О возможности использования соломы в качестве топлива для коммунальной энергетики

Исьёмин Р.Л., Кузьмин С.Н., Милованов А.В., Коняхин В.В., Зорин А.Т.,Тамбовский государственный технический университет:

Рост цен на традиционные энергоносители и ужесточение экологических требований к энергетическим установкам обуславливает интерес к использованию в качестве топлива биомассы, в том числе соломы.

Элементарный состав соломы и теплота ее сгорания не слишком отличаются от соответствующих показателей для древесины, хотя теплота сгорания соломы ниже, чем у сухой древесины. C другой стороны, с учетом обычной для соломы влажности ниже 20 %, теплота сгорания соломы оказывается выше, чем у древесной щепы, которая в настоящее время начинает широко использоваться в северо – Западных и восточных регионах России и давно используется в странах Северной Европы.
Солома содержит хлор, соединения которого вызывают коррозию теплообменного оборудования. Причем, в «желтой» (свежеубранной) соломе почти в 4 раза выше, чем в «серой» (увядшей). Считается, что для вымывания хлоридов из соломы достаточно 5 – 7 дней.
Главной же проблемой при использовании соломы в качестве топлива является ее низкая насыпная плотность (30 – 40 кг/м3), что удорожает транспортировку и хранение соломы, а также усложняет систему подачи соломы в топку котла.
Солому заготавливают в виде брикетов или тюков. Для сжигания соломы требуются котлы, имеющие специальную конструкцию, учитывающую особенности данного вида топлива. Одной из простейших является конструкция котла, позволяющая сжигать солому в виде тюков или брикетов. Котел такой конструкции работает периодически: тюк или брикет соломы с помощью фронтального подъемника загружают через открытую топочную дверцу котла, топливо поджигается и дверца закрывается. Подача дутьевого воздуха и его распределение по объему топки регулируется по мере выгорания тюка или брикета соломы. По мере прогорания тюка или брикета соломы теплопроизводительность котла падает. Чтобы нивелировать падение теплопроизводительности, котел такой конструкции оборудуется баком для горячей воды (аккумулятором). К примеру, объем бака – аккумулятора у котла RAU – 2 – 1210 фирмы «PASSAT Energy A/S» (Дания), имеющего теплопроизводительность 980 кВт и установленного на агрофирме «ДиМ» (с. Дрозды, Киевская область, Украина), равен 32 м3. Необходимость установки бака – аккумулятора и сложной системы регулирования и распределения воздуха делает такие котлы весьма дорогостоящими, тем более, что КПД таких котлов все равно на 10 % ниже, чем у котлов, сжигающих измельченную солому.
Чтобы не оборудовать каждый котел или каждую котельную установкой для измельчения соломы последнюю желательно гранулировать на специальных централизованных установках, имеющих производительность от 0,5 до 2 – 3 тонн гранул в час. По данным лаборатории Incolab Services Russia S.C. (г. С. – Петербург) гранулы из соломы пшеницы имеют зольность 4,38 %, влажность 11,09 %, теплоту сгорания на рабочую основу 15,42 МДж/кг (3683 ккал/кг), содержание серы на рабочую основу 0,07 %, выход летучих на рабочую основу 68,67 %. Гранулы имеют диаметр от 6 до 12 мм, длину до 25 мм и насыпную плотность 600 – 650 кг/м3 (почти как у бурого угля), их легко транспортировать на значительные расстояния без опасности разрушения. Подача гранул в топку котла может быть легко механизирована и автоматизирована.
Фактически производство биогранул из соломы может быть организовано в большинстве регионов России. Производство гранул из соломы не требует, в отличие от производства древесных гранул, сушки исходного сырья. Энергозатраты на транспортировку соломы для гранулирования составляют 0,6 % от той энергии, которую можно получить при сжигании этих гранул, а энергозатраты на гранулирование – 2,4 %, что, соответственно, в 2 и в 1,5 раза больше, чем при получении древесных гранул.
Относительно высокая стоимость линий по производству гранул, большие энергозатраты на их производство, затраты на сбор и заготовку соломы делают рентабельным производство этих гранул только в тех регионах, в которых под зерновыми культурами заняты значительные площади сельскохозяйственных земель и традиционные энергоносители (или их доставка) относительно дороги.
К таким регионам относятся восточные районы Ростовской области (Россия), граничащие с республикой Калмыкия и Волгоградской областью. Сельское хозяйство в районах представлено овцеводством и выращиванием зерновых культур. По данным районного управления сельского хозяйства, в одном только Заветнинском районе (Ростовская область) под озимыми занято было в 2006 г. 34568 га земли (в коллективных хозяйствах 21571 га). Причем площадь земель, занятых под озимыми в районе, за последние семь лет имеет тенденцию к увеличению. Урожайность озимых в районе невысокая (из - за сложных климатических условий), но в последние годы возросла более, чем в полтора раза. Валовый сбор соломы озимых в 2006 г. составил 56 тыс. тонн и в среднем за 2000 – 2006 г.г. составил 46,7 тыс. тонн в год. В коллективных хозяйствах валовый сбор озимой соломы в 2006 г. составил 36 тыс. тонн, а в среднем за семь лет – 31,1 тыс. тонн в год. На 6 – 8 тыс. га озимые убираются с измельчением для поддержания плодородия почвы. Для нужд животноводства в районе используется 15 – 18 тыс. тонн соломы в основном яровых культур. Валовый сбор соломы яровых составил в 2006 г. 38 тыс. тонн. Таким образом, в 2006 г. невостребованными оказались около 40 тыс. тонн соломы озимых. В среднем за 2000 – 2006 г.г. ежегодно оставались невостребованными и сжигались на полях около 28 тыс. тонн соломы озимых.
В Заветинском районе теплоснабжением объектов соцкультбыта занимается муниципальное предприятие «Заветинские тепловые сети», котельные которого оборудованы котлами КВр – 0,5 АК и КВр – 0,8 АК, конструкция которых была разработана Тамбовским государственным техническим университетом. Котлы типа КВр (схема котла представлена на рис. 2) предназначены для сжигания антрацитового штыба и других низкосортных углей в высокотемпературном псевдоожиженном слое.
Котлы поставлялись в восточные районы Ростовской области с целью замены дорогостоящего угля (антрацита сорта «семечка») на более дешевый антрацитовый штыб. Штыб, поставляемый для нужд предприятия «Заветинские тепловые сети» на 88 % состоит из частиц угля размером меньше 6 мм, которые имеют зольность до 33 %, влажность до 12 %, теплоту сгорания (на рабочую массу) 19,7 МДж/кг и ниже. В отопительной сезон 2005 / 2006 г.г. средняя стоимость штыба с учетом доставки составила 1800 руб./тонна. В стоимости сжигаемого штыба 47,4 % составляют затраты на его транспортировку. С учетом роста транспортных тарифов и стоимости самого штыба в отопительном сезоне 2006 /2007 г.г. стоимость топлива для предприятия «Заветинские тепловые сети» возросла и составляет 2000 руб. за 1 тонну.
Высокая стоимость доставки штыба позволяет рассмотреть в качестве его альтернативы гранулы, изготавливаемые на месте из соломы озимых культур. Такое предложение поддержано администрациями района и Ростовской области. Расчеты показывают, что затраты на сбор и тюкование соломы составляют ориентировочно 500 руб. за 1 тонну. Общие затраты на производство 1 тонны гранул из соломы составят около 1500 руб. при 10 % - ной рентабельности. Для производства гранул предлагается использовать оборудование, выпускаемое на ЗАО «Курганский завод мельничного оборудования» (г. Курган, Россия). Данная линия по производству гранул из соломы или костры льна включает: ленточный наклонный транспортер с загрузочным устройством для подачи сырья в молотковую дробилку, молотковую дробилку, бункер для накопления сырья перед подачей в гранулятор, пресс – гранулятор, охладитель – просеиватель готовых гранул, бункер для накопления готовых гранул. Производительность линии на соломе или костре льна составляет 500 – 800 кг/час. Ресурс наиболее изнашиваемых деталей и узлов линии при работе на соломе составляет, по данным завода – производителя, 5000 – 6000 часов.
На первом этапе возможна замена не 100, а только 50 % штыба на биогранулы. Это позволит до минимума снизить риски, связанные с освоением нового производства гранул из соломы. Проведенные нами исследования показали, что замена 50 % антрацитового штыба на биогранулы ускоряет скорость горения смеси штыба и гранул в 1,5 раза в сравнении со скоростью горения одного штыба. Почти в два раза снижается эмиссия в атмосферу окислов серы (в антрацитовом штыбе содержится до 2 % соединений серы).
Совместное сжигание штыба и гранул осуществляется в высокотемпературном псевдоожиженном слое, который формируют гранулы, штыб и зола от их сжигания. Такая топка не чувствительна к плавлению соломенной золы, т.к. образующиеся шлаковые агломераты разрушаются движущимися частицами топлива или удаляются из топки вместе со шлаком и золой, образовавшимися от сжигания антрацитового штыба. При совместном сжигании антрацитового штыба и биогранул возможно сохранение ручной подачи топлива, причем смесь штыба и биогранул готовиться перед подачей топлива в котел. В дальнейшем котлы типа КВр могут быть оборудованы специальными устройствами для механизированной подачи и сжигания одних только биогранул в топке котла.
Расчеты показывают, что при 50 % - ной замене штыба на гранулы из соломы только в одном из восточных районов Ростовской области могут быть снижены на 13 % ежегодные затраты на топливо.

Источник: журнал «Международная Биоэнергетика», 2007 год