В процессе лесозаготовки и лесопереработки образуются значительные объемы отходов, измеряемые сотнями миллионов кубических метров древесины в год во всех странах. Эти объемы отходов необходимо утилизировать, получая дополнительную прибыль от их переработки. Традиционно отходы биомассы сжигаются, на месте их образования, если есть потребность в тепловой энергии, то она используется.
Древесные отходы обладают низкой теплотворной способностью и низким объемным весом, поэтому транспортировка таких отходов сопряжена со значительными расходами, которые могут превышать стоимость доставленного топлива. Для увеличения теплотворной способности биомассы ее высушивают, при этом сжигается до 20% биомассы, для увеличения объемного веса прессуют. В результате получается топливо – пеллеты или брикеты, которое экономически целесообразно транспортировать при больших затратах. Биоэнергетика – отрасль, использующая биомассу с максимальной экономической эффективностью как топливо для получения тепловой и более дорогой электрической энергии.
Другим потребителем древесных отходов – с объемами потребления сотни миллионов тонн в год – может быть металлургия. Тысячи лет человечество использовало древесный уголь для выплавки металлов, в XVIII веке в Англии для производства древесного угля были вырублены почти все леса, был введен запрет на производство древесного угля, но лес продолжал вырубаться и был введен запрет на выплавку железа. Вскоре был изобретен способ выплавки чугуна с использованием каменных углей, но качество чугуна получалось более низким. В настоящее время самые высокие сорта чугуна получают с использованием древесного угля. Более 8 млн тонн в год нодулярного чугуна получают в Бразилии с использованием древесного угля, полученного при плантационном выращивании древесины.
Для использования древесного угля в металлургии он должен обладать определенными свойствами: иметь высокую плотность (быть выжженым из плотных сортов древесины), иметь определенный размер куска, иметь высокую прочность, иметь высокую реакционную способность и самое главное – иметь низкую себестоимость, чтобы конкурировать с каменноугольным коксом.
Всеми вышеперечисленными свойствами обладает древесно-угольный брикет, полученный карбонизацией высокополимеризованного древесного брикета, изготовленного на экструдерных прессах. Основные технологические переделы получения древесно-угольных брикетов следующие:
- Измельчение древесины до микрощепы 2–4 мм поперек волокон.
- Подготовка сырья к прессованию – сушка и пластификация древесины (изменение свойств древесины – понижение температуры перехода в вязкотекучее (жидкое) состояние, создаем условия, при которых температура плавления древесины ниже температуры терморазложения древесины).
- Прессование древесного сырья – плавление древесины и формование древесины методом экструзии, получается сполимеризированный брикет (брикет может находится несколько дней в воде, не разрушаясь). При этом производительность одного экструдера составляет 1 500 кг/час, энергозатраты на переделе прессования 35–40 кВт*часов/тонну брикета, что в разы ниже пеллетных и гидравлических прессов. Устраняются такие затруднения шнекового прессования, как быстрый износ шнеков и фильер, нестабильная работа пресса. Плотность брикета 1,26–1,30 кг/дм3, влажность 1–2%.
- Печь карбонизации древесного брикета. Печь карбонизации, работающая на тепле экзотермического разложения древесины, обеспечивающая термостабилизированный пиролиз. Термостабилизированный пиролиз позволяет получить выход угольного брикета 40% от массы древесного брикета (при переугливании дров выход угля 30%), это достигается очень низким выделением смол в пиролизные газы – пиролизные газы горят синим пламенем. Пиролизные газы сжигаются в теплогенераторе сушилки опилок.
- Брикет остывает, стабилизируется и упаковывается.
Полученные древесно-угольные брикеты обладают высокой плотностью, так как получены из брикетов плотностью 1,26 кг/дм3 и их можно транспортировать в 40-футовых контейнерах с загрузкой 26 тонн. Обладают высокой реакционной способностью и температурой горения, так как обладают аморфной структурой, полученной при низкотемпературном термостабилизированном пиролизе. Линия по производству древесно-угольных брикетов построена в Иркутской области на основе вышеперечисленных технологий, производительностью 4 000 т/год. Себестоимость производства древесно-угольных брикетов из отходов лесопиления составляет порядка 100 $/т.
Стоимость кокса составляет 350 $/т, таким образом, переработка древесных отходов в древесно-угольный брикет может быть востребованной металлургической отраслью как заменитель кокса. Древесно-угольные брикеты используются как топливо для барбекю и цена составляет 600–900 $/т. Объемы потребления угля для барбекю ограничены несколькими миллионами тонн в год, поэтому нельзя переработать все древесные отходы для барбекю потребителей. Древесный уголь в форме древесно-угольного брикета может вернуться в металлургию – биометаллургию.
