Энергосбережение в сельскохозяйственном производстве

В Республике Польше часто в качестве топлива используют древесные отходы и солому. Общее количество котлов для сжигания подобного топлива превышает 500 единиц с общей мощностью свыше 500 МВт. Среди объемов энергии, получаемой в Польше из биомассы, солома и другие растительные остатки составляют более 46%. В Дании работают более 20 тысяч тепловых установок на соломе, и на каждой сжигают 1020 т соломы в год. Имеется положительный опыт использования соломы на топливо в различных странах мира [22].

Таблица 15. Сравнительная энергетическая ценность соломы

Проведенные в Германии исследования [23] показывают теплотворную способность различных видов органических биомасс и содержащиеся в них основные химические элементы (табл. 16).

Таблица 16. Среднее и предельные значения химико-вещественных показателей исследованных биомасс

Теплотворная способность зависит от вида органического вещества и для разных видов соломы в среднем находится в пределах 16,5617,69 МДж/кг. Для каждого вида соломы возможны колебания показателя теплотворной способности с отклонениями до 1 МДж. Для рассмотренных 9 видов соломы среднее значение теплотворной способности составляет 16,82 МДж/кг. Теплотворная способность древесных материалов (тополь, верба, кустарник) несколько выше и составляет в среднем 16,8518,52 МДж/га. Содержание золы после сжигания соломы находится в пределах 4,3515,56% (среднее около 7%).

Для процесса горения соломы (как и других твердых топлив), можно подсчитать теоретическую низшую теплоту сгорания по известной формуле [24]:

Q_н = 339,1 C + 1063,4 H - 108,9 (O S) - 25,1 W, кДж/кг,

где С - содержание углерода,%;

Н - содержание водорода,%;

S - содержание серы,%;

О - содержание кислорода,%;

W - содержание влаги, %.

Для соломы по справочным данным с учетом содержания указанных химических элементов (C = 43,2%; H= 5,2%; S= 0,1%; O+N= 37%; W = 10%) расчетное значение низшей рабочей теплоты сгорания составляет 15,5 МДж/кг. После сгорания теоретически остается 4,5% золы. Однако в данных расчетах не учитываются особенности сжигаемой соломы.

Важным условием горения соломы является подача необходимого количества воздуха. С учетом химических элементов состава соломы по известной формуле [24] можно теоретически подсчитать требуемое для горения количество воздуха:

L_т = (2,67 С + 8 Н - S - О) / 30 = 3,995 м³/кг.

В реальных условиях горения расход воздуха обычно больше теоретического, что учитывается коэффициентом избытка Ь = 1,42,0. Тогда для сжигания 1 кг соломы требуемое количество воздуха составит 5,68,0 м³/кг.

В условиях сельскохозяйственного производства перспективно использование соломы в качестве топлива при сушке зерна. При этом практический интерес представляет возможность получения теплоносителя при сжигании различных видов соломы. Расчеты показывают, что с учетом требуемого количества теплоты на испарение 1 кг влаги из зерна [25] расход энергии для шахтных сушилок составляет 50305870 кДж/кг; барабанных 6280 кДж/кг. Эффективность использования соломы в качестве топлива достаточно высокая (табл. 17).

Таблица 17. Требуемое количество соломы (кг) для сушки 1 т зерна до влажности 15%

Экспериментально определены параметры получаемого теплоносителя при использовании в качестве топлива различных видов соломы (табл. 18).

Таблица 18. Результаты сжигания различных видов соломы и полученные параметры теплоносителя

Проведенные исследования (рис. 13) подтвердили значительные возможности использования соломы для получения теплоносителя с перспективами дальнейшего его применения в полезных целях.

Технология уборки соломы с перспективами последующего использования на топливо не отличается от традиционной. Оставленные комбайном валки подбираются пресс-подборщиками любого типа. При этом солома должна быть достаточно сухой. Затем прессованная солома складируется вблизи места использования. Принципиальное устройство установок для сжигания соломы несложно. Установки обычно снабжены системой автоматики для полного управления всем ходом процесса от приема тюков до дозированной подачи массы в топку.

Рис. 13. Динамика температуры теплоносителя за 100 с горения навески соломы массой 0,1 кг.

При плотности прессования 300 кг/м³ в одном прямоугольном тюке размером 1,20 х 0,80 х 2,40 м находится такое количество тепловой энергии, какое содержится в 230 л мазута.

Для сушки зерна с учетом перспектив использования местных видов топлива представляют интерес газогенераторы ГГ-С-1,2 (тепловая мощность 1200 кВт) и ГГ-С-2,3 (тепловая мощность 2300 кВт) ОАО «Минскоблагросервис». В качестве топлива в данных генераторах используются рулоны соломы. При работе генератора получают нагретый до температуры 60 120⁰С воздух. Расход воздуха на сушку 1 т зерна составляет 3060 кг. Три тонны соломы заменяют 1 т жидкого топлива. Срок окупаемости генератора ГГ-С-2,3 составляет 11 рабочих дней при трехсменной работе сушилки. Имеется опыт использования данного генератора в СПК «Осовец-агро» Любаньского района в комплекте с сушилкой М-819. Фактический расход соломы на сушку 1т зерна составил около 50 кг. Экономия денежных средств на каждой тонне зерна в сравнении с применением дизельного топлива в 2005 году получена в количестве 10,310,8 тыс. рублей. В 2006 году АО «АГРОКОМПЛЕКТ» (г.Могилев) смонтировало в хозяйстве «Первомайский» Дрибинского района топочный агрегат с использованием соломы в рулонах для сушки зерна на сушилке М 819. За сезон уборки на данном комплексе было высушено более 2000 тонн зерна. Отмечена устойчивая работа топочного агрегата при использовании соломы влажностью до 20%.

Простыми и перспективными энергетическими установками для сжигания соломы являются блоки SKELHOJE немецкой фирмы AMMAC [12]. Они являются комплектными устройствами, которые в совокупности с дымовой трубой и фундаментом представляют собой самостоятельные сооружения. Установка имеет аккумулирующую емкость, которая расположена вокруг топочной камеры. Уравнительная емкость находится в верхней зоне установки. Выпускаются энергетические блоки различной мощности (табл. 19). Возможно использование энергетических блоков с подключением к имеющейся отопительной системе для коммунально-бытовых целей, а также для отопления теплиц, мастерских и животноводческих помещений. В летний период энергоблок может быть приспособлен для сушки зерна. В топку одновременно закладывается до четырех рулонов массой 150 кг или прямоугольные тюки массой 300 750 кг.

Таблица 19. Технические данные энергетических блоков Skelhoje типа RAU для сжигания соломы

Расчеты экономической эффективности использования соломы в качестве топлива подтверждают рациональность данного проекта (табл. 20).

Таблица 20. Экономическая эффективность использования

соломы на топливо

Солома оказывается самым дешевым видом топлива по показателю стоимости единицы получаемой энергии. Только при использовании в качестве топлива соломы рапса, ежегодный выход которой предполагается в количестве около 400 тыс. тонн, можно получить тепловую энергию, эквивалентную получаемой от сжигания 134 тыс. тонн мазута, или 180 тыс. м³ природного газа. В денежном выражении экономия может составить 22,328,6 млрд. рублей, или 10,313,2 млн.USD. Кроме этого, следует учитывать возможность снижения негативных экологических аспектов сжигания ископаемых топлив с выделением большого количества углекислого газа в окружающую среду.

Газогенераторные установки на местных видах топлива

Газогенераторы используют простой и хорошо проверенный способ преобразования твердого топлива в газообразное. При этом могут использоваться и утилизироваться отходы лесозаготовительного, деревообрабатывающего, гидролизного производств, а также торф и бытовые отходы. Возможно применение топлива влажностью до 4550%, но для более эффективной работы следует применять топливо влажностью не выше 35%. На стадии газификации топливо и кислород воздуха подаются в ограниченном количестве в камеру газообразования (рис. 14).

Рис.14. Схема работы газогенератора на твердом топливе.

В реакторе под действием высокой температуры топливо разлагается на углерод, водяной пар, смолы и масла. Дальнейшая реакция между кислородом и углеродом обеспечивает температуру, достаточную для образования окиси углерода - главного горючего компонента вырабатываемого газа. Смолы и масла разлагаются на газы, содержащие водород и некоторое количество метана. Минимальная теплотворная способность газа составляет 1100 ккал/м³. Существуют конструкции газогенераторов тепловой мощностью 24200 кВт. При выборе модели рекомендуется исходить из того, что для отопления 100 м² помещения требуется 45 кВт тепловой мощности газогенератора. Камера газообразования представляет собой металлический корпус, внутри которого установлены реактор и колосниковая решетка. Камера возгорания имеет трубу горения и канал с заслонкой для подачи дополнительного количества воздуха в трубу горения. Газогенератор имеет модульную конструкцию и может работать с различными водо- и воздухонагревательными устройствами.

Возможности получения и использования биодизельного топлива и биогаза

Жидкое топливо растительного происхождения является технически ценным генерируемым видом энергии. Оно способствует решению неотложного комплекса проблем:

- развивает сельскохозяйственное производство;

- способствует охране окружающей среды;

- решает задачи энергосбережения.

Различают два вида выпускаемых топлив: спиртовые и на основе растительных масел. Спиртовые топлива предназначены для карбюраторных двигателей. В наших условиях их можно получать из сахарного сырья после переработки сахарной свёклы или картофеля. Однако это энергетически неэффективно и не имеет существенной хозяйственной перспективы. Топлива на основе растительных масел - дизельные. Растительные масла состоят в основном из жирных кислот. Желаемое преобразование в дизельное топливо происходит под действием катализатора заменой глицерина метанолом или биоэтанолом. Для осуществления процесса потребляется только 12% энергии от содержащейся в конечном продукте. Высокая вязкость растительного масла снижается при этом в десятки раз почти до консистенции нефтяного дизельного топлива.

Технологическая схема производства биодизельного топлива из рапса начинается с его возделывания и получения урожая (рис. 15). При урожае семян рапса 3 т/га после отжима можно получить 1,2 т растительного масла, а также 1,8 т шрота для использования на корм в животноводстве [27]. Для осуществления процесса катализации к данному количеству масла добавляется 120 кг метанола. В результате получается 1,2 т дизельного топлива и 120 кг глицерина (сопутствующий продукт для химической промышленности). В Чехии при урожае 34 т/га из семян рапса получают примерно 1 т метилэстера (основа биодизельного топлива).

Расчеты показывают, что затраты на производство маслосемян рапса составляют 17700 МДж/га, затраты на извлечение масла - 700 МДж/га, полученная от масла энергия - 22200 МДж/га. Таким образом, энергетическая эффективность каждого гектара составляет 3800 МДж/га, что соответствует 110 л дизельного топлива [28].

Рис.15. Технологическая схема производства биодизельного топлива из рапса.

Полученное биодизельное топливо может быть использовано в отопительных и паровых котлах, в дизельных тепловых двигателях со значительными экологическими преимуществами, а также в газовых турбинах. Использование биодизельного топлива в чистом виде для двигателей внутреннего сгорания имеет следующие преимущества:

- благоприятные показатели выпуска отработавших газов;

- почти полное отсутствие серы и фосфора способствует длительной работе оксикатализатора.

Возможно также смешивание биодизельного топлива (510%) с обычным нефтяным. При работе дизеля на смеси топлив с содержанием до 10% метиловых эфиров жирных кислот рапсового масла показатели рабочего процесса не отличаются от получаемого при работе на обычном дизельном топливе. В качестве недостатков биодизельного топлива указываются потребность в значительных инвестициях для оборудования данных устройств, агрессивность по отношению к некоторым материалам и уплотнениям, пониженные смазывающие возможности при применении в смесях. Наблюдается также снижение мощностных параметров двигателей на 35%, а объемный расход топлива возрастает на 69%.

Существенные успехи в использовании дизельного топлива из рапса достигнуты в Чешской Республике. Программа производства альтернативных видов топлива была начата в 1992 году и вызвана отсутствием в Чехии собственных запасов природных видов топлива. К 2000 году работало 16 предприятий по производству биологического топлива общей производительностью 60 тыс. тонн в год. В качестве дизельного топлива используется смесь полученного из рапса метилэстера и нефтяного дизельного топлива в соотношении 30:70.

По существующим прогнозам [30], в ближайшем будущем доля применения биодизельного топлива составит 58%. В Германии в 1980-е годы имелось 400 биодизельных бензоколонок, а к 2000 - уже 700 заправочных станций. В последующие 2030 лет доля применения биодизельного топлива возрастет до 2030%. В таком количестве биодизельное топливо займет важное место в общем потреблении энергоресурсов. Биогаз получают из отходов животноводства путем их анаэробного сбраживания. При этом в газ превращается примерно четвертая часть органического вещества [3]. Полученный из отходов животноводства биогаз содержит 6075% метана, 3035% углекислого газа и 11,5% сероводородов и других летучих примесей. В зависимости от содержания органического вещества из 1 м³ исходного сырья можно получить до 515 м³ газа. В расчетах принимают, что из 1 кг органического вещества образуется 1,11,4 м³ биогаза. Энергосодержание 1 м³ биогаза составляет 2226 МДж, что эквивалентно содержанию энергии в 0,5 кг дизельного топлива или в 1 кг каменного угля. Принципиальная схема получения биогаза приведена на рис. 16. Из фермы или хранилища биомасса подается насосом в реактор. В реакторе осуществляется термофильное сбраживание. При температуре не ниже 5256 ⁰С процесс сбраживания продолжается около 5 суток. Полученный биогаз с содержанием 6080% метана подается в хранилище для дальнейшего использования. Отработавший продукт в виде шлама направляется в хранилище и затем применяется в качестве органического удобрения.

Рис. 16. Технологическая схема получения биогаза:

1- хранилище биомассы, 2 - реактор, 3, 7 - теплообменники, 4 -мешалка; 5 хранилище биогаза, 6 - хранилище шлама, 8 - тепловой насос, 9 - тепловой потребитель, 10 - насос для подачи биомассы.

По расчетам, выполненным для условий Латвии, от свиноводческой фермы на 1000 голов можно получить биогаз с энергосодержанием 5520 МДж, причем более 36% энергии затрачивается на подогрев сырья, а полезная энергия составляет 3421 МДж (62%). Опыт получения биогаза в условиях Беларуси [3] также подтверждает необходимость значительного расхода получаемой энергии на подогрев исходного сырья для осуществления процесса сбраживания.

Литература

топливный энергосбережение сельский топливо

1.Государственная программа возрождения и развития села на 2005?2010 годы. Минск, 2005. 98 с.

2.Шило И.Н. Ресурсосберегающие технологии сельскохозяйственного производства / И.Н. Шило, В.Н.Дашков. Минск : БГАТУ, 2003. 183 с.

3.Блянкман Л.М. Ресурсо- и энергосберегающие технологии в АПК /Л.М. Блямкман, Н.И. Анисимова. Минск : Ураджай, 1990. 159 с.

4.Жученко А.А. Адаптивное растениеводство (экологенетические основы) / Жученко А.А. ? Кишинев : Штиинца, 1990. 432 с.

5. Кадыров М.А. Стратегия и тактика адаптивной интенсификации земледелия Беларуси /М.А. Кадыров // Земляробства і ахова раслін. 2004. № 5. С. 5 ?12.

6.K o p k e U. Aims and principles of soil cultivation in organic agriculture. 14 h ISTRO Conference, 1997.

7.К овалев Н.Г. Биологизация земледелия в Нечерноземной зоне / Н.Г. Ковалев // Мелиорация и водное хозяйство. 1993. №2. С. 27?29.

8.М инеев В.Г. Биологическое земледелие и минеральные удобрения / В.Г. Минеев, Б. Дебрецени, Т. Мазур. М.: Колос. 1993. 415 с.

9.Механизация защиты растений / А.В. Клочков, А.Р. Цыганов, З.В. Ловкис, А.Е. Маркевич. Горки, 1999. 41с.

10. Клочков А.В. Современные тенденции сельскохозяйственных технологий и механизаций /А.В. Клочков // Белорусское сельское хозяйство. 2006. №7. С. 46 ?57.

11.Клочков А.В. Комбайны зерноуборочные зарубежные / А.В. Клочков, В.А. Попов, А.В. Адась. Минск : УП «Новик», 2000. 192 с.

12.Ежевский А.А. Современное состояние и тенденции развития сельскохозяйственной техники. (По материалам Международной выставки SIMA-2005): научно-аналитический обзор / А.А. Ежевский, В.И. Черноиванов, В.Ф. Федоренко. М. : ФГНУ «Росинформагротех», 2005. 224 с.

13.Яковчик Н.С. Энергоресурсосбережение в сельском хозяйстве /Н.С. Яковчик, А.М. Лапотко. Барановичи: Укруп. тип., 1999. 380 с.

14.Солома как органическое удобрение / М.А. Кадыров и др. // Земляробства і ахова раслін. 2004. № 5. С.26 ?28.

15.Севернев М.М. Временная методика энергетического анализа в сельском хозяйстве / М.М. Севернев. Минск, 1991. 126 с.

16.Ангилеев О.Г. Комплексная утилизация побочной продукции растениеводства / О.Г. Ангилеев. М.: Росагропромиздат, 1990. 160 с.

17.Энергетические балансы сельского хозяйства зарубежных стран / А.В. Тверитин и др.: обзорн. информ. М., 1984. 82 с.

18.Определение энергетической эффективности механизации растениеводства: метод. указ. / Бел. гос. с.-х. акад.; сост. А.В. Клочков, О.С. Клочкова. Горки, 1985. 28 с.

19.Методические рекомендации по определению показателей энергоёмкости производства сельскохозяйственной продукции. М.: ВИЭСХ, 1990.

20.Дашков В.Н. Возобновляемые источники энергии в ресурсосберегающих технологиях АПК: монография / В.Н.Дашков. Барановичи, 2003. 184 с.

21.Naturbelassene biogene Festbrennstofe: umweltrelevante Eigenschaften und Einfussmoglichkeiten/ Bauerisches Staatministerium fur Landesentwicklung und Unweltfragen (ATMLU), September, 2000. 154 s.

22.Итинская Н.И. Топливо, смазочные материалы и технические жидкости / Н.И. Ихтинская. М.: Колос, 1969. 260 с.

23.Справочник по теплоснабжению сельского хозяйства / Л.С.Герасимович и др. Минск: Ураджай, 1993. 368с.

24.Об опыте производства и использования дизельного биотоплива / В.В. Симирский, О.А. Ивашкевич и др. // Энергоматериалосберегающие экологически чистые технологии : тез. конф. Гродно, 2005. С. 18.

25.Особенности рабочего процесса дизелей при применении смесевого биотоплива различного состава / Г.М. Кухаренок и др. // Рапс: масло, белок, биодизель : матер. междунар. науч.-практ. конф. 25?27 сентября 2006 г. Минск: ИВЦ Минфина, 2006. С. 203?207.

26.Scharmer K., Golbs G/ Biodisel Energie- und Umweltbilanz Rapsolmethylecter. Bonn, 1997.

27.Агриматко-96: каталог/А.В. Адась и др. Минск, 2006. 48 с.

Размещено на Allbest.ru