CC BY
181
5. Кизилов, В. У. К вопросу о физическом смысле реактивного тока и реактивной мощности [Текст] / В. У. Кизилов // Вестник НТУ ХПИ. Сборник научных трудов. Тем. выпуск. Энергетика и преобразовательная техника. - 2002. - Вып. 9, Т. 3. - С. 44-50.
6. Железко, Ю. С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: руководство для практических расчетов [Текст] / Ю. С. Железко. - М.: ЭНАС, 2009. - 459 с.
7. Akagi, H. Instantaneous reactive power compensators comprising switching devices without energy storage components [Text] /
H. Akagi, Y. Kanazawa, A. Nabae // IEEE Trans. Ind. Applicat. - 1984. - Vol. 20. - P. 625-630.
8. Kim, H. S. Instantaneous power compensation in three-phase systems using p-q-r theory [Text] / H. S. Kim, F. Blaabjerg,
B. Bak-Jensen, L. Choi // IEEE Trans. Power Electronics. - 2002. - Vol. 17, № 5. - P. 701-710.
9. Сербиненко, Д. В. Качество электрической энергии и степень взаимного влияния тяговых подстанций железных дорог постоянного тока и системы внешнего электроснабжения [Текст]: дис. ... канд. техн. наук: 05.22.07 / Д. В. Сербиненко. - М.: РГБ, 2006. - 195 с.
10. Барковский, Б. С. Обобщение теории мостовых схем выпрямления и выбор оптимальной [Текст]: сб. науч тр. / Б. С. Бар-ковский, Е. Ю. Салита // Повышение качества электрической энергии на тяговых подстанциях. - ОмИИТ, 1983. - С. 15-21.
11. Глинтерник, С. Р. Электромагнитная совместимость мощных вентильных преобразователи и электрических сетей [Текст] /
C. Р. Глинтерник // Электричество. - 1991. - № 5. - С. 1-4.
12. Барковский, Б. С. Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций [Текст] / Б. С. Барковский, Г. С. Магай, В. П. Маценко и др.; под ред. М. Г. Шалимова. - М.: Транспорт, 1990. - 127 с.
13. Руденко, B. C. Анализ электромагнитных процессов в статических преобразователях методом эквивалентного источника [Текст] / B. C. Руденко, В. И. Сенько, В. Я. Жуйков // Проблемы технической электродинамики. - 1973. - Вып. 41. - С. 10-14.
14. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия и совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Текст]. - К.: Госстандарт Украины, 1999. - 32 с.
-------------------------□ п—:-----------------------
Обґрунтовано використання біомаси для вироблення
теплової та електричної енергії. Експериментальним шляхом досліджено придатність різних видів рослинної біомаси (лушпиння соняшника, гречки і вівса) з метою подальшої термохімічної конверсії для отримання альтернативного виду палива. Наведені результати технічного аналізу (вологість, зольність, теплота згоряння) ряду аналітичних проб сільськогосподарських відходів
Ключові слова: термохімічна конверсія, рослинна біомаса, альтернативне паливо, сільськогосподарські відходи, газифікація
□------------------------------------------------□
Обосновано использование биомассы для выработки тепловой и электрической энергии. Экспериментальным путем исследована пригодность различных видов растительной биомассы (лузги подсолнечника, шелуха гречки и овса) с целью дальнейшей термохимической конверсии для получения альтернативного вида топлива. Приведены результаты технического анализа (влажность, зольность, теплота сгорания) ряда аналитических проб сельскохозяйственных отходов
Ключевые слова: термохимическая конверсия, растительная биомасса, альтернативное топливо, сельскохозяйственные отходы, газификация -------------------------□ □------------------------------
УДК 633.002.68:620.9
РАСТИТЕЛЬНАЯ БИОМАССА КАК ОРГАНИЧЕСКОЕ ТОПЛИВО
А. А. Осьмак
Ассистент* Е-mail: ingmex@ukr.net А. А. Серёгин
Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой* Е-mail: seryoginoo@ukr.net *Кафедра теоретической механики и ресурсосберегающих технологий Национальный университет пищевых технологий ул. Владимирская, 68, г. Киев, Украина, 01601
1. Введение
Биомасса - возобновляемый источник энергии. Понятие «биомасса» относится ко всем материалам растительного происхождения, которые могут быть использоваться для получения энергии, включая: древесину, травы, растительные и древесные отходы, навоз крупного рогатого скота и свиней, и многое другое [1].
Энергия биомассы, имеет существенные преимущества по сравнению с ископаемыми видами топлива и рядом других возобновляемых источников энер-
гии, обеспечивая энергоснабжение, повышение уровня жизни, повышение благосостояния. Энергетические системы на основе биомассы представляют собой потенциальный механизм, способствующий устойчивому развитию и охране окружающей среды. Среди основных причин подобного внимания стоит отметить:
• повсеместную доступность, даже в отдаленных областях: топливо из биомассы доступно везде, где растут деревья и сельскохозяйственные культуры, а также перерабатываются продовольственные продукты и волокна;
©
• ресурс, используемый при необходимости: биомасса представляет собой подлежащий хранению источник топливной энергии, который в любой момент можно использовать в целях энергоснабжения, в отличие от других возобновляемых источников энергии, характеризующихся нерегулярностью и/или сезонностью;
• универсальность: биомасса является потенциальным источником всех основных энергоносителей -жидкости, газа, тепла и электроэнергии;
• отсутствие влияния на климат: при условии экологически рационального получения и сгорания, энергия биомассы не вызывает климатических изменений и парниковых газов.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
В последние годы в мире возникла большая заинтересованность в использовании биомассы для выработки тепловой и электрической энергии, ее вовлечение в топливно-энергетический баланс страны. Об этом говорят многочисленные исследования в странах Европейского союза и США, направленные на выявление оптимальных путей использования биомассы в энергетике [2, 3].
Интерес к широкому использованию биомассы определен следующими основными обстоятельствами:
1. Экологическими, связанными с необходимостью решения, в том числе, глобальных климатологических задач.
2. Необходимостью снижения потребления не возобновляемых источников энергии (газ, нефть, уголь), активно истощаемых в обозримом будущем, и заменой их возобновляемыми источниками.
Развитие промышленного применения энергии, получаемой из биомассы, в государствах-участниках ЕС происходит далеко не однородно. Многие страны только начинают использовать свой потенциал, в то время как другие, такие как Финляндия и Швеция, уже создали высокотехнологичный промышленный сектор (в частности, системы производства комбинированной тепло- и электроэнергии - ТЭЦ), и уже в значительной степени задействовали свой потенциал. В качестве топлива в установках центрального отопления используются, как правило, щепы, являющиеся побочным продуктом лесного хозяйства и деревообрабатывающей промышленности; помимо этого, в Дании широко используется солома, а в Швеции ивы, выращенные в качестве энергетических культур. Центральное отопление дает возможность для использования энергии биомассы, поскольку тепловые сети уже существуют, есть потенциал для экономии за счет масштаба, и упрощенная логистика поставок топлива (по сравнению с системами бытового масштаба), теплоснабжение региона с использованием биомассы может быть экономически конкурентоспособным [2, 3]. Таким образом, высокая степень централизованного теплоснабжения является показателем потенциала биомассы.
Недавно вступившие в ЕС страны, как, например, Польша, Чешская Республика, Словацкая Республика, Словения и страны Балтии, обладают значитель-
ными сырьевыми запасами, равно как и Болгария, Румыния и страны, расположенные к востоку от них, в том числе Украина, Беларусь и Россия. Однако этот потенциал остается в значительной степени неиспользованным или используется неэффективно ввиду отсутствия инвестиций в развитие современные, эффективные технологии [2, 4].
Поэтому растительная биомасса в силу таких своих основных качеств, как возобновляемость данного вида топлива, его экологическая чистота в сравнении с другими видами топлив, отсутствие воздействия на баланс свободного углерода в атмосфере, ведущего к развитию «парникового» эффекта, считается одним из наиболее «благородных» видов топлива и рассматривается во многих странах как перспективный источник энергии на ближайшее будущее.
3. Цель и задачи исследования
Цель работы - исследовать физико-технические характеристики различных видов биомассы с целью ее использования в качестве компонента газификации твердого топлива.
Задачи исследования:
1. Обосновать выбор растительной биомассы -сельскохозяйственных отходов с целью ее дальнейшей термохимической конверсии.
2. Установить элементарный состав растительной биомассы.
3. Определить физико-технические свойства органических отходов.
4. Методы определения физико-технических свойств растительной биомасы
В лабораторных условиях исследовали пригодность различных видов растительной биомассы с целью дальнейшей термохимической конверсии для получения альтернативного вида топлива.
Учитывая технические характеристики растительной биомассы, для дальнейшей работы была выбрана лузга подсолнечника, шелуха гречки и овса, отходы древесины (стружка), а также торф.
Зольность топливаопределяласьпоГОСТ 1.1.022-90, влажность по ГОСТ 27314-91, выход летучих веществ по ГОСТ 6382-91, углерод и водород по ГОСТ 24081-88, сера по ГОСТ 8606-93, а кислород по разнице 100 % -сумма компонентов. Теплота сгорания определялась по ГОСТ 147-95.
5. Технический анализ свойств органического топлива
Состав растительной биомассы, а, следовательно, и ее физико-технические характеристики зависят от происхождения [5, 6]. Существенное влияние на процесс газификации оказывают такие характеристики биомассы как влажность и зольность [7, 8].
Влага может быть конденсированной и абсорбированной, причем количество последней зависит от влажности окружающей среды. В древесине содержание влаги может достигать 50 % [5, 7]. Сельскохозяй-
3
ственные отходы, такие как солома, содержат около
10...12 % воды [5, 7]. Влага снижает эффективность и экономичность при использовании растительной биомассы в качестве топлива, также увеличиваются затраты на транспортировку.
Содержание минеральных веществ в растительной биомассе меняется в широком диапазоне. В древесине содержится порядка 0,5 % золы, состоящей в основном из карбонатов, солей карбоновых кислот и небольшого количества кремния, а в лузге подсолнечника до 30 % [5]. Нерастворимые в воде неорганические соединения уменьшают теплосодержание биомассы.
При обобщении физико-технических характеристик различных видов биомассы использованы результаты исследований ряда сельскохозяйственных отходов (лузга семян подсолнечника, шелуха гречки, шелуха овса), а также данные зарубежных авторов [7-10].
Результаты анализов в расчете на рабочую массу представлены в табл. 1, 2.
Таблица 1
Средние значения физико-технических характеристик органической биомассы
Таблица 2
Элементный состав золы топлива
Состав топлива и золы по данным зарубежных исследователей на сухую массу несущественно отличается от приведенного выше. Влажность может меняться от 45 % до 60 %.
Отходы деревообрабатывающих комбинатов, как правило, представляют собой сухие опилки, стружку и кусковые отходы. Исключение представляет мелкодисперсная пыль от шлифовки ДСП, содержащая абразивные материалы и смолы. Влажность отобранной пробы отходов с пункта сбора на открытом воздухе составила около 25 %, а рабочая теплота сгорания около 17,35 МДж/кг.
Удельный вес отобранной пробы составляет всего 150 кг/м3. Около половины отходов являются «мягкими» с размерами частиц порядка 0,2.1 мм; осталь-
ные - стружка и щепа с максимальным размером до 50 мм.
В табл. 3 приведены результаты технического анализа ряда аналитических проб сельскохозяйственных отходов. В реальных условиях сельскохозяйственных производств влажность может быть несколько выше (на 2.4 %), а теплота сгорания, соответственно, ниже. Различие в зольности определяется наличием посторонних неорганических включений.
Таблица 3
Физико-технические характеристики сельскохозяйственных отходов
Показатель Вид отходов
Лузга подсолнечника Шелуха овса Шелуха гречки
Влажность, ^ % 8,4 9,87 6,5
Зольность, А, % 2,7 4,78 7,95
Теплота сгорания, Q, МДж/кг 16,89 14,4 15,82
В [7] приводятся следующие данные по низшей теплоте сгорания ряда аналогичных материалов: лузга рисовая - 13, 3 МДж/кг, лузга подсолнуха -15,4 МДж/кг, солома - 15, 7 МДж/кг.
Таким образом, теплота сгорания сельскохозяйственных отходов меняется в узких пределах, от 13,3 до 17,0 МДж/кг, и является довольно высокой. Влажность естественных отходов находится на уровне 10 %, а зольность не превышает 8 %.
Элементный состав некоторых видов отходов приведен в табл. 4. Результаты анализа пересчитаны на влажную беззольную массу.
Таблица 4
Элементный состав сельскохозяйственных отходов
Показатель Вид отходов
Шелуха гречки Лузга подсолнечника Шелуха овса
Углерод, % 48,3 50,1 42,7
Сера, % 0,21 0,14 0,23
Водород, % 6,57 6,3 5,8
Азот, %* 0,7 1,7 50,34
Кислород, % 42,65 41,4 52,7
* в связи с высоким содержанием щелочных элементов в золе возможно некоторое занижение доли азота.
Отходы имеют близкий элементный состав с содержанием углерода около 50 % и кислорода - 42 %. Низкое содержание серы и умеренное содержание азота свидетельствуют о том, что выбросы оксидов серы и азота при любой технологии сжигания вряд ли превысят 600 мг/м3. Также следует отметить, что указанные сельскохозяйственные отходы представляют собой высокореакционное топливо с большим (порядка 80 %) выходом летучих веществ.
Элементарный состав золы приведен в табл. 5.
В отличие от органической части состав минеральной части колеблется в весьма широких пределах. Особенно это относится к оксидам кремния (40.87 %), железа (0,2.7,7 %), кальция (0,6.30,6 %) и калия (6,2.20 %). Все элементы, кроме щелочных,
Наименование Показатель
Влажность, % 45,5
Зольность, % 1,35
Углерод, % 30,5
Водород, % 1,8
Сера, % 0,05
Азот, % 0,3
Кислород, % 10,1
Низшая теплота сгорания, МДж/кг 8770
Соединение Количество, %
»О2 25,74
ТЮ2 0,75
А1203 4,9
Fе2Oз 3,38
СаО 43,81
МgO 6,43
3 О с/о 0,15
существенного влияния на загрязнение поверхностей нагрева оказать не могут.
Таблица 5
Состав золы сельскохозяйственных отходов
Состав золы, % Лузга подсолнечника Шелуха овса Шелуха гречки
ао2 - 74,5 85,3
А12О3 - - 0,55
Fe2Оз - - 0,1
СаО - 2,8 0,55
MgO - 8,6 1,9
К2О 19,9 9,9 6,4
№2О 0,45 2,2 2,1
SОз - - 1,7
Температура размягчения золы (после озоления в муфеле) составляет около 1300 °С (от 1200 °С до 1400 °С).
Торф представляет собой продукты разложения растительных остатков и не успевших разложиться элементов растений, степень разложения растет с увеличением глубины залегания торфа. Различают верховой, низинный и смешанный виды торфа.
В естественном состоянии торф является сильно обводненным, поэтому требуется его предварительная, сушка. В воздушно-сухом состоянии влажность торфа составляет 15.25 % [11].
Также следует отметить, что в торфе содержится достаточно значительное количество (до 36 %) минеральных веществ. Это объясняется как наносами, так и остатками минеральных солей растений. Состав минеральной части торфа оказывает существенное влияние на процесс газификации.
Элементный состав торфа в среднем представляет собой: 3,4...9,4 % водорода, 54.60 % углерода,
0,5...3,0 % азота, 28,5.39,5 % кислорода, 0,1.1,5 % серы. Теплотворная способность горючей массы торфа колеблется в довольно широком диапазоне и составляет 19,7.25,1 МДж/кг [11].
Процесс пирогенетического разложения торфа аналогичен процессу разложения древесины. Молодой торф по составу продуктов перегонки приближается к древесине, а старый - к бурым углям. При нагреве торфа до температуры 100 °С проходит процесс сушки. Далее процесс переходит в стадию пиролиза, где сначала происходит выделение СО2 и Н2О. Наиболее интенсивное разложение на газообразные составляющие начинается со 150 °С. В табл. 6 представлены данные о составе продуктов разложения торфа при различных температурах.
Данные по составу древесины приведены в табл. 7. В качестве проб были приняты две породы: хвойная и твердолиственная древесина [5].
Необходимо отметить, что древесина по своим различным пространственным осям имеет различные коэффициенты расширения. Например, сосновая древесина расширяется вдоль волокон в 20 раз больше, чем поперек волокон. Поэтому при нагреве до температуры пиролиза в структуре древесины возникают напряжения, приводящие к образованию макро- и микроскопических трещин. За счет этих трещин идет быстрое выравнивание температуры и процесс сушки интен-
сифицируется благодаря увеличению реакционной поверхности куска древесины. При этом выделяются летучие газы и пары, которые также состоят из углеводородных соединений, окиси углерода, водяного пара, смолы и бензола. Остается твердый остаточный углерод.
Таблица 6
Продукты разложения торфа при различных температурах
Выход продукта (на сухое вещество) Температура, °С
350 400 450 520
Смола, % 6,82 17,45 20,80 21,10
Н2О, % 8,07 14,00 15,86 17,0
Газ, %
СО2 82,0 77,9 72,3 63,4
СтНп - 0,6 1,6 2,62
СО - 40,6 15,4 16,54
Полукокс 76,3 54,0 46,35 41;30
Таблица 7
Состав древесины
Порода древесины Зола, % Содержание, %
Вещества, не растворимые в воде Лиг- нин Гемицел- люлоза Целлю- лоза
Хвойная 0,41 2,2 27,6 24,3 41,1
Твердоли- ственная 0,33 3,15 19,55 35,37 39,41
Доля образовавшихся летучих компонентов имеет решающее значение для режима горения твердого топлива. В специальной литературе по этому вопросу можно найти очень разные данные. Величины колеблются в широком диапазоне от 65 до 87 % [7, 9]. Причиной их разброса могут быть различные методы исследований: отличия температуры пиролиза, время нахождения частиц, и др.
6. Выводы
1. На основании теоретических и экспериментальных исследований обоснован выбор растительной биомассы (лузги подсолнечника, шелухи гречки и овса) с целью ее дальнейшей термохимической конверсии.
2. Выявлено, что элементарный состав растительной биомассы, а именно низкое содержание серы и умеренное содержание азота, при сжигании обусловливает выбросы оксидов серы и азота, которые не превышают 600 мг/м3.
3. Экспериментальным путем установлены физико-технические свойства биомассы: теплота сгорания
13,3...17 МДж/кг, влажность - 10 %, зольность - не более 8 %.
4. Установлено, что сельскохозяйственные отходы представляют собой высокореакционное топливо с большим выходом летучих веществ (более 80 %).
5. Получены новые обобщенные зависимости физико-технических характеристик сельскохозяйственных отходов и их фракционного состава, которые легли в основу разработки процессов термохимической конверсии растительной биомассы.
Литература
1. Богданович, В. П. Перспективы использования альтернативного топлива в сельском хозяйстве [Текст] / В. П. Богданович, Н. В. Шевченко // Техника в сельском хозяйстве. - 2012. - № 5. - С. 38-40.
2. Каныгин, П. Альтернативная энергетика в ЕС: возможности и пределы [Текст] / П. Каныгин // Экономист. - 2010. -№ 1. - С. 49-57.
3. Перспективы мировой энергетики [Текст]: WEO 2009 // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов. - 2010. -№ 6. - С. 71-85.
4. Colechin, M. Best Practice Brochure: Co-Firing of biomass [Тех^ / M. Colechin, A. Malmgren. - Report No: Coal R 287 DTI/ Pub, 2005. - 91 p.
5. Dubrovin, V. Agricultural & environmental engineering for Bioenergy Production [Тех^ / V. Dubrovin, М. Melnychuk // Proceedings of the 33TH CIOSTA & 5TH cigr Conference. - Reggio Colabria. - 2009. - Vol. 2. - P. 1121-1123.
6. Demirbas, А. Combustion characteristics of different biomass fuels [Тех^ / А. Demirbas // Progress in Energy and Combustion Science. - 2004. - № 30. - P. 219-230.
7. Koppejan, I. Results from Biomass combustion [Тех^ / I. Koppejan. - SUPERGEN meeting. - Birmingham, 2007. - 35 p.
8. Harding, S. Biomass as a rebuming fuel: a specialized cofring applications [Тех^ / S. Harding, B. Adams // Biomass and Bioenergy. - 2000. - № 19. - P. 429-445.
9. Tillman, D. A. Biomass co-firing: the technology, the experience, the combustion consequences [Тех^ / D. A. Tillman // Biomass and Bioenergy. - 2000. - № 19. - P. 365-384.
10. Baxter-Potential, L. Contributions of biomass towards Sustainable Energy [Тех^]: GCEP Conference / L. Baxter-Potential. - Beijing, China, 2005. - 56 p.
11. Sami, M., Annamalai, K., Wooldridge, M. Co-firing of coal and Biomass Fuel blends [Тех^ / M. Sami, K. Annamalai, M. Wooldridge. - Progress in Energy and Combustion Science 27, 2001. - 214 p.
1л
