Дрова в 21 веке Михаил Иоелович, профессор, доктор химических наук. Израиль.
Designer Energy Ltd, Rehovot
Растения, в основном деревья и кустарники, являлись основными источниками топлива на протяжении нескольких тысячелетий. В средние века к растительному топливу добавился древесный уголь, который широко использовался в кузнечном деле, металлургии и производстве стекла вплоть до 18 века. В 18 веке производство древесного угля в Европе столь возросло, что вызвало дефицит древесины, необходимой для строительства кораблей и зданий. Вследствие этого промышленность 18 века перешла к добыче и использованию каменного угля в качестве основного вида промышленного топлива. В 19 и 20 веках для получения энергии к углю добавились нефть и газ. И сейчас эти ископаемые источники топлива удерживают первенство. На их долю приходится до 80% энергии вырабатываемой в мире или 5 х1020 J (Джоулей). Около 25% энергии получают путем сжигания угля и 20% энергии при использовании природного газа. Доля энергии, получаемая из топлив на основе нефти, составляет около 40%. К сожалению, запасы ископаемых источников топлива истощаются. По имеющимся оценкам при современном уровне потребления энергии известных резервов каменного угля хватит лишь на 130-150 лет, а нефти менее чем на 100 лет. Разведанных резервов газа больше, но и они сокращаются. В последние годы с целью пополнения дефицита энергии и сохранения устойчивого развития цивилизации все большее внимание уделяется альтернативным источникам энергии – солнечным, ветровым, термальным, гидроэлектрическим, гидроволновым, биологическим и др., которые в отличие от минеральных источников являются возобновляемыми. Общее количество энергии производимой альтернативными истопниками достигает 13-15% от общемировой или около 8 х1019 J. Биологический источник энергии – биомасса растений, непрерывно накапливается в природе благодаря фото — и биосинтезу. Установлено, что масса растений увеличивается ежегодно на 1-2 триллион тонн. Энергетический потенциал растительной биомассы Земли в 20000 раз превышает общее количество современного потребления энергии в мире за год. Однако в настоящее время используется лишь незначительная часть энергетического потенциала биомассы, около 1.5х1019 J. Это связано с тем, что, во-первых, абсурдно и опасно для экологии сжигать большую часть растений на Земле для получения энергии, а во-вторых, это невозможно и технически. Для сжигания используются в основном отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности (ветки, кусты, сучья, опилки, щепа), целлюлозно-бумажной промышленности (отходы волокон и бумаги) и сельского хозяйства (солома злаковых культур, багасса сахарного тростника, стебли хлопчатника и др.). Кроме того, имеется значительное количество муниципальных отходов биомассы – газеты, оберточная бумага, картон, ветки деревьев и др., которые сжигают для получения тепловой энергии и одновременного освобождения городов от мусора. Как известно, в настоящее время большая часть населения Земли проживает в развивающихся и малоразвитых странах Азии, Африки и Южной Америки, для которых использование электроэнергии и газа для бытовых целей недоступно или же очень дорого. Население этих стран для обогрева и приготовления пищи используют в качестве топлива отходы растений — ветки, кусты, шишки, щепки, опилки, кору, солому и т.п., и в меньшей степени — специально заготавливаемые дрова. В России и других странах бывшего Советского Союза, а также некоторых регионах Канады, США и Европы, растительные отходы используются в качестве топлива для бытовых нужд и для получения дополнительной энергии на предприятиях, производящих древесину и бумагу. Несмотря на повсеместное использование, топливо на основе растительной биомассы и ее отходов имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, биомасса имеет повышенную влажность, что затрудняет ее сжигание и уменьшает теплотворную способность. Во-вторых, теплотворная способность даже сухой биомассы в 2-3 раза ниже (15-20 MJ/kg), чем ископаемых видов топлива – каменного угля и нефти (30-45 MJ/kg). В-третьих, биомасса неоднородна по размерам. Вследствие того, что крупные куски биомассы сгорают медленно, их использование в качестве топлива вызывает затруднения. Но и мелкие фракции биомассы (опилки, стружки, щепки и т.п.) малопригодны в качестве топлива – такие фракции имеют повышенную влажность; они имеют высокие потери при транспортировке, кроме того, возможно самовозгорание мелкой выли; мелкие фракции проваливаются через колосниковые решетки топок, что делает их сжигание неэффективным. В-четвертых, биомасса имеет низкую объемную массу, что снижает эффективность сжигания единицы объема топлива. Транспортировка биомассы низкой плотности нерентабельна и значительно повышает стоимость топлива Для улучшения характеристик твердого биотоплива на основе растительной биомассы рекомендуется ее брикетировать. Для этого разнородную биомассу размалывают, сушат, прессуют под давлением 200-250 атм и продавливают через круглую фильеру. Из пресса выходит непрерывный прут, который нарезается на кусочки длиной 40-80 мм. Полученные брикеты имеют повышенную плотность и энергетическую эффективность, их удобно перевозить и использовать для получения тепловой энергии. Однако простое брикетирование не устраняет такой недостаток биомассы как пониженная теплотворная способность. Для устранения этого недостатка можно рекомендовать брикетирование измельченной биомассы с добавкой гранул высокоэнергетического связующего, для изготовления которых целесообразно использовать муниципальные отходы полимеров – одноразовые полиэтиленовые и полипропиленовые пакеты, полиэтиленовые бутылки полистирольные коробочки и т.п. Предварительно измельченную биомассу смешивают с полимерными гранулами и прессуют при температуре плавления полимера. В результате удается улучшить не только энергоемкость единицы объема, но и повысить теплотворную способность получаемых топливных брикетов. Наши исследования показали, что брикеты, полученные в результате горячего прессования древесных опилок и отходов полиэтилена при весовом соотношении компонентов 1:1, имеют теплотворную способность около 31 MJ/kg и энергоемкость единицы объема 25 GJ/m3. Энергетические показатели таких брикетов соответствуют тепловым характеристикам каменного угля среднего качества, и превышают энергетические показатели бурого угля, торфа и сланцев. Таким образом, новая технология получения топливных брикетов позволяет создать твердое топливо на основе возобновляемой биомассы с высокими энергетическими свойствами. Кроме того, такая технология позволяет утилизировать пластиковые отходы и улучшать тем самым состояние окружающей среды. Если сжигать новые топливные брикеты совместно с углем, то это позволяет снизить загрязнение атмосферы диоксидом серы и углекислым газом. Одновременно экономиться невозобновляемое ископаемое топливо -уголь. Перспективным предложением является разработка дисперсного топлива – дисперсию порошковой биомассы в горючей жидкости. В качестве последней можно использовать, например, отходы растительных масел, остающихся после приготовления жареного картофеля и других изделий. Такое топливо имеет высокую удельную теплоту сгорания, близкую к дизельному топливу и мазуту. Сжигание такого дисперсного топлива позволяет не только получать энергию, но и уничтожать вредные отходы липидов.
