Около 90% энергии человечество получает из сырья органического происхождения (нефть, газ, уголь, дрова, торф). В соответствии с прогнозами экспертов и к 2040 году доля органического топлива не опустится ниже 80%. Твердое топливо – это органическое сырье, модифицированное с целью повышения его технологических и энергетических (топливных) характеристик.

Интерес к биотопливу, возникший в последние десятилетия базируется на теориях парникового эффекта, ограниченности ископаемых ресурсов, возобновляемости биоресурсов и стремлении к диверсификации источников топлива, а, в ряде случаев и к снижению зависимости от импорта.

Очевидно, что использование возобновляемого биотоплива будет видоизменяться, совершенствоваться, но не сокращаться.

Твердым биотопливом являются любые травы, кустарники, деревья, произрастающие на земле и обладающие способностью гореть.

Зачастую использование их как топлива в естественном виде просто непрактично. Достаточно оценить, во что выльется сбор, доставка, накопление, подача в котел, например, соломы, чтобы сделать вывод о несопоставимости результата и затраченных усилий.

В любом справочнике, приводящем данные по теплотворной способности топлива теплотворность соломы около 2500 ккал/кг. Теплотворная способность брикета из соломы достигает 4800 ккал/кг. Объемный вес соломы, дробленной в современном комбайне – 70 кг/м3. В тюках после пресс-подборщика (40-50 кг/м3). Плотность добротных пеллет или брикетов – 1300 – 1500 кг/м3, что делает их топливом одного порядка с каменным углем с вытекающими из этого последствиями в логистике и других вопросах, связанных с практическим использованием топлива. Вывод очевиден – топливо необходимо спрессовать.

Если преимущества спрессованного по сравнению с естественным состоянием биотоплива (на примере соломы) очевидны, то повышение теплотворности имеет более сложное объяснение.

Горение твердого топлива состоит в перекрывающихся между собой по времени следующих стадиях процесса.

  1. Нагрев и сушка топлива.

  2. Выделение и сгорание летучих веществ.

  3. Горение кокса.

Помещенное в топку топливо подсушивается с испарением влаги. При достижении температуры 1000– 1600 (для травянистых растений и древесины) или выше (для углей) начинается процесс термического разложения топлива (пиролиз) или выделение летучих веществ, который заканчивается при температуре выше 11000.

При выделении летучих веществ вокруг частиц топлива образуется газовый слой, препятствующий проникновению кислорода к поверхности топлива. Выделившийся при этом газ горит над и под топливом. Нагрев топлива при этом продолжается и само топливо превращается в кокс (углерод). Стадия выделения газов занимает около 10% общего времени горения топлива.

Горение кокса начинается после сгорания большей части летучих веществ. Интенсивность горения кокса зависит от скорости реакции разогретых частиц топлива с кислородом, что в свою очередь определяется концентрацией кислорода в среде, скоростью химической реакции (зависящей от температуры по закону Аррениуса), от соотношения образования СО и СО2. Процесс идет быстрее при образовании только СО и медленнее при образовании только СО2, что зависит от состава сжигаемого топлива и присущих ему свойств термического разложения.

Процесс горения соломы или других трав отличается от процесса горения брикетов из них.

По условиям технологии прессования биотоплива в брикетах или пеллетах содержится меньше влаги, чем в свободной соломе. Но процесс испарения влаги протекает дольше вследствие низкой теплопроводности брикета. На поверхности брикета уже выделяются летучие вещества, а внутренние слои еще не разогреты до температур испарения влаги и термического разложения. На поверхности брикета кокс уже горит, в то время как в глубоких слоях он еще только образовывается.

По сравнению со свободной соломой поступление кислорода во внутренние слои брикета затруднено, концентрация кислорода ниже, реакция происходит медленнее. Но в силу ее протекания при более высоких температурах реакция протекает до образования СО2, обеспечивая более полное сгорание топлива.

Сравнение термограмм топлива, сгорающего в свободном состоянии (дробленная солома, лузга подсолнечника) и брикетов из этих же материалов свидетельствует о том, что газовая стадия горения брикета продолжается дольше. При этом в горение вовлекается до 40% плотной массы топлива в отличие от свободного топлива, когда в горение при газовой фазе успевает вовлечься только 10% рыхлой массы. При горении свободной массы образовавшийся кокс выносится в виде частиц сажи или, по меньшей мере, догорает уже вне топливного объема котла. Остающийся кокс горит в условиях большей концентрации кислорода, но при меньшей температуре, смещаясь в сторону образования СО. В целом происходит не полное сгорание топлива, что и приводит к почти двукратному снижению теплотворности свободной соломы по сравнению с брикетированной.

Процесс горения дров проходит те же стадии, но развивается с участием продольных капиллярных каналов, присущих древесине, через которые выходят летучие вещества на начальных стадиях нагрева. Горит древесина дольше, чем непрессованные травы, но общая теплотворность ее ниже, чем у брикета.

Горение древесного брикета аналогично горению травяного, что даже в случае с древесиной позволяет получить более высокую теплотворность, объясняемую изменением естественной структуры древесины с направленными капиллярами на хаотическую и более плотную структуру.

Безусловно всегда нужно считать, оправданы ли затраты на измельчение древесины преимуществами, полученными от брикета или пеллеты. Точно также нужно оценивать затраты на уборку трав для переработки в топливо.

Именно такая оценка в первую очередь определяет в качестве сырья для биотоплива отходы производства деревоперерабатывающей промышленности и сельского хозяйства, а затем уже – быстрорастущие травы и деревья, в том числе специально выращиваемые.

Таким образом, твердое биотопливо на современном этапе это специально подготовленные и спрессованные отходы производства (в первую очередь) позволяющие получить больше тепла и более удобный для сжигания вид, по сравнению с естественным состоянием сырья.

Твердое биотопливо может использоваться для сжигания в бытовых печах, предназначенных для дров, угля, каминах, «буржуйках», котлах промышленных котельных, тепловых электростанций, котлах, предназначенных для отопления многоэтажных жилых домов, общественных зданий и т. д.

Биотопливо с успехом используется в тепловых агрегатах всевозможных сушилок, пиролизных котлах, и даже для получения из него древесного угля.

Пеллеты используются в специализированных пеллетных котлах, относительно небольшой мощности, отличающихся высокой степенью автоматизации.

Возможна также автоматизация котлов, предназначенных для брикетов, но при этом длина брикетов должна быть меньше, чем при использовании их для дровяных печей или котлов.

Чем больше объемы потребляемого топлива, тем выше требования к их плотности, прочности и негигроскопичности.