Використання біомаси: тепло з рослинних залишків (ч. 2)

Як відомо, з по­ля, окрім про­до­воль­чо­го, мож­на зби­ра­ти й енер­ге­тич­ний уро­жай, біомасу. Кож­не гос­по­дар­ст­во, об­ласть чи регіон ма­ють свій по­тенціал біоси­ро­ви­ни,біомаси, а ви­го­тов­лені з неї па­ливні гра­ну­ли, що як­най­кра­ще при­датні для ав­то­ма­ти­зації про­це­су спа­лю­ван­ня, — свою енер­гоємність. Ос­танній по­каз­ник, як відо­мо, в різних видів біопа­ли­ва не­од­на­ко­вий, тож у ре­зуль­таті гра­ну­лю­ван­ня ок­ре­мих видів біоси­ро­ви­ни, біомаси от­ри­муємо різну енер­гоємність. Для збільшен­ня енер­говіддачі від спа­лю­ван­ня од­но­го кіло­г­ра­ма гра­нул де­які підприємства ви­го­тов­ля­ють їх ба­га­то­ком­по­нент­ни­ми, що підви­щує їхню теп­ло­твор­ну здатність. Це до­ся­гається оп­тимізацією ком­по­нент­но­го скла­ду гра­нул шля­хом до­бо­ру най­кра­щої си­ро­ви­ни для їхньо­го ви­го­тов­лен­ня. 

В інсти­туті «Ме­ханізації та еле­к­т­рифікації сільсько­го гос­по­дар­ст­ва» (ІМЕСГ) про­ве­ли об­чис­лен­ня по­тен­ціалу відходів сільсько­го­с­по­дарсь­кої біоси­ро­ви­ни із куль­тур, ви­ро­щу­ва­них в Ук­раїні, шля­хом ма­те­ма­тич­но-ста­ти­с­тич­но­го аналізу. Потім із до­по­мо­гою ка­ло­ри­ме­т­рич­ної бом­би (спеціаль­но­го при­ла­ду для виз­на­чен­ня теп­ло­ти ви­бу­ху ви­бу­хо­вої ре­чо­ви­ни) шля­хом про­ве­ден­ня дво­фак­тор­но­го ек­с­пе­ри­мен­ту виз­на­чи­ли най­оп­ти­мальніший склад гра­нул за­леж­но від на­яв­ної у гос­по­дар­ст­вах си­ро­ви­ни та от­ри­ман­ня ба­жа­ної теп­ло­твор­ної здат­ності.

Важ­ли­вою пе­ре­ду­мо­вою успішно­го ви­ко­ри­с­тан­ня біома­си для енер­ге­тич­них по­треб є пра­виль­на оцінка її по­тенціалу. Вихідною точ­кою для та­ко­го виз­на­чен­ня слу­гу­ють ста­ти­с­тичні дані що­до ва­ло­во­го збо­ру сільсько­го­с­по­дарсь­ких куль­тур або відходів де­ре­ви­ни, біомаси. Ме­то­ди­ка роз­ра­хун­ку по­тенціалу ос­нов­них видів біома­си ґрун­тується ли­ше на офіційних ста­ти­с­тич­них да­них, що дає мож­ливість що­ро­ку їх онов­лю­ва­ти. Розрізня­ють три ос­новні ви­ди по­тенціалу біома­си: те­о­ре­тич­но мож­ли­вий (те­о­ре­тич­ний), тех­ніч­но до­ступ­ний (технічний) та еко­номічно доцільний (еко­номічний).

По­жнивні решт­ки, біомасу в об­сязі 25% мож­на ви­ко­ри­с­то­ву­ва­ти на енер­ге­тичні по­тре­би (для опа­лен­ня та га­ря­чо­го во­до­по­с­та­чан­ня по­бу­то­вих приміщень і при­ват­них бу­динків) у мас­шта­бах при­ват­них се­лянсь­ких та фер­мерсь­ких гос­по­дарств. Так, за усе­ред­не­ни­ми да­ни­ми, в Ук­раїні про­тя­гом ос­танніх п’яти років зби­ра­ють пше­ниці по 32,5 ц/га. Ко­ефі­цієнт співвідно­шен­ня зер­на й со­ло­ми ста­но­вить 1:1, тож мож­на вва­жа­ти, що со­ло­ми ми зби­раємо теж 32,5 ц/га. З ура­ху­ван­ням технічних втрат, по­тре­би со­ло­ми на годівлю ху­до­би та віднов­лен­ня ро­дю­чості ґрун­ту (шля­хом за­ли­шан­ня на полі по­жнив­них ре­ш­ток, біомаси) маємо ще 650 кг, або 383,5 кг/га умов­но­го па­ли­ва (у. п.), які мож­на ви­ко­ри­с­та­ти на енер­ге­тичні по­тре­би. Спів­відно­шен­ня су­хої ма­си на­зем­них по­­жнив­них ре­ш­ток різних куль­тур до ма­си зібра­но­го вро­жаю з по­льо­вою во­­логістю по­ка­за­но на рис. 1.

З рис. 1 вид­но, що найбільше біовідходів, біомаси мож­на от­ри­ма­ти із со­няш­ни­ку, греч­ки та ріпа­ку.

За роз­роб­ле­ною ме­то­ди­кою виз­на­чен­ня теп­ло­во­го по­тенціалу куль­тур на ос­нові по­каз­ників зібра­но­го вро­жаю мож­на виз­на­чи­ти їхню енер­гоємність, як за­га­лом для Ук­раїни, так і для різних регіонів, об­ла­с­тей чи кон­крет­них гос­по­дарств (табл. 1–2).

По­точ­на по­тре­ба Ук­раїни в енер­го­ре­сур­сах ста­но­вить 150 млн т у.п. З таб­лиці 1 вид­но, що навіть відхо­ди, біомаса сіль­сько­­го­с­по­дарсь­ко­го ви­роб­ництва на рівні 10,4 млн т у.п. мо­жуть за­до­воль­ни­ти знач­ну ча­с­ти­ну по­тре­би дер­жа­ви в енер­го­носіях.

Найбільше відходів сільсько­го­с­по­дарсь­кої біома­си от­ри­ма­но в гос­по­дар­ст­вах Цен­т­раль­ної Ук­раїни.

На ос­нові досліджен­ня за­лишків від спа­лю­ван­ня біома­си та твер­дих видів па­ли­ва про­ве­ли порівнян­ня їхньої теп­ло­твор­ної здат­ності за вмістом ок­ре­мих хімічних ком­по­нентів як про­дуктів зго­ран­ня теп­ло­ма­теріалів, дані яких на­ве­де­но в табл. 3. 

Про­те слід пам’ята­ти, що енер­ге­тич­на цінність со­ло­ми, як біомаси за­ле­жить на­сам­пе­ред від її во­ло­гості, а та­кож від хімічно­го скла­ду, що пов’яза­но як із ти­пом со­ло­ми, так і з умо­ва­ми ве­ге­тації рос­лин. Діапа­зон во­ло­гості, до­пу­с­ти­мий для спа­лю­ван­ня со­ло­ми, як біомаси на теп­ло­вих станціях, ста­но­вить 10–20%. Оп­ти­маль­ний її по­каз­ник — 15%. Крім то­го, со­ло­ма містить ве­ли­ку кількість хло­ру та азо­ту, тоб­то еле­ментів, які в про­цесі спа­лю­ван­ня зу­мов­лю­ють підви­ще­ну емісію ок­сидів азо­ту N0х. Кремній, хлор та калій, котрі та­кож містять­ся у со­ломі, спри­чи­ню­ють запікан­ня на­га­ру на ко­лос­ни­ках то­пок котлів, що ус­клад­нює ек­сплу­а­тацію ус­та­но­вок. Але слід вра­хо­ву­ва­ти та­кий ню­анс: вміст цих ком­по­нентів у хімічно­му складі со­ло­ми, як біомаси за­ле­жить від терміну пе­ре­бу­ван­ня її на полі (опа­ди, що ви­па­да­ють на ук­ла­де­ну со­ло­му, спри­я­ють ви­ми­ван­ню хло­ру та калію). То­му за мож­ли­вості со­ло­му,біомасу, яку за­пла­ну­ва­ли ви­ко­ри­с­то­ву­ва­ти для ви­го­тов­лен­ня па­лив­них гра­нул, потрібно яко­мо­га до­вше за­ли­ша­ти на полі.

За­для спро­щен­ня роз­ра­хун­ку ниж­чої теп­ло­ти зго­ран­ня твер­до­го біопа­ли­ва, мож­на ко­ри­с­ту­ва­ти­ся ДСТУ 3581–97 «Ме­то­ди вимірю­ван­ня і роз­ра­хун­ку теп­ло­ти зго­рян­ня па­ли­ва». В цьо­му до­ку­менті на­ве­де­но зна­чен­ня ниж­чої теп­ло­ти зго­ран­ня па­ли­ва за­леж­но від вмісту в ньо­му ок­ре­мих хімічних еле­ментів і спо­лук.

От­же, на­во­ди­мо ре­зуль­та­ти дос­лід­жень. Па­ливні гра­ну­ли — це спре­со­вані ча­ст­ки рос­лин­но­го по­хо­д­жен­ня,біомаси, що ма­ють фор­му циліндрів, мак­си­маль­ний розмір яких ста­но­вить: до­вжи­на — до 25 мм і діаметр — від 10 до 50 мм. Такі гра­ну­ли мож­на ви­го­тов­ля­ти з де­ре­ви­ни, тра­ви, лу­ш­пин­ня со­няш­ни­ку та ба­га­ть­ох інших видів рос­лин­ної си­ро­ви­ни, біомаси, а та­кож їхніх сумішей, із тор­фу, вугільно­го пи­лу то­що. В на­шо­му дослідженні ця суміш біомаси скла­дається з со­ло­ми пше­ниці, відвійок со­няш­ни­ку та відходів ку­ку­руд­зи. Окрім то­го, що гра­ну­ли, ви­го­тов­лені з біоси­ро­ви­ни, є віднов­лю­ва­ним ви­дом па­ли­ва, во­ни та­кож ма­ють ще низ­ку пе­ре­ваг над тра­диційни­ми ви­да­ми па­ли­ва, і ос­нов­ною з них є низькі енер­го­ви­т­ра­ти на їхнє ви­го­тов­лен­ня. Для ви­роб­ництва па­лив­них гра­нул з біомаси ви­т­ра­чається близь­ко 3% енергії, тоді як для ви­роб­ництва, на­при­клад, наф­то­вих про­дуктів енер­го­ви­т­ра­ти ста­нов­лять близь­ко 10%, а за ви­роб­ництва еле­к­т­ро­е­нергії — 60%.

Ре­зуль­та­том ек­с­пе­ри­мен­ту є емпіричні мо­делі теп­ло­твор­ної здат­ності гра­нул, ви­го­тов­ле­них на ос­нові відходів ку­ку­руд­зи та со­няш­ни­ку- біомаси, та з ви­ко­ри­с­тан­ням на­пов­ню­ва­ча, яким слу­гу­ва­ла со­ло­ма пше­ниці, у різних співвідно­шен­нях скла­до­вих. Аналізу­ю­чи пікові по­верхні досліджень (рис. 2–4), мож­на ствер­д­жу­ва­ти, що найбільшої енер­ге­тич­ної ефек­тив­ності мож­на до­сяг­ти шля­хом змішу­ван­ня ком­по­нентів біомаси -со­няш­ни­ку та ку­ку­руд­зи. В та­ко­му разі теп­ло­твор­на здатність гра­нул до­ся­га­ти­ме 17–18 МДж/кг. За до­да­ван­ня тре­ть­о­го ком­по­нен­та біомаси — со­ло­ми енер­го­е­фек­тивність змен­шується і мо­же до­ся­га­ти мак­си­му­му ли­ше на рівні близь­ко 16 МДж/кг. За мінімаль­но­го вмісту ком­по­нентів біомаси ку­ку­руд­зи та со­няш­ни­ку (близь­ко 10%) от­ри­му­ють най­мен­шу енер­го­е­фек­тивність, яка ста­но­вить не більш як 12–13 МДж/кг. Та­ким чи­ном, ви­хо­дя­чи з умов і мож­ли­во­с­тей ва­шо­го гос­по­дар­ст­ва, мож­на дібра­ти прий­нят­ний варіант ви­ко­ри­с­тан­ня біома­си для за­без­пе­чен­ня ча­с­ти­ни енер­го­по­треб гос­по­дар­ст­ва. По­годь­те­ся, що гріх не ско­ри­с­та­тись «по­да­рун­ком при­ро­ди»у вигляді біомаси для змен­шен­ня енер­ге­тич­них, а от­же, й фінан­со­вих ви­т­рат та підви­щен­ня ефек­тив­ності гос­по­да­рю­ван­ня. Біоре­сур­си, як дже­ре­ло де­ше­вої енер­гоємності, є ва­го­мою скла­до­вою рен­та­бель­ності.

А. Бо­рис, канд. тех. на­ук, ст. на­ук. співробітник, 
завіду­вач відділу,
Н. Ве­ре­мей­чик, на­ук. співробітник,
ННЦ «ІМЕСГ» НА­АН Ук­раїни

Інформація для цитування

Тепло з пожнивних залишків / А. Борис, Н. Веремейчик // Пропозиція. — 2016. — № 12. — С. 174-176