Применение двигателей Стирлинга на древесном топливе в лесной промышленности

 
 
 
 
 

 
 
 
 
 

Е. М. Онучин          П. Н. Анисимов  

 
 
 
 
 
 

ПРИМЕНЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ  

СТИРЛИНГА НА ДРЕВЕСНОМ ТОПЛИВЕ 

В ЛЕСНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ  

 

 

МОНОГРАФИЯ 

 
 
 
 

 
 
 
 
 
 

Йошкар-Ола  

ПГТУ 
2018 

УДК 621.412; 631.371  
ББК  31.65 

О 59 

 
Рецензенты:  
профессор кафедры транспортных и технологических машин и оборудования 
ФГБОУ ВО «Петрозаводский государственный университет», доктор технических наук А. П. Соколов; 
профессор кафедры технологии и оборудования лесопромышленного производства Мытищинского филиала ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский 
университет)», доктор технических наук, академик РАЕН А. А. Шадрин; 
заведующий кафедрой электроснабжения и технической диагностики ФГБОУ 
ВПО «Марийский государственный университет», доктор технических наук 
Л. М. Рыбаков 
 

Онучин, Е. М. 

О 59    Применение двигателей Стирлинга на древесном топливе в 

лесной промышленности: монография / Е. М. Онучин, П. Н. Анисимов. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2018. – 196 с. 
ISBN 978-5-8158-1938-2 

 

В монографии представлены результаты теоретических и экспериментальных 

исследований в области использования двигателей Стирлинга на древесном топливе в лесной промышленности. Дано подробное описание предлагаемых авторами 
новых запатентованных конструкций когенерационных установок с двигателями 
внешнего сгорания на древесном топливе, специализированных лесных машин с 
автономным энергообеспечением от двигателей Стирлинга на древесном топливе, 
аналитико-имитационных математических моделей их функционирования. Представлены новые технические и технологические решения, способствующие повышению эффективности производства топливной щепы, приведены результаты экспериментальной проверки данных решений. 

Для научных работников и специалистов в области лесного хозяйства и лесной 

промышленности, промышленной теплоэнергетики, преимущественно занимающихся вопросами энергоснабжения технологических процессов и топливного использования низкокачественной древесины и отходов лесозаготовительной и деревообрабатывающей промышленности, нетрадиционной и возобновляемой энергетики (особенно 
биоэнергетике), а также преподавателей вузов, аспирантов и магистрантов. 

 

УДК 621.412; 631.371 

ББК 31.65 

 

ISBN 978-5-8158-1938-2 
© Е. М. Онучин, П. Н. Анисимов, 2018 
© РИО ПГТУ (оригинал-макет), 2018 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В настоящее время глубокая переработка низкокачественной лист
венной и тонкомерной древесины, а также древесных отходов лесозаготовок и деревообработки является одним из важных условий повышения развития лесной промышленности России. Снижение потребления 
дорогих невозобновляемых товлив для энергоснабжения технологических процессов лесного хозяйства и лесной промышлености благодаря 
использованию биотоплива в целом способствует эффективности лесопромышленного комплекса страны.  

Предлагаемая вниманию читателей работа посвящена решению ак
туальной задачи повышения энергетической эффективности технологических процессов производства и использования древесного топлива 
путем разработки и внедрения перспективных энергетических установок с двигателями внешнего сгорания.  

В монографии представлены теоретические и экспериментальные 

исследования в области использования двигателей внешнего сгорания 
на древесном топливе для энергообеспечения технологических процессов заготовки низкокачественной древесины и её переработки в топливную щепу.  

В рамках теоретических исследований приводятся перспективные 

варианты функциональных схем когенерционных установок с двигателями Стирлинга; перспективные варианты функциональных схем и конструктивного исполнения специализированных технологических машин 
с двигателями Стирлинга на древесном топливе для переработки низокачественной древесины в топливную щепу; проводится имитационное математическое моделирование их работы.  

В рамках экспериментальных исследований представлены резуль
таты полевых исследований технологии снижения влагосодержания 
древесного сырья топливного назначения; анализируются результаты 
лабораторных исследований макета разработанного накопительного 
контейнера-сушилки измельчающе-транспортной машины для утилизации тепловых выбросов двигателя Стирлинга на сушку щепы, полученных с применением теории подобия, приводятся планы проведения экспериментов и результаты статистической обработки экспериментальных 
данных.  

В первой главе выполнен анализ технических решений и научных 

подходов в области использования древесного топлива для производства энергии.  

Во второй главе представлены оригинальные запатентованые тех
нические решения в области использования древесного топлива для 
производства механической энергии с применением двигателя Стирлинга и газификации щепы.  

Третья глава содержит анализ технических решений и научных 

подходов в области производства древесного топлива, наибольшее внимание при этом уделено производству топливной щепы как конечного 
продукта, так и промежуточного для призводства других более качественных видов топлива из древесины.  

В четвертой главе представлены авторские разработки и результаты 

исследования технических средств и технологий производства топливной щепы с автономным энергообеспечением от газогенераторного двигателя Стирлинга. 

Пятая глава посвящена оценке экономической эффективности 

предложенных решений. 

Авторы благодарят рецензентов А. П. Соколова, А. А. Шадрина и 

Л. М. Рыбакова за прочтение рукописи, замечания и рекомендации, способствующие совершенствованию книги. 

ВВЕДЕНИЕ 

Автономное энергообеспечение технологического оборудования и 

машин, задействованных при производстве древесного топлива на основе применения двигателей внешнего сгорания, работающих при сжигании части производимого биотоплива, а также снижение влажности 
топливной щепы способствуют значительному повышению энергетической эффективности использования древесного топлива в комменальной 
энергетике.  

По экспертным оценкам низкокачественная дровяная древесина со
ставляет не менее 20-25 % от объема лесозаготовок в России [25-27, 47, 
120]. Эта древесина и древесные отходы, а также ресурсный потенциал 
энергетических лесных плантаций [111-113, 116, 118] могут использоваться для производства топливной щепы [8, 21, 28-31, 47] – топлива 
для экологически чистой энергетики [99, 103].  

В настоящее время на рынке энергетического оборудования пред
ставлено множество водогрейных и паровых котлов на топливной щепе 
широкого диапазона мощностей российских и зарубежных производителей. На их основе проектируются отопительные и производственные 
котельные, а также электростанции мощностью от единиц до сотен мегаватт электрической энергии. Также на рынке энергетического оборудования в последние десятилетия появились блочно-модульные электростанции малой мощности на основе газопоршневых двигателей 
внутреннего сгорания и газификаторов древесного топлива. За последние 10-20 лет на рынке стали появляться мини- и микроэлектростанции 
с газификаторами биомассы и газовыми микротурбинами, а также паровыми турбинами, работающими по циклу Ренкина, в качестве рабочего 
тела в которых используется вещество с низкой температурой парообразования. 

Несмотря на множество технических решений в области производ
ства тепловой и электрической энергии на основе древесного топлива, 
его конкурентные преимущества реализованы не в полной мере. Это 
связано не только с высокой стоимостью генерирующего оборудования, 
но и с высокой стоимостью древесного топлива для потребителя. На 
практике сложилась ситуация, когда производство электрической энергии на мини-ТЭЦ с топливом из древесины конкурентоспособно при 
тарифе на электрическую энергию более 8 руб. за кВт∙час.  

Гораздо большее распространение в нашей стране получило произ
водство тепловой энергии в котельных на древесном топливе. За последние 5 лет в России введено в эксплуатацию несколько десятков до

статочно крупных коммунальных отопительных котельных на топливной щепе, эксплуатация которых показала техническую перспективность использования топливной щепы [15, 20, 63, 92, 103, 110, 146]. Однако производство топливной щепы из лесосечных отходов не всегда 
рентабельно и основная масса её производится из отходов лесопиления. 
Распространяются индивидуальные котлы малой мощности на топливных гранулах и брикетах, которые производятся из топливной щепы. Но 
высокие затраты на энергоресурсы при производстве древесного топлива приводят к тому, что основной потребитель топливных гранул и брикетов находится за рубежом.  

Таким образом, использование низкокачественной древесины в 

энергетических целях сдерживается высокими затратами на её переработку из-за использования машин и оборудования с двигателями внутреннего сгорания на дорогих невозобновляемых топливах, даже когда 
возможно использование ресурсов имеющегося древесного топлива. 
Возможность такого использования обеспечивается двигателями внешнего сгорания. 

Не решена проблема влажности щепы из лесосечных отходов и 

древесины энергетических плантаций. Тепловые выбросы двигателей 
машин для производства топливной щепы имеют достаточный потенциал для подсушки производимой щепы, однако не разработаны технические решения, позволяющие это реализовать на практике, и не исследована их эффективность.  

В монографии представлены результаты проведённых авторами ис
следований, направленных на разрешение вышеперечисленных научных 
противоречий. 

Разработка системы автономного обеспечения тепловой, электриче
ской и механической энергией технологических комплексов по производству древесного топлива на основе двигателей внешнего сгорания, 
использующих древесину и древесные отходы, позволит значительно 
снизить себестоимость производства древесного топлива.  

Поиск технических и технологических решений, направленных на 

повышение эффективности производства топливной щепы, – чрезвычайно актуальная задача, несомненно, имеющая научную и практическую значимость. 

 
 

 
 

 
 

1 

 

АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ  

И НАУЧНЫХ ПОДХОДОВ В ОБЛАСТИ  

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНОГО ТОПЛИВА  

ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ 

 

1.1. Исследования и разработки  

в области использования топливной древесины 

Топливная щепа используется непосредственно в качестве твердого 

биотоплива и в качестве сырья для производства других видов газообразных, жидких и твердых видов топлива на основе древесины. Различные виды древесного топлива, полученные из щепы, находят применение в качестве энергетического и моторного топлива. 

Во многих странах, обладающих древесными ресурсами, проводят
ся исследования в области получения и использования топлив на основе 
древесины. Наиболее значимые достижения получены в СССР и России, 
Австрии, Швеции, США, Финляндии, Германии, Дании, Японии, Испании [3; 15; 31; 44; 45; 56; 61-64; 71; 72; 77; 78; 82; 109-112; 130; 154; 160169; 172; 179-183; 185; 188-191; 194-196; 207-209; 211; 238-260]. Достижения в этой области позволяют с достаточно высокой эффективностью 
использовать энергетический потенциал древесных растений для производства тепловой и электрической энергии.  

В настоящее время успешно эксплуатируются в котельных и на 

ТЭЦ топочные устройства и котельные агрегаты, предназначенные для 
сжигания различных видов твёрдого древесного топлива, имеющие широкий диапазон мощностей. Наиболее мощные паровые и водогрейные 
котлы используют древесное топливо в виде щепы, которая сжигается в 
топках с подвижной колосниковой решеткой, а также в топках псевдоожиженного слоя либо циркулирующего кипящего слоя. Также в котельных и мини-ТЭЦ широкого диапазона мощностей применяются 

газификаторы биомассы для получения генераторного газа [31] из древесного сырья с целью сжигания в топочных камерах и в тепловых двигателях. 

Потребление древесной щепы для получения энергии в настоящее 

время возрастает во всём мире и в России в частности. Правительством 
РФ разработан и утвержден в 2013 году план мероприятий по созданию 
благоприятных условий для использования возобновляемых древесных 
источников для производства тепловой и электрической энергии. 

Наибольшая доля выработки тепловой энергии за счет древесного 

топлива в Северо-Западом и Сибирском федеральных округах [203]. 
Лидерами в области лесной биоэнергетики являются республики Коми, 
Карелия; Архангельская, Вологодская и Ленинградская области. В Республике Коми в настоящее время 35 отопительных котельных работают 
на биотопливе, к 2021 их количество году планируется увеличить до 96; 
при этом объем потребления топливной щепы в республике возрастет с 
55 до 141 тыс. пл. м3 [44]. В Архангельской области в настоящее время с 
угля на биотопливо переведено 43 муниципальных котельных, построено 8 котельных, изначально спроектированных для биотоплива; планируется и дальше переводить угольные котельные на древесное топливо 
[15]. В Вологодской области планируется перевести на пеллеты и брикеты порядка восьми десятков отопительных котельных, построить 20 
новых котельных и увеличить производство электроэнергии из древесного сырья на мини-ТЭЦ до 22 МВт [185].  

В последние годы в России (в том числе и в Марий Эл) малые 

угольные котельные повсеместно реконструировались и переводились 
на природный газ [203]. Однако для населенных пунктов, в которых 
отсутствует централизованное газоснабжение, реальной альтернативой 
является реконструкция отопительных котельных в мини-ТЭЦ с переводом на местное древесное топливо, а именно топливную щепу из лесосечных отходов и отходов лесопильных и деревообрабатывающих 
производств. 

В настоящее время в республике функционирует 43 поселковых 

угольных отопительных котельных. Кроме двух котельных, имеющих 
автоматизированную подачу угля, все котельные имеют твердотопливные котлы с ручной загрузкой топлива с низким КПД порядка 55-70 %. 
Большинство угольных котельных в обозримом будущем не планируется переводить на природный газ. Общая установленная мощность данных котельных 57 МВт, отпуск тепловой энергии 200 тыс. Гкал/год, 
потребление угля 40-50 тыс. т у.т. /год. 

С учетом КПД производства тепловой энергии, энергетический по
тенциал лесосечных отходов и отходов лесопиления при текущих объёмах лесозаготовки в Марий Эл составляет ≈540 тыс. Гкал в год или 
≈100 Гкал/час или ≈116 МВт установленной тепловой мощности в отопительный период. Следовательно, энергетического потенциала местного возобновляемого топлива достаточно, чтобы все угольные котельные 
Марий Эл были реконструированы с увеличением мощности в миниТЭЦ на топливной щепе или водогрейные котельные.  

Существующие в республике твердотопливные котельные центра
лизованного теплоснабжения предназначены для сжигания кускового 
угля на колосниковой решетке. Также они способны работать со снижением мощности и КПД на дровах и не приспособлены для сжигания 
топливной щепы. Переоборудование существующих угольных котельных в автоматизированные котельные на топливной щепе и организация 
производства и доставки топливной щепы до котельных требует существенных капиталовложений. Однако высокая стоимость угля, наличие 
морально и физически устаревших котельных с ручной загрузкой угля и 
наличие местного древесного топлива позволяют сделать вывод о перспективности данного вопроса. Следует разработать план по переводу 
нескольких наименее эффективных угольных котельных, территориально расположенных наиболее близко к источнику древесного топлива. 

Вне зависимости от конструктивных особенностей котельных агре
гатов и энергоустановок ТЭЦ и отопительные котельные на древесном 
топливе имеют общие недостатки. Это высокие удельные затраты на 
транспортировку топлива; большие площади хранения древесного топлива; риски, связанные с ухудшением теплотехнических характеристик 
топлива в процессе хранения; дополнительные затраты при хранении 
топлива, связанные с его повышенной влажностью (ворошение, предварительная сушка); конструктивная сложность топочных устройств.  

Перечисленные недостатки древесного топлива, кроме больших 

площадей топливных складов, являются следствием высокой влажности 
древесного топлива и могут быть сведены к минимуму благодаря производству подсушенной топливной щепы. 

Современные стационарные и мобильные энергетические установ
ки на древесном топливе имеют высокий КПД, сравнимый с эффективностью установок, работающих на каменном угле. 

Для энергообеспечения лесных машин могут быть использованы 

двигатели внешнего и внутреннего сгорания на генераторном газе. При 
этом двигатели внешнего сгорания, работающие по термодинамическому циклу Стирлинга, отмечаются как наиболее перспективные для ис

пользования низкокачественного биотоплива в энергоустановках малой 
мощности. 

Опыт использования древесного топлива показал перспективность 

топливной щепы и генераторного газа в качестве топлива энергетических установок (как стационарных, так и предназначеных для энергообеспечения специализированных лесных машин). 

1.2. Физико-механические свойства и теплотехнические  

характеристики топливной древесины 

Физико-механические свойства, а также химический состав топлив
ной древесины исследованы достаточно подробно. Основными физикомеханическими свойствами древесины как предмета труда в технологическом процессе её переработки в топливную щепу являются прочностные характеристики, а также удельная масса. Древесина – анизотропный материал, и его физико-механические свойства сильно различаются 
в зависимости от направления – вдоль волокон, поперёк волокон в радиальном направлении и поперёк волокон в тангенциальной плоскости. 
На изменение физико-механических свойств древесины большое влияние оказывает влага [136, 138]. Кроме того, прочностные характеристики и плотность древесины отличаются у разных пород деревьев. Все 
вышеперечисленные факторы, влияющие на физико-механические 
свойства древесины, учитываются формулами, используемыми в теории 
резания древесины, элементы которой использованы в третьем разделе 
при моделировании процессов производства щепы. 

Основными техническими характеристиками древесины как топли
ва являются: влажность, зольность, удельная теплота сгорания единицы 
массы древесины, процент выхода летучих составляющих в процессе 
нагревания, способность поглощать свободную влагу в процессе открытого хранения, температура воспламенения, температура плавления золы; а также специфическим свойством является подверженность воздействию микроорганизмов в процессе хранения. На способность к хранению и подверженность разрушающему действию микроорганизмов 
влияет количество влаги, содержащейся в древесине. 

Основные физико-химические и теплотехнические свойства дре
весной биомассы достаточно подробно рассмотрены в работе С. И. Головкова [47]. Значительный вклад в изучение характеристик различных 
видов древесной биомассы внесли ученые и организации: Р. Г. Сафин, 
КНИТУ (изучение физико-химических и теплотехнических свойств 
топливной древесины) [160-170]; Н. Л. Леонтьев, А. В. Жидков, СвердНИИПДревпром 
(изучение 
влажности 
коры); 
С. 
И. 
Головков,