Netradits_Energetika_Uch_1

При этом использование биомассы является одним из радикальных путей решения проблемы снижения выбросов парниковых газов (СО2) в топливоиспользующих установках, а также снижения выбросов других вредных ингредиентов:

•деревья и растения, составляющие основной состав биомассы,

сами поглощают выбросы СО2, т.е. в них происходит рециркуляция: сколько СО2 поглощено, столько и выделяется при сжигании и при этом не увеличивается его содержание в атмосфере;

•в биомассе практически нет серы, малое содержание азота и

золы.

Кроме того, эффективное использование биомассы как энергетического топлива снижает негативное ее влияние на окружающую среду от гниения, сжигания в случайных установках и условиях с целью очистки от них и др.

Используя механизмы финансирования, в соответствии с Киотским протоколом, например Санкт-Петербургский лесопромышленный концерн «Лемо», подготовил проект замены угольной ТЭС на энергоузел, работающий на биотопливе. Энергоузел будет обслуживать комбинат по производству пиломатериалов на территории Сясьского ЦБК. Это предприятие будет использовать технологию полного цикла утилизации промышленных отходов в биологически чистое топливо для выработки электроэнергии. Этот проект, как и три других проекта (перевод Амурской ТЭЦ «Хабаровскэнерго» с угля на газовое топливо; совершенствование системы централизованного теплоснабжения на Улан-Удэнской ТЭЦ-1; энергосберегающий проект Невинномысской ГРЭС), принят Углеродным фондом России (РАО «ЕЭС») для участия в тендерах на продажу сертифицированных квот на выбросы парниковых газов.

Другим стимулом использования биомассы в энергетике является вовлечение ее, как источника химической энергии, в топливноэнергетический баланс в качестве возобновляемого источника в структурно-энергетическом балансе (наряду с механической энергией гидро- и ветроэнергетики, тепловой энергией градиента температур и геотермальных установок).

Известно, что уже в обозримом будущем человечество может начать испытывать дефицит в природных энергетических ресурсах. С уче-

111

том темпов их наращивания, обеспеченность в мире запасами органических топлив при существующих темпах ежегодного спроса на электроэнергию в цивилизованных странах 2,5…3 % в год составляет (по разным источникам): нефти 25–48 лет; газа 35–64 года; угля 228– 330 лет (кстати, запасы урана также могут быть исчерпаны в 30–

60лет) [1].

Вто же время последними исследованиями [2] установлено, что экономически оправданное использование биомассы, как энергетического топлива, позволяет покрыть 26 % мировой энергетической потребности.

При этом, как показано, за счет использования биомассы в качестве возобновляемого источника энергии сохраняются природные ре-

сурсы, в значительной степени решается проблема выбросов СО2, повышается экологическая безопасность за счет снижения вредных выбросов.

Между тем существуют факторы, препятствующие широкому внедрению биомасс:

y недоступность определенной доли растительных ресурсов для рентабельного использования;

y распределение некоторых видов биомасс относительно мелкими партиями, трудность их сбора (концентрации) и транспортировки;

y сезонность рынка некоторых биомасс, особенно годичного цикла; y трудности длительного хранения биомасс;

y сложившийся стереотип и отсутствие в нашей стране законодательного и экономического стимулирования.

Растительные биомассы считаются одним из наиболее «благородных» видов топлива и во многих странах рассматриваются, как перспективный источник энергии на ближайшее будущее. Ежегодный воспроизводимый потенциал биомасс оценивается в 10 раз выше мировой добычи полезных ископаемых. При этом, однако, необходимо учитывать, что доступность и экономическая целесообразность ис-

пользования разных видов биомасс различна [4]. И все же, в конечном счете, при любом способе энергетического использования биомасс как возобновляемых источников энергии:

yсохраняются природные ресурсы;

yкардинально решается проблема выбросов парникового газа СО2;

112

yуменьшается загрязнение атмосферы выбросами SO2, NОх, золы;

yснижается стоимость вырабатываемой энергии.

Все это делает весьма перспективной проблему использования биомасс в энергетике.

Однако следует учитыват, что ряд их характеристик имеют уникальные особенности и кардинально отличаются от освоенных и используемых в энергетике углей. Это обстоятельство ограничивает и затрудняет их использование и требует разработки и внедрения нового оборудования и модернизации существующего.

Указанным обстоятельствам по внедрению и оптимизации способов использования биомассы как возобновляемого источника энергии в крупной энергетике в последнее время стали активно уделять внимание во многих странах мира. Об этом говорят многочисленные публикации в разных изданиях [2–15]. К сожалению, в России этим вопросам уделено пока недостаточно внимания. Однако в малой (промышленной) энергетике и в России выполнен большой комплекс исследований и разработок по использованию биомасс различного происхождения [16–21, 22–26].

При этом следует иметь в виду, что по запасам биомассы Россия занимает первое место в мире, а лесные запасы уже сами по себе оказывают благотворный экологический эффект на климат всей планеты.

Особой актуальностью этой проблемы обеспокоено Европейское сообщество, которое даже вступление России во Всемирную торговую организацию (ВТО) обусловило необходимостью ратификации Россией Киотского протокола (и принятие в соответствии с ним обязательств по снижению вредных выбросов).

Хотя обеспокоенности по отношению к запасам угля не существует (по сравнению с ограниченными запасами нефти и газа, которые не смогут быть использованы как энергетическое топливо в ближайшем будущем, запасов угля может хватить на многие сотни лет), однако его использование в энергетике (объемы использования постоянно растут) создает проблему совместимости существующих технологий его сжигания и окружающей среды.

Сжигание угля вызывает значительные выбросы в атмосферу таких вредных веществ, как SОx, NОx, золовые частицы, тяжелые метал-

113

лы, а также увеличивает массовые выбросы относительно безвредного но создающего парниковый эффект диоксида углерода (СО2).

Уже в течение многих лет общественность озабочена выбросами в атмосферу таких загрязнений, как SОx, NОx, золовые частицы и тяжелые металлы. В 2004 г. разработаны нормы для регламентирования выбросов тяжелых металлов, что потребует новых затрат для их соблюдения. При этом будет осуществлен переход на ограничение выбросов микрочастиц (2,5 микрона и менее), так как в них концентрируется содержание вредных тяжелых металлов (ртути и др.). Эти нормы потребуют значительно более совершенных и дорогостоящих способов очистки газа. Особое внимание в последнее десятилетие будет уделяться в дальнейшем и выбросам диоксида углерода (СО2) – конечного продукта сжигания ископаемого топлива. Это объясняется главным образом его влиянием на изменение климата. Вред природе наносят не сами выбросы СО2, а их накопление в атмосфере. Согласно [34], проведенные измерения показали, что концентрация СО2 в атмосфере выросла с 280 ррm (в так называемый доиндустриальный период, середина XVIII в.) до 370 ррm в 2003 г. Более половины выбросов СО2, образовавшихся при сжигании ископаемых топлив, не поглощается биосферой и поверхностью океана, а накапливается в атмосфере. Темп роста концентрации СО2 составляет 47 ррm/год.

В таком случае даже при умеренном росте мировой экономики (не превышающем 2 % в год) концентрация СО2 в атмосфере к 2050 г. превысит 500 ррm. Для прекращения роста концентрации СО2 в атмосфере необходимо в ближайшие 10–20 лет снизить его выбросы до уровня в 3 раза ниже уровня выбросов 1990 г.

Использование растительной биомассы выгодно отличается от углеводородного сырья своими экологическими достоинствами (малая зольность, практическое отсутствие серы и, безусловно, – снижение парникового эффекта) и позволяет в значительной мере решить эту климатологическую и экологическую проблему.

114

1.ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ БИОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ТОПЛИВА

Основные источники биоэнергетических энергоресурсов включают в себя:

–отходы сельскохозяйственного производства;

–органические отходы промышленности, в том числе лесной, деревообрабатывающей, гидролизной, целлюлозно-бумажной, пищевой, мясо-молочной;

–осадки сточных вод;

–отходы коммунального производства (твердые бытовые отходы ТБО и жидкие).

Основными видами биомассы являются:

y древесные отходы (включая отходы лесного хозяйства);

y сельскохозяйственные отходы (включая отходы растениеводства, мукомольного производства, животноводства);

y выращиваемые энергетические культуры;

y отходы целлюлозно-бумажного производства (щелоки, отжатая кора и др.);

y бумага, не подлежащая вторичной переработке.

Наиболее значительным возобновляемым биоресурсом является древесина, запасы (лесные массивы) которой в России составляют

свыше 25 % общемировых.

На каждый 1 млрд м3 объема леса на корню ежегодный прирост древесной биомассы составляет 25 млн м3 (здесь древесную биомассу составляет в основном переросший, болеющий или отмерший лес в ви-

де кругляка). С каждого гектара такого леса, например с лесного массива Новосибирской области, прирост древесины составляет 2,2 м3.

В результате прореживания, необходимого для поддержания культурного уровня лесов, в Европе, например, получают 0,9 т древесной биомассы с гектара.

К древесной биомассе относятся: кругляк, щепа, кора, древесные опилки с лесопилок, древесные опилки мебельных отходов, горбыль, отходы лесозаготовок (сломанные деревья, кроны ветвей, пни и их корневая система и др.), древесная шлифовальная пыль, древесные отходы от сноса строительных сооружений, переработанные древес-

115

ные отходы (из фанеры, досок), древесные отходы из необработанной древесины, деревянная тара, измельченные планки, древесная стружка.

Каждая из названных групп древесной биомассы отличается гранулометрическим составом, влажностью, способностью к транспортировке и хранению, удельным весом и, конечно, энергетическими характеристиками, которые будут рассмотрены более подробно.

Использование древесной биомассы только за счет ее прироста позволяет не только выработать значительный объем тепловой и электрической энергии, но и стимулировать лесостой и культурный уровень лесов (уменьшить загрязнение рек и ручьев, удалить потенциальный источник пожаров и гниения, проводить регулярную чистку лесных массивов).

Биомасса из сельскохозяйственных отходов включает в себя: солому, лузгу подсолнечника, гречихи, овса; отходы мукомольного производства (отсевы, отруби); отходы животноводства (от животноводческих комплексов и птицефабрик); костная мука.

К выращиваемым энергетическим культурам, составляющим биомассу, относятся: быстрорастущие травы (стебли люцерны и др.); деревья с коротким севооборотом (гибридная ива и др.), лозное просо.

Как видно, биомасса состоит из различных видов, в пределах каждого вида имеет место значительное количество групп. А все эти виды и группы в пределах вида могут иметь свои существенные различия как по энергетическим характеристикам, так и по гранулометрическому составу, влажности, зольности, удельному весу, способности к размолу, транспорту, хранению; сезонности получения и масштабности поставки; склонности к взрывам, пылению и др.

Учитывая саму природу происхождения биомассы различных видов и групп, принципиальных различий в их характеристиках, по данным зарубежных и российских исследователей, ожидать не следует. Это позволяет, для выработки технических решений, более активно и уверенно использовать материалы зарубежных исследований и обобщать материалы публикуемых работ по рассматриваемому вопросу.

В связи с тем, что биомассу отходов животноводства (от животноводческих комплексов, птицефабрик) в силу своих особых специфических свойств наиболее целесообразно использовать, как показывает практика, в мелких промышленных установках через получение из нее

116

биогаза, в настоящей работе ее использование рассматривается в приложении (технология получения биогаза имеет свою специфику).

Значительное количество органических отходов в виде соответствующих биомасс имеет место в целлюлозно-бумажном производстве

(ЦБП).

Целлюлозно-бумажное производство относится к наиболее энергоемким отраслям промышленности и отличается наличием широкой гаммы специфических отходов, которые должны использоваться либо в чисто энергетическом, либо, что наиболее экономично, в энерготехнологическом направлениях. В табл. 3.1, 3.2 приведены характеристики и баланс отходов ЦБП.

В табл. 3.2 приведен баланс отходов современного мощного лесопромышленного комплекса, перерабатывающего 6,5 млн м3 древесины в год (в том числе на нужды ЦБП 4,5 млн м3) [35].

Для энергетических нужд (электроэнергия, тепло на технологические и бытовые нужды) такое предприятие должно потреблять 2,1×106 т у.т./год. Из табл. 3.2 видно, что за счет сжигания отходов целлюлозно-бумажного производства (ЦБП) можно удовлетворить до50 % потребности предприятия в энергетическом топливе. При полном использовании отходов ЦБП в масштабах всей отрасли можно ожидать экономию более 5,5 млн т у.т./год (масштаб производства

1975 г.).

117

Уже одно это обстоятельство определяет значительный экономический эффект проблемы рациональной организации использования отходов ЦБП. Большая дополнительная экономия возникает за счет высвобождения средств, затрачиваемых на транспортировку твердых отходов в отвалы и на сооружение очистных устройств для жидких отходов.

В табл. 3.1 приведены характеристики отходов ЦБП как топлива [35]. Видно, что все отходы ЦБП обладают свойствами, резко отличающими их от обычных энергетических топлив. При относительно высокой реакционной способности сухой массы они имеют чрезвычайно высокую приведенную влажность, специфические свойства минеральной части и обладают рядом других особенностей. Все это предъявляет особые требования к конструкциям топочных устройств. Таким образом, на целлюлозно-бумажных предприятиях всегда имеется широкая гамма топлив, резко различающихся по своим характеристикам: обычные энергетические (твердые натуральные топлива, мазут или газ), древесные отходы и жидкие горючие отходы производства. Поэтому для ЦБП наиболее остро встает проблема создания многотопливных котлов, допускающих сжигание под котлом единого профиля всех указанных топлив в различных соотношениях.

Кроме того, экономически целесообразно, а в ряде случаев необходимо по условиям технологии осуществлять сжигание отходов ЦБП в энерготехнологических агрегатах.

Как видно из табл. 3.1, отходы ЦБП можно разбить на две крупные группы: древесные твердые отходы и жидкие отходы (щелока). Проблемы сжигания и утилизации этих отходов решаются по-разному.

2.РЕСУРСЫ БИОМАССЫ В РОССИИ, КАК ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ТОПЛИВА

Основными ресурсными источниками растительной биомассы являются: древесина, отходы от ее заготовки и переработки, сельскохозяйственные отходы растениеводства, промышленные отходы от их заготовки и переработки, а также бытовые отходы. Индустриальной базой для биоэнергетики могут стать специальные плантации, селекционируемые соответствующими быстрорастущими видами деревьев,

119

кустарников и трав, которые могут быть развиты при рекультивации свободных площадей.

Сюда можно, на наш взгляд, отнести и торф, хотя в ряде стран дискутируется вопрос: является ли он биологическим или ископаемым топливом. Торф, несомненно, можно отнести к возобновляемым источникам энергии, так как его ежегодный прирост значительно превышает его потребление.

Кроме того, физико-химические характеристики торфа идентичны «классическим» биотопливам и использование его и «классического» биотоплива может практически производиться с использованием однотипных энергетических технологий.

Основной ресурсной базой биотоплива в России являются отходы лесозаготовок, которые составляют 40…60 % заготавливаемой древесины; 20 % составляют отходы, образующиеся при лесопереработке и используемые пока только на 20 %. По приближенным оценкам [36], суммарное годовое количество отходов лесопромышленного комплекса составляет свыше 200 млн м3. Отходы сельскохозяйственного производства составляют 200…250 млн м3 в год. В отвалы ежегодно направляются 100 млн м3 промышленных отходов только лигнина. Твердые бытовые отходы ежегодно накапливаются в количестве 35 млн т. В целом, ежегодно образующееся совокупное количество растительных отходов в России эквивалентно приблизительно

100млн т нефти.

Втабл. 3.3 приводятся [37] оценки ресурсной базы биомассы для энергетического использования в различных регионах страны (по данным 1985–1990 гг.)

ВРоссии отходы переработки древесины используются в основном в целлюлозно-бумажной и лесной промышленности, однако не в полной мере. Потребление торфа в связи с возможностью использования в энергетике газа и жидкого топлива на этапе 2000–2005 гг. неуклонно снижается, а доля переработки твердых бытовых отходов составляет менее 1 %. То есть использование биомассы в России в отличие от ряда цивилизованных стран, которые по климатическим условиям близки ко многим регионам России (Финляндия, Швеция), используется пока недостаточно.

120