CC BY
10
_
УДК 620.91:631.365.2
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТОПОЧНЫХ ОТДЕЛЕНИЙ ЗЕРНОСУШИЛОК СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ ПУТЕМ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕСТНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ
Игорь Борисович Зимин, к. техн. наук, доцент Валерий Александрович Воронов, магистрант Павел Игоревич Калашников, магистрант Илларион Геннадьевич Седов, магистрант
ФГБОУ ВО «Великолукская государственная сельскохозяйственная академия», Россия, г. Великие Луки
В условиях постоянно растущих цен на традиционные виды энергоносителей и ежегодного ухудшения экологической обстановки в АПК особого внимания заслуживает вопрос о рациональном использовании биоэнергетических ресурсов, к числу которых в нашей зоне относится древесина.
При проведении лесозаготовок 65-70% древесных отходов остается на лесосеках или вывозится в отвалы. Помимо этого, при переработке не менее 40% древесины превращается в отходы, которые в дальнейшем могут использоваться только как источник получения энергии. С этой целью древесную биомассу рационально использовать для обеспечения тепловой энергией предприятий АПК. Примером в этом отношении может служить использование древесины в теплогенераторах сельскохозяйственного назначения, что в значительной степени способно снизить себестоимость сушки зерна. Установлено соотношение между дизельным и древесным топливом (1:7 древесного топлива). Помимо низкой цены на топливо при использовании древесины достигается и экологическая выгода.
Конструктивные решения по топочным устройствам зерносушилок, в случае работы их на местных видах твердого топлива, могут быть следующими: модернизация жидко-топливного теплогенератора для работы на твердых видах топлива (со встроенной камерой сгорания); модернизация жидкотопливного теплогенератора для работы на твердых видах топлива (с выносной камерой сгорания); реконструкция топочного отделения путем оборудования его специальным теплогенератором на твердом топливе.
Представляющим интерес направлением в развитии теплогенераторов является возможность их работы с улучшенными видами твердого топлива (брикетами и пеллета-ми). Для решения поставленной задачи нами были получены топливные гранулы («микспел-леты») из смеси древесной пыли и торфокрошки.
Ключевые слова: местные энергоресурсы, топливо, древесина, отходы, теплогенератор, зерносушилка, топливные гранулы.
В условиях постоянно растущих цен на традиционные виды энергоносителей (нефть, газ, электрическая энергия) и ежегодного
ухудшения экологической обстановки в агропромышленном комплексе особого внимания заслуживает вопрос о рациональном использовании
биоэнергетических ресурсов как альтернативного и возобновляемого вида топлива для основных объектов сельской теплоэнергетики [2]. К числу важнейших видов местных биоэнергетических ресурсов в нашей зоне относится древесина и получаемые при ее заготовке и переработке древесные отходы. Имеющиеся ресурсы в Псковской области позволяют заготавливать до 3,5 млн м3 древесины ежегодно, однако реально осваивается лишь 25-30% возможного объема, что обуславливает благоприятные перспективы развития отрасли.
При проведении лесозаготовок 65-70% древесных отходов остается на лесосеках или вывозится в отвалы. Помимо этого, при переработке не менее 40% древесины превращается в отходы, которые в дальнейшем могут использоваться только как источник получения энергии [8].
На сегодняшний день одной из актуальных проблем в сельском и лесном хозяйстве является проблема грамотной утилизации отходов древесины, способных оказывать не только экологическую нагрузку на окружающую среду, но и создавать пожароопасную ситуацию вблизи производственных объектов. Одним из рациональных путей решения данной проблемы является возможность эффективного использования древесной биомассы в энергетических целях - для обеспечения тепловой энергией предприятий АПК [1, 3].
При отсутствии на ближайшую перспективу возможности газификации предприятий АПК очевидными преимуществами исполь-
зования древесного топлива являются:
1) Экономическая выгода. На примере зерносушилок практическим опытом было установлено соотношение между дизельным и древесным топливом 1:7 (т.е. сжигание 1 тонны дизельного топлива может быть заменено сжиганием 7 т (примерно 10 м3) древесного топлива). С учетом того, что цена 1 т дизельного топлива в настоящее время составляет в среднем 54000 руб., а цена 7 т древесного топлива составляет 10000 руб. экономическая выгода от применения древесного топлива становится очевидной.
2) Экологическая выгода. При сжигании древесного топлива из состава дымовых газов полностью выпадают окислы серы (БОх) по сравнению с дизельным топливом. Кроме того, при сжигании древесины в качестве побочного продукта образуется зола, которая может служить прекрасным органическим удобрением для сельскохозяйственных культур.
В рамках конкретного сельскохозяйственного предприятия целесообразно также рассмотреть вопросы, связанные со снижением стоимости древесины, предназначенной для использования в энергетических целях. Для решения данной задачи рекомендуется организовать работу по следующим направ-л ениям:
1) Заготовка древесины собственными силами хозяйства. Ввиду того, что на ближайшую перспективу ожидается большая вероятность увеличения стоимости 1 м , заготовка древесины собственными
силами сельскохозяйственного
предприятия может снизить стоимость 1 м3 древесного топлива в 1,7 раза (с 1000 до 600 руб. за 1 м3). Особого внимания в этом отношении заслуживает вопрос активного участия работников сельскохозяйственного предприятия в Федеральной целевой программе «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014-2020 годы», утвержденной постановлением Правительства РФ от 12 октября 2013 г. №922.
Технология заготовки древесного топлива на предприятиях АПК, как правило, должна предусматривать работу специализированных бригад из числа работников предприятия, задействованных на лесозаготовках. Спиленные деревья (береза, ольха, осина) с помощью лесовоза («Урал», «Камаз») с манипулятором (например, «Фискарс») укладываются в штабеля и доставляются в хозяйство. Далее в период с февраля до июля древесина в штабелях подсыхает и за неделю до запуска зерносушилки штабеля распиливаются на древесные чурки и подвозятся к месту хранения топлива вблизи зерносушилки. На дальнейшем этапе древесные чурки раскалываются на дрова и используются по назначению - в камере сгорания теплогенератора зерносушилки.
При отсутствии возможности заготовки древесины собственными силами хозяйства на предприятиях АПК следует рассмотреть варианты организации пунктов по приему древесных отходов от сельского населения, что позволит повысить уровень занятости населения сельской
местности. Важным стимулом в этом отношении является поправка в ст . 32 Лесного кодекса РФ, вступившая в силу с 1.01.2019 (известная еще как Федеральный закон «О сборе валежника»). Согласно изменениям в лесном законодательстве гражданам РФ разрешается свободно собирать в лесу для личных нужд упавшие на землю стволы деревьев или их части (сучья, ветви, сухие и гниющие). К данной категории также относится бурелом, сломленный ветром, навалом снега и т.п.
При заготовке древесных отходов следует также рассматривать возможности всестороннего расширения сырьевой базы для теплоэнергетики объектов АПК путем использования древесины от разрушенных зданий, от вышедшей из употребления древесной тары, а также древесины, вырубленной при расчистке дорог, старых линий электропередач и т.д.
2) Широкое использование древесных отходов в энергетических целях. Основными типами отходов лесного хозяйства, пригодными для использования в энергетических целях, являются [6, 8]: в лесозаготовках и лесном хозяйстве - ветви, низкокачественная, гнилая и горелая древесина; в лесопилении и механической обработке древесины - кора, опилки, рейки, горбыль, отторцовка, трещиноватая древесина, стружка.
В случае с древесными отходами себестоимость сушки зерна может быть еще более снижена, т.к. цена 7 т (примерно 10 м3) древесных отходов (от лесозаготовок) составляет 850-900 руб. В этой связи следует помнить, что качество древесных
отходов во многом определяется породой древесины (например, хорошие березовые отходы по своим теплофизическим свойствам вполне могут составить конкуренцию дровам из ольхи или осины).
Существенным преимуществом грамотного использования древесных отходов для теплогенераторов зерносушилок сельскохозяйственного назначения является наличие в хозяйстве собственной пилорамы.
Особого внимания заслуживает вопрос переработки древесных отходов в щепу с целью дальнейшего ее использования в энергетических целях. Положительный опыт в этом отношении накоплен в жилищно-коммунальном хозяйстве нашей области. В настоящее время часть котельных в Пушкиногорском, Островском, Гдовском, Пустошкинском, Себежском, Стругокрасненском и других районах Псковской области переведена с привозных и дорогостоящих видов топлива (угля и мазута) на местные виды топлива, в частности, древесную щепу. На дальнейшем этапе важно заинтересовать производителей древесной щепы, которые способны обслуживать не только муниципалитеты, но предприятия АПК дешевым и экологически чистым местным топливом. Для этих целей заинтересованным лицам следует выделять делянки с определенным количеством деловой древесины, при переработке которой неизбежно образуется часть отходов, пригодных для переработки в древесную щепу. При производстве
древесной щепы весьма важно обеспечить конкуренцию между ее производителями, что повысит эффективность обслуживания как муниципальных котельных, так и сельскохозяйственных потребителей твердого биотоплива.
Ввиду особой актуальности рационального использования древесного топлива для зерносушилок сельскохозяйственного назначения представляет интерес рассмотрение основных конструктивных решений, связанных с реконструкцией и модернизацией топочных отделений зерноочистительно-сушильных пунктов в случае их перевода на твердое биотопливо - древесину.
Конструктивные решения по топочным устройствам зерносушилок, в случае работы их на местных видах твердого топлива, могут быть следующими:
1) Модернизация жидкотоп-ливного теплогенератора для работы на твердых видах топлива (со встроенной камерой сгорания).
В этом случае в стандартном теплогенераторе заводского исполнения (например, ТБ-1,5) демонтируется топливная аппаратура для работы на жидком (дизельном) топливе (топливный бак, насос, форсунка, система топливопроводов, манометр и т.д.) и теплогенератор дооборудуется камерой сгорания цилиндрической формы для сжигания твердого топлива. Камера выполнена из шамотного кирпича и имеет топочную дверцу, через которую происходит закладка твердого топлива (рисунок 1).
Рисунок 1 - Общий вид теплогенератора ТБ-1,5 со встроенной камерой сгорания для работы на твердых видах топлива
При работе теплогенератора полное сжигание твердого топлива происходит в камере сгорания, установленной перед теплообменником теплогенератора. Дымовые газы, поступая в трубчатый теплообменник, отдают часть тепла и через дымовую трубу выводятся наружу. При этом вентилятором теплогенератора наружный воздух просасывается через трубки теплообменника и кольцевые каналы. Нагретый воздух (агент сушки) нагнетается в сушильную камеру зерносушилки.
Опыт эксплуатации рассматриваемого теплогенератора в ООО «Веть» Себежского района показывает, что он может работать на древесном топливе (дровах длиной до 1 м). При работе теплогенератора с зерносушилками плотного слоя (карусельными, напольными) за уборочный сезон расходуется в
-з
среднем 300-350 м топлива в расчете на один теплогенератор (в отдельных случаях, при работе с высоковлажным зерном расход топлива за уборочный сезон может доходить до 500 м3).
2) Модернизация жидкотоп-ливного теплогенератора для рабо-
ты на твердых видах топлива (с выносной камерой сгорания).
Более совершенный вариант модернизации жидкотопливного теплогенератора для работы его на твердом топливе предложен в работе [7]. Основным отличием данного варианта от предыдущего является наличие перед теплообменником отдельно смонтированной кирпичной топки (камеры сгорания). Геометрическая форма топки также отличается и представляет собой параллелепипед. Помимо этого, наличие колосниковой решетки в топке делает ее более адаптированной для эффективного сжигания твердого топлива.
Последовательность действий в случае модернизации теплогенератора ТБ-1,5 по предлагаемому варианту предполагается следующая (рисунок 2):
1. Демонтировать топливную аппаратуру и шкаф управления технологическим процессом.
2. Установить вентилятор-дымосос (1) с регулировочной заслонкой (15) на выходе топочных газов из теплообменника
3. Удалить переднюю плиту теплообменника с колодцем для установки горелки.
4. Установить патрубок (14) из жаростойкой стали диаметром, соответствующим диаметру передней плиты (минимум 300 мм). Длина патрубка должна быть такова, чтобы между стенкой кирпичной топки (8) и теплообменником образовалось свободное пространство длиной не менее 800 мм для обеспечения свободного доступа наружного воздуха к стенкам и трубам теплообменника. Ни в коем случае нельзя глушить или перекрывать трубы и межтрубное пространство теплообменника во избежание его перегрева, коробления и прогара.
5. Перед теплообменником сложить кирпичную топку с дверцами топочной и поддувала с объемом камеры сгорания 1,5-2,5 м и колосниковой решеткой длиной от 1 до 2 м. Можно использовать колосники от котлов типа КВ-300Т. Допускается использование колосников от бытовых печей и др.
6. Внутри топки выложить из кирпича или установить металлический экран (13) для уменьшения выноса золы в теплообменник.
Размер Н должен быть не более 1/3 высоты внутритопочного пространства, а размер Ь - не менее 2/3 диаметра патрубка 14. Внутреннюю поверхность топочного пространства для уменьшения теплопо-терь облицевать огнеупорным кирпичом.
7. В нижней части топки за экраном установить дверцу для удаления осевшей за экраном золы.
8. Для удобства загрузки топлива топочную дверцу изготовить с размерами не менее 600x600 мм, а для предотвращения коробления на внутреннюю поверхность дверцы установить экран (плиту, изготовленную из чугуна).
Переоборудованный агрегат работает следующим образом (рисунок 2). В камере сгорания (12) разжигается топливо, затем включается вентилятор-дымосос (1) и вентиляционный блок теплогенератора. Атмосферный воздух в камеру сгорания поступает при открытой дверке (10) поддувала и через отверстия колосников попадает в зону горения топлива. Раскаленные газы через патрубок (14) проходят в камеру (4) дожигания топочных газов, а из нее - в теплообменник (5), нагревают его стенки и трубы (7), а затем охлажденными вентилятором-
дымососом (1) через дымовую трубу (2) отводятся в атмосферу. На дымовую трубу устанавливается искрогаситель (3).
Экран (13) служит для того, чтобы продукты сгорания топлива (зола, угли) не попадали в теплообменник. Атмосферный воздух, засасываемый вентиляционным блоком теплогенератора, омывает раскаленные стенки камеры (4) и теплообменника (5), нагревается и поступает в сушилку. Температура агента сушки регулируется изменением открытия дверки (10) поддувала и положением заслонок, а также отключением вентилятора-дымососа (при этом топочные газы отводятся из теплогенератора за счет естественной тяги).
о-- холодный воздух;-*• - теплый воздух; >-- топочные газы
1 - вентилятор-дымосос; 2 - дымовая труба; 3 - искрогаситель; 4 - камера дожигания топочных газов; 5 - теплообменник; 6 - воздуховод; 7 - трубы теплообменника; 8 - корпус камеры сгорания; 9 - колосниковая решетка; 10 - дверка поддувала; 11 - дверца загрузки топлива; 12 - камера сгорания; 13 - экран; 14 - патрубок; 15 - заслонка
Рисунок 2 - Схема работы топочного блока ТБ-1,5 на твердом биотопливе
Контроль за температурой нагрева агента сушки осуществляется термометром, датчик которого установлен в воздуховоде (6), после топочного агрегата.
3) Реконструкция топочного отделения путем оборудования его специальным теплогенератором на твердом топливе.
В данном случае теплогенератор заводского исполнения требуемой тепловой мощности заранее подобран под зерносушилку конкретной производительности уже на заводе-изготовителе. Теплогенератор сразу адаптирован для работы на твердом топливе и не требует какой-либо доработки. Это более громоздкий и дорогостоящий вариант конструктивного исполнения топочного отделения зерносушилки, однако более эффективный с позиции соблюдения требуемых режимных параметров сушки и пожаробезопасно-сти (рисунок 3).
Рисунок 3 - Топочное отделение шахтной зерносушилки ЗСК-40Ш с твердотопливным теплогенератором ВУ-Т-1,5
Опыт предприятия ООО «Три-горское» Пыталовского района Псковской области показывает, что работа зерносушилок ЗСК-40Ш (компания «Амкодор», Республика Беларусь) с твердотопливными теплогенераторами ВУ-Т-1,5 экономически выгодна, однако требует больших затрат ручного труда при обслуживании теплогенератора. Теплогенераторы ВУ-Т-1,5 снабжены теплообменником, предназначены для генерации агента сушки (чистый нагретый воздух) до заданной температуры (max +120 оС). В качестве топлива могут быть использованы дрова, отходы лесоразработки и деревообработки.
Представляющим интерес направлением в развитии теплогенераторов является возможность их работы с улучшенными видами твердого топлива (брикетами и пел-летами). Для решения поставленной задачи нами были получены топливные гранулы («микспеллеты») из смеси древесной пыли и тор-фокрошки (в соотношении 1:1) [4]. Установлено, что пеллеты могут терять свою прочность и твердость из-за повышенной влажности отдельных компонентов, входящих в состав гранулы. Поэтому перед процессом гранулирования обязательна предварительная сушка сырья для гранул (например, на сушилках барабанного типа). Помимо этого представляют интерес исследования, связанные с поиском оптимального соотношения древесины и торфа в грануле, c целью снижения зольности при горении топлива. Особого внимания заслуживает и совершен-
ствование конструкции теплогенератора при его переходе на работу с прессованным топливом.
Актуальность поставленных научных задач обусловлена следующими преимуществами применения топливных гранул перед типовыми видами твердого биотоплива
[5]:
- обеспечение работы теплогенератора на прессованном топливе пониженной влажности (8-10%), имеющем более высокую теплоту
сгорания, что в конечном итоге приводит к повышению КПД теплогенератора;
- возможность автоматизации процесса подачи и горения топлива, что позволит свести к минимуму долю ручного труда при обслуживании теплогенератора;
- возможность использования местных видов топлива, выгодных как с экономической, так и с экологической точек зрения.
Библиографический список
1. Амерханов, Р. А. Теплоэнергетические установки и системы сельского хозяйства / Р. А. Амерханов, А. С. Бессараб, Б. Х. Драганов. - Москва : Колос-Пресс, 2002. - 424 с. -ISBN 978-5-383-00363-3. - Текст : непосредственный.
2. Биоэнергетика: мировой опыт и прогноз развития : научное издание / Л. С. Орсик, Н. Т. Сорокин, В. Ф. Федоренко [и др.]. - Москва : ФГНУ «Росинформагротех», 2008. - 404 с. - ISBN 978-5-7367-0642-6. - Текст : непосредственный.
3. Борзов, В. П. Энергоэффективность систем теплоснабжения в агропромышленном комплексе : монография / В. П. Борзов. - Кострома: Издательство ФГБОУ ВПО «КГСХА», 2006. - 128 с. - ISBN 5-93222-050-3. - Текст : непосредственный.
4. Овсянков, А. Д. Топливная гранула: Россия, Беларусь, Украина : справочник / А. Д. Овсянков. - Санкт-Петербург: Биотопливный портал WOOD - PELLETS.COM, 2009. - 200 с. - ISBN 978-5-990081-51-2. - Текст : непосредственный.
5. Потенциал использования отходов лесного хозяйства в сельской теплоэнергетике / И. Б. Зимин, В. Г. Игнатенков, С. И. Дудин, П. И. Калашников. - Текст : непосредственный // Современные проблемы агропромышленного комплекса : сборник докладов VI национальной научной конференции, 28 ноября 2019 года. - Великие Луки, 2019. - С. 14-15.
6. Рециклинг отходов в АПК : справочник / И. Г. Голубев, И. А. Шванская, Л. Ю. Коно-валенко, М. В. Лопатников. - Москва : ФГБНУ «Росинформагротех», 2011. - 296 с. - ISBN 978-5-7367-0874-1. - Текст : непосредственный.
7. Сычугов, Н. П. Машины, агрегаты и комплексы послеуборочной обработки зерна и семян трав / Н. П. Сычугов, Ю. В. Сычугов, В. И. Исупов; под редакцией Н. П. Сычугова. -Киров : ООО «ВЕСИ», 2015. - 404 с. - ISBN: 978-5-4338-0228-5. - Текст : непосредственный.
8. Энергетическое использование древесной биомассы : учебник / А. Б. Левин, Ю. П. Семенов, В. Г. Малинин, А. В. Хроменко; под редакцией А. Б. Левина. - Москва: ИНФРА-М, 2016. - 199 с. - ISBN 978-5-16-011408-8. - Текст : непосредственный.
E-mail: igzimin@yandex.ru
182112 Псковская область, г. Великие Луки, пр. Ленина д. 2, ФГБОУ ВО Великолукская ГСХА
Тел.: +7 (81153) 7-16-22
