Энергетическое использование древесины с применением технологии быстрого пиролиза

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Казанский национальный исследовательский

технологический университет

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ 

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДРЕВЕСИНЫ 

С ПРИМЕНЕНИЕМ 

ТЕХНОЛОГИИ БЫСТРОГО 

ПИРОЛИЗА

Монография

Казань

Издательство КНИТУ

2022

УДК 674.04
ББК 35.762

Э65

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

канд. техн. наук П. А. Кайнов 
д-р техн. наук А. З. Халитов

Э65

Авторы: Г. М. Бикбулатова, С. А. Забелкин, В. Н. Башкиров, 
А. Р. Валеева, А Н. Грачев
Энергетическое использование древесины с применением технологии 
быстрого пиролиза : монография / Г. М. Бикбулатова, С. А. За-
белкин, В. Н. Башкиров [и др.]; Минобрнауки России, Казан. нац. 
исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. – 156 с.

ISBN 978-5-7882-3084-9

Рассмотрены в совокупности процессы переработки древесины в жид-

кое топливо термохимическим методом и последующее энергетическое использование 
полученного топлива методом сжигания с применением существующего 
оборудования. 

Предназначена для бакалавров направления 18.03.01 «Химическая тех-

нология» профиля «Химическая переработка древесины».

Подготовлена на кафедре химической технологии древесины.

ISBN 978-5-7882-3084-9
© Бикбулатова Г. М., Забелкин С. А., 

Башкиров В. Н., Валеева А. Р., 
Грачев А. Н., 2022

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2022

УДК 674.04
ББК 35.762

2

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Введение......................................................................................................7

Глава I. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И СОВРЕМЕННОЕ 
СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ В ОБЛАСТИ 
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ 
С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ БЫСТРОГО ПИРОЛИЗА...........8

1.1. Роль биомассы дерева в мировой энергетике .........................................8

1.2. Классификация древесных отходов ........................................................11

1.2.1. Лесосечные отходы при заготовке и транспортировке ............12

1.2.2. Отходы при производстве лесоматериалов................................13

1.2.3. Отходы производства целлюлозы................................................13

1.3. Технологии энергетического использования биомассы дерева........14

1.4. Энергетическое использование жидких продуктов термического 
разложения древесины.......................................................................................20

1.4.1. Использование жидких продуктов термического разложения 
древесины в котлах....................................................................................20

1.4.2. Газификация пиролизной жидкости............................................23

1.4.3. Использование пиролизной жидкости в дизельных двигателях
.......................................................................................................................24

1.4.4. Использование пиролизной жидкости в газовых турбинах.....31

1.4.5. Совмещенное сжигание пиролизной жидкости и ископаемых 
топлив................................................................................................................39

1.4.6. Другие направления энергетического использования пиролиз-
ной жидкости..............................................................................................40

Глава II. МАТЕМАТИЧЕCКАЯ МОДЕЛЬ СОВОКУПНОСТИ 
ПРОЦЕССОВ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ДРЕВЕСИНЫ 
С ОБРАЗОВАНИЕМ ПИРОЛИЗНОЙ ЖИДКОСТИ И ЕЕ 
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ .........................................42

2.1. Физико-химическая картина совокупности процессов термического 
разложения древесины с образованием пиролизной жидкости и ее 
энергетического использования.......................................................................42

2.2. Формализация процессов энергетического использования древесины 
с применением технологии быстрого пиролиза................................49

2.3. Математическая модель процессов энергетического использования 
древесины с применением технологии быстрого пиролиза......................52

2.4. Алгоритм расчета математической модели горения пиролизной 
жидкости...............................................................................................................66

Глава III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА 
ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ В ЖИДКОЕ ТОПЛИВО И ЕГО 
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ .........................................68

3.1. Экспериментальные стенды для исследования процесса переработки 
древесины в жидкое топливо и его энергетического использования......68

3.1.1. Экспериментальный стенд для исследования процесса 
термического разложения древесины....................................................68

3.1.2. Экспериментальный стенд для исследования процесса 
сжигания пиролизной жидкости.............................................................73

3.2. Методика проведения исследований процесса переработки 
древесины в жидкое топливо и его энергетического использования......77

3.2.1. Методика проведения исследований процесса термической 
переработки древесины ............................................................................77

3.2.2. Методика проведения исследований процесса сжигания 
пиролизной жидкости...............................................................................78

3.3. Исследование свойств пиролизной жидкости.......................................79

3.3.1. Определение фракционного состава пиролизной жидкости...79

3.3.2. Исследование химического состава пиролизной жидкости....80

3.3.3. Исследование физических и топливных свойств пиролизной 
жидкости .....................................................................................................84

3.3.4. Исследование кинетики и выхода продуктов при термическом 
разложении пиролизной жидкости.............................................................85

3.3.5. Исследование продуктов термического разложения пиролиз-
ной жидкости..............................................................................................89

3.4. Анализ результатов экспериментального исследования 
и математического моделирования процесса переработки древесины 
в жидкое топливо и его энергетического использования ..........................90

3.4.1. Анализ результатов математического моделирования 
и экспериментальных исследований процесса термического 
разложения древесины..............................................................................90

3.4.2. Анализ результатов исследования кинетики и выхода 
продуктов при термическом разложении пиролизной жидкости.....95

3.4.3. Анализ результатов экспериментальных исследований 
и математического моделирования процесса сжигания пиролизной 
жидкости ...................................................................................................101

Глава IV. ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ 
ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ ДРЕВЕСИНЫ 
В ЖИДКОЕ ТОПЛИВО И ЕГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО 
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ...............................................................................110

4.1. Промышленная реализация технологической стадии переработки 
древесины в жидкое топливо..........................................................................110

4.1.1. Разработка способа переработки древесины в пиролизную 
жидкость....................................................................................................110

4.1.2. Опытно–промышленная установка для переработки 
древесных отходов методом термического разложения ....................114

4.2. Промышленная реализация технологической стадии энергетического 
использования пиролизной жидкости...............................................119

4.2.1. Использование пиролизной жидкости в промышленной 
горелке испарительного типа ................................................................119

4.2.2. Опытно–промышленная установка энергетического 
использования пиролизной жидкости..........................................................121

4.2.3. Использование пиролизной жидкости в горелке 
распылительного типа.............................................................................125

4.2.4. Исследование состава продуктов сгорания пиролизной 
жидкости ...................................................................................................128

4.3. Технико-экономическая оценка технологии переработки 
древесины в жидкое топливо и его энергетического использования....132

Заключение..............................................................................................141

Библиографический список...................................................................144

6 

В В Е Д Е Н И Е

Одной из актуальных проблем лесного комплекса является ис-

пользование низкокачественной древесины и древесных отходов, образующихся 
при лесозаготовке, лесопереработке и деревообработке. 
В частности, перед предприятиями деревообрабатывающей промышленности 
уже сейчас остро стоит проблема утилизации отходов деревообработки, 
доля которых доходит до 60 % от объемов готовой продукции. 


В то же время древесная биомасса является перспективным во-

зобновляемым источником энергии. По прогнозам Европейского совета 
по возобновляемой энергетике (EREC) к 2040 г. за счет возобновляемых 
источников энергии будет покрываться почти половина мирового 
потребления первичной энергии, причем 25 % будет составлять 
доля энергии биомассы. Однако древесина также имеет ряд существенных 
недостатков при энергетическом использовании. Нестабильность 
топливных свойств и гранулометрического состава, гигроскопичность, 
низкая энергетическая плотность приводят к снижению эффективности 
энергетического использования древесных отходов. Одним из путей 
снижения влияния данных недостатков является использование термохимических 
методов переработки древесины. Среди этих методов 
наиболее эффективным является процесс быстрого пиролиза, который 
позволяет перерабатывать древесную биомассу с высоким выходом 
жидких продуктов (пиролизной жидкости). 

Жидкие продукты имеют ряд преимуществ по сравнению с твер-

дой биомассой, которые особенно проявляются при их транспортировке, 
хранении и использовании. Однако для промышленной реализации 
технологии получения и энергетического использования жидких 
продуктов пиролиза необходимо проведение более глубоких научных 
исследований. В связи с этим комплексное исследование совокупности 
процессов переработки древесины термохимическими методами в жидкое 
топливо и его энергетического использования на существующем 
топливном оборудовании является актуальной задачей как в научном, 
так и в практическом плане.

Г л а в а  I .  А Н А Л И Т И Ч Е С К И Й  О Б З О Р  

И С О В Р Е М Е Н Н О Е  С О С Т О Я Н И Е  Т Е Х Н И К И  

И Т Е Х Н О Л О Г И И  В  О Б Л А С Т И  

Э Н Е Р Г Е Т И Ч Е С К О Г О  И С П О Л Ь З О В А Н И Я  

Д Р Е В Е С И Н Ы  С  П Р И М Е Н Е Н И Е М  Т Е Х Н О Л О Г И И

Б Ы С Т Р О Г О  П И Р О Л И З А

1 . 1 .
Р о л ь  б и о м а с с ы  д е р е в а  в  м и р о в о й

э н е р г е т и к е

Непрерывный рост цен на нефтяные топлива и природный газ 

вследствие постоянного повышения цен и уменьшения запасов стимулировал 
проведение многочисленных исследований возможных новых 
источников энергии. Одним из таких источников является биомасса, 
которая по своему составу может быть углеродсодержащей или сахаросодержащей. 
Естественно, что за счет энергии и топлив, получаемых 
из биомассы, нельзя полностью удовлетворить энергетические потребности 
промышленно развитых стран, однако даже та небольшая доля 
энергии (порядка 6–10 %), которая может быть покрыта за счет биомассы, 
заслуживает внимания. Особенно важное значение имеет тот 
факт, что биомасса в отличие от ископаемых источников энергии –
нефти, природного газа и угля, представляет собой возобновляемый источник 
энергии, и при правильной организации ее воспроизводства 
и сбора доля энергии и топлив, получаемых из биомассы, может существенно 
возрасти. Ресурсы биомассы в различных ее видах имеются 
практически во всех регионах, и почти в каждом из них может быть 
налажено производство энергии и топлив из биомассы.

По 
данным 
Международного 
энергетического 
агентства, 

в 2004 г. возобновляемые источники энергии (без ГЭС) в суммарном 
энергопотреблении составляли 13,5 % [1]. По прогнозам Европейского 
совета по возобновляемой энергетике (EREC), к 2040 г. за счет ВИЭ 
будет покрываться почти половина мирового потребления первичной 
энергии и 25 % будет составлять доля энергии биомассы (рис. 1.1) [2].

Рис. 1.1. Прогноз EREC возможного использования возобновляемых 

источников энергии

Российские ресурсы биомассы включают огромные леса, откры-

тые лесистые местности, отходы лесного и сельскохозяйственного производств. 
В настоящее время в России имеется 402,3 млн гектаров сельскохозяйственных 
угодий (23,5 % всей территории) и 1106,5 млн гектаров 
лесных угодий (64 % всей территории) [2]. 

По данным российской организации Интерсоларцентр [3], зани-

мающейся вопросами возобновляемой энергии, в России ежегодно производится 
около 15 млрд тонн биомассы, что является энергетическим 
эквивалентом 8 млрд т.у.т. Биомасса, пригодная для производства энергии, 
включает до 800 млн тонн древесины, 250 млн тонн сельскохозяйственных 
отходов, 70 млн тонн древесных отходов (лесная и целлюлозно-
бумажная промышленность), до 60 млн тонн твердых бытовых 
отходов и 10 млн тонн отходов животного происхождения. Эти ресурсы 
в принципе могут обеспечить производство около 100 млн т.у.т. биогаза (
120 млрд м3) и от 30 до 40 млн т.у.т. метанола в год.

По оценкам шведской организации NUTEK, ресурсы биомассы 

только Европейской части России эквивалентны 400 ТВт-час в год. Эти 
ресурсы включают:

– 265 ТВт-час в год неиспользуемой древесины, которая в прин-

ципе может быть удалена из леса и использована, например, в качестве 
дров для отопления;

– 109 ТВт-час в год древесины, уже используемой в качестве дров;

– 58 ТВт-час в год сельскохозяйственных отходов, включая как

неиспользуемые, так и используемые уже в настоящее время для энергетических 
нужд отходы и солому;

– 37 ТВт-час в год дополнительных древесных отходов дерево-

обрабатывающей промышленности.

На северо-западе России в Мурманской, Архангельской, Воло-

годской, Псковской, Новгородской, Ленинградской областях, в республике 
Коми и Карелии отходы лесопильных и целлюлозно-бумажных 
предприятий могли бы обеспечить от 45 до 50 ТВт-час в год [4]. По 
оценкам Лесного комитета Ленинградской области, древесные отходы 
в области составляют 250000 м3 (12 % годового объема деревообработки), 
из которых от одной трети до половины остаются неиспользованными [
73]. Карелия, Коми, Вологодская и Архангельская области 
каждая ежегодно производит от 2,5 до 7,5 млн м3 древесных отходов.

С 1946 по 1996 г. в России вырабатывалось в среднем по 

313 млн м3 коммерческой древесины в год [5]. В то же время в 90-е годы 
производство деловой древесины значительно сократилось. В 1997 г. 
в лесном секторе промышленности действовало 2380 крупных и средних 
предприятий, в том числе 153 целлюлозно-бумажных завода, 
18 предприятий лесохимии, 1384 крупных лесопильных завода 
и 1277 лесозаготовительных компаний [5]. Размещение предприятий 
лесной промышленности показано на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Предприятия лесной промышленности и транспортировка 
леса 

Промышленность лесоматериалов обладает значительным по-

тенциалом роста. В настоящее время доля России на рынке лесоматериалов 
составляет всего 3 % [7], несмотря на то, что она обладает пятой 
частью мировых ресурсов леса. По оценкам российского правительства, 
некоторые сектора отрасли могли бы увеличить выпуск продукции 
на 5–7 % [8].

1 . 2 .  К л а с с и ф и к а ц и я  д р е в е с н ы х  о т х о д о в

Под отходами в производстве понимается та часть сырья, кото-

рая не попадает в основную продукцию. К ним относятся хвоя, листья, 
неодревесневшие побеги, ветви, сучья, вершинки, откомлевки, козырьки, 
фаутные вырезки ствола, кора, отходы производства колотых 
балансов и т. п.

Древесные отходы классифицируют по видам и этапам обра-

ботки древесины.

По видам все отходы делятся на:
1. Твердые: пни, горбыли, обрезки, корни, ветви, рейки, вершины;
2. Мягкие: древесная пыль, опилки, листья, кора и луб, стружки,

древесную зелень – хвоя.

По этапам обработки древесины отходы делятся на:
1. Отходы, связанные с заготовкой древесины: пни, кора (ча-

стично), корни, ветви, вершины, неделовую древесину (дрова), обрезки.

2. Отходы первичной обработки древесины в лесопилении, фа-

нерном производстве: опилки, рейки, горбыли, карандаш, обрезки, 
кора, рванина, стружки.

3. Отходы вторичной обработки древесины в мебельных произ-

водствах: опилки, обрезки, стружки.

Использование биомассы дерева в качестве топлива – одна из не-

многих реальных альтернатив снижения парникового эффекта, так как 
растительные отходы являются нейтральными по отношению к балансу 
углекислого газа (СО2) в атмосфере. Согласно «Протоколу о совместных 
усилиях по снижению излучения парниковых газов в атмосферу» [74], 
подписанному в 1997 г. в Киото, промышленно развитые страны должны 
к 2010 г. снизить по сравнению с 1990 г. выбросы этих газов в среднем на 
5,2 %. В Европе такое снижение должно составить 8 %, в США – 7 %, 

в Японии – 6 %. Социальный аспект энергетического использования биомассы 
состоит в том, что технологии ее переработки обладают значительным 
потенциалом для создания новых рабочих мест.

Использование в России древесных отходов не только улуч-

шает экологическую ситуацию, но и служит источником экономии 
средств, предназначенных для покупки топлива. Ресурсы древесных 
отходов оцениваются в 36 млн м3 в год, что эквивалентно 59 млн МВт/ч. 
тепловой энергии, и позволяет заменить 7820 тыс. тонн мазута стоимостью $
745 млн

Отходы, накапливаемые в процессе лесозаготовок и лесопере-

работки, можно разделить на две большие группы: лесосечные отходы 
и производственные отходы.

Первые образуются непосредственно в лесу и включают опав-

шие ветви, погибшие деревья, остатки от сгоревших деревьев и отходы, 
возникающие в процессе отбраковки, заготовки и транспортировки. 
Наибольшее количество отходов приходится на отбраковку (в том 
числе погибших и перестоявших деревьев), а также на заготовку 
и транспортировку. С точки зрения энергоресурсов именно эти отходы 
представляют наибольший интерес.

Основное количество производственных отходов образуется 

в процессе переработки лесоматериалов и приготовления пульпы для 
производства бумаги.

1 . 2 . 1 .  Л е с о с е ч н ы е  о т х о д ы  п р и  з а г о т о в к е  

и т р а н с п о р т и р о в к е

Количество отходов в виде сломанных деревьев, а также кроны 

ветвей и корни деревьев, образующихся при лесозаготовках, зависит от 
породы леса, его географического местонахождения, методов заготовки, 
характера местности и других факторов. По оценкам на сегодняшний 
день, количество отходов колеблется от 9 до 89 т сухой массы 
на 1 га, что в среднем по стране составляет 20 т/га.

Отходы при лесозаготовках преимущественно состоят из древе-

сины, их основными составляющими элементами являются углерод, кислород 
и водород. На долю углерода приходится около 50 % мас., кислорода – 
40 % мас., водорода – 5 % мас. Теплота сгорания отходов лесозаготовок 
равна примерно 18 610 кДж/кг сухой массы. Количество золы 

отходов зависит от метода их сбора. При выполнении некоторых операций 
в отходы попадают минеральные загрязнения в виде камней, грязи и песка, 
что приводит к резкому увеличению содержания золы. Обычно в древесине 
содержится 1 % золы, а в коре – от 2 до 10 %.

Суммарное количество энергии, которая может быть получена 

путем сжигания отходов, образующихся при заготовке леса, составляет 
примерно 1,3·1015 кДж/год.

1 . 2 . 2 .  О т х о д ы  п р и  п р о и з в о д с т в е  

л е с о м а т е р и а л о в

Производственные отходы, образующиеся в процессе перера-

ботки древесины и используемые в качестве источника энергии, состоят 
главным образом из коры и горбыля. Основными элементами отходов 
являются углерод, кислород и водород, на долю которых приходится 
соответственно 50; 40 и 6 % их сухой массы; теплота сгорания 
отходов колеблется от 19 420 до 22 300 кДж/кг.

Содержание влаги в древесине и древесной коре колеблется 

в значительных пределах. Это объясняется не только наличием связанной 
воды и пористой структуре, но и влиянием на содержание воды 
времени года, а также географического размещения растений. Содержание 
влаги зависит также от способов хранения и транспортировки 
древесины. Так, например, при транспортировке лесоматериалов по 
воде содержание влаги в них может достичь 80 %. Как правило, содержание 
влаги в горбыле составляет около 50 %.

В настоящее время 37 % сухой массы отходов, образующихся 

в процессе переработки древесины, используется для производства 
древесной массы и бумаги; 27 % расходуется в качестве топлива. Увеличение 
потребности как в сырье, так и в источниках энергии несомненно 
приведет к снижению количества неиспользуемых отходов.

1 . 2 . 3 .  О т х о д ы  п р о и з в о д с т в а  ц е л л ю л о з ы

С точки зрения получения дополнительных источников энергии 

наибольший интерес представляют два вида отходов, образующихся 

в процессе производства целлюлозы, кора и отходящий щелочной раствор. 
Кора представляет собой наружный слой древесины и сдирается 
с помощью машины. Отходящий черный щелочной раствор представляет 
собой жидкость, которая накапливается в процессе подготовки 
древесной массы и характеризуется высокой концентрацией растворенных 
в ней органических соединений.

Черный щелочной раствор образуется в процессе щелочной 

и сернокислотной обработки древесины. Он содержит около 98 % щелочи, 
введенной в процесс расщепления целлюлозы и растворения лигнина 
при выделении свободной клетчатки, и около 23 % твердых веществ. 
Раствор отличается относительно высокой концентрацией карбоната 
натрия. Для регенерации щелочи черный раствор выпаривают, 
в результате чего содержание твердых веществ возрастает с 23 до 
45–70 %. Твердые вещества раствора содержат около 43 % углерода. 
Одновременно в них содержится определенное количество загрязнений, 
что может вызвать затруднения, связанные с эксплуатацией регенерационного 
оборудования.

Таким образом, в России сосредоточены огромные запасы прак-

тически неиспользуемой биомассы дерева в виде древесных лесосечных 
и производственных отходов и низкокачественной древесины.

1 . 3 .  Т е х н о л о г и и  э н е р г е т и ч е с к о г о  
и с п о л ь з о в а н и я  б и о м а с с ы  д е р е в а

Под энергетическим использованием биомассы дерева следует 

понимать совокупность технологических процессов, приводящих к получению 
тепловой, механической либо электрической энергии различными 
методами с использованием в качестве исходного сырья биомассы 
дерева. При этом с целью повышения эффективности технологии 
энергетического использования могут включать различные стадии 
с выработкой промежуточных продуктов, которые впоследствии используются 
в качестве топлива.