Древесные и сельскохозяйственные отходы

Топливные гранулы (пе́ллеты) (англ. wood pellets) — биотопливо, получаемое из древесных отходов и отходов сельского хозяйства. Представляет собой цилиндрические гранулы стандартного размера.

Пеллеты имеют существенный плюс — весь углекислый газ, который они выделяют при горении, поглощается растениями в тех же объемах, что и был потреблен при росте сырья для пеллетов. При этом общее количество этого газа не увеличивается, что не ведет к парниковому эффекту. В то же время топливо, полученное из невозобновляемых ресурсов, производит выбросы таких веществ, как угарный газ, углекислый газ, свинец и так далее, которые не могут быть в полой мере поглощены природой.¹. По данным лабораторных испытаний теплотворная способность топливных древесных пеллет составляет, в зависимости от породы древесины, удельного веса и влажности пеллет от 4,5 до 5,04 мВт/т. 1000 кг дизельного топлива соответствует по тепловыделяющей способности примерно 2140 кг (3,2 м³) пеллет. В настоящее время при отоплении современных частных домов используют (при отсутствии природного газа) высокоэффективные автоматизированные водогрейные котлы на дизельном топливе различной мощности (30—50 кВт), с КПД выше 90%. Примерно такой же КПД имеют котлы, использующие твердые топливные пеллеты, поэтому условно можно принять предположение о равенстве КПД жидкотопливных и пеллетных котлов. Примем, так же, условно, что некий котел мощностью 25—30 кВт в современном жилом доме (коттедже) потребляет за отопительный сезон 4000 кг дизельного топлива. Для выработки такого же количества тепловой энергии (~40000 кВт) потребуется примерно 8,7 тонны (~13 м³) топливных гранул. Стоимость 1 тонны топливных гранул для конечного потребителя не должна превышать 150 долларов США (5020 руб.), поэтому стоимость гранул в себестоимости выработанного тепла для потребителя в отопительный сезон составит 8,7x150=~1305 долларов (43674 руб.) Стоимость такого же количества тепла (~40000 кВт) при использовании дизтоплива составит примерно 1824 доллара (61050 руб.). Разница в топливной составляющей (дизтопливо - пеллеты древесные) в себестоимости выработки одинакового количества тепла (~40000 кВт) составит: 1824—1305 = 519 долларов США (17370 руб.) за отопительный сезон.²

Возобновляемые источники энергии, конечно, не полностью экологически безвредны, и их возможности тоже не безграничны. Для ветряных генераторов нужны площади и подъездные дороги. В некоторых типах солнечных элементов используются токсичные соединения. Дамбы для электростанций вызывают затопление прилегающих земель и нарушают

свободное течение рек. Биомасса как источник энергии устойчива постольку, поскольку сельское и лесное хозяйство устойчивы и регулярно производят эту биомассу. Некоторые источники гелиоэнергетики маломощны и работают нерегулярно, для их использования нужны большие площади и сложные устройства для накопления энергии.

И все они требуют привлечения физического капитала и грамотного управления. Тем не менее, в будущем они вполне способны служить основой устойчивого общества. Их много, они широко распространены и разнообразны. Потоки загрязнений, связанные с их использованием, меньше и, как правило, менее вредны, чем потоки от использования ядерной энергии или энергии ископаемого топлива.

Для того, чтобы для обеспечения потребностей человека были разработаны и использовались самые устойчивые, минимально загрязняющие окружающую среду, высокоэффективные источники, нужны политическая воля, технологические разработки и определенные изменения¹.

В течение 90-х годов XX века подавляющим большинством ведущих промышленных корпораций за рубежом рядом компаний в России достигнуты и продемонстрированы существенные результаты в области сокращения отрицательного воздействия на окружающую среду при одновременном увеличении объемов производства, снижении удельных расходов сырья и материалов, удельных выбросов и сбросов, экономии энергоресурсов, совершенствовании качества продукции. Ведущие международные организации и представители деловых кругов единодушны в том, что современные походы к обеспечению экологической целесообразности и безопасности предприятий становятся более оправданными с экономической точки зрения. Это проявляется в использовании компаниями разнообразных прямых и косвенных преимуществ и выгод, связанных как непосредственно с производством товаров и услуг, так и с деятельностью на международных товарных и финансовых рынках².

Очень важно, чтобы крупные проактивные компании инвестировали средства в развитие возобновляемых источников энергии.

Так, например, British Petroleum (BP) выступает в поддержку превентивных действий по сокращению выбросов парниковых газов.¹

Безусловно, роль делового сообщества в обеспечении устойчивого развития является одной из ключевых: фактически именно бизнес реализует потребности человечества, обеспечивает их ресурсами, определяет эффективность использования ресурсов, осуществляет выбор между истощимыми и возобновляемыми ресурсами².

Древесина и солома является одними из самых экологичных и дешевых видов топлива. Использование древесины и соломы в качестве энергоносителя – это наиболее вероятное, и в настоящее время доступное направление развития комплексного использования древесных отходов, неликвидной древесины и соломы, имеющее уже созданную для реализации этого направления базу в виде лесопромышленных предприятий, располагающих древесиной, сельских хозяйств, с запасами соломы, которые могут быть использованы в качестве топлива.³

Характеристик топлива по выделяемым веществам.⁴

Таблица 1.3.

Наименование вещества	Тип топлива
	твердое (уголь)	мазут (нефть)	газ	дрова
Оксид углерода	+	+	+	+
Оксид азота	+	+	+	+
Диоксид азота	+	+	+	+
Диоксид серы	+	+	-	-
Бензапирен	+	+	+	+
Угольная зола по SiО2 (пыль неогран.)	+	-	-	-
Зола по взвешенным веществам	-	-	-	+
Коксовые остатки - сажа	+	-	-	+
Мазутная зола в перерасчете на ванадий	-	+	-	-
Теплотворная способность, ккал/кг	7400	9800	8300	2500
Теплота сгорания МДж/кг	15-25	42	35-38 МДж/м3	7-15*
Углекислый газ кг/ГДж	60	78	57	0*

*Примечание: “0” в колонке количества выделяемого СО2 означает, что при горении возобновляемых видов топлива выделяется только СО2, связанный растениями за период роста, баланс СО2 в природе при этом не меняется. Теплота сгорания дров зависит от их физического состояния и влажности.

При сжигании соломы и древесных отходов можно получать достаточно калорийное топливо для энергетических установок, вырабатывающих тепло и электричество. Внедрение теплоэнергетических станций (котельных), работающих на соломе, древесной щепе, отходах лесозаготовок, лесопиления показывает, что использование соломы, древесных отходов (щепы) вместо традиционных видов топлива (уголь, мазут) вполне оправдано как со стороны экономической, так и со стороны экологии. Древесные отходы влажностью 40% имеют теплоту сгорания 2440 ккал/кг, а солома влажностью 20% имеет теплоту сгорания 3440 ккал/кг.¹ Зольность древесных отходов не превышает 1%, а соломы максимум 5%.² Использование соломы и древесины позволяет сократить необратимые выбросы углекислого газа в атмосферу Земли и тем самым сгладить неблагоприятные изменения климата, связанные с "парниковым эффектом".

Однако качества сжигания отходов не может быть достигнуто, т.к. процесс прямого использования соломы, отходов лесопиления, деревообработки и переработки имеет и свои недостатки. Во-первых, для повышения эффективности сгорания опилки и щепа должны быть сухими, что требует дополнительных технологических процессов, инвестиций, производственных и складских площадей, немалых затрат энергии. Во-вторых, существует проблема складирования отходов/сырья. В-третьих, солома, древесные отходы являются нетранспортабельным топливом, что затрудняет и удорожает процесс транспортировки. Помимо необходимости больших складских площадей, свежие опилки, солома и щепа при хранении порой самовоспламеняются.

В данном случае решается проблемы повышения теплотворности материала и уменьшения необходимых складских площадей и транспортных расходов.

Целесообразность дальнейшего использования соломы, древесных отходов и, производимых из них других видов топлива, для получения тепла и электроэнергии показана в таблице 1.4., в которой представлены теплофизические характеристики.

Теплотворная способность различных видов топлива.¹

Таблица 1.4.

Вид топлива	Теплотворная способность, Мкал/м. куб.	Влажность, %	КПД	Полезная теплоотдача, Мкал/м. куб.
Солома	471	20	0,75	353
Кора сосновая	442	55	0,75	331
Опилки	490	40	0,70	343
Щепа	580	40	0,70	406
Стружка,	350	20	0,70	245
Пеллеты (гранулы)	3000	10	0,80	2400
Брикеты	2400	12-15	0,75	1800

Преимуществом биотоплива из древесных отходов и соломы является тот факт, что оно - возобновляемый источник энергии.

1.4. Солома

Солома (рис.1.5.) — сухие стебли злаковых и бобовых зерновых культур, остающиеся после обмолота, а также стебли льна, конопли, кенафа и других растений, освобожденные от листьев, соцветий, семян. Солома для транспортировки, хранения и дальнейшего использования прессуется пресс-подборщиками в рулоны или блоки.

Рис.1.5. Солома в рулонах.

Различают озимую и яровую солому, злаковую и бобовую, а по видам растений — пшеничную, ржаную, ячменную, льняную, конопляную и др. Хорошая злаковая солома — светлая, блестящая, упругая; долголежавшая — ломкая, пыльная, часто с пряным запахом.

Химический состав и питательность зависят от вида растений, климата, способов уборки, обмолота, хранения и других факторов. В соломе 35—45 % клетчатки и других сложных труднопереваримых углеводов, 2—6 % протеина (в бобовой 4—9 %), 1,2—2 % жира, 4—7 % золы. В 100 кг просяной соломе в среднем 40 кормовых единиц и 2,3 кг переваримого протеина, в ячменной — 33 кормовые единицы и 1,3 кг переваримого протеина. В яровой соломе больше протеина, меньше клетчатки, поэтому питательность её выше, чем у озимой.¹

1.4.1. Ресурсы образования соломы как потенциального биотопливного сырья.

По  различным  экспертным оценкам, образование соломы после обмолота зерновых на полях  составляет от 3 до 5 тонн/га.  Техника подбора соломы, ее прессование в тюки прямоугольного типа или в  валики  на полях уже отработана (рис.1.6.).

Рис.1.6. Техника подбора соломы, ее прессование в тюки.

Отечественный потенциал по соломе огромен. После уборки зерновых в последних числах лета и осенью на полях ее остается около 24 млн. тонн. Поэтому необходимы значительные складские площади для хранения этого сырья (способы хранения описаны ниже) и вместе с тем значительные финансовые затраты связанные с организацией хранения больших объемов соломы, иначе солома потеряет свои потребительские качества, и ее нельзя будет использовать для получения энергии и/или производства пеллет. Ежегодный избыток соломы, который можно использовать для получения тепловой энергии, оценивается в 4,85 млн. т   (приблизительно 20 % общего количества). Для сжигания такого количества соломы необходимо установить 13 тыс. малых котлов (менее 1 МВт) и около 700 котлов для централизованного теплоснабжения (от одного до 10 МВт). При этом ежегодная экономия природного газа будет 2,2 млрд. м3, около 5% потребления его в России. Применительно к сельскохозяйственному предприятию средних размеров: при объеме засева полей пшеницы на полях 25 тыс. га объем образования соломы за уборочный сезон составит до 125000 тонн. Среднее расстояние вывоза соломы с полей до места утилизации составляет не более 15 км.¹

1.4.2. Существующие направления использования соломы

Сжигание в поле. Сжигание соломы в поле является наиболее простым и радикальным способом избавления от нее. Практическая польза от такого способа избавления низкая, при этом создается неблагоприятная экологическая обстановка в районе (задымленность). ¹

Использование для подстилки скоту. В результате такого направления получается прекрасный навоз, который с успехом используется в хозяйстве. Однако потребный объем соломы, который требуется на  подстилку в два-три раза ниже объемов ее образования в хозяйстве, специализированном на выращивании зерновых.

Запахивание в почву. Этот способ утилизации соломы, с точки зрения поддержания в почве необходимого объема гумуса, является наиболее целесообразным. Для этой цели зерноуборочные комбайны снабжаются соломорезкой, в результате чего измельченная солома разбрасывается по полю, затем запахивается. Сбор соломы и ее использование в энергетических целях влияют на состояние почвы. Вместе с соломой из почвы удаляются питательные вещества и такие необходимые элементы, как Са, Mg, К, N. В результате этого замедляется рост следующих поколений растений, а во-вторых, усиливается опасность кислования почвы. Решаются указанные проблемы внесением удобрений, возвратом золы и известкованием почвы. На сегодняшний день проблема обеднения почв за счет энергетического использования соломы рассматривается как решаемая, однако требует дальнейшего всестороннего изучения.²

Использование соломы как топлива. Солому достаточно сложно использовать  для сжигания в целях получения тепла. Это связано с неоднородностью соломы, малым объемным энергосодержанием, достаточно низкой температурой плавления золы. Объемы соломы и угля, равные по энергосодержанию, различаются примерно в 10-20 раз. В последнее время в Европе появились новые технические решения, которые позволяют использовать солому в качестве топлива. Применительно к соломе  используется прямое сжигание (наиболее изучено и коммерчески развито), газификация (находится на демонстрационном уровне развития) и пиролиз (находится на исследовательском уровне развития). В настоящее время мировым лидером в использовании соломы в энергетических целях является Дания (8000 фермерских установок, 62 тепловые станции, 9 станций КТЭ) (рис.1.7.).³

Рис.1.7.  Баланс использования соломы в Дании.

С целью получения тепловой энергии, солома используются в Австрии (несколько фермерских установок, 5 тепловых станций) и в  Швеции (около 70 фермерских установок и 5 тепловых станций, применяющих солому в качестве дополнительного сырья). В Финляндии и Франции находятся по одной тепловой станции и несколько фермерских котлов, использующих солому, мощностью менее 1МВт. В Китае предполагается строительство первой ТЭЦ, работающей на соломе. Общие капиталовложения составят 34 млн. долл. Электростанция будет оборудована закупленным в Дании генератором, в качестве топлива использующим солому. Ее ввод в эксплуатацию обеспечит сжигание 200 тыс. тонн соломы в год, а годовая выработка электроэнергии составит 120 млн. кВт∙час, при этом ежегодно будет сэкономлено 160 тыс. тонн угля. В Польше эксплуатировалось 10 станций централизованного теплоснабжения, оснащенных соломосжигающими котлами мощностью 1-10 МВт, и 75 малых и средних соломосжигающих агрегатов мощностью от 30 до 500 кВт. Причем первый котел в Польше появился только в 1994 году, а сейчас на польском рынке работает около 10 производителей и поставщиков соломосжигающих установок. В Молдавии  на соломенное  отопление в порядке эксперимента, переводятся шесть сельских школ в различных районах республики. В одном из сельских лицеев при пользовании старого котла с КПД 40-50%,  расходовали одну тонну угля в день, и он отапливался только в дневное время. Сейчас там расходуют так же одну тонну соломы в день  и топят круглосуточно. В целом по миру солома является пока невостребованным топливным ресурсом и  в отдельных странах начинается  проявляться к ней практический интерес.¹