Основные источники биоэнергетического топлива

Основные источники биоэнергетических энергоресурсов включают в себя:

– отходы сельскохозяйственного производства;

– органические отходы промышленности, в том числе лесной, деревообрабатывающей, гидролизной, целлюлозно-бумажной, пищевой, мясомолочной;

– осадки сточных вод;

– отходы коммунального производства (твердые бытовые отходы ТБО и жидкие).

Основными видами биомассы являются:

–                    древесные отходы (включая отходы лесного хозяйства);

–                    сельскохозяйственные отходы (включая отходы растениеводства, мукомольного производства, животноводства);

–                    выращиваемые энергетические культуры;

–                    отходы целлюлозно-бумажного производства (щелоки, отжатая кора и др.);

–                    бумага, не подлежащая вторичной переработке.

Наиболее значительным возобновляемым биоресурсом является древесина, запасы (лесные массивы) которой в России составляют свыше 25 % общемировых.

На каждый 1 млрд м³ объема леса на корню ежегодный прирост древесной биомассы составляет 25 млн м³ (здесь древесную биомассу составляет в основном переросший, болеющий или отмерший лес в виде кругляка). С каждого гектара такого леса, например с лесного массива Новосибирской области, прирост древесины составляет 2,2 м³.

В результате прореживания, необходимого для поддержания культурного уровня лесов, в Европе, например, получают 0,9 т древесной биомассы с гектара.

К древесной биомассе относятся: кругляк, щепа, кора, древесные опилки с лесопилок, древесные опилки мебельных отходов, горбыль, отходы лесозаготовок (сломанные деревья, кроны ветвей, пни и их корневая система и др.), древесная шлифовальная пыль, древесные отходы от сноса строительных сооружений, переработанные древесные отходы (из фанеры, досок), древесные отходы из необработанной древесины, деревянная тара, измельченные планки, древесная стружка.

Каждая из названных групп древесной биомассы отличается гранулометрическим составом, влажностью, способностью к транспортировке и хранению, удельным весом и, конечно, энергетическими характеристиками, которые будут рассмотрены более подробно.

Использование древесной биомассы только за счет ее прироста позволяет не только выработать значительный объем тепловой и электрической энергии, но и стимулировать лесостой и культурный уровень лесов (уменьшить загрязнение рек и ручьев, удалить потенциальный источник пожаров и гниения, проводить регулярную чистку лесных массивов).

Биомасса из сельскохозяйственных отходов включает в себя: солому, лузгу подсолнечника, гречихи, овса; отходы мукомольного производства (отсевы, отруби); отходы животноводства (от животноводческих комплексов и птицефабрик); костная мука.

К выращиваемым энергетическим культурам, составляющим биомассу, относятся: быстрорастущие травы (стебли люцерны и др.); деревья с коротким севооборотом (гибридная ива и др.), лозное просо.

Как видно, биомасса состоит из различных видов, в пределах каждого вида имеет место значительное количество групп. А все эти виды и группы в пределах вида могут иметь свои существенные различия как по энергетическим характеристикам, так и по гранулометрическому составу, влажности, зольности, удельному весу, способности к размолу, транспорту, хранению; сезонности получения и масштабности поставки; склонности к взрывам, пылению и др.

Учитывая саму природу происхождения биомассы различных видов и групп, принципиальных различий в их характеристиках, по данным зарубежных и российских исследователей, ожидать не следует. Это позволяет, для выработки технических решений, более активно и уверенно использовать материалы зарубежных исследований и обобщать материалы публикуемых работ по рассматриваемому вопросу.

В связи с тем, что биомассу отходов животноводства (от животноводческих комплексов, птицефабрик) в силу своих особых специфических свойств наиболее целесообразно использовать, как показывает практика, в мелких промышленных установках через получение из нее биогаза, в настоящей работе ее использование рассматривается в приложении (технология получения биогаза имеет свою специфику).

Значительное количество органических отходов в виде соответствующих биомасс имеет место в целлюлозно-бумажном производстве (ЦБП).

Целлюлозно-бумажное производство относится к наиболее энергоемким отраслям промышленности и отличается наличием широкой гаммы специфических отходов, которые должны использоваться либо в чисто энергетическом, либо, что наиболее экономично, в энерготехнологическом направлениях. В табл. 1, 2 приведены характеристики и баланс отходов ЦБП.

Таблица 1

Характеристика отходов ЦБП

В табл. 2 приведен баланс отходов современного мощного лесопромышленного комплекса, перерабатывающего 6,5 млн м³древесины в год (в том числе на нужды ЦБП 4,5 млн м³).

Для энергетических нужд (электроэнергия, тепло на технологические и бытовые нужды) такое предприятие должно потреблять 2,1•10⁶ т у.т./год. Из табл. 2 видно, что за счет сжигания отходов целлюлозно-бумажного производства (ЦБП) можно удовлетворить до ~50 % потребности предприятия в энергетическом топливе. При полном использовании отходов ЦБП в масштабах всей отрасли можно ожидать экономию более 5,5 млн т у.т./год (масштаб производства 1975 г.).

Таблица 2

Баланс отходов лесопромышленного комплекса с объемом переработки 6,5 млн м³ древесины

* В числителе и знаменателе приведен часовой расход топлива в летний и зимний периоды соответственно; количество дней работы для условий Восточной Сибири принято: летом – 150 дней, зимой – 195 дней.

** Испарительность 1 кг условного топлива принята равной ~9,2 кг/кг (параметры пара: р = 39 кг/см², t_п.п. = 440 °С, t_п.в. = 145 °С, h_к.а. ≈ 85 % )

*** Колебания определяются сортом перерабатываемой древесины и выходом целлюлозы.

Уже одно это обстоятельство определяет значительный экономический эффект проблемы рациональной организации использования отходов ЦБП. Большая дополнительная экономия возникает за счет высвобождения средств, затрачиваемых на транспортировку твердых отходов в отвалы и на сооружение очистных устройств для жидких отходов.

В табл. 1 приведены характеристики отходов ЦБП как топлива. Видно, что все отходы ЦБП обладают свойствами, резко отличающими их от обычных энергетических топлив. При относительно высокой реакционной способности сухой массы они имеют чрезвычайно высокую приведенную влажность, специфические свойства минеральной части и обладают рядом других особенностей. Все это предъявляет особые требования к конструкциям топочных устройств. Таким образом, на целлюлозно-бумажных предприятиях всегда имеется широкая гамма топлив, резко различающихся по своим характеристикам: обычные энергетические (твердые натуральные топлива, мазут или газ), древесные отходы и жидкие горючие отходы производства. Поэтому для ЦБП наиболее остро встает проблема создания многотопливных котлов, допускающих сжигание под котлом единого профиля всех указанных топлив в различных соотношениях.

Кроме того, экономически целесообразно, а в ряде случаев необходимо по условиям технологии осуществлять сжигание отходов ЦБП в энерготехнологических агрегатах.

Как видно из табл. 1, отходы ЦБП можно разбить на две крупные группы: древесные твердые отходы и жидкие отходы (щелока). Проблемы сжигания и утилизации этих отходов решаются по-разному.