни газове и сушилни, работещи с топлоносител пара, вода, масло.

Конструкцията на барабанните сушилни включва цилиндричен корпус и опори, на които той е закрепен. Обикновено корпусът е с наклон към страната за разтоварване на изсушения материал.

Като сушилна камера се използва барабан, който представлява кух стоманен цилиндър. Във вътрешността му е разположена лопатъчна система, чрез която изсушаваният материал се размесва непрекъснато. По този начин се осъществява интензивен сушилен процес и равномерно разпределение на материала върху барабана, което осигурява равномерното му нагряване и изсушаване.

При използването на барабанни сушилни, работещи с димни газове, в определени ситуации може да се получи прекомерно загряване на изсушаваната дървесина. Причината обикновено е в прекъсване на захранването на барабана с дървесина при продължаващо подаване на горещи димни газове, както и наличието на зони с прекомерно изсушени или дори овъглени дървесни частици. Опасна ситуация може да възникне и при нарушаване режима на работа на пещта, вследствие от получените продукти от непълно горене.

Барабанните сушилни с индиректно загряване (топлоносителят циркулира в топлообменник) са лишени от тези недостатъци. Тяхно предимство е й по-ниският разход на топлинна енергия. Те са с около 20% по-икономични по отношение на разхода на топлина, което се дължи на организираната рециркулация на топлоносителя. В качеството на топлоносител може да се използва пара, гореща вода или термомасло. Използването на такъв тип сушилни позволява да се избегнат проблемите, свързани с овъгляването на дървесния материал в процеса на сушене, тъй като температурата на сушене не превишава 140 °С, а екзотермичният разпад на дървесината започва при температура в порядъка от 270 – 280 °С. Също така процесът на сушене протича в противоток, при което се достига по-равномерно изсушаване на материала.

Лентови сушилни

Лентовите сушилни са другият вид сушилни, намиращи широко приложение в производството на пелети. Сушилното пространство при тях е оформено като тунел, в който са обособени междинни секции. Изсушаваният материал се разполага върху движещ се лентов транспортьор. В зависимост от броя на лентите, сушилните се подразделят на еднолентови и многолентови, които освен по броя на лентите, се различават и по конструкция. При еднолентовите сушилни сушилното пространство е оформено като дълъг коридор, разделен на отделни зони, разположени по направление на движение на материала. Влажният материал се подава от единия край на лентовия транспортьор, а изсушеният се събира в другия край. За осигуряването на по-голяма равномерност на изсушаване може да се използват различни начини за подаване на въздух, като например първоначално въздухът може да се подава под слоя от материал, а след това да се пропуска над него. Обикновено отделните междинни зони могат да се различават по посоката на движение на въздуха, неговата температура, влажност и скорост, като във всяка зона е възможно самостоятелно да се променят зададените параметри на въздуха. Осигуряването на циркулацията на въздуха е чрез отделен за всяка зона вентилатор. Нагряването на въздуха обикновено е посредством калорифер.

В еднолентовите сушилни изсъхването на материала е много неравномерно, като в някои случаи част от него може да остане и влажен. От друга страна, този тип сушилни се характеризират и с по-голяма дължина. За да се осигури по-добро изсушаване на материала или, когато е необходимо да се намали сушилното пространство, се препоръчва използването на многолентови сушилни. При тях в сушилното пространство се разполагат няколко ленти една над друга, а материалът преминава от една лента върху друга. По този начин се осъществява много по-добро обтичане на влажния материал от въздуха, при което процесът на изсушаване се ускорява и се намаляват енергийните разходи за топлина в сравнение с еднолентовите.

Ситно смилане

След изсушаването на суровината, тя се подава към мелница, където се раздробява до размер, подходящ за процеса на пресоване. За ситно смилане на дървесината обикновено се използват чукови мелници. В тях раздробяването на дървесината е посредством вал с монтирани на него чукове. Периферната скорост на въртенето на чуковете обикновено е от 55 до 80 m/s. Процесът на ситно смилане на дървесината спомага за уеднаквяването на частиците и раздробяването им до размери, по-малки от 4 mm. Препоръчителната едрина на дървесните частици за подаване към пресите е размерът им да не превишава 1,5 mm. Използването на чукови мелници се счита за особено подходящо при смилане на влакнести стружки, стърготини, талаш.

Оформяне на пелетите

Изсушената и смелена дървесина през дозатор се подава към преса или гранулатор за оформяне на дървесните гранули. Процесът на пресоване протича при високо налягане и температура. Съдържащият се в дървесината лигнин, който се явява естествено лепило при температура над 100 °С, омеква и позволява материалът да придобие друга форма. Така горещият лигнин играе ролята на лепило, което държи пелетите във формата, в която са пресовани, като не се изисква съответно добавянето на допълнителни слепващи вещества, въпреки че в определени случаи могат да бъдат добавени малки количества смазочни масла, което се отразява благоприятно върху процеса.

При производството на пелети от дървесина с ниско съдържание на лигнин не е изключено използването на добавки. Често използвана добавка е картофеното нишесте, а също така и специално предназначени за целта добавки. Използването им оказва благоприятно влияние върху пелетите, както и върху износването на матриците.

Гранулирането на дървесината, без да се използва допълнително лепило, изисква голяма пресоваща сила, с която да се намали обемът на суровината. Процесът на гранулиране на дървесината протича в специални преси. Най-често използваните конструкции са две – с плоска и цилиндрична матрица. Диаметърът на матрицата може да бъде повече от метър, а мощността на пресата - до 500 kW, в зависимост от зададената производителност. В производството на пелети, засега, в световен мащаб се забелязва превес на пресите с цилиндрични матрици.

Преса с цилиндрична матрица

При този вид преси матрицата представлява вертикално разположен метален пръстен (цилиндър), с отвори през които преминава уплътняваният материал. Избутването на материала през отворите е посредством ролки, които се намират от вътрешната страна на цилиндъра. При повечето цилиндрични преси движещият се елемент е цилиндърът, а ролките са неподвижни. Срещат се и конструкции, при които подвижният елемент са ролките, но те са значително по-рядко срещани.

Процесът на пресоване на материала протича в работната зона на пресата, където постъпващата дървесина се пресова с помощта на ролките, при което отделните дървесни частици се слепват една с друга и при достигане на необходимата плътност биват изтласкани през отворите на матрицата. Процесът на избутване на частиците през отворите не е постоянен, а прекъснат. След като преминат през отворите на матрицата, гранулите се отрязват с нож на желаната дължина. Крайният размер и качеството на пелетите се определят от диаметъра на отвора и дебелината на матрицата.

Корпусът на пресата се изработва от високоустойчив материал. За изработването на матрицата и ролките се използват износоустойчиви сплави. Скоростта на пресата се определя в зависимост от суровината, която ще се пресова.

Преса с плоска матрица

Пресите с плоска матрица се характеризират с елементарна конструкция, лесна експлоатация и поддръжка. Матрицата е разположена хоризонтално, а върху нея са поставени ролките. Попадайки върху матрицата, материалът бива притиснат между нея и ролките. Използват се няколко различни конструкции на плоски матрици с две основни разлики. При една част от плоските матрици подвижният елемент е матрицата, която се върти, а валът, върху който са закрепени ролките, е неподвижен. Другата част от плоските матрици използват неподвижна матрица и подвижни ролки. Тази конструкция е по-често срещана при по-големите преси.

Под матрицата са разположени ножове, които се движат едновременно с ролките. Разстоянието от оста на ролките до ножовете определя дължината на пелетите, съответно, при промяна на това разстояние се променя и дължината на гранулите.

Пресите с плоска матрица са широко използвани в по-малки производства, поради простотата в конструкцията и по-малкото тегло.

Охлаждане

Температурата на изсушените гранули, получени след пресоването, варира в границите между 70 – 90 °С. Колкото по-голяма е пресоващата сила, толкова по-висока е и температурата на гранулите, а съответно е по-високо и качеството им. Охлаждането на готовата продукция в охладител е необходимо за изсушаване и за окончателно втвърдяване на гранулите, което ги прави подходящи за съхраняване и транспортиране. В качеството на охладител обикновено се използват противотокови охладители.

Готовите пелети се съхраняват в насипно състояние или се пакетират. Широко разпространено е съхраняването им в бункери и транспортирането им в насипно състояние. Въпреки това, за да се избегне влошаване на тяхното качество, се препоръчва те да бъдат пакетирани в големи торби.

Производство на пелети от суха суровина

Част от използваните материали за производството на пелети са с достатъчно ниска влажност и не се налага тяхното предварително изсушаване преди гранулирането. Пример за такъв материал са сламата от зърнените култури, ленът, слънчогледовите люспи. При използването на бали слама е необходимо предварителното им смилане. Слънчогледовите люспи могат да се подават в смесителя на гранулиращата машина без предварителна обработка. Като цяло използването на подобни материали значително облекчава схемата на производство, тъй като отпада необходимостта от използването на сушилно оборудване. Това води и до значително намаляване на разходите за производство на гранулите и се намалява заеманата от инсталацията площ.

Изсушаването на използваната дървесина е основен фактор за качеството на получените пелети. Но от друга страна, прекалено ниското съдържание на влага в суровината също се отразява негативно на процеса на пресоване. Използването на суровина с влажност по-ниска от 8% не се препоръчва, тъй като такава суровина трудно се уплътнява по време на пресоването. В случаите, в които изходната суровина е с ниска влажност, се препоръчва предварително овлажняване на дървесината. Като овлажнител може да се използва вода или пара. При пресоването на твърди сортове дървесина като дъб, бук или на залежала и некачествена суровина, се препоръчва овлажняването с гореща пара. При използването на меки сортове дървесина за подходящо се счита овлажняването с вода.

Приложна област на пелетите

Пелетите са много добра алтернатива на директното използване на дървесината като гориво. Използват се както за добив на топлина, така и в процеси за производство на пара и електричество. Котлите, предназначени за изгаряне на пелети, покриват голям диапазон от мощности, включващи както котли с малка мощност подходящи за битово приложение, така и котли с голяма мощност, предназначени за промишлеността. Котлите обикновено са оборудвани с бункер и система за автоматично подаване на пелетите към горивната камера. Поради малкото количество прах, което се отделя при изгарянето на пелетите, необходимостта от почистване е периодична, но през значително по-голям интервал от време в сравнение с използването на традиционен котел на дърва.

Ефективност и производствени разходи

Относително високата цена на пелетите за момента се дължи на немалкото разходи при тяхното производство. Един значителен дял от стойността им се формира от разходите, свързани с процеса на сушене. Според направени проучвания, тези разходи могат съществено да бъдат намалени при използването на отпадна дървесина от дъскорезници, неподходяща за производство на пелети, като кора и други дървесни отпадъци, в процесите на производство на топлина и електроенергия. Смилането на суровината е с относително малко влияние върху стойността на продукцията, но разходите, свързани с пресоването, също заемат съществен дял от стойността на пелетите. Пресоването се явява един от основните фактори, влияещи на себестойността на пелетите, след сушенето и стойността на необработената суровина. Сред основните фактори, влияещи върху стойността на пресоването, е изразходваната електроенергия за протичане на процеса, последвана от разходите за закупуване на самата преса. Разходите за охлаждане на готовите пелети имат незначително влияние върху себестойността им. При производството на пелети значителни инвестиции са необходими и за изграждане на складови помещения, но като цяло те оказват малко влияние върху стойността на крайната продукция. По данни на европейски производители, факторът с най-голяма тежест в крайната цена на пелетите, е разходът за суровина, зависещ предимно от вида и влажността й. Естествено, набавянето на суха суровина е свързано със значително по-големи разходи, но в същото време се съкращават разходите за сушене, което води до значително намаляване на крайната себестойност.

Броят часове на работа на завода в годината и коефициентът на използване на оборудването също са сред влияещите фактори. За организирането на икономически целесъобразно производство се препоръчва заводът да работи на три смени, пет работни дни в седмицата. За оптимален се счита режим на работа от седем дни в седмицата. Препоръчително е да се поддържа коефициент на използване на оборудването не по-малък от 0,85%.