Использование соломы зерновых культур в качестве топлива для генерации энергии

Современные общемировые тенденции развития источников энергии направлены в область альтернативных технологий. Потенциально важным для сельскохозяйственных регионов видом биомассы является солома зерновых культур. Этот вид биомассы в России в энергетических целях практически не используется. Излишки соломы зачастую просто сжигаются на полях [1].

Южный федеральный округ располагает 36% общероссийских запасов соломы и отходов АПК. Урожай зерновых на Дону - в среднем 8 млн тонн. Это примерно 7,2 млн тонн соломы [2].

Солома - это довольно высококалорийное топливо. Солома массой 2,5 кг влажностью до 20% может заменить один литр дизельного топлива или один кубометр природного газа и при сжигании дает 10 кВт час тепловой энергии. Один рулон соломы плотностью 105 кг/м3 диаметром 1,8 м и длиной 1,2 м заменит около 140 литров дизельного топлива или 140 м3 природного газа. Самым главным плюсом соломы как топлива является то, что при быстром горении она выделяет столько же СО2, как и при естественном распаде. И поэтому она является одним из наилучших экологически чистых видов топлива.

Солома содержит хлор, соединения которого вызывают коррозию теплообменного оборудования, причем в «желтой» (свежеубранной) соломе его почти в 4 раза больше, 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.

Только в Ростовской области мы каждый год теряем почти 27 тысяч тонн дизельного топлива или столько же кубометров природного газа. Причем эту энергию в основном просто сжигают на полях. В России отходы сельского хозяйства сегодня — почти невостребованный ресурс. Например, используется лишь 10% всего объема соломы (в основном, в животноводстве, в качестве подстилки скоту, как добавка в корма).

Между тем, масса накопления соломы злаковых и крупяных культур в России за год составляет 80-100 млн тонн. Элементарный состав соломы и теплота ее сгорания не слишком отличаются от соответствующих показателей для древесины, хотя теплота сгорания соломы ниже, чем у сухой древесины. С 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.

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 теп-лопроизводительность котла падает. Чтобы нивелировать падение теплопроизводи-тельности, котел такой конструкции оборудуется баком для горячей воды (аккумулятором).

В европейских странах использование соломы - это высокодоходный и уважаемый в обществе бизнес, решающий задачи экологии, сельского хозяйства, строительства и энергетики.

Солома - это горячий воздух, горячая вода, пар, электроэнергия.

Экономическая выгода очевидна в связи с использованием дешевого сырья. Себестоимость тонны соломы в поле около 10 €.

Проблема применения зарубежных технологий в нашей стране прежде всего возникает из-за различия технологий. Здесь под словом технология имеются ввиду способы уборки и хранения соломы. Они очень дорогие и не являются пока что ликвидными в нашей стране в связи наличием многочисленных углеводородистых источников энергии.

Как известно, основная часть электроэнергии вырабатывается за счет сжигания ископаемого сырья. Полученное при этом тепло используется, например, для образования пара, который вращает турбину, присоединенную к генератору. Таким образом, главным методом получения электроэнергии является непрямое преобразование тепла, сопряженное с весьма существенными энергетическими потерями. Однако запас ископаемого топлива не бесконечен, поэтому особое внимание сегодня уделяется возобновляемым источникам энергии.

Использование в качестве источников тепловой энергии биомассы. Наибольшее предпочтение отдается соломе, которая является отходом при возделывании зерновых культур. В существующих установках для сжигания соломы полученное тепло используется для нагрева воздуха, для сушки зерна и нагрева воды для отопления. Также существуют установки по газификации и пиролизу соломы. Газификация соломы представляет интерес с точки зрения замены ископаемых видов топлива биомассой соломы. Газ из газификатора может использоваться в газовом двигателе внутреннего сгорания, приводящем во вращение электрогенератор.

Существуют следующие пути получения электрической энергии из тепловой.

Паровые машины. Для привода электрогенератора можно использовать паровую машину (рис. 1) [5], источником тепла для работы служит сжигаемая солома. Основное достоинство такой установки - ее относительная простота и хорошие тяговые характеристики парового двигателя независимо от скорости работы.

К серьезным недостаткам при использовании в качестве привода электрогенератора паровых машин относятся их низкий КПД практический КПД до 8%, низкая максимальная частота, большой вес и постоянный расход топлива и воды [7].

Термоэлектрические преобразователи. Известны способы преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью термоэмиссионного генератора, работающего на основе эффекта Пельтье.

Эффект Пельтье - термоэлектрическое явление, при котором происходит выделение или поглощение тепла при прохождении электрического тока в месте контакта (спая) двух разнородных проводников (рис. 2) [4].

Рис. 1. Схема паровой машины:

1 - поршень; 2 — шток поршня; 3 - ползун; 4 - шатун; 5 - коленчатый вал; б - эксцентрик для привода клапана; 7 - маховик; 8 - золотник; 9 - центробежный регулятор

холодная сторона

Рис. 2. Схема элемента Пельтье

Величина выделяемого тепла и его знак зависят от вида контактирующих веществ, направления и силы протекающего электрического тока:

Q = ПдвІ = (Пв-Па)1> где Q - количество выделенного или поглощённого тепла;

I - сила тока;

П - коэффициент Пельтье, который связан с коэффициентом термо-ЭДС а со отношением Томсона П = аТ, где Т - абсолютная температура в К [4].

Установка состоит из источника тепловой энергии, последовательно соединенных секций из последовательно соединенных термоэмиссионных трехэлектродных элементов и источника электрической энергии, положительный и отрицательный, полюса которого подключены соответственно к аноду и сетке первого тер- моэмиссионного трехэлектродного элемента, при котором сетки термоэмиссионных элементов каждой секции электрически соединены, а анод первого термоэмиссионного трехэлектродного элемента каждой секции подключен к сеткам термоэмиссионных трехэлектродных элементов следующей секции [4].

Известный способ характеризуется усовершенствованием приема получения направленного потока электронов тепловой эмиссии, однако имеет невысокий коэффи циент преобразования тепловой энергии в электрическую, коэффициент полезного действия (КПД) термоэмиссионного генератора не превышает 10%.

Двигатели внутреннего сгорания. Для преобразования соломы в электроэнергию можно использовать электрогенератор, приводимый в действие двигателем внутреннего сгорания - газовую электростанцию. Такая установка может работать на газе, производимом газогенераторной установкой из соломы (рис. 3).

Рис. 3. Двигатель внутреннего сгорания: а - схема; б - двигатель

Однако для питания такой установки необходимо большое количество газа высокого давления. Заведомо можно сказать, что КПД такой установки из-за тройного преобразования энергии будет невысоким.

Двигатель Стирлинга. Особый интерес для применения в качестве привода электрогенератора представляет двигатель Стирлинга (рис. 4) [6]. В этом двигателе в качестве рабочего тела может использоваться горячий воздух, гелий или водород.

В двигателе Стирлинга энергия поступает в двигатель и отводится от него через стенки цилиндра или теплообменник. Цикл Стирлинга основан на последовательном нагревании и охлаждении газа (его называют рабочим телом) в замкнутом объеме. Рабочее тело нагревается в горячей части двигателя, расширяется и производит полезную работу, после чего перегоняется в холодную часть двигателя, где охлаждается, сжимается и снова подается в горячую часть двигателя. Цикл повторяется. Количество рабочего тела остается неизменным, меняются его температура, давление и объем. Весь цикл условно разделен на четыре такта. Условность заключается в том, что четкое разделение на такты в цикле отсутствует, процессы переходят один в другой. Это обусловлено отсутствием в конструкции двигателей Стирлинга клапанного механизма (стирлинг-двигатели с клапанным механизмом называются двигателями Эриксона).

Установка с двигателем Стирлинга имеет определенные преимущества по сравнению с установками с паровыми машинами, а именно, слабое воздействие на окружающую среду и довольно высокий кпд.

Рис. 4. Схема двигателя Стирлинга

Выводы

На наш взгляд, перспективным направлением является создание систем энергоснабжения на соломенных рулонах в качестве альтернативных источников тепла для выработки электричества и горячей воды, адаптированных к российским условиям.

Задачу альтернативного энергоснабжения для сельскохозяйственных потребителей предлагается решить с помощью мини-котельной. Топливом для данного устройства будут являться рулоны соломы, собранные пресс-подборщиком рулонным ППР-120 PELIKAN 1200, производимым на заводе «Ростсельмаш» [3].

Котельную установку планируется подключать к действующим системам теплоснабжения. Тепловой мощности котельной будет достаточно для отопления в зимний период.