Использование лузги семечек как топлива в теплоэнергетических установках

Цитирование: Безруких В. В., Аникина И. Д. Использование лузги семечек как топлива в теплоэнергетических установках / В. В. Безруких // Журн. Сиб. федер. ун‑та. Техника и технологии, 2026, 19(7). С. 923–931. EDN: GTZXYN

Целью работы является разработка технологии использования шелухи подсолнечных семечек (лузги) в качестве топлива .

Задачи исследований заключены в проведении анализа существующих технологий по использованию лузги семечек в качестве топлива; разработке новых технологий и изготовлении опытного образца установки по высокоэффективному экологически чистому использованию отходов семечек в качестве источника энергии в теплогенерирующих установках.

Методы исследования . Для решения поставленных задач использовался анализ существующих технологий и разработка опытно‑промышленной установки пиролиза лузги подсолнечника.

В современном мире 14 % энергии вырабатывается из растительной биомассы. Отходы сельского хозяйства являются хорошим сырьем для получения биотоплива в твердой, жидкой и газообразной формах [1].

Подсолнечник – это однолетняя сельскохозяйственная культура, сбор которой в 2020 году составил 13,8–13,9 млн т, экспорт – 1,6 млн т, то есть около 12 млн подсолнечника было переработано внутри страны. После лущения семян образовалось около 3 млн т лузги. Перерабатывается 40 % образовавшейся лузги, а остальные 60 % захоранивают на полигонах или утилизируют путем сжигания [3, 5].

Калорийность лузги подсолнечника составляет 17,2–19,4 МДж/кг [1, 6], что делает ее пригодной для использования в качестве топлива. Зольность ее значительно ниже, чем во многих видах топлива, а выбросы серосодержащих веществ в лузге подсолнечных семечек при сжигании минимальны.

Лузга подсолнечных семечек – это отходы переработки семян, содержащих 3 % – жиров, 3,4 % – белков, 29,7 % – безазотистых экстрактивных веществ, 61,1 – клетчатки и 2,83 – золы. В свою очередь, клетчатка состоит из лигнина (25–30 %), целлюлозы (30–45 %) и гемицеллюлозы [3, 4].

Выход летучих веществ в лузге составляет 69,5–81,7 % [10, 6]. В минеральной части содержится 38,7 % оксидов калия, 26,9 % оксидов кальция и 13,6 % оксидов железа [6].

Лузга подсолнечника – один из самых массовых видов отходов АПК, и на ряде предприятий ее суточный объем достигает 100 тонн.

Энергетический потенциал отходов семечек целесообразно использовать для снижения объема размещения на полигонах, а также для увеличения эффективности использования доступных энергоресурсов.

Простое сжигание лузги приводит к образованию золы с высоким содержанием щелочных металлов, натрия, калия, что вызывает проблемы с ее налипанием на поверхности нагрева котлоагрегатов и значительными выбросами вредных веществ в атмосферу. Зола часто шлакуется, что приводит к увеличению затрат при эксплуатации на обслуживание теплогенерирующих установок. Несмотря на низкую зольность лузги подсолнечника (2,8 %), наличие сульфатов и хлоридов щелочных металлов в золе приводит к серьезным эксплуатационным проблемам – плавлению золы и коррозии внутренних поверхностей теплообменников [7].

Существующие промышленно освоенные способы утилизации лузги подсолнечника в виде прямого сжигания в котлоагрегатах с различными типами топок («Торнадо», НТВ и прочее) являются низкоэффективными и требующими постоянной очистки поверхностей нагрева. Совместное сжигание лузги семечек с твердым топливом показывает, что доля лузги в смеси ограничена из‑за загрязнения поверхностей нагрева, необходимости поддержания параметров перегретого пара и стабильной максимальной и минимальной нагрузки котла [9]. На основании анализа технологии сжигания лузги семечек можно указать следующее:

• 1)    образуются отложения на поверхностях нагрева котлов, вызванные значительным содержанием в золах соединений щелочных металлов – натрия, калия;

• 2)    выбросы вредных веществ повышены, недостаточная теплотехническая эффективность сжигания шелухи подсолнечника.

В связи с этим необходимо совершенствовать способы использования лузги семян подсолнечника в качестве топлива.

Одним из способов повышения эффективности использования твердых органических отходов является термохимическая обработка (подготовка) с разделением исходного материала на летучие и коксовые остатки [8].

Газообразное топливо является экологически чистым, и его применение всегда эффективно и экономически выгодно [9]. Пиролиз – это термохимический процесс, при котором биомасса (в данном случае лузга подсолнечных семечек) перерабатывается при высоких температурах (обычно 450–1000 °C) в условиях недостатка кислорода. При пиролизе получаем:

• а)    пиролизный газ, который содержит минимальное количество соединений, влияющих на образование отложений;

• б)    образующийся полукокс после выхода летучих с образованием пиролизного газа представляет собой качественное топливо, организация сжигания которого может быть реализована очень эффективно в кипящем слое либо после его дробления в пылевой вихревой горелке.

Сжигание газа имеет ряд существенных преимуществ: хорошая управляемость в организации процесса сжигания, сопряженная с достаточно низким коэффициентом избытка воздуха, организация двухступенчатого сжигания и другое. Это позволяет достигать необходимых экологических и экономических показателей процесса горения. Нагрев топлива (лузги) перед сжиганием позволяет изменить его способность к шлакованию.

Полукокс обладает постоянством состава и более высокой теплотой сгорания [7].

Термохимическая предварительная обработка топлива решает эти проблемы, конвертируя лузгу семечки в более чистый газ, а образующийся при этом полукокс, имеющий высокую температуру, обладает хорошими горючими свойствами. Это дает возможность организации сжигания двух компонентов (газа и кокса) раздельно, что повышает эффективность и управляемость организации их сжигания. Процесс термохимической подготовки лузги семян семечек перед сжиганием в топке котла заключается в следующем:

Подготовка сырья. Специальной подготовки сырья не требуется, если в процессе хранения не происходило ее значительное увлажнение по каким‑либо причинам.

Термохимическая подготовка. Лузга подается в приемный бункер и из него поступает в реактор, где она нагревается до заданной температуры по определенному графику. Время достижения температуры регулируется скоростью прохода лузги через реактор. В реакторе лузга перемещается шнеком, обороты которого регулируются, а следовательно, и скорость ее нагрева для достижения определенных температур в точках их контроля. При термохимической обработке лузги образуется синтез‑газ, который содержит 40–60 % CO, 20–40 % H₂, 5–10 % CH₄, остальное – CO₂, N₂ и примеси, второй продукт – это углеродный остаток (полукокс).

Возможные методы использования полученных продуктов. Синтез‑газ охлаждается, очищается от частиц золы и может быть использован как топливо в котлах для выработки тепло-вой/электрической энергии, может использоваться в газовых турбинах, двигателях.

Твердый углеродный остаток выводится из реактора в зону его сжигания в кипящем слое. В случае если есть необходимость в его использовании, в металлургии он охлаждается, упаковывается и направляется потребителю данной продукции. Зола из газа и кипящего слоя собирается и может быть использована как удобрение. Удаление золы из синтез‑газа перед сжиганием и организация кипящего слоя с низкими скоростями подачи дутьевого воздуха для ожижения слоя в газификационном режиме (под колосниковую решетку подается не более 30–40 % воздуха, а остальной воздух подается на дожег в верхнюю часть топки кипящего слоя) позволяют в комплексе кардинально уменьшить поступление зольных частиц к поверхностям нагрева котла (это предотвращает налипание золы на поверхности нагрева котла). Возмож-– 926 – ность управления работой горелки и топкой кипящего слоя позволяет снизить и поддерживать заданные температуры продуктов сгорания в топочном объеме, что исключает размягчение частиц золы и налипание их на поверхности нагрева котла.

Преимущества метода – высокие экологические показатели, теплотехническая эффективность, расширение технологических возможностей по использованию лузги подсолнечника.

Экологичность. Меньшее количество выбросов вредных веществ с продуктами сгорания в сопоставлении с применением существующих способов сжигания лузги подсолнечника в вихревых топках и при слоевом сжигании. Таким образом, их раздельное последующее сжигание позволяет обеспечить более эффективную организацию этих процессов, чем их общее сжигание в едином объеме. При простом сжигании лузги летучие выходят и сгорают в общем объеме, практически балластируя зону горения углерода продуктами своего сгорания, горение углерода при этом в результате значительного затруднения поступления молекул кислорода к поверхности углерода значительно ухудшается. В результате образуются продукты неполного сгорания, включая Б(а)П, сажу, а для исключения выхода повышенного СО необходимо значительное добавление избыточного воздуха, что снижает КПД процесса.

Образующиеся газообразные продукты (синтез‑газ) в результате предложенной технологии подвергаются сжиганию в газовых горелках с высокой эффективностью организации топочного процесса. Твердый углеродный остаток высокоэффективно сгорает в кипящем слое. При этом возникает возможность высокоэффективного управления данными процессами. В газовой горелке достигается минимальный коэффициент избытка воздуха, организуется двухступенчатое сжигание полученного газа, что позволяет снизить образование оксидов азота (NО х ) и продуктов неполного сгорания, таких как оксид углерода (CO), бенз(а)пирен (Б(а)П), что является индикатором наличия в продуктах сгорания полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Организация сжигания углеродного остатка, обладающего высокой температурой, позволяет организовать двухступенчатый процесс сжигания в кипящем слое. В результате этого процессы горения происходят на низком суммарном коэффициенте избытка воздуха с глубоким выгоранием всех горючих компонентов и минимальными выбросами оксидов азота (NО х ) в продуктах сгорания. Синтез‑газ можно очищать до уровня, подходящего для биотоплива, и использовать его в различных технологических целях и топочных устройствах, что, в свою очередь, относится и к углеродному остатку. Это расширяет возможности по использованию шелухи подсолнечника не только как источника получения тепловой энергии, но и как ценного углеводородного источника для получения товарных продуктов с высокой добавленной стоимостью для различных технологических процессов.

Экономическая составляющая. Лузга – дешевый отход (миллионы тонн в год в странах‑ производителях, как Россия, Украина, Аргентина). Предлагаемый метод повышает эффективность использования лузги как топлива и обеспечивает длительную безаварийную работу котлоагрегатов.

Общий вид опытно‑промышленной установки представлен на рис. 1. Принцип работы установки основан на процессе термохимической конверсии исходного материала в полезные продукты в виде углеродного остатка и пиролизного газа.

Процесс разбит на 3 основные температурные зоны:

Зона 1–120 ℃;

Зона 2–350 ℃;

Зона 3–500 ℃;

В ходе эксперимента в установку было загружено 132 кг пеллет лузги подсолнечника, из них получено 33,1 кг углеродного остатка, что составляет 25,1 % от суммы получаемых продуктов в виде пиролизного газа и твердого остатка (температура остатка – 544 ℃).

Полученный высокотемпературный синтез‑газ без охлаждения был успешно использован в специально разработанной для этой цели газовой горелке, а полученная тепловая энергия была направлена для поддержания заданного температурного режима в экспериментальную установку. Высокотемпературный углеродный остаток без охлаждения выводился за пределы пиролизной установки в специально разработанную для этих целей топку кипящего слоя, где было осуществлено его сжигание. Кипящий слой обладал устойчивостью и обеспечивал полное сгорание углеродного остатка.

Для изучения процессов в установке была разработана модель данной установки в программном обеспечении Aspen Plus. Были смоделированы основные зоны установки, в качестве исходника использовался расчетный программный реактор RGibbs. На рис. 2 представлена расчетная схема установки, состоящая их 3 зон, в которых происходит удаление влаги, пиролиз при различной температуре. Были заданы основные параметры процессов: давление, температура, состав исходного материала (рис. 3).

Рис. 1. Опытно‑промышленная установка

Fig. 1. Pilot industrial plant

Рис. 2. Модель установки пиролиза

Fig. 2. Model of the pyrolysis plant

Рис. 3. Характеристики топлива

Fig. 3. Fuel characteristics

Получены следующие расчетные данные по выходу продуктов пиролиза: твердая часть – 31,2 % от общей массы продуктов; пиролизный газ – 68,8 % от общей массы продуктов (состав: H 2 O – 35,0 %; N 2 –1,6 %; CO – 4,1 %; CO 2 –42,0 %; H 2 –3,1 %; CH 4 –14,2 %).

Полученные расчетные и экспериментальные данные имеют расхождение, которое вызвано следующими причинами:

• •    При проведении эксперимента достижение точных температур в зонах осложнено инерционностью системы, связанной с большими расходами материала;

• •    Часть углеродного остатка после проведения эксперимента остается на некоторых внутренних неподвижных элементах установки, что также вносит вклад в конечный объем получаемого остатка;

• •    Из‑за не плотностей в системе транспортировки остатка и контакта остатка при взвешивании с кислородом происходит окисление и выгорание остатка, что также уменьшает итоговую массу (это связано с высокой температурой получаемого материала: 544 ℃).

Для существующих условий проведения эксперимента результаты расчетов и эмпирических данных дают обоснованное расхождение, для уточнения данных необходима разработка мер, предотвращающих вышеизложенные проблемы.

Выводы

Проведенный комплекс экспериментальных и расчетных работ по использованию лузги подсолнуха с термической высокотемпературной предварительной подготовкой подтверждает, что предложенная технология является перспективным направлением в решении задачи повышения эффективности использования отходов сельского хозяйства (на примере лузги подсолнечника) в качестве топлива.

Данная технология является перспективной для снижения выброса вредных веществ с продуктами сгорания и повышения эффективности теплотехнических характеристик сжигания с повышенным КПД. Это расширяет перспективы использования данного отхода для получения товарных продуктов в виде синтез‑газов для его дальнейшей переработки и твердого углеродного остатка и использования его как технологического сырья для различных отраслей промышленности.

Реализация такого комплексного энерготехнологического подхода является наиболее перспективным путем для промышленного внедрения рентабельных и экологически устойчивых технологий конверсии биомассы в энергию и полезные продукты.