ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ
ENERGY OF BIOMASS
Статья поступила в редакцию 19.05.11. Ред. рег. № 1005 The article has entered in publishing office 19.05.11. Ed. reg. No. 1005
УДК 662.76.032
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ
Г.Н. Забарный, С.В. Клюс, Д.С. Довженко
Институт возобновляемой энергетики, Национальная академия наук Украины 02094 Киев, ул. Красногвардейская, д. 20А Тел./факс +38-044-537-26-57, e-mail: renewable@ukr.net
Заключение совета рецензентов: 08.06.11 Заключение совета экспертов: 18.06.11 Принято к публикации: 23.06.11
В статье рассмотрены вопросы использования растительных отходов для производства тепловой и электрической энергии на современном оборудовании. Дан анализ теплотехнических свойств различных растительных отходов. Представлен обзор производства брикетов и агропеллет из соломы в различных странах Европы.
Ключевые слова: растительные отходы, производство энергии, оборудование, обзор производства брикетов, солома, пеллеты.
UTILIZING PLANT RESIDUES FOR ENERGY GENERATION G.N. Zabarnyi, S.V. Klyus, D.S. Dovzhenko
Institute of renewable energy, National Ukrainian Academy of Science 20 А Krasnogvardejska, 02094, Kyev-94, Ukraine Phone/fax: +38-044-537-26-57, e-mail: renewable@ukr.net
Referred: 08.06.11 Expertise: 18.06.11 Accepted: 23.06.11
The article considers issues of using plants residues for electricity and heat production by modern equipment. Thermal and technical parameters for various plants wastes have been analyzed. The review of straw briquettes and pellets production in Europe has been presented.
Keywords: vegetable waste, energy production, equipment, review of the production of briquettes, straw, pellets.
Солома зерновых культур (пшеницы, ячменя, ржи) используется в качестве подстилки для животных, солома овса - в качестве корма. Некоторая часть соломы и стебли подсолнечника используются в качестве бытового топлива в сельской местности. Однако подавляющая часть соломы зерновых, а также рапса, сои, гречихи, проса, риса в лучшем случае припахивается на полях, а в худшем - просто сжигается.
Между тем во многих странах мира и особенно Европы уже несколько десятилетий используют этот альтернативный вид топлива для получения тепловой и электрической энергии в промышленных масштабах.
В настоящее время мировым лидером в использовании соломы в энергетических целях является Дания. В соответствии с требованиями, установленными парламентом Дании в «Соглашении от 14.06.1993 г. относительно 20% снижения выбросов СО2», энергосистемы Дании обязаны использовать 1,2 млн т соломы и 0,2 млн т древесной щепы ежегодно, начиная с 2000 г., что эквивалентно 6% годового потребления энергии [1].
Однако солома является достаточно трудным для использования топливом ввиду низкой температуры плавления золы и повышенного содержания хлора. В настоящей статье рассматриваются вопросы использования растительных отходов в качестве топлива.
Классификация растительных отходов
Растительные отходы исключительно разнообразны как по характеру своего естественного строения, так и по структуре технологических отходов, получаемых в результате переработки первичного сырья. В работе [2] растительные отходы предложено разбить на четыре класса:
I класс - отходы с цилиндрическим стеблем;
II класс - мелкозернистые отходы размером фракций до 10 мм;
III класс - крупнозернистые отходы размером фракций свыше 10 мм;
IV класс - пластинчатые отходы (листья).
Первый класс объединяет растительные отходы,
обладающие цилиндрическим стеблем, и состоит из
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (100) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
трех групп. К первой группе отнесены отходы, имеющие цилиндрический стебель с толщиной стенки 5 до 1 мм. Основным представителем этой группы является солома зерновых культур. Вторая группа объединяет отходы, состоящие из деревянистых стеблей с толщиной стенки 5 до 10 мм. Сюда могут быть отнесены стебли кукурузы, подсолнечника и камыша. Для третьей группы характерны цилиндрические стебли, наполненные тканью. Основные представители этой группы - стебли хлопчатника, кустарника, полыни.
Второй класс охватывает растительные отходы в виде чешуек или зерен размером до 10 мм. Это полова гречихи, проса, лузга подсолнечника, шелуха крупяного производства, костра льна, отходы хмеля.
Третий класс представлен крупнозернистыми растительными отходами, к которым относятся отходы хлопка, корзинки подсолнечника, стержни початков кукурузы.
Четвертый класс объединяет все растительные отходы в виде пластинки, типичным представителем которых являются листья деревьев.
С энергетической точки зрения наиболее весомыми являются растительные отходы первого и второго классов. Кроме того, в предложенной классификации отсутствуют специальные энергетические растения, которые начали выращивать в последние годы.
Поэтому нами уточнена известная классификация, и на ее основе предлагается адаптированная к современному растительному миру классификация энергетических растительных отходов (рисунок).
Общая характеристика растительных отходов
Солома, как и древесина, относится к растительному топливу состава углерод - водород - кислород, а по химическому составу представляет комплекс из целлюлозы, лигнина и гемицеллюлозы. Состав органической массы соломы можно считать примерно одинаковым для различных видов хлебных злаков. Более заметны различия в количестве минерального остатка. В табл. 1 приведен сравнительный элементарный состав сухой соломы урожая 1947 г.
В табл. 2 приведен химический состав соломы и древесной щепы Дании.
Таблица 1
Элементарный состав сухой соломы [2]
Table 1
The elementary composition of dry straw [2]
Наименование растений Основные компоненты, %
С0 H0 N0 А0
Пшеница озимая 46,l 5,6 0,42 4,l
Пшеница яровая 45,8 5,6 0,51 4,9
Рожь 45,8 5,7 0,52 3,5
Овес 44,38 5,l8 0,45 7,2
Ячмень 42,7 5,28 0,90 6,5
Химический состав соломы и Дании [1]
The chemical composition of chips, Denmark
Таблица 2
древесной щепы
Table 2
straw and wood [1]
Классификация энергетических растительных отходов Classification of power plant waste
Солома, % Древесная щепа, %
Химический состав е о не ьи н S « P ° S S S е о не ьи лн « P ° S S S
о ® I £ о ® E £
рн пз ин тз рн пз ин тз
Зола АС 2-7 4,5 0,3-6 l,0
Летучие 75-81 78 70-85 8l
Водород НС 5,4-6,4 5,9 5,2-6,l 5,8
Углерод СС 47-48 47,5 49-52 50
Азот N0 0,3-1,5 0,7 0,l-0,7 0,3
Сера S0 0,l-0,2 0,l5 < 0,l 0,05
Хлор 0l0 0,l-l,l 0,4 < 0,l 0,02
Кремний Si0 0,l-l,5 0,8 < l,l 0,l
Алюминий Al0 < 0,03 0,005 < 0,l 0,0l5
Железо Fe0 < 0,03 0,0l < 0,l 0,0l5
Кальций 0a0 0,2-0,5 0,4 0,l-0,9 0,2
Магний Mg0 0,04-0, l3 0,07 < 0,l 0,04
Натрий Na0 < 0,3 0,05 < 0,l 0,0l5
Калий K0 0,2-l,9 l,0 0,05-0,4 0,l
Фосфор P0 0,03-0,2 0,08 < 0,l 0,02
Как видно из табл. 2, содержание хлора и калия в соломе примерно на порядок выше, чем в древесной щепе. Максимальное содержание хлора в соломе наблюдается непосредственно после обмолота урожая. Высокое содержание щелочных металлов обуславливает низкую температуру плавления золы соломы. В табл. 3 приведена температура плавления золы соломы озимой пшеницы.
Таблица 3
Температура плавления золы соломы озимой пшеницы [2]
Table 3
The melting point of ash of straw of winter wheat [2]
Таблица 4
Низшая теплотворная способность рабочей массы соломы [1, 2]
Table 4
Lower calorific value of the working masses of straw [1, 2]
Топливо с высоким содержанием калия и хлора вызывает в энергетических установках целый ряд серьезных технических проблем, таких как интенсивная коррозия поверхностей нагрева, повышение степени шлакования и загрязнение проходных дымовых каналов..
Влажность соломы в большой степени зависит от времени года и влажности окружающего воздуха. В период жатвы хлеба относительная влажность стебля соломы доходит до 9-11%, а к осени повышается до
25-30%. Допустимый диапазон влажности соломы для сжигания составляет 10-23%, оптимальное значение - 15%.
Влага, заполняющая полость клеток и межклеточное пространство соломы, находится в капельножидком состоянии и при самом незначительном повышении температуры окружающего воздуха легко выделяется. Влага, находящаяся в стенках клеток, так называемая гигроскопическая, находится в коллоидально связанном с тканью соломы состоянии, и ее частичное удаление из клеток возможно лишь при нагревании до температуры свыше 100 °С.
Низшая теплотворная способность соломы зависит от ее влажности, содержания золы, а также места произрастания. В табл. 4 приведены данные по низшей теплотворной способности соломы.
В работе [1] для оценки энергетического потенциала растительных отходов рекомендуют применять низшую теплотворную способность рабочего топлива в среднем 2800 ккал/кг.
Стебли кукурузы, подсолнечника, камыша, мискантуса, топинамбура относятся ко второй группе первого класса растительных отходов. Толщина стенки стеблей - менее 10 мм, высота стеблей - до 4 метров. После обмолота кукурузы на зерно стебли не срезаются, а остаются зимовать в поле. После зимовки влажность стеблей уменьшается до 20-25%, и высохшие стебли убираются. Низшая теплотворная способность таких стеблей QFH составляет 3270 ккал/кг, зольность - 4-10%.
В период сбора урожая шляпки подсолнечника срезаются и обмолачиваются комбайнами, а стебли, как правило, остаются на поле. В дальнейшем эти стебли измельчаются дисковыми боронами и припахиваются в качестве удобрения, богатого калием. Зольность стеблей - 6-8%.
Камыш озерный. Низшая теплотворная способность QFH озерного камыша находится в пределах 2900-3300 ккал/кг при зольности 3-4%. Перезимовавший камыш имеет влажность 20-25%. Невысокая гигроскопичность камыша позволяет ему сохранить влажность в течение года примерно в одних и тех же пределах. Большие запасы озерного камыша позволяют рассматривать его как значительный ресурс в балансе местных растительных топлив.
Мискантус - многолетняя быстрорастущая энергетическая культура. Оптимальный период вегетации - 8-10 лет. Уборка производится в феврале-мар
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.