Солома как энергетическое топливо: возможные решения проблем, возникающих при производстве и сжигании гранулированной соломы и других отходов растениеводства
К.т.н. Р.Л. Исьемин, директор
Тамбовского регионального учебно-информационного центра биоэнергетики;
к.т.н. С.Н. Кузьмин, доцент,
кафедра «Гидравлика и теплотехника»,
В.В. Коняхин, инженер,
к.т.н. А.В. Михалев, заместитель директора Института дистанционного образования,
А.Т. Зорин, аспирант, Тамбовский государственный технический университет
Вступление
Сохраняющиеся высокие цены на традиционные энергоносители и ужесточающиеся требования к охране окружающей среды обуславливают высокий интерес у производителей и потребителей тепловой и электрической энергии, научных организаций к использованию в качестве топлива нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, в том числе биомассы. Вступление в силу ряда постановлений Правительства РФ, определяющих порядок реализации квот на выбросы двуокиси углерода при проведении организационно-технических мероприятий по замене угля и мазута на биомассу, обеспечивает финансовый источник для проведения таких мероприятий, что также способствует интенсификации научных исследований и опытно-конструкторских работ по созданию современных котельных установок, работающих на биомассе.
О видах биомассы и их использовании
Обычно, при упоминании биомассы, прежде всего, обращается внимание на использование древесной биомассы в качестве топлива, поскольку она - самый древний источник энергии. Однако, древесная биомасса в исходном состоянии имеет высокую влажность и относительно низкую теплоту сгорания, для использования в качестве топлива в котельных установках относительно большой (более 100 кВт) мощности она должна быть переработана в щепу, а лучше - в гранулы (пеллеты). Это позволит относительно просто механизировать и автоматизировать котельные установки, сократить затраты на транспортировку и хранение этого вида топлива. Из-за высокой влажности древесной биомассы переработка ее в пеллеты является дорогостоящим мероприятием, до 70% затрат на производство таких пеллет - это затраты на сушку древесной биомассы.
Другой вид биомассы - отходы растениеводства (солома, лузга подсолнечника, риса, проса и т.п.) имеют невысокую исходную влажность. В отличие от древесины, этот вид биомассы, как правило, является отходом, на утилизацию которого требуются в любом случае относительно высокие затраты. В среднем за 2001-2008 гг. в России собирали 38 млн т соломы озимых культур. В странах с высокоразвитым животноводством, например, в Дании, 36,5% собираемой соломы используется в животноводстве. Следовательно, около 24 млн т может быть использовано в качестве топлива. Кроме соломы можно в качестве топлива использовать 1,5-2 млн т лузги подсолнечника, 200-300 тыс. т лузги проса, примерно столько же лузги гречихи и других отходов. Кроме лузги подсолнечника, использование других видов отходов растениеводства в качестве топлива сопряжено с рядом трудностей, обусловленных их химическим составом.
Элементарный состав соломы (табл. 1) и теплота ее сгорания (табл. 2) не слишком отличаются от соответствующих показателей для древесины, хотя теплота сгорания соломы ниже, чем у сухой древесины. С другой стороны, с учетом обычной для соломы влажности ниже 20% теплота сгорания соломы оказывается выше, чем у древесной щепы, которая в настоящее время начинает широко использоваться в северо-западных и восточных регионах России и давно используется в странах Северной Европы.
Таблица 2. Зольность и теплота сгорания соломы различных зерновых культур.
В соломе содержатся нежелательные элементы, % (по массе): азот - 0,45-1,13, калий - 0,5-1,7, хлор - 0,11-0,77. Азот увеличивает эмиссию NO2. Содержание серы в соломе различных культур колеблется от 0,1 до 0,77% (по массе). Наименьшая концентрация серы наблюдается в соломе озимой ржи (~0,16% по массе) и озимой пшеницы (~0,18% по массе), наибольшая - в соломе рапса (~0,56% по массе). В целом содержание серы в соломе можно считать низким. Большое содержание хлора, наблюдающееся в соломе овса, ячменя и рапса, приводит к повышенной коррозии теплообменного оборудования. Причем, в «желтой» (свежеубранной) соломе почти в 4 раза больше содержание хлора, чем в «серой» (увядшей) соломе. Для вымывания хлоридов из соломы достаточно 5-7 дней.
Самой большой проблемой при сжигании соломы озимой пшеницы, красной канарской травы, зерноотходов, в том числе и в виде гранул, является низкая температура плавления золы, приводящая к образованию золошлаковых агломератов, препятствующих горению и нормальной работе пеллетных котлов, предназначенных для сжигания древесных гранул (рис. 1).
При сжигании гранул, произведенных из отходов растениеводства, в кипящем слое инертного материала также происходит образование шлаковых агломератов. Причем установлено, что, чем выше вероятность образования в кипящем слое таких агломератов, тем выше вероятность образования отложений золы на конвективных поверхностях нагрева котлов и коррозии поверхностей нагрева под этими отложениями.
На рис. 2 представлен вид топочных устройств котлов, произведенных фирмой A.P Bioenergietechnik GmbH (Германия), при сжигании зерноотходов, соломы и древесных отходов.
Из рис. 2 видно, что при относительно небольшой мощности котла (400 кВт) и, казалось бы, небольшой зольности топлива (зерноотходы и солома), весь объем топки практически заполнен очаговым остатком (невыгоревшим фиксированным углеродом). Это обуславливает падение КПД котлов до 70%, в то время, как при сжигании древесных отходов (рис. 2в) очагового остатка практически нет и КПД котла данного типа на этом виде топлива достигает 90-92% [2].
Проблемы при сжигании отходов растениеводства возникают в любом случае, вне зависи-
мости от того, в каком виде они сжигаются: в натуральном виде (лузга, зерноотходы), в виде сечки или тюков (солома) или в виде гранул. Но в некоторых случаях, например, при сжигании этих отходов в топках теплогенераторов сушильных установок, большая мощность теплогенерирующего оборудования предопределяет использование этих отходов только в виде гранул. Между прочим, по нашим оценкам, всего лишь 2,5 млн т соломенных гранул способны заменить все жидкое топливо, которое ныне используется в нашей стране для сушки зерна и зернопродуктов.
Между тем, при гранулировании соломы возникают большие проблемы, которые обуславливают чрезвычайно малый объем производимых соломенных гранул во всем мире, а не только в России и странах СНГ В отсутствии же производства гранул нет смысла решать проблемы, связанные с их сжиганием. Несколько лет назад нами была поставлена цель доказать потенциальным производителям и потребителям гранул из той же соломы, что производить такие гранулы выгодно и технически возможно.
Об опыте использования соломы в качестве топлива
В 2007 г. администрацией Ростовской области было поддержано наше предложение о строительстве пилотной линии по производству гранул из соломы в одном из районов области, в котором в обозримом будущем не планировалась газификация. К таким регионам относятся восточные районы Ростовской области, граничащие с республикой Калмыкия и Волгоградской областью. Сельское хозяйство в районах представлено овцеводством и выращиванием зерновых культур. По данным районного управления сельского хозяйства, в одном только Заветнинском районе (Ростовская обл.) под озимыми занято было в 2006 г. 34568 га земли (в коллективных хозяйствах 21571 га). Причем площадь земель, занятых под озимыми в районе, за последние 7 лет имеет тенденцию к увеличению. Урожайность озимых в районе невысокая (из-за сложных климатических условий), но в последние годы возросла более чем в 1,5 раза. Валовый сбор соломы озимых в 2006 г. составил 56 тыс. т и в среднем за 20002006 гг. составил 46,7 тыс. т в год. В коллективных хозяйствах валовый сбор озимой соломы в 2006 г. составил 36 тыс. т, а в среднем за 7 лет - 31,1 тыс. т в год. На 6-8 тыс. га озимые убираются с измельчением для поддержания плодородия почвы. Для нужд животноводства в районе используется 15-18 тыс. т соломы в основном яровых культур. Валовый сбор соломы яровых составил в 2006 г. 38 тыс. т. Таким образом, в 2006 г. невостребованными оказались около 40 тыс. т соломы озимых. В среднем за 2000-2006 гг. ежегодно оставались невостребованными и сжигались на полях около 28 тыс. т соломы озимых. В случае получения положительного результата при реализации проекта планировалось на первом этапе заменить 50% угля, сжигаемого в муниципальных котельных района, а в дальнейшем увеличить производство соломенных гранул до 12 тыс. т в год, чтобы полностью заменить ими уголь как в муниципальной энергетике, так и в быту. При этом надо иметь в виду, что расчетная стоимость гранул из соломы составляет 12002500 руб./т (в зависимости от стоимости соломы, электроэнергии, рабочей силы и т.п.), а стоимость угля - 5500 руб./т (в ценах 2009 г.). С учетом того, что теплотворная способность угля, применяемого в Заветинском районе, не более, чем на 30% выше теплотворной способности соломенных гранул, преимущества от использования последних очевидны.
К.т.н. Р.Л. Исьемин, директор
Тамбовского регионального учебно-информационного центра биоэнергетики;
к.т.н. С.Н. Кузьмин, доцент,
кафедра «Гидравлика и теплотехника»,
В.В. Коняхин, инженер,
к.т.н. А.В. Михалев, заместитель директора Института дистанционного образования,
А.Т. Зорин, аспирант, Тамбовский государственный технический университет
Вступление
Сохраняющиеся высокие цены на традиционные энергоносители и ужесточающиеся требования к охране окружающей среды обуславливают высокий интерес у производителей и потребителей тепловой и электрической энергии, научных организаций к использованию в качестве топлива нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, в том числе биомассы. Вступление в силу ряда постановлений Правительства РФ, определяющих порядок реализации квот на выбросы двуокиси углерода при проведении организационно-технических мероприятий по замене угля и мазута на биомассу, обеспечивает финансовый источник для проведения таких мероприятий, что также способствует интенсификации научных исследований и опытно-конструкторских работ по созданию современных котельных установок, работающих на биомассе.
О видах биомассы и их использовании
Обычно, при упоминании биомассы, прежде всего, обращается внимание на использование древесной биомассы в качестве топлива, поскольку она - самый древний источник энергии. Однако, древесная биомасса в исходном состоянии имеет высокую влажность и относительно низкую теплоту сгорания, для использования в качестве топлива в котельных установках относительно большой (более 100 кВт) мощности она должна быть переработана в щепу, а лучше - в гранулы (пеллеты). Это позволит относительно просто механизировать и автоматизировать котельные установки, сократить затраты на транспортировку и хранение этого вида топлива. Из-за высокой влажности древесной биомассы переработка ее в пеллеты является дорогостоящим мероприятием, до 70% затрат на производство таких пеллет - это затраты на сушку древесной биомассы.
Другой вид биомассы - отходы растениеводства (солома, лузга подсолнечника, риса, проса и т.п.) имеют невысокую исходную влажность. В отличие от древесины, этот вид биомассы, как правило, является отходом, на утилизацию которого требуются в любом случае относительно высокие затраты. В среднем за 2001-2008 гг. в России собирали 38 млн т соломы озимых культур. В странах с высокоразвитым животноводством, например, в Дании, 36,5% собираемой соломы используется в животноводстве. Следовательно, около 24 млн т может быть использовано в качестве топлива. Кроме соломы можно в качестве топлива использовать 1,5-2 млн т лузги подсолнечника, 200-300 тыс. т лузги проса, примерно столько же лузги гречихи и других отходов. Кроме лузги подсолнечника, использование других видов отходов растениеводства в качестве топлива сопряжено с рядом трудностей, обусловленных их химическим составом.
| Наименование показателя | Значение показателя, соответствующего сухой соломе | Значение соответствующего показателя для древесины (для сравнения) |
| Содержание, %: | ||
| - углерода | 45-47 | 48-50 |
| - водорода | 5,8-6 | 6,0-6,5 |
| - азота | 0,4-0,6 | 0,5-2,3 |
| - кислорода | 39-41 | 38-42 |
| - серы | 0,01-0,13 | 0,05 |
| -хлора | 0,14-0,97 | <0,01 |
| Температура, °С: | ||
| - начала деформации золы | 735-840 | 1150-1405 |
| - размягчения золы | 1035-1150 | 1180-1525 |
| - расплавления | 1175-1330 | 1225-1650 |
Элементарный состав соломы (табл. 1) и теплота ее сгорания (табл. 2) не слишком отличаются от соответствующих показателей для древесины, хотя теплота сгорания соломы ниже, чем у сухой древесины. С другой стороны, с учетом обычной для соломы влажности ниже 20% теплота сгорания соломы оказывается выше, чем у древесной щепы, которая в настоящее время начинает широко использоваться в северо-западных и восточных регионах России и давно используется в странах Северной Европы.
Таблица 2. Зольность и теплота сгорания соломы различных зерновых культур.
| Зерновая культура | Зольность на сухую массу, % | Низшая теплота сгорания при влажности 20% |
| рожь | 4,5 | 13,6 |
| пшеница | 6,5 | 13,8 |
| ячмень | 4,5-5,9 | 13,4 |
| овес | 4,9 | 12,9 |
В соломе содержатся нежелательные элементы, % (по массе): азот - 0,45-1,13, калий - 0,5-1,7, хлор - 0,11-0,77. Азот увеличивает эмиссию NO2. Содержание серы в соломе различных культур колеблется от 0,1 до 0,77% (по массе). Наименьшая концентрация серы наблюдается в соломе озимой ржи (~0,16% по массе) и озимой пшеницы (~0,18% по массе), наибольшая - в соломе рапса (~0,56% по массе). В целом содержание серы в соломе можно считать низким. Большое содержание хлора, наблюдающееся в соломе овса, ячменя и рапса, приводит к повышенной коррозии теплообменного оборудования. Причем, в «желтой» (свежеубранной) соломе почти в 4 раза больше содержание хлора, чем в «серой» (увядшей) соломе. Для вымывания хлоридов из соломы достаточно 5-7 дней.
Самой большой проблемой при сжигании соломы озимой пшеницы, красной канарской травы, зерноотходов, в том числе и в виде гранул, является низкая температура плавления золы, приводящая к образованию золошлаковых агломератов, препятствующих горению и нормальной работе пеллетных котлов, предназначенных для сжигания древесных гранул (рис. 1).
При сжигании гранул, произведенных из отходов растениеводства, в кипящем слое инертного материала также происходит образование шлаковых агломератов. Причем установлено, что, чем выше вероятность образования в кипящем слое таких агломератов, тем выше вероятность образования отложений золы на конвективных поверхностях нагрева котлов и коррозии поверхностей нагрева под этими отложениями.
На рис. 2 представлен вид топочных устройств котлов, произведенных фирмой A.P Bioenergietechnik GmbH (Германия), при сжигании зерноотходов, соломы и древесных отходов.
Из рис. 2 видно, что при относительно небольшой мощности котла (400 кВт) и, казалось бы, небольшой зольности топлива (зерноотходы и солома), весь объем топки практически заполнен очаговым остатком (невыгоревшим фиксированным углеродом). Это обуславливает падение КПД котлов до 70%, в то время, как при сжигании древесных отходов (рис. 2в) очагового остатка практически нет и КПД котла данного типа на этом виде топлива достигает 90-92% [2].
Проблемы при сжигании отходов растениеводства возникают в любом случае, вне зависи-
мости от того, в каком виде они сжигаются: в натуральном виде (лузга, зерноотходы), в виде сечки или тюков (солома) или в виде гранул. Но в некоторых случаях, например, при сжигании этих отходов в топках теплогенераторов сушильных установок, большая мощность теплогенерирующего оборудования предопределяет использование этих отходов только в виде гранул. Между прочим, по нашим оценкам, всего лишь 2,5 млн т соломенных гранул способны заменить все жидкое топливо, которое ныне используется в нашей стране для сушки зерна и зернопродуктов.
Между тем, при гранулировании соломы возникают большие проблемы, которые обуславливают чрезвычайно малый объем производимых соломенных гранул во всем мире, а не только в России и странах СНГ В отсутствии же производства гранул нет смысла решать проблемы, связанные с их сжиганием. Несколько лет назад нами была поставлена цель доказать потенциальным производителям и потребителям гранул из той же соломы, что производить такие гранулы выгодно и технически возможно.
Об опыте использования соломы в качестве топлива
В 2007 г. администрацией Ростовской области было поддержано наше предложение о строительстве пилотной линии по производству гранул из соломы в одном из районов области, в котором в обозримом будущем не планировалась газификация. К таким регионам относятся восточные районы Ростовской области, граничащие с республикой Калмыкия и Волгоградской областью. Сельское хозяйство в районах представлено овцеводством и выращиванием зерновых культур. По данным районного управления сельского хозяйства, в одном только Заветнинском районе (Ростовская обл.) под озимыми занято было в 2006 г. 34568 га земли (в коллективных хозяйствах 21571 га). Причем площадь земель, занятых под озимыми в районе, за последние 7 лет имеет тенденцию к увеличению. Урожайность озимых в районе невысокая (из-за сложных климатических условий), но в последние годы возросла более чем в 1,5 раза. Валовый сбор соломы озимых в 2006 г. составил 56 тыс. т и в среднем за 20002006 гг. составил 46,7 тыс. т в год. В коллективных хозяйствах валовый сбор озимой соломы в 2006 г. составил 36 тыс. т, а в среднем за 7 лет - 31,1 тыс. т в год. На 6-8 тыс. га озимые убираются с измельчением для поддержания плодородия почвы. Для нужд животноводства в районе используется 15-18 тыс. т соломы в основном яровых культур. Валовый сбор соломы яровых составил в 2006 г. 38 тыс. т. Таким образом, в 2006 г. невостребованными оказались около 40 тыс. т соломы озимых. В среднем за 2000-2006 гг. ежегодно оставались невостребованными и сжигались на полях около 28 тыс. т соломы озимых. В случае получения положительного результата при реализации проекта планировалось на первом этапе заменить 50% угля, сжигаемого в муниципальных котельных района, а в дальнейшем увеличить производство соломенных гранул до 12 тыс. т в год, чтобы полностью заменить ими уголь как в муниципальной энергетике, так и в быту. При этом надо иметь в виду, что расчетная стоимость гранул из соломы составляет 12002500 руб./т (в зависимости от стоимости соломы, электроэнергии, рабочей силы и т.п.), а стоимость угля - 5500 руб./т (в ценах 2009 г.). С учетом того, что теплотворная способность угля, применяемого в Заветинском районе, не более, чем на 30% выше теплотворной способности соломенных гранул, преимущества от использования последних очевидны.
Комментариев нет:
Отправить комментарий