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. Забелкин, 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 пиролизной 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 пиролизной 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