Энергетический потенциал соломы как биотоплива

Аннотация

А.С. Касьянов

Дата поступления статьи: 20.01.2014

В статье рассматривается потенциал производства биотоплива на основе пожнивных остатков злаковых культур. Рассматривается методика определения количества биотоплива от общей массы сельскохозяйственной продукции. Приведены актуальные данные по запасам основных растительных отходах. Расчитан потенциал количества условного топлива. Приведены данныео физико-химических свойствах углеводородного сырья. Рассмотрены проблемы которые возникают в процессе использования биотоплива.Преведены выводы о энергетическом потенциале пожнивных остатков злаковых культур. 

Ключевые слова: биомасса, альтернативные технологии, пеллет, энергоснабжение, солома

08.00.05 - Экономика и управление народным хозяйством (по отраслям и сферам деятельности)

Сегодня в Российской Федерации, а особенно в ее южных районах, пропадает огромное количество потенциально дешевого биотоплива из отходов сельского хозяйства (соломы, лузги и других). В Европе из подобных отходов уже давно производят топливные брикеты (пеллеты) для использования этого экологически чистого топлива с высокой теплоотдачей для котельных и крупных ТЭС.
В связи с этим возникает потребность в продолжении исследований энергетической проблемы, которой посвящены работы И. Б. Бестужева-Лады, Ю. Ю. Герасимова, Ю. В. Горлачева, П. Л. Капицы, Н. Н. Моисеева, М. Н. Рудакова, И. Т. Фролова, Г. С. Хозина[11] . Для того чтобы оценить количество пожнивных остатков злаковых культур, воспользуемся статистическими данными официальных министерств по валовому сбору урожая. В этом случае количество пожнивных остатков злаковых культур находится из формулы:
Б_от=Б_зер∙К_от,  (1)                                                    
Б_от - пожнивных остатков злаковых культур; Б_зер - количество зерна;   К_от – коэффициент отходов.
Коэффициент отходов является безразмерной величиной и определяет выход соломы или стеблей растений в зависимости от количества зерна [1].
В сельском хозяйстве солома ячменя, пшеницы и овса применяется для содержания скота, а пожнивные остатки рапса, гречихи не используются в животноводстве. Исходя из этого для оценки объема отходов, которые могут использоваться как топливо, применяется коэффициент энергетического использования растительных отходов К_эн.[2] . Поскольку в процессе сбора и транспортировки неизбежны потери, введем коэффициент потерь К_п.
Следовательно, мы можем получить выражение для определения отходов доступных для производства энергии
Б_эн= Б_зер∙К_от∙(1- Кп)∙ К_эн   (2)                                            
В результате обработки статистических данных по валовому сбору зерна и соломы в различных областях России были определены коэффициенты К_от , К_п, К_эн. По данным Росстата, а также из анализа статистических материалов по Ростовской области за 2010-2012 годы.
В табл. 1 приведены значения указанных коэффициентов.
Чтобы рассчитать количество растительных отходов по формуле (2) были использованы официальные данные Росстата по валовому сбору зерна[3]. Результаты обследования приведены в таблице 2.

Таблица 1. – Коэффициенты основных растительных отходов

Таблица 2. – Количество основных растительных отходов

Рассмотрим пример расчета производственных отходов соломы зерновых и зернобобовых за 2012 год по формуле (2):
Б_эн= Б_зер∙К_от∙(1- Кп)∙ К_эн=
=813240 тыс. ц ∙1∙(1-0,1)∙0,7=512341,2 тыс. ц
Энергетический потенциал растительных отходов сельскохозяйственного производства можно определить из выражения
Р_эн=Б_эн ∙ Qнр/7000, кг у.т., (3)                                     
где  Q_н^р - низшая теплота сгорания рабочего топлива из растительных отходов, ккал/кг; 7000 ккал - теплотворная способность 1 кг условного топлива. [4]. Так как зависит от влажности отходов, то значения принимались по литературным данным [5] для воздушно-сухих отходов влажностью 18-20%. Солома зерновых и зернобобовых культур =3000 ккал/ кг; рапса – 3660; сои – 3800; стебли кукурузы – 3270; стебли подсолнечника – 3200; лузга подсолнечника – 3750 ккал/кг. Результаты расчета энергетического отенциала представлены в табл. 3. Пример расчета энергетического потенциала соломы зерновых и зернобобовых культур за 2012 год по формуле (3)

Таблица 3. – Количество условного топлива

Исходя из данных таблицы 3 наибольший энергетический потенциал растительных отходов был в 2011 году и составлял свыше 43 млн.т.у.т.
Следует рассматривать два эффективных пути использования незерновой части урожая злаковых культур. Первый - это производство топливных брикетов или пеллет, что для агропромышленных предприятий позволит снять ответственность за сжигание отходов на полях, обеспечит появление новых рабочих мест и дополнительный доход. Биоэнергетика способна заменить углеводородное топливо во многих энергетических отрослях – в производстве тепла, электроэнергии и транспортного топлива[7]. А для бизнеса данное направление означает выход на европейские рынки с биотопливом из местных отходов. Так стоимость оптовых закупок брикетов из соломы на пункте доставки Ягодин (на границе с Польшей) доходит до 100 евро/тонна при себестоимости производства в 50-55 евро/тонна. Второй – использование рулонов или тюков соломы в качестве топлива для тепло- и электрогенерации, расположенных рядом с местом возделывания злаковых культур, различных производственных сельскохозяйственных и бытовых объектов.
В настоящее время мировым лидером в использовании соломы в энергетических целях является Дания. В табл.1.1 приведены данные о количестве в этой стране соломосжигающих установок и станций.
В течении последних семи лет среднегодовое количество соломы в Дании составляет не менее 6.3 млн т. Из них 12,5 % используется в качестве топлива (в фермерских котлах – 7,2; на тепловых станциях – 4,2; на электростанциях – 1,1 %), 36,5 % идет на нужды сельского хозяйства (для корма и подстилки скоту), излишек соломы составляет 48 %, и он рассматривается как потенциал для расширения энергетического использования БМ.

Таблица 1.1 – Использование соломы для сжигания в энергетических
целях (Дания)

Основные преимущества использования соломы в качестве источника энергии:
– высокая тепловая отдача;
– экологически чистая энергия;
солома это СО2 — нейтральный вид топлива, при сгорании и естественном тлении выделяет одинаковое количество углек.газа.
– легко возобновляемая;
– не требующая больших финансовых затрат;
солома — побочный продукт производства зерна, а значит, относительно дешевый вид топлива, в сравнении с традиционным топливом (газом, углем, мазутом).
– не требующая затрат при хранении;
– имеет большой диапазон применения;
Теплотворная солома (влажность не более 20%) - 4 кВт/кг или 3440 ккал/кг [6]. Теплотворной способностью или теплопроводностью топлива называется то количество теплоты, которое дает одна весовая единица этого топлива при своем горении.
соотношение объемов и теплотворной способности топлива:
1 м³ газа → 10 кВт
1 л дизельного топлива → 10 кВт
2,5 кг дров или соломы влажностью около 20% → 10 кВт
1 м³ березовых дров с влажностью 20% весит 455 кг
1 м³ березовых дров равноценен 0,75 м³ дубовых, 1,1 м³ ольховых, 1,2 м³ сосновых, 1,3 м³ еловых, 1,5 м³ осиновых
В табл. 1.2 приведены типичные характеристики соломы в сравнении с характеристиками угля и природного газа.

Таблица 1.2 – Сравнительные физико-химические свойства  углеводородного сырья

Первой проблемой при использовании пожнивных остатков злаковых культур является их низкая насыпная плотность рулонов (30 – 40 кг/м³) имеющими сейчас техникой у наших фермеров. Но и у нас производится техника с плотностью тюков 95 кг/м³ (производить такой вид подборщиков завод Ростсельмаш).
Вторая проблема - солома содержит хлор, соединения которого вызывают коррозию теплообменного оборудования. Причем, в «желтой» (свежеубранной) соломе почти в 4 раза выше, чем в «серой» (увядшей). Считается, что для вымывания хлоридов из соломы достаточно 5 – 7 дней.
Солома – это горячий воздух, горячая вода, пар, электроэнергия. Экономическая выгода очевидна в связи с использованием дешевого сырья[9,10]. В мире каждый день наращивают темпы использования соломы как биотоплива, в альтернативную энергетику вкладываются большие инвестиции. Эффект от использования альтернативного топлива из отходов сельского хозяйства:
- создание экологически чистого, безотходного производства
- снижение себестоимости продукции
- экономически эффективное использование растительных отходов
- экономия бюджетных средств, выделяемых на закупку топлива для муниципальных котельных;
- развитие малого бизнеса
- создание новых рабочих мест на селе.

Выводы

• Уточненная методика расчета энергетического потенциала твердой биомассы России за период 2004-2012 годов, среднегодовое значение которого составило свыше 36 млн. т.у.т.
• Результаты обработки фактических данных по выходу соломы в различных регионах России уточнены опытные значения коэффициентов отходов, потерь и энергетического использования растительных отходов.
• Потенциал растительных отходов зависит от многих факторов и за период 2004–2012 годов изменился до 30%.
• Суммарный фактически достигнутый энергетический потенциал твердого биотоплива составил более 37 млн. т. у. т./год, что составляет примерно 10% всего энергопотребления России.

Литература:

1. Забарний Г. М., Шурчков А. В. Енергетичний потенціал нетрадиційних джерел енергії України. – Київ: ІТТФ НАНУ, 2002. – 211 с.
2. Гелетуха Г.Г., Железна Т.А., Жовмір М. М., Матвеєв Ю. Б., Дроздова О. І. Оцінка енергетичного потенціалу біомаси в Україні. Частина 1.Відходи сільського господарства та деревинна біомаса // Промислова теплотехніка, 2010, т. 32, №6.–С. 58–65.
3. Росстат. Статистические данные//[Электронный ресурс] /Режим доступа: http://www.gks.ru/ wps/ wcm/ connect /rosstat_main /rosstat/ru /statistics/ enterprise/ economy/# (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
4. Клюс С.В., Г.Н. Забарный  Оценка и прогноз потенциала твердого биотоплива [Электронный ресурс] /Режим доступа: http://www.esco-ecosys.narod.ru› industry/ 2013_5/art152.pdf (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
5. Кудря С. О. Щокін А. Р. Деякі аспекти визначення коефіцієнтів переводу теплотворної здатності паливно-енергетичних ресурсів з натуральних одиниць в умовні // Відновлювана енергетика, 2006.– №6.–С. 15-22.
6. Компания Herlt. Требования к качеству соломы как топливу [Электронный ресурс] /Режим доступа: www. URL: http://www.coalnet.ru/herlt/stroh.html (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
7. Шегельман И.Р. Потенциал карельского биоэнергетического кластера[Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона» 2013, №3.- Режим доступа http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1751 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
8. Nikolaisen L., Nielsen С., Larsen M.G. Straw for Energy Production. Technology Environment - Есоnоmу. - Aarhus: EN- TRYK 2006. - 46 р.
9. Jorgensen U, Kristensen E.F. Еurореаn Еnergy Crops Overview. Country Report for Denmark, June 2006. - Copenhagen, 1996. - 83 р.
10. J. vап Dооrn, Вruуn Р. Vеrmеij Р. Сотbined Combustion of Вiomass, Municipal Sewage Sludge and Coal in ап Atmospheric Fluidised Bed Installation//Ргос. of the 9th Еuгор. Вioenergy Conf., Copenhagen, Denmark, 24-27 June, 2006. - Регgаmоn, 2006. - Vol. 2. - Р. 1007-1012. 
11. Васильев А.С.  Шегельман И.Р. Анализ путей повышения конкурентоспособности энергетической биомассы [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона» 2013, №3.- Режим доступа http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2013/1769 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.