Возобновляемые источники энергии в России. Солома

В 2018 году, например, сельскохозяйственными предприятиями РФ было заготовлено 72 136 тыс. т зерна пшеницы, 16 992 тыс. т ячменя и 4 719 тыс. т овса. При этом было произведено по меньшей мере 40 млн т побочного продукта – соломы. Обычно от трети до половины образовавшегося количества соломы запахивается обратно в землю для восстановления ее плодородия. Это значит, что с полей, в том или ином виде, было увезено на хранение и переработку,как минимум,20 млн. т соломы. По 20-25% от этого количества, как правило, используются в животноводстве - в качестве подстилки для животных и добавки в корма. Но остались еще10 млн. т соломы, подлежащие утилизации в течение года (поскольку через год с полей надо будет вывозить новые миллионы тонн). Оставим в стороне все возможные способы утилизации лишней соломы, кроме близкого и понятного нам - ее сжигания, но не в чистом поле (в РФ это, как и во многих странах, запрещено), а – в теплогенераторе.

Удельная низшая теплота сгорания (УТС) сухой соломы достигает 5,5 кВт∙ч/кг. Понятно, что прямо с поля она – не совсем сухая, и ее УТС будет ниже. Воспользуемся для расчетов УТС соломы с влажностью 20% - 4,0кВт∙ч/кг, тогда получается, что в РФ ежегодно доступно для выработки тепла практически бесплатное биотопливо суммарным потенциалом не менее40 000 ГВт∙ч. Примерно столько тепла истрачено в том же 2018 году на отопление жилого сектора всей Финляндии.

Вариантов того, как распорядиться этим богатством, множество, и различаются они, прежде всего, технологией сжигания.

Тюки

Самый очевидный способ - сжигание соломы прямо в том виде, в каком она вывозится с поля, т.е. в тюках. Вид и размер тюка зависит от пресс-подборщика. Наиболее популярные модели подборщиков выдают круглые тюки диаметром 150 см и шириной 120 см. Средний вес такого тюка 244 кг, а плотность – приблизительно 110 кг/м³ (Фото 1).

Ряд популярных пресс-подборщиков формируют тюки прямоугольной формы 240×80×80 см, весом около 235 кг и плотностью около 140 кг/м3, однако выпускаются достаточно много моделей с другими размерами туннеля, формирующих тюки длиной от 120 до 200 см (Фото 2).

Понятно, что сжигать такие тюки в стандартных котлах невозможно – они слишком велики. Но на рынке предлагается довольно много котлов, рассчитанных на сжигание целых тюков соломы, как на фото 3.

Очевидно, что загрузка такого котла тюком соломы требует его остановки назначительное время, поэтому максимальная теплопроизводительностьограничиваетсявеличиной 150-200 кВт (за счет ограничения подачи воздуха для горения), чтобы тюк выгорал не быстрее, чем за 2,5-3 часа. При этом минимальнаятеплопроизводительность котла может составлять 50 кВт, и с нею он может работать на одной загрузке более 10 часов.

При всей видимой привлекательности применения таких котлов для отопления небольших объектов в сельской местности, эта ниша на российском рынке остается незаполненной. Есть предложение из-за рубежа, но и оно очень ограниченно. В чем причина? По всей видимости- в проблематичности соломы как топлива (см. Табл. 1)

Таблица 1. Энергетическая ценность соломы (на тонну) при влажности 15%

Вид соломы	Теплота сгорания, кВт∙ч	Эквивалентное количество печного топлива, л	Содержание золы, кг
Пшеничная	4 032	396	57
Ячменная	4 116	406	48
Рапсовая	4 004	393	62

Как видно из таблицы, зольность соломы довольно высока  (у древесной биомассы она не превышает 1%). При этом зола становится мягкой уже при 800 °C (в отличие от золы при сжигании древесины, которая начинает размягчаться при температуре не ниже1100 °С),что приводит к образованию в топке котла золошлаковых агломератов, препятствующих горению.Из-за этого чистить котел необходимо чаще, а сама чисткаболее трудоемка, чем требуется котлам на древесном топливе.

Разумеется, производители котлов на целых тюках соломы предлагают и котлы большей мощности, с автоматизированной,практически – непрерывной, загрузкой, и автоматизированной же очисткой. Однако при этом стоимость оборудования возрастает настолько, что возникают обоснованные сомнения в возможности окупить эти дополнительные капитальные затраты когда-нибудь в обозримом будущем за счет более дешевого топлива.Иначе говоря, пусть – ценой дополнительных затрат на подготовку топлива, но более перспективным выглядит любой способ сжигать солому в универсальных котлах, например – пеллетных.

Агропеллеты

Пеллеты из соломы, или агропеллеты, делаются по той же технологии, что и пеллетыиз древесных отходов, а поскольку влажность соломы обычно ниже, чем у свежей древесины, можно сэкономить на сушке сырья. Интересно, что агропеллеты более высокого качества получаются из лежалой, «серой» соломы. Это объясняется тем, что в свежей соломе содержатся в заметных концентрациях соединения калия, хлора и серы, сильно влияющие на шлакованиеи делающие шлак и продукты сгорания агрессивными по отношению к металлу котла. Так вот – как обнаружили британские ученые™, если солома полежала под дождем неделю-другую, значительная часть нежелательных веществ из нее вымывается. На сжигающих солому в промышленных масштабах датских ТЭЦ практикуется также обработка соломы паром или горячей водой.Надо сказать, в родных палестинах этот подход не нашел понимания: использовать в производстве пеллет лежалую солому – это еще куда ни шло, но любая дополнительная операция вроде промывки/пропаривания соломы неизбежно повышает себестоимость агропеллет и выталкивает их с рынка, уже заполненного дешевыми и менее проблемными пеллетами древесными. Поэтомуагропеллеты, как топливо, имеют все тот же недостаток, что и солома - высокую зольность (см. Табл. 2)

Таблица 2. Сравнительные свойства топливных гранул из соломы и древесной биомассы.

	Плотность, кг/м3	Влажность,  %	УТС (низшая), кВт∙ч/кг	Зольность, %
Пеллеты из соломы	600	<10	4,17	5
Пеллеты древесные	650	<10	4,86	0,5

Пеллетные котлы бытового сегмента, а также универсальные твердотопливные котлы с пеллетной горелкой, как на фото 4, в большинстве своем предназначены для сжигания древесных пеллет, зольность которых не превышает 1%.

Это объясняется прежде всего тем, что производители стремятся к максимальному упрощению и удешевлению горелочного и котельного оборудования, ведь только при этих условиях отопление частного дома на пеллетах может выигрывать конкуренцию с пропаном и дизельным топливом. При сжигании же агропеллет в конструкции горелки и котла должно быть предусмотрено постоянное удаление золы и шлака, но простого и надежного способа организовать этот процесс в котле небольшой мощности пока не изобретено.

Тем не менее, на рынке доступны и пеллетныекотлы бытового и коммерческого диапазона мощности, производители которых допускают сжигание топлива с зольностью до 3%. Это открывает окно возможностей для использования агропеллет как топлива, при условии смешивания их в нужной пропорции с пеллетамидревесными. В результате пользователь, находящийся дальше от лесов, чем от полей, может получить ощутимую экономиюза счет использования дешевого местного топлива.

В то же время на западноевропейском рынке существует достаточно широкое предложение котлов и систем сжигания биотоплива, которые могут работать на агропеллетах, но экономически оправданным их применение становится лишь при мощности котельной установки 100-150 кВт и выше. Наиболее «наезженное» техническое решение такого рода – твердотопливный котел с подвижной колосниковой решеткой (Фото 5).

Фото 5: Твердотопливный котел FerroliWOODMATICSGM

Топливо в такой котел подается шнековым или плунжерным загрузчиком. Колосниковая решетка с гидравлическим или электромеханическим приводом позволяетэффективно сжигатьтвердое топливо с высоким содержанием золы (до 7%). Полностью автоматическое удаление золы из топочного агрегата обеспечивается скребком под решеткой и шнеком для выгрузки золы.Стенки камеры сгорания покрыты огнеупорной футеровкой. Зоны подачи первичного и вторичного воздуха для горения спроектированы так, чтобы сжигание было как можно более полным. В таких котлах достигается эффективность сжигания 85% и выше.

Еще одно перспективное техническое решения для котлов на агропеллетах – пришедшая из «большой» энергетикитехнология сжигания в «кипящем слое». С использованием этой технологии в Тамбовском государственном техническом университете разработана серия отопительных котлов, в которых кипящий слой сформирован самими гранулами,частицами их коксового остатка и золой (Фото 6).

Температура в слое достигает 1000-1100 °C, что достаточно для воспламенения и устойчивого горения коксового остатка. Находящиеся в постоянном движении топливные гранулы разрушают образующиеся в слое золошлаковые агломераты, поэтому очаговый остаток имеет порошкообразную структуру и легко удаляется из котла.

Газификация

Газификация – это термохимический процесс сжигания с тремя фазами (пиролиз, окисление, восстановление), в результатекоторого сухая биомасса превращается в горючий газ.

Газификация биомассы имеет ряд преимуществ по сравнению с ее использованием в качестве топлива в твердом виде:

- при сжигании газа не образуется золы, шлака или смол;

- сжигание газа легко поддается регулированию и автоматизации;

- сжигание генераторного газа отличается полнотой сгорания и высокой температурой пламени.

Однако, в отличие от древесной биомассы, технология газификации соломы пока еще плохо освоена. Основнаятрудность заключается в образовании твердых агломератов на внутренних поверхностях газогенератора. Разработчики пытаются преодолеть эту трудность,например, за счет подачи в газогенератор водяного пара вместо воздуха, или за счет внесения различных добавок в исходнуюбиомассу. География исследований широка: от Японии и Китая на востоке до Дании и Нидерландов на западе. К сожалению, РФ пока остается в стороне.

Как сделали в Дании

Так получилось, что в освоении этого источника энергии все страны идут по стопам Дании. В 1993 году, когда ни у кого в мире еще не было опыта производства энергии из биомассы, Правительство Дании заключило с производителями энергии политическое соглашение, которое обязывало их довести к 2000-му году объем использования биомассы (в основном – соломы c местных полей) для производства энергии до 1,4 млн. тонн. К 2016 году в Дании были построены 15 ТЭЦ, работающих полностью или частично на соломе (Фото 7).

На них сжигалось в общей сложности 1,6 млн. тонн соломы в год. В котлах этихТЭЦприменяются несколько технологий сжигания соломы:

- сжигание на подвижной колосниковой решетке соломы или смеси соломы с древесиной;

- совместное сжигание перемолотой соломы с древесной или угольной пылью;

- совместное сжигание угля и гранул из соломы в кипящем слое.

В целом в Дании в 2016 г. возобновляемые источники дали 25% всей потребленной энергии,и 15,6% из этого количестваполучено от сжигания соломы.