Энергетическое использование инвазионных растений на примере биомассы борщевика Сосновского

В современном мире вопрос о поиске альтернативных источников энергии становится всё более актуальным. Запасы традиционных ресурсов, таких как нефть, газ и уголь, не только истощаются, но и их энергетическое использование оказывает негативное воздействие на окружающую среду. В связи с этим возникает необходимость поиска новых источников энергии, которые будут более экологичными и устойчивыми.

Одним из перспективных направлений в этой области является использование растительной биомассы. Растительная биомасса представляет собой органические материалы, полученные из растений, таких как древесина, солома, отходы сельскохозяйственного производства и другие. Также в качестве растительной биомассы можно использовать инвазивные и сорные растения.

Такой подход имеет ряд преимуществ: он позволяет сохранить целостность лесных массивов и способствует контролю распространения этих растений.

Проблема распространения борщевика Сосновского стала актуальной в России и некоторых других странах в конце XX века. Это растение, которое изначально было завезено с Кавказа как кормовая культура для скота, оказалось очень агрессивным и быстро распространяющимся [1, 2].

Борщевик Сосновского имеет ряд особенностей, которые способствуют его быстрому распространению. Во‑первых, он обладает высокой репродуктивной способностью, производя большое количество семян. Во‑вторых, семена могут оставаться в почве на протяжении нескольких лет, сохраняя свою жизнеспособность. В‑третьих, борщевик может расти на различных типах почв и в разных климатических условиях.

Проблема с борщевиком Сосновского заключается не только в его быстром распространении, но и в том, что это растение представляет опасность для человека. Сок борщевика содержит вещества, которые при контакте с кожей могут вызывать сильные ожоги. Кроме того, борщевик занимает большие площади земли, вытесняя другие растения и нарушая экосистему.

В настоящее время проблема появления и распространения борщевика Сосновского не актуальна только для 16 субъектов Федерации, но в остальных регионах ситуация требует пристального внимания. Для восьми же регионов уровень разрастания борщевика оценивается как высокий. При этом в долгосрочной перспективе борщевик может занять еще большие территории (в 31субъекте более ½ территории, а в 7 субъектах занять до 80 % территории) [3]. На рис. 1 представлена карта распространения борщевика Сосновского по субъектам Российской Федерации.

В 2023 году расходы Костромской области на борьбу с борщевиком составили более 17 млн рублей, у Ярославской области этот показатель составил 16,2 млн рублей, Владимирской – 12,5 млн руб. [4].

Были проведены разные исследования, связанные с применением борщевика. Например, изучалась возможность получения из него технической целлюлозы [5]. Также рассматривалось его использование в качестве добавки к бетонному композиту [6] и для производства теплоизоляционных плит на основе модифицированных стеблей борщевика [7].

Ещё одним потенциальным направлением использования борщевика может быть изготовление топливных гранул.

Методы исследования

Для определения теплотехнических характеристик борщевика Сосновского были собраны образцы данного растения (место сбора г. Архангельск). Собранные образцы были высушены естественным образом до атмосферно‑сухого состояния и измельчены. Образцы включали в себя элементы стебля, листьев, соцветия (зонтика) и плодов (семян). На рис. 2 представлен подготовленный для проведения исследований образец топлива из борщевика Сосновского. Отбор и формирование проб, их сокращение, измельчение и деление было выполнено по методике, действующей по ГОСТ 33255–2015 «Биотопливо твердое. Методы подготовки проб».

Далее были выполнены исследования теплотехнических характеристик биотоплива и элементного состава борщевика и золы, образующейся при его сжигании. Изучение элементного состава проводилось методом рентгенофлуоресцентной спектроскопии. Применяемый спектрометр EDX‑8000 идентифицирует металлы и другие элементы объектов исследования путем

Рис. 1. Карта распространения борщевика Сосновского по субъектам Российской Федерации [3]

Fig. 1. Map of the distribution of Sosnovsky’s hogweed in the subjects of the Russian Federation детектирования их энергетических сигнатур. Содержание водорода, азота и углерода определялось с помощью анализатора EuroVector EA‑3000. Полученные результаты (на сухую массу) сведены в табл. 1.

Результаты исследования

В соответствии с рекомендациями [8], топлива с содержанием в золе СаО ˃ 13.0 % относятся к сильно загрязняющим. Анализ результатов исследования элементного состава золы борщевика показал, что содержание СаО = 49.2 %, более чем в 3 раза превышает пороговое значение. Содержание окислов щелочных металлов, которые имеют температуру испарения 800–1000 ^оС и вызывают образование прочных отложений на элементах топочных камер котлов, в исследованной золе составило Na₂O + K₂O = 9.77 %, что более чем в 3 раза превышает предельные значения.

Рис. 2. Образец топлива из борщевика Сосновского

Fig. 2. A sample of fuel from Sosnovsky’s hogweed

Таблица 1. Результаты исследований элементного состава борщевика и его золы

Table 1. The results of studies of the elemental composition of hogweed and its ash

Показатели	Борщевик, %	Показатели	Зола борщевика, %
S	0,052	SO 3	1,02
Fe	0,032	Fe 2 O 3	1,08
K	0,834	K 2 O	6,51
Ca	1,38	CaO	49,2
Cu	0,003	CuO	0,025
Si	0,133	SiO 2	4,29
Na	0,567	Na2O	3,26
Mg	0,257	MgO	9,32
Al	0,079	Al 2 O 3	1,27
Cr	0,001	Cr 2 O 3	0,013
Mn	0,003	MnO	0,061
Zn	0,005	ZnO	0,112
Sr	0,004	SrO	0,069
Cl	0,639	Cl	1,03
Ti	0,006	TiO 2	0,168
O	45,3	O	20,0
N	1,09	N	<0,1
C	42,2	C	2,09
H	7,29	H	0,167

Таблица 2. Теплотехнические характеристики биомассы борщевика Сосновского

Table 2. Thermal engineering characteristics of Sosnovsky’s hogweed biomass

Величина	Ед. измер.	Аналитическая масса	Сухая масса	Горючая масса
Влажность аналитическая	%	21,93
Зольность	%	6,01	7,70	-
Теплота сгорания низшая	МДж/кг	13,002		18,809
Теплота сгорания высшая	МДж/кг			20,598
Сера общая	%	0,04	0,05	0,06
Водород	%	5,69	7,29	7,90
Выход летучих веществ	%	56,45	72,31	78,34
Коксовый остаток		Порошкообразный
Эквивалент	-	0,443

Полученные результаты позволяют прогнозировать высокие загрязняющие свойства очаговых остатков, которые будут образовываться при сжигании борщевика Сосновского.

Теплотехнические характеристики борщевика определялись согласно ГОСТ Р 54186–2010, ГОСТ Р 54211–2010, ГОСТ Р 54185–2010 и ГОСТ Р 54191–2010, а удельная теплота сгорания – с помощью калориметра IKA C 2000 basic Version 2 с жидкостным криотермостатом LOIP FT‑216–25 в соответствии с ISO 1928. Основные результаты исследований приведены в табл. 2, из которых можно сделать вывод, что данную растительную биомассу можно рассматривать как высокореакционное топливо с невысокой зольностью, с более высоким содержанием водорода и серы, чем у древесных пород, низшая удельная теплота сгорания которой на горючую массу несколько меньше, чем у древесины тополя [9].

Выводы

Проведенные эксперименты показали, что борщевик хорошо измельчается в дробилке, оборудованной ножами, после предварительной подсушки в естественных условиях. Значительное повышение его энергетических свойств можно получить за счет его гранулирования. Кроме того, необходимо учитывать, что для повышения эффективности энергетического использования борщевика Сосновского возможно его сжигание в смеси с топливной щепой или кородревесным топливом, используя в первом случае водотрубные котлы со слоевыми топками [10] или котлоагрегаты, оборудованные адиабатическими топками с наклонно‑переталкивающими решетками, во втором случае.

Однако оптимальное соотношение между компонентами данных топливных смесей должно быть определено в процессе промышленно‑эксплуатационных испытаний.