Енергия от отпадъчна дървесна биомаса

Биомасата е биологичен материал, съставен от органични субстанции или живи организми, който може да бъде използван за производството на енергия. Тези материали обикновено се добиват от непреработена дървесина, растителни култури, селскостопански остатъци, хранителни, дървесни и индустриални отпадъци. Биомасата е сред основните източници на възобновяема енергия. Също така тя представлява съществена част от инфраструктурата за управление на отпадъците. Ако се осигури правилната експлоатация на растителността, дървесната биомаса може да се превърне във важен източник на възобновяема енергия. Като основни нейни предимства могат да се посочат: равномерното й разпределение в световен мащаб за разлика от конвенционалните източници на енергия; сравнително малките инвестиции, необходими за инсталиране на технологии, използвани при реализацията на енергийния й потенциал; дървесната биомаса е привлекателна възможност за постигане на местна, регионална и национална енергийна независимост; изгодна, от технико-икономическа гледна точна, алтернатива за добиване на енергиен резерв; допринася за намаляването на емисиите на парникови газове; осигурява възможност на фермерите, предприемачите, както и на населението в селските райони, устойчив потенциал на развитие.

Множество възможни източници
Има множество източници на дървесна биомаса както в градските, така и в селските райони. Сред тях са: остатъци от целулозно-хартиената промишленост; остатъци от горското стопанство; селскостопански или растителни остатъци; дървесни отпадъци от градовете; енергийни култури.

Разходите, свързани с прибирането, транспортирането и съхранението на първичната биомаса, обаче я правят неконкурентоспособна в сравнение с изкопаемите горива. Също така, високото съдържание на влажност в нея, както и ронливата й структура, представляват проблем при директната й употреба за генериране на енергия.

Обикновено, за подобряване на характеристиките на биомасата се предприемат мерки, с които плътността й може да бъде увеличена многократно и в резултат на което се получава унифициран и конкурентен енергиен продукт. Сред тези методи е пресоването на биомасата за получаване на пелети и екобрикети. Процесът не изисква допълнително добавяне на слепващи вещества. Получените пелети и екобрикети са изключително плътни и с ниско съдържание на влага (под 10%), благодарение на което имат много висока ефективност на изгаряне. Изходният материал за производството им основно е отпадъчна дървесна биомаса – трески, стърготини и дървен прах.

Производство на пелети и екобрикети от биомаса
Пелетите (наричат ги още гранулирани продукти) обикновено имат цилиндрична форма, дължина около 20 mm и диаметър 6-12 mm. Правилната форма и малките им размери позволяват автоматичното им подаване в процеса на горене. Предимство също е и ниското съдържание на пепел (0,4-1%). Обикновено те са с енергийното съдържание от порядъка на 16,5-17,5 GJ/t и влажността в границите 7-12%.

Екобрикетите също са с цилиндрична форма но дължината им е между 100 – 400 mm, а диаметърът между 25 - 100 mm. Характеристиките на екобрикетите са: енергийна стойност 19-21 GJ/t; влажност 6-8%; съдържание на прах 0,5 - 1%.

Процесът на производство на пелети и екобрикети обикновено включва 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.

Целта на едрото смилане на дървесината, която обикновено пристига във вид на трески или балирана, 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. След раздробяването, ако влагата в получената биомаса е повече от 15%, тя се подлага на изсушаване в сушилни. Получената биомаса е с много ниска плътност – обикновено в границите от 50 до 120 kg/m3 в зависимост от големината на частиците. За да се увеличи плътността до 300 – 700 kg/m3,  е необходимо тя да бъде пресована. За пресоването се използват различни по конструкция машини, които съответно определят и формата и размерите на получения продукт.

При производството на екобрикети пресоването може да се извърши със или без свързващи материали. В първия случай под действието на високо налягане (около 1200 – 1400 kg/cm2) и температури до 182 °C, лигнинът се топи и действа като лепило. Във втория случай налягането, което се прилага е 500-1000 kg/cm2, и за спойка се използват вещества като меласа, лигносулфонати и др. Недостатък на този метод е, че при горенето на така получените екобрикети се отделя голямо количество дим.

За производство на екобрикети, освен пресоване, може да се използва и процесът пиролиза. Пиролизата представлява процес на превръщане на дървесните отпадъци в дървени въглища при висока температура от порядъка на 275 – 300 °C в безкислородна среда.

В случаите, когато изходната биомаса е с по-ниско съдържание на влага от необходимото, тя може да се подложи на допълнително овлажняване с пара или вода.
Качествените продукти от рафинирана биомаса са сухи, твърди, трайни и с ниски нива на остатъчна пепел.

Предимствата на преобразуването на биогоривата в пелети и екобрикети са: получаване на високоенергиен продукт; намаляване на транспортните разходи, улесняване на съхранението и работата с продуктите от биомаса; добиване на гориво с много добри характеристики и ниско съдържание на влага; производство на качествени горива за търговски и битови нужди.

Производство на енергия от пелети и екобрикети
Постоянният химичен състав на пелетите и екобрикетите ги прави подходящи за множество приложения за генериране на енергия.

Изгарянето е най-прекият процес за преобразуване на биомасата в използваема енергия. Директното изгаряне създава химична реакция между горивото и кислорода, вследствие на което се отделя топлинна енергия. Биомасата се изгаря напълно, когато са на лице следните условия: добра концентрация на кислород и висока температура на изгаряне. Тъй като тази технология е проста и лесна за изпълнение, тя се явява най-старият и добре установен начин за използване на биогоривата. Пелетите и екобрикетите се употребяват широко като източник на енергия при системите за директно изгаряне – печки, камини, котли за централно отопление. Мощността на тези системи варира от няколко kW до над 100 MW.

Съоръженията за изгаряне на пелети и брикети имат следните предимства пред конвенционалните: лесно зареждане поради компактните размери и лекотата на материалите; при пълното изгаряне на тези продукти не се получава почти никаква пепел; отделя се много по-малко количество креозот – лепкаво вещество (сложна смес от смоли, сажди и други вторични продукти от горенето ) с неприятна миризма, лесно запалимо и с корозионно действие; поради по-високата плътност, пелетите и брикетите горят с по-висока температура и по-ефективно от дървата.

Съоръжения за директно изгаряне на биомасата
Необработеният дървен материал може да се използва за захранване на стандартни котли с горна горивна камера. Тези котли се характеризират с ниска ефективност и големи загуби на топлина. Процесът на изгаряне на биомасата е нерегулируем. Изгарянето е сравнително бързо, което налага често зареждане. При котлите с долна горивна камера, процесът на изгаряне на биомасата се удължава, което прави технологията по-икономична. Тези котли обикновено са оборудвани допълнително със съоръжения за регулиране на горивния процес. Най-често това са клапи за регулиране на тягата на комина или вентилатори, с които се подава допълнително въздух към горивната камера. По този начин обаче съоръжението се оскъпява, а също така се увеличава и разходът на електрическа енергия необходима за работата на контролерите.

Сравнително нова технология се явяват котлите с газификация на дървесината. Тези съоръжения са адаптирани да работят както с дървен материал, така и с биомаса. Характеризират се с висока ефективност поради факта, че газовете, които се отделят при изгарянето на горивото не се изхвърлят директно в атмосферата. Вместо това реакцията продължава и отделените газове се загряват до много високи нива и се смесват с кислород. Това води до допълнително изгаряне. Процесът се регулира автоматично чрез подаване на въздух от вентилатор. Горенето при тези котли е разделено на няколко етапа: изсушаване и преобразуване на горивото в газ; пълно изгаряне при температура над 1000 °С след смесването на газовете с кислород, подаден от вентилатор; пълно изгаряне на горивните фрагменти, изпаднали през решетката; изгорените газове се прехвърлят към топлообменника и отделят топлинна енергия.

Такъв горивен процес води до ниски нива на замърсяване на атмосферата. Препоръчително е тези системи да са оборудвани с елементи за съхраняване на топлия въздух, за да може да отопляват и след като котелът спре да работи.

Котли с автоматично подаване на горивото
Недостатък на гореописаните видове котли е сравнително краткото им време на работа и необходимостта от допълнително зареждане с гориво, а в някои случаи и повторно запалване. Котлите с автоматично захранване могат да работят непрекъснато, дори и през целия отоплителен сезон. Те са оборудвани с резервоари за гориво, от където посредством захранващ механизъм то се подава към горивната камера. Необходимо е да се използва подходящо гориво, с оглед на лесното транспортиране, като пелети и по-малки брикети.

Биомасата, пелетите и екобрикетите могат да служат и за захранване на електрически централи с различни мощности. Също така те могат да бъдат източник на енергия в системи за когенерация, при които отделената топлина, вследствие на производството на електричество, се използва за отопление на сгради или като част от производствен процес.

Друго приложение на рафинираните продукти от биомаса е за съвместно изгаряне в енергийни системи, базирани на конвенционални горива. Модернизирането на съществуващите съоръжения изисква елементарни модификации, които биха довели до значително намаляване на емисиите на серен диоксид и азотен оксид, които са отговорни за причиняването на смог и киселинни дъждове.

Пелетите и екобрикетите са една удачна алтернатива на екологично чисто гориво, чието използване води до намаляване на емисиите на парникови газове, както и до повишаване на сигурността на енергийните доставки.