Древесные и сельскохозяйственные отходы

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.[12]

 

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.[13]

Древесные отходы

 

Древесные отходы – это экологически чистый вид топлива. К ним относятся: кора, опилки, щепа и другие отходы лесозаготовки, а также отходы сельского хозяйства: отходы кукурузы, отходы крупяного производства, лузга подсолнечника и т.д.[20]

В результате работы деревообрабатывающих предприятий в Российской Федерации ежегодно образуется порядка 70 млн. тонн отходов деревообработки, основная часть которых, как правило, остается невостребованной, усугубляя пожарную безопасность и экологическую обстановку в местах расположения предприятий. Между тем отходы можно и нужно рационально использовать.[21]

Наиболее эффективное использование древесных отходов в качестве топлива для отопительных и производственных котельных. При росте цен на ископаемые топлива, древесные отходы становятся альтернативным топливом, снижающим расходы на производство тепловой энергии. К тому же это возобновляемый источник энергии, при производстве которой происходит минимальное воздействие на атмосферу.

В большинстве европейских стран реализовываются программы по переводу энергетики на использование альтернативных видов топлив. Наиболее актуальным в данном аспекте видится использование биотоплив, и в частности древесины, как основного вида возобновляемых энергетических источников. Его использование позволяет снизить экологически вредные выбросы процесса сжигания, так как выделяющийся при сгорании древесного топлива углекислый газ повторно используется в процессе прироста биомассы. Одной из важнейших задач развития энергетики России также, является частичная замена ископаемого топлива на возобновляемые биотоплива, что в свете Киотского протокола и квот на выбросы углекислого газа выглядит весьма целесообразным.

Лесные отходы являются наиболее легкодоступным, не требующим больших затрат на добычу и на специальные технические разработки источником энергии. Известно, что от 20 до 50% леса, поступающего на лесопилки, теряется в виде опилок, обрезков и коры, которые могут быть использованы в качестве топлива. Сжигание их в котлах сможет обеспечить серьезную экономию средств для предприятий лесозаготовительной отрасли. Кроме того, древесные отходы могут быть получены при экологическом прореживании лесов для улучшения лесостоя. Существует большое разнообразие видов отходов древесины, соответственно различаются и свойства этих отходов (таблица 1.5.).[22]

 

Характеристика древесных отходов.

Таблица 1.5.

Вид древесных отходов	Теплота сгорания, МДж/кг
Опилки	15,5
Кора	8,8
Отходы распила	10,5
Отходы тары	10,5
Сучья	8,4
Малоценовая древесина (валежник, обломки)	8,4
Пни	9,6
Обрезки фанеры, шпона	11,7
Сумма	Q^ri ср = 10,55

 

Общие свойства древесины

 

Характеристики и свойства древесины, используемой как топливо, варьируются в широких пределах в зависимости от вида древесины и типа предварительной обработки. Например, влажность топлива, подаваемого в топку, может составлять от 25 до 55 вес.% (на рабочую массу) (кора, отходы лесопильного производства) или менее 10 вес.% (брикеты, отходы обработки сухой древесины).

Топливные свойства древесины определяются рядом характеристик. Среди них теплота сгорания, химический состав (например, содержание таких элементов, как хлор, углерод, азот, водород и сера), влажность, твердость, количество летучих веществ, количество твердого углерода, содержание и состав золы, характеристики плавления и ошлакования золы, количество загрязняющих веществ, пыли, спор грибов. Топливную древесную щепу часто производят из различных пород деревьев с разным соотношением стволовой древесины, коры, листвы, ветвей, почек и даже шишек, содержание которых изменяет свойства топлива.[23]

 

Состав древесины

 

Основными компонентами клеток древесины являются целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин, которые составляют 99% массы древесного материала. Целлюлозу и гемицеллюлозу образуют длинные цепи углеводородов (таких, как глюкоза), лигнин же является осложненным компонентом полимерных фенольных смол. Лигнин тесно связан с гемицеллюлозой, поскольку он действует как склеивающий агент, склеивая пучки цепей целлюлозы и растительные ткани. Таким образом, лигнин придает растению механическую прочность. Он богат углеродом и водородом, которые являются основными элементами производства теплоты. Поэтому лигнин обладает более высокой теплотворной способностью по сравнению с углеводородами. Древесина и кора также содержат так называемые экстрактивные вещества, такие как терпены, жиры и фенолы. Многие из них растворимы в органических соединениях (гексане, ацетоне, этаноле) и горячей воде. Древесина содержит относительно малое количество экстрактивных веществ по сравнению с корой и листвой (рис.1.8.).[24]

Рис.1.8. Среднее содержание химических веществ в древесных видах топлива.

 

Топливные гранулы

 

Пеллеты – спрессованные, измельченные изделия цилиндрической формы предназначены для получения тепла методом сжигания. Прессуются опилки под давлением около 300 атм., без каких-либо добавок и клея. Длина древесных гранул составляет в среднем 20-50 мм, диаметр - 4-10 мм. Обладают большей теплотворной способностью, а также большей компактностью. Простота их использования в том, что пеллеты не требуют специальных условий для хранения и транспортировки, обладают низкой пожароопасностью, удобством загрузки, возможностью автоматизации подачи топлива.

У этого продукта очень много названий. Из иностранных распространены два: Wood pellets и Holz-Pellets, или Holzpellets. Из русских - "биогранулы", "топливные гранулы", "биомасса", "опилочные гранулы". Но наиболее правильное название - "древесные топливные гранулы" или просто "пеллеты".[28]

Пеллеты – это биотопливо получаемое из отходов.

Сырье для получения топливных гранул:

1) О тходы деревообработки - баланс, низкотоварная древесина, пни, горбыль, щепа опил, кора, ветки и прочее.

2) Также при производстве древесных топливных гранул перерабатываются лесосечные отходы: тонкомерная и дровяная древесина, верхушки, откомлевки, ветки, искривленные стволы и т.п.

Отходы сельскохозяйственной переработки (солома, лузга, шелуха…). Получаемый продукт также является топливной гранулой - «растительная гранула». Основные отличия от древесной гранулы: цвет, повышенная зольность. Как и древесная гранула широко используется для котельных установок промышленного и бытового назначения.

 

Рынок топливных гранул

 

В России работают более 100 производителей пеллет[56], из которых лишь несколько производят более двух тысяч тонн пеллет в месяц, а на стадии строительства находятся примерно десять заводов мощностью 2-5 и более тысяч тонн в месяц.[57]

Цены на пеллеты держатся на Западе в пределах 80—120 евро (180—200 евро с доставкой) за 1 тонну в течение уже более десяти лет.[58] Стоимость пеллет в России составляет от 2500 до 6000 рублей за тонну. Закупочная цена, например, в Санкт-Петербурге колеблется в пределах 3000 рублей за 1 тонну пеллет.[59]

Спрос на пеллеты неуклонно растет (рис.1.19.). Потребление в 2008 году составило, по оценкам экспертов, более восьми миллионов тонн. Предприятия, закупающие пеллеты - это компании из Германии, Франции, Латвии, Литвы, Украины и многочисленные предприятия из России.

Крупные перспективные рынки сбыта находятся, в основном, в странах Центральной Европы: Австрии, Италии, Германии, Нидерландах, Дании и Бельгии.

Анализ экспорта российских древесных гранул представлен следующим образом: 95% пеллет поставляется с территории Северо-Западного ФО, на долю Центрального ФО приходится 2% экспорта пеллет, Южного ФО - 1%.[60]

Половина экспорта древесных гранул из России приходится на Швецию, одна треть экспортируется в Бельгию. Экспортные поставки пеллет из России осуществляются также в Нидерланды, Италию - по 4%, Данию - 3%, Германию - 1% и ряд других стран, доля которых незначительна.[61]

На рынке востребованы гранулы совершенно разного качества: темные – с большим содержанием коры и светлые – содержание коры не превышает 5%. На Западе спрос на топливные гранулы превосходит предложение, и всё большее количество потребителей переходит с мазута, газа и электричества на пеллеты, что требует увеличения их производства.

По разным источникам, в 2006 году в мире было произведено от 8 до 10 млн. тонн пеллет, по прогнозам, к 2020 году цифра вырастет до 250 млн. тонн. Швеция, Дания, Нидерланды, Бельгия и Италия являются крупнейшими потребителями пеллет. Швеция является крупнейшим производителем и потребителем древесных гранул в мире, с общим объемом производства около 1,7 млн. тонн в 2008 году. В страну также импортировалось около 400000 тонн в прошлом году для удовлетворения общего внутреннего спроса на 2,1 млн. тонн.

В настоящее время свыше 450 заводов производящих гранулы работают в Европе, она представляет собой крупнейшего производителя и крупнейшего потребителя топливных гранул в мире. Большое количество новых проектов, запланировано на ближайшие пять лет. Несколько инвестиционных проектов в настоящее время отложено в связи с глобальным финансовым кризисом, но нет никаких сомнений в том, что увеличение потребления топливных гранул будет продолжаться, даже если темпы роста временно замедлились. Великобритания, Дания, Швеция и Германия являются странами, в которых рынок топливных гранул, скорее всего, будет одним из самых быстро растущим в течение ближайших нескольких лет. Эти страны будут вкладывать средства в отечественное производство, и увеличить возможности импорта в ближайшие годы.

Цены в Европе на топливную гранулу растут вверх на ключевых биотопливных рынках. Они существенно возросли в Германии и Австрии в течение зимы 2006/07 года, что отчасти объясняется высоким спросом в Германии и увеличением экспорта в Италию, где спрос значительно вырос. В последние месяцы, спрос и цены растут в результате вложений в крупные электростанций в ряде стран Европы.

Цены в Швеции, в целом были выше, чем в Центральной Европе, где цены упали в начале 2007 года. Шведские цены на топливные гранулы оставались на рекордно высоком уровне? 250/ тонна на протяжении большей части 2007 и 2008 годах. С ростом торговли топливными гранулами в Европе, вполне вероятно, что цены на пеллеты для центрального отопления помещений будут выравниваться между различными странами.[62]

В целом рынок топливных гранул Европы демонстрирует высокие темпы роста в натуральном выражении (~20-25%), его емкость составляет 800—900 млн. евро. Ввиду нехватки собственных производственных мощностей и сырьевой базы, растет объем импорта пеллет, в том числе и из России.[63]

Рис.1.19. Основные потребители древесных гранул в Европе.

 

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 изменения^[3].

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 рынках^[4].

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.[5]

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 ресурсами^[6].

 

 

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.[7]

 

Характеристик топлива по выделяемым веществам.[8]

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
Теплота сгорания МДж/кг	15-25		35-38 МДж/м^3	7-15*
Углекислый газ кг/ГДж				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.[9] Зольность древесных отходов не превышает 1%, а соломы максимум 5%.[10] 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.[11]

Таблица 1.4.

Вид топлива	Теплотворная способность, Мкал/м. куб.	Влажность, %	КПД	Полезная теплоотдача, Мкал/м. куб.
Солома			0,75
Кора сосновая			0,75
Опилки			0,70
Щепа			0,70
Стружка,			0,70
Пеллеты (гранулы)			0,80
Брикеты		12-15	0,75

 

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

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.[12]

 

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.[13]