CC BY
24
УДК 620.952
Шуклина А.П., Шуклина В.П., Ермоленко Б.В.
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ТОПЛИВНОГО, ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛОВ ТВЕРДОГО БИОТОПЛИВА ИЗ РАСТИТЕЛЬНЫХ И ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ
Шуклина Анастасия Петровна, студент 2 курса магистратуры факультета биотехнологии и промышленной экологии, email: a. schuklina2015@yandex.ru
Шуклина Валерия Петровна, студент 2 курса магистратуры факультета биотехнологии и промышленной экологии
Ермоленко Борис Викторович, к.т.н., доцент кафедры промышленной экологии Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия.
Создание и эксплуатация биоэнергетических установок в качестве генерирующих объектов в системе малой распределённой энергетики позволит рационально использовать региональные особенности ресурсной базы. Такой подход обеспечит снижение экологической напряжённости за счет утилизации отходов и снижения вредных выбросов от энергетических установок, работающих на газе, угле или мазуте, а также формированию надёжной системы энергетической безопасности. Оценено количество образующихся на территории Российской Федерации растительных и древесных отходов с дифференциацией по субъектам Российской Федерации, федеральным округам и России в целом. Разработана методика оценки топливного, электроэнергетического и теплоэнергетического потенциалов твёрдого биотоплива из растительных и древесных отходов.
Ключевые слова: растительные отходы, древесные отходы, твердое биотопливо, щепа, древесные пеллеты, биоуголь, агропеллеты, топливный потенциал, электроэнергетический потенциал, теплоэнергетический потенциал
DEVELOPMENT OF A METHODOLOGY FOR EVALUATING THE FUEL, ELECTRIC POWER AND HEAT POWER POTENTIALS OF SOLID BIOFUEL FROM PLANT AND WOOD WASTE
Shuklina A.P., Shuklina V.P.,Ermolenko B.V
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The creation and operation of bioenergy installations as generating facilities in the system of small distributed energy will allow rational use of regional features of the resource base. This approach will reduce environmental stress by recycling waste and reducing harmful emissions from power plants running on gas, coal or fuel oil, as well as the formation of a reliable energy security system. The amount of plant and wood waste generated on the territory of the Russian Federation with differentiation by the subjects of the Russian Federation, Federal districts and Russia as a whole is estimated. A method for evaluating the fuel, electric power, and heat-power potentials of solid biofuels from plant and wood waste has been developed.
Keywords: plant waste, wood waste, solid biofuels, wood chips, wood pellets, biocoal, agropellets, fuel potential, electric power potential, heat power potential
Методика оценки топливного потенциала твердого биотоплива из растительных и древесных отходов. Исходной информацией для оценки топливного потенциала твердого биотоплива из растительных и древесных отходов является информация о валовом сборе сельскохозяйственных культур и объеме заготовленной древесины, и доле образующихся отходов.
Количество отходов сельскохозяйственных культур Мс/х (тыс. т) рассчитывается по формуле (1): Мс/х=ВСс/х-фс/х , (1) где ВСс/х - валовый сбор сельскохозяйственных культур, тыс. т;
фс/х - доля отходов сельскохозяйственных культур.
Доля отходов сельскохозяйственных культур принимается для гречихи, овса, просо, пшеницы
озимой и яровой, риса, ржи озимой и яровой, тритикале, ячменя озимого и ярового - 0,85; кукурузы на зерно - 1,2; подсолнечника - 1,9; рапса - 1,8; сахарной свеклы - 0,12; сои - 1,3 [1].
Количество отходов лесозаготовки Мл (тыс. т) рассчитывается по формуле (2):
Мл=Узд- фл , (2)
где Узд - объем заготовленной древесины,
тыс. т;
фл - доля отходов лесозаготовки.
На лесозаготовках в отходы уходит более 32 % вырубленного леса [2].
На рисунке 1 можно ознакомиться с распределением технического теплоэнергетического потенциала отходов лесопромышленного комплекса по территории субъектов Российской Федерации.
Рис. 1. Технический теплоэнергетический потенциал отходов лесопромышленного комплекса.
Количество отходов деревообработки Мд (тыс. т) рассчитываются по формуле (3): Мд=Узд- Фд , (3) где фд - доля отходов деревообработки. Множество деревообрабатывающих
предприятий после выполнения работ оставляют около 25 - 40 % отходного древесного материала [2].
Общее количество отходов лесозаготовки и деревообработки Мобщ д (тыс. т) рассчитывается по формуле (4):
Мобщ д= Мл+ Мд . (4) Ограничения на объем текста статьи не позволяют представить информацию о количестве
отходов лесозаготовки и деревообработки и отходов сельскохозяйственных культур по субъектам Российской Федерации.
На диаграмме (рис. 1) приведены результаты расчетов количества отходов лесозаготовки и деревообработки и отходов сельскохозяйственных культур по федеральным округам Российской Федерации за 2019 год. Официальные статистические показатели: объем заготовленной древесины и валовый сбор сельскохозяйственных культур были взяты на официальном сайте Единой межведомственной информационно-статистической системе (ЕМИСС).
Дальневосточный федеральный округ
Сибирский федеральный округ
Уральский федеральный округ
Приволжский федеральный округ
Северо-Кавказский федеральный округ
Южный федеральный округ
Северо-Западный федеральный округ
Центральный федеральный округ
11921948
6007,518
~1 9896.904
□3229,493
Ц 4887,429
I 9811,073
77,255
□ 8113,723
200,529 ~11263,232
Ц 22518,088
□ 21800,115
25283,463
□ 17315,628
| 7178,250
34788,360
5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000
□ Отходы лесозаготовки и деревообработки, тыс. т □ Отходы сельскохозяйственных культур, тыс. т
Рис. 2. Количество отходов лесозаготовки и деревообработки и отходов сельскохозяйственных культур по федеральным округам
Российской Федерации за 2019 год.
0
Для оценки топливного потенциала твердого биотоплива из отходов сельскохозяйственных культур и древесных отходов необходимо знать
энергосодержание топлива Э в рассчитывается по формуле (5):
Qr
Э = ^, (5)
Qr
х^н. у
т.у.т./т, которое
что соответствует типичной теплотворной способности каменного угля.
Топливный потенциал агропеллет из отходов сельскохозяйственных культур Пв а рассчитывается по формуле (6); щепы, древесных пеллет, биоугля из древесных отходов Пв д по формуле (7) в тыс. т.у.т.: Пв а=Мс/х-Э (6) В таблице 1
способность
и Пв д=Мобщ д-Э. (7)
где Qrнн - теплотворная способность
натурального топлива, МДж/кг (ккал/кг);
Qrну - теплотворная способность тонны
условного топлива (т.у.т.), МДж/кг (ккал/кг).
Т.у.т. - единица измерения энергии, равная 2,93-1010 Дж, которая определяется как количество энергии, выделяющееся при сгорании 1 тонны топлива с теплотворной способностью 7000 ккал/кг,
Таблица 1. Теплотворная способность натурального топлива Qrн н и энергосодержание топлива Э
теплотворная ^^ и
приведены
натурального топлива
энергосодержание топлива Э.
Аналогично на диаграмме (рис. 3) представлены результаты расчетов топливного потенциала твердого биотоплива из древесных и растительных отходов только по федеральным округам Российской Федерации
Натуральное топливо Теплотворная способность натурального топлива , МДж/кг Энергосодержание топлива Э, т.у.т./т
Агропеллеты из отходов с/х культур (гречихи) 15 0,5119
Агропеллеты из отходов с/х культур (кукурузы на зерно) 14,65 0,5
Агропеллеты из отходов с/х культур (овса) 14,65 0,5
Агропеллеты из отходов с/х (подсолнечника) 18,09 0,6174
Агропеллеты из отходов с/х культур (просо) 15 0,5119
Агропеллеты из отходов с/х культур (пшеницы озимой и яровой) 15 0,5119
Агропеллеты из отходов с/х (рапса) 15,24 0,5201
Агропеллеты из отходов с/х культур (риса) 14,65 0,5
Агропеллеты из отходов с/х культур (ржи озимой и яровой) 14,65 0,5
Агропеллеты из отходов с/х культур (сахарной свеклы) 8,37 0,2857
Агропеллеты из отходов с/х культур (сои) 15,3 0,5222
Агропеллеты из отходов с/х культур (тритикале) 14,1 0,4812
Агропеллеты из отходов с/х культур (ячменя озимого и ярового) 14,65 0,5
Щепа 12,35 0,4215
Древесные пеллеты 15,89 0,5423
Биоуголь 20,8 0,7099
Дальневосточный федеральный округ
Сибирский федеральный округ
Уральский федеральный округ
Приволжский федеральный округ
Северо-Кавказский федеральный округ
Южный федеральный округ
Северо-Западный федеральный округ
Центральный федеральный округ
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000
□ Топливный потенциал щепы, тыс. т.у.т. ■ Топливный потенциал древесных пеллет, тыс. т.у.т.
□ Топливный потенциал биоугля, тыс. т.у.т. □ Топливный потенциал агропеллет, тыс. т.у.т.
□ 15985,537
□ 17658,505
54,843 41,897 32,563
□ 4172,111
1142,355 [108,751 84,523
991,684
4264,722 3258,002
5101,518
12212,028
9491,413
_|3469,574
2650,554
111608,497
6964,857
5320,749 4135,384
13168,885
642,478
12292,323
9390,626
7298,567
5095,823 3892,914
Рис. 3. Топливный потенциал твердых видов биотоплива из древесных и растительных отходов по федеральным округам
Российской Федерации.
Методика оценки технического энергетического потенциала твердого биотоплива из растительных и древесных отходов.
Технический электроэнергетический потенциал агропеллет Пт а э/э в млн. кВтч рассчитывается по формуле (8):
Пт а э/э=8141Пв а'Пэ/э ТЭС'(1-фэ/э)/1000, (8) где 8141 - перевод 1 т.у.т. в кВтч; Пэ/э ТЭС - коэффициент преобразования в электроэнергию мини-ТЭС с прямым сжиганием биомассы, принимается равным 0,25;
Фэ/э - доля электроэнергии на собственные нужды, принимается равной 0,05.
Технический теплоэнергетический
потенциал агропеллет Пт а т/э в млн. Гкал рассчитывается по формуле (9):
Пт а т/э=7'Пв а'Пт/э ТЭС'(1-фт/э)/1000, (9) где 7 - перевод 1 т.у.т. в Гкал; Пт/э ТЭС - коэффициент преобразования в тепловую энергию мини-ТЭС с прямым сжиганием биомассы, принимается равным 0,75;
фт/э - доля тепловой энергии на собственные нужды, принимается равной 0,05.
Технический электроэнергетический
потенциал щепы, древесных пеллет, биоугля Пт д э/э в млн. кВтч рассчитывается по формуле (10):
Пт д э/э=8141Пв д-Пэ/э тэц-(1 -Фэ/э)/1000, (10) где пэ/э ТЭц - коэффициент преобразования в электроэнергию мини-ТЭЦ, принимается равным 0,35.
Рис. 4. Древесные отходы и биотопливо из них.
Технический теплоэнергетический
потенциал щепы, древесных пеллет, биоугля Пт д т/э в млн. Гкал рассчитывается по формуле (11):
Пт д т/э=7 Пв д-Пт/э ТЭЦ-(1-фт/э)/1000, (11)
где пт/э ТЭц - коэффициент преобразования в тепловую энергию котельной или мини-ТЭЦ, принимается равным 0,8.
Также были рассчитаны электро- и теплоэнергетический потенциалы твердого биотоплива из древесных и растительных отходов по субъектам Российской Федерации, федеральным округам и России в целом.
С целью максимально эффективного использования природных энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора было оценено количество образующихся на территории Российской Федерации растительных и древесных отходов с дифференциацией по субъектам Российской Федерации, федеральным округам и России в целом. Оценка энергетического потенциала твердого биотоплива может быть использована при разработке программ развития региональной энергетики на базе ВИЭ и эколого-экономического обоснования принимаемых инвестиционных решений.
Оценка количества образующихся на территории Российской Федерации растительных и древесных отходов с дифференциацией по субъектам Российской Федерации, федеральным округам и России в целом, а также расчеты топливного, электроэнергетического и теплоэнергетического потенциалов были реализованы на базе электронных таблиц Excel.
Список литературы
1. Касьянов, А.С. Энергетический потенциал соломы как биотоплива / А.С. Касьянов // Инженерный вестник Дона. - 2014. - Т. 28, № 1 . - С. 27-30.
2. Переработка отходов лесопиления, классификация отходов и видов переработки [Электронный ресурс]. - URL: https://greenomak.ru/ekologicheskie-problemy/pererabotka-othodov-lesopileniya-klassifikatsiya-othodov-i-vidov-pererabotki.html (Дата обращения: 21.02.2020).
3. Единая межведомственная
информационно-статистическая система (ЕМИСС) [Электронный ресурс]. - URL:
https://www.fedstat.ru/.
