Возобн. источн. энерг. Тексты лекций. Курс лекций для студентов специальности энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент Минск 2009 удк620. 9(042. 4)
 Скачать 6.34 Mb.
|
|
Теплота сгорания древесины сильно зависит от влажности и приближенно ее можно определить по формуле Д.И. Менделеева (кДж/кг):   .Высшая теплота сгорания стволовой древесины (теплота сгорания абсолютно сухого топлива) практически не зависит от вида древесины и примерно равна 18,9 МДж/кг. Пересчет теплоты сгорания топлива при изменении его влажности (от  до  ) и зольности (от  до  ) можно произвести по формуле , кДж/кг.Теоретическое количество воздуха необходимого для сжигания 1 кг древесного топлива можно определить по формуле:     В РБ в 1999 г. доля древесного сырья в топливно-энергетическом балансе составляло 1,6%. Причем в стране имеются значительные запасы неиспользуемого древесного сырья. Любые древесные отходы – это биотопливо. Древесные отходы в РБ образуются по всей технологической цепочки работы лесопромышленного комплекса: лесовыращивание – лесозаготовки – лесопиление – деревообработки. В Беларуси средний прирост древесины составляет 25 млн. м3 в год. При этом утилизация прироста древесины составляет около 52% (таблица 3.2.). При этом отходы деревообработки и лесопиления используются практически полностью. В 1999 г. в стране имелось 1,6 млн. м3 древесных отходов образовавшихся при лесопилении и деревообработки. Из них использовано – 1,1 млн. м3, передано населению 0,3 млн. м3, вывезено на свалку 0,2 млн. м3. Неполное использование древесного потенциала объясняется отсутствием переработки отходов лесовыращивания и лесозаготовок. Таблица 3.2 Состав древесины по характеру ее использования, %
Ресурсы лесовыращивания представлены древесиной, заготавливаемой при рубках ухода за лесом, санитарных и прореживающих рубках. Как показывают данные по южной Финляндии за время оборота рубки можно собрать отходов 155–300 м3/га. Эти ресурсы могут составить основу топливного потенциала Беларуси. При этом выполнение в нужном объеме рубок ухода и санитарных рубок сдерживается отсутствием потребителей тонкомерной и некачественной древесины. Это привело к тому, что для Беларуси характерен дефицит спелых лесов. На 2000 г лес РБ имеет следующий состав: молодняки – 36,6%, средневозрастные – 44,3%, приспевающие – 14,2%, спелые – 4,9%. Ресурс лесозаготовок представлен лесным топливом, т.е. тонкомером, ветками и верхушками деревьев, хвоей, пнями. Верхушка и ветки представляют 16–27% биомассы дерева, а корни и пень – 14–15%. Энергосодержание пней составляет 18–19 т. у т./га. Традиционно древесные отходы, получаемые при лесозаготовках, оставлялись в лесу в качестве органического удобрения. При этом перегнивание отходов затягивается на долгие годы (около 10 лет), происходит размножение вредителей и болезней, ухудшение почвы. На самом деле для сохранения органического баланса достаточно, если в почву попадает хвоя, листья, ветки и другие мелкие отходы деревьев. Если отходы рубки перед вывозом предварительно высушить и дать тем самым возможность осыпаться листьям и хвое, то потери минеральных веществ значительно сократятся. Дополнительная возможность компенсации потерь это возврат золы, полученной при сжигании биотоплива, обратно в лес. При использовании отходов лесовыращивания и лесозаготовок имеются значительные трудности: – отходы рассредоточены на больших площадях, их сбор и обработка трудоемки, из-за низкого энергосодержания перевозка отходов на дальние расстоянии не окупается; – отсутствуют технологии с соответствующим набором машин и механизмов для сбора и транспортировки лесосечных отходов. Дополнительным источником топливных ресурсов может быть древесина, вырубленная при раскорчевке или расчистке сельскохозяйственных земель от леса и кустарника (мелеорации) – 0,35 млн. м3, при торфодыбыче и торфопереработке – 0,85 млн. м3. Хорошим видом топлива являются отходы гидролизной переработки древесины – лигнин. В отвалах гидролизных заводов скопилось до 20 млн. тонн лигнина (4 млн.т у.т.). Исходя из выше сказанного имеется следующая классификация древесного топлива: Лесное топливо – кустарник, тонкомер, ветки и верхушки деревьев, хвоя, пни, т.е. все то, что считается некоммерческой древесиной, отходами от лесовыращивания и лесозаготовок. Простое топливо – все виды топлива, для которого дерево или части дерева являются исходным материалом. Примеры: обрезки бревен и досок, опилки, стружки, древесная пыль. Отработанное топливо – это бывшие в употреблении пиломатериалы; сырье идет из строительной и упаковочной промышленности, от разборки деревянных конструкций и изделий. В РБ это сырье вывозится на свалку или используется частными лицами для производства дров для собственных печей. Переработка этого сырья усложнена из-за наличия пропитки, краски и всяких включений (гвозди, бетон, стекло, пластик). Из-за включений его измельчение требует специальных дробилок, повышаются требования к горелочному оборудованию и отходам. Таким образом, использование простого и отработанного топлива относится к утилизации вторичных энергоресурсов. Использование лесного топлива можно отнести к энергетики на возобновляемых источниках. 3.1.5. Отходы сельского хозяйства и животноводства К органическим отходам сельскохозяйственного производства относятся: экскременты животных и растительные материалы (солома, свекольная и картофельная ботва и другие растительные остатки, если они не используются непосредственно в качестве корма). Например, при производстве зерновых на каждую тонну продукта получается около 1,4–1,6 тонн соломы. Одна свинья в год выдает около 1,5 тонн экскрементов, корова – 11 тонн. Энергия растений, идущих на корм животным, используются последними лишь на 30–40%, остальная же часть органического вещества идет в навоз. Навоз, внесенный в почву под воздействием солнца, воздуха и воды, разлагается в аэробных условиях и отдает в атмосферу до 1600 МДж тепла на 1 т свежего навоза. В среднем в составе соломы, лузги подсолнуха и костры льняной содержится: С = 42,5–43,5%, Н2 = 4,9–5,4%, О2 = 34,6–36,9%, N = 0,44–0,5%, S = 0,1–0,16%, минеральных веществ 2,4–6,5%. Влажность этих отходов сельского хозяйства составляет 10–15%, выход летучих 80%, теплота сгорания 12,9–18,1 МДж/кг. Недостатком соломы является содержание хлора Cl = 0,1–0,85%, что сильно влияет на коррозию поверхностей нагрева. Кроме того температура плавления золы соломы ржи, овса и ячменя довольно низкая 735–840С, температура плавления золы соломы пшеницы 1050С. Наибольшая проблема при сжигании соломы – ее низкая плотность, у непрессованной соломы она всего 30–40 кг/м3, что удорожает транспортировку и складирование. Чаще всего солому транспортируют в прессованном виде. При уборке зерновых влажность соломы 30–60%, для сжигания она пригодна при влажности до 20%. Более влажную солому надо просушивать до складирования, это предохранит ее от самонагревания и гниения при хранении. Отходы сельского хозяйства, имеющих влажность менее 15%, можно утилизировать путем сжигания, как и древесную массу. Однако некоторые отходы сельского хозяйства и все отходы животноводства, имеют достаточно высокую влажность (более 50%.). Например влажность навоза крупного рогатого скота – 89%, свиней – 91,5%, кур – 78%. Такие отходы целесообразно подвергать анаэробному брожению или ферментации. Однако следует учитывать, что некоторые органические соединения растений (например, лигнин) и все неорганические составляющие не поддаются сбраживанию. 3.1.6. Энергетическое топливо Энергетическое топливо – топливо, производимое из быстрорастущих деревьев и кустарников, которые выращиваются специально для энергетических целей (например: быстро растущая ива, топинамбур). Предприятие, занимающиеся производством топливной биомассы, называют энергетической фермой (плантацией). Топливную биомассу можно поделить на два вида: котельное топливо (произведенная биомасса утилизируется сжиганием или пиролизом без специальной переработки); моторное топливо (произведенная биомасса перерабатывается выжиманием (экстракцией) с целью получения горючего масла). Весьма перспективными для Беларуси является создание энергетических плантаций на основе быстрорастущих и высокоурожайных растений древесных и кустарниковых пород. По данным Ботанического сада с 1 га земли возможно получение 100–150 тонн растительной массы типа топинамбур. Это означает, что энергетический потенциал 1 га – 10 т у.т. в год. Энергетические плантации могут производиться на выработанных торфяниках (площадь 200 тыс. гектар) и на нерационально используемых площадях в сельскохозяйственном производстве и лесном хозяйстве. В некоторых случаях жидкие разновидности топлив могут быть получены прямо от растений путем экстракции (выжиманием). Более 150 видов растущих в мире растений способны вырабатывать масла. Можно разделить масленичные растения на следующие категории: семена (подсолнечник, лен, рапс, горчица); орехи (фундук, желуди, земляные орехи – 50% содержания масла); плоды (соя, хлопок); листья (рицинус); ствол (смола сосны, ели). Растительные масла являются высокоэнергетическим сырьем – теплота сгорания растительного масла 37 МДж/кг или 34 МДж/л (например, теплота сгорания дизельного топлива, 42 МДж/кг или 34 МДж/л). Растительное масло может быть непосредственно использовано в качестве дизельного топлива в двигателях, оснащенных специальной системой подачи, однако при этом образуется дым и при температуре ниже +20С масло может затвердеть. Добавив в масло 20% метилового или этилового спирта, можно получить прекрасное дизельное топливо (биодизель). Основной целью энергетической фермы могло бы быть исключительно производство топлива, но более выгодно найти наилучшее соотношение между получением полезных продуктов из различных видов биомассы. Наиболее характерным примером энергетической фермы для Беларуси представляет собой предприятие по выращиванию и комплексной переработке рапса с целью получения пищевого масла, биодизеля, глицерина, жмыха (котельного топлива). Достоинства агрохимического способа получения биотоплива: огромные потенциальные запасы; растительное масло не токсично, не огнеопасно, не имеет неприятного запаха, не содержит сернистых соединений; экологичность методов производства топлива, возможность использования бросовых земель; большой опыт выращивания сельскохозяйственных культур. Недостатки – высокая трудоемкость и возможность конкуренции с производством пищевых культур. 3.1.7. Твердые бытовые и промышленные отходы В последние десятилетия во всем мире произошло резкое увеличение объемов образования твердых бытовых отходов. В настоящее время масса потока твердых бытовых отходов, поступающего ежегодно в биосферу, достигла почти геологического масштаба и составляет около 400 млн. тонн в год. Влияние потока твердых бытовых отходов остро сказывается на глобальных геохимических циклах органического углерода. Так, масса этого элемента, поступающего в окружающую среду с отходами, составляет примерно 85 млн. тон в год, в то время как общий естественный приток углерода в почвенный покров планеты составляет лишь 41,4 млн. тонн в год. Основные источники углеродсодержащих отходов в РБ, состав и теплота сгорания приведены в таблице 3.3. Удаление и обезвреживание отходов – наиболее значимый для города неблагоприятный экологический фактор, важнейший показатель санитарного благополучия населения, общественной гигиены. Отходы делятся на бытовые (как правило, твердые) и промышленные (твердые и жидкие). Таблица 3.3 Источники углеродсодержащих отходов
Свойства твердых бытовых отходов, закономерности изменения этих свойств в настоящее время мало изучены. Существующая информация не полна и не систематизирована. Отсутствуют проверенные в производстве технологии обезвреживания большинства токсичных продуктов. До настоящего перерабатываются в основном нейтральные либо малотоксичные отходы. Имеются следующие методы ликвидации твердых отходов: захоронение на полигонах, термическая переработка, сортировка и переработка органического сырья в органическое удобрение (анаэробная переработка.) химические, биологические и физико-химические методы. Жидкие промышленные отходы, как правило, сжигаются. В РБ среди методов ликвидации отходов в настоящее время первое место принадлежит полигонам твердых бытовых отходов, на которые вывозят порядка 90–95% отходов (сжигание составляет не выше 10%). При этом следует понимать, что когда твердые бытовые отходы складируются, то они не обезвреживаются. Полигоны отходов это мины замедленного действия, которые будут действовать десятки лет, нанося огромный экологический и социальный ущерб природной среде и населению. По результатам различных исследований, отмечаются следующие негативные факторы воздействия полигонов отходов на окружающую среду: 1. Сильное поверхностное загрязнение почв на больших территориях, загрязнение подземных вод и грунтов до глубин более 20 м. При этом установлено, что в состав загрязняющих компонентов при многократном превышении предельно допустимых концентраций входят: Co, W, Mo, V, Zr, Pb, Bi, Zn, Li, Sr Fe, Ba, Cr, P, Ti, Ni, нитраты, аммонии, Cl (от 2 до 100 предельно допустимых концентраций) и т. д. Если вблизи полигона твердых бытовых отходов расположены и эксплуатируются артезианские водонапорные скважины, то водяные потоки испытывают постоянное загрязнение фильтратами полигона. 2. Помимо этого на природную среду оказывает влияние выделение биогаза (смеси метана, кислорода, углекислого газа), вызванное биохимическим разложением органического материала. Токсичные выделения биогаза превышают санитарные нормы и могут вызвать удушье человека. Известно довольно много случаев отравлений при техническом обслуживании заглубленных инженерных коммуникаций, которые сопровождались смертельными исходами. Биохимическое разложение и химическое окисление материала свалки может сопровождаться образованием очагов выделения тепла с повышением температур до 75С, т. е. возможно самовозгорание отходов. Частые пожары на полигонах также в основном являются последствием стихийного, бесконтрольного распространения свалочного газа. При накоплении свалочного газа могут формироваться взрыво- и пожароопасные условия в зданиях и сооружениях, расположенных вблизи захоронений твердых бытовых отходов. Гниение твердых бытовых отходов сопровождается распространением запаха на расстояние более 1 км. Свалочной газ является парниковым, газом, который усиливает эффект изменения климата Земли в целом. Западные страны начали активно заниматься переработкой промышленных и твердых бытовых отходов еще в 60-е годы. В течение 10 лет в США, Японии, Германии, Франции и Швейцарии была создана разветвленная инфраструктура по сбору, сортировке и первичной переработке отходов и построены высокопроизводительные мусоросжигательные заводы. В России мусоросжигательные заводы появились только 80-е годы в Москве, Санкт-Петербурге и некоторых других городах. В результате отсутствия первичной сортировки отходов заводы по сжиганию мусора работают эпизодически, объем сжигания не превышает 2% от объема ТБО. В европейских государствах 40% отходов превращают биологической обработкой в органические удобрения, 10% сжигают на мусоросжигательных заводах, 50% отходов захоранивают. Несмотря на разнородность состава твердых бытовых отходов, их можно рассматривать как низкосортное топливо. Термическая переработка твердых бытовых отходов не только их обезвреживает, но и позволяет получать тепловую энергию, а также извлекать имеющийся в них черный металлолом. Сжигание твердых бытовых и промышленных отходов сложно технически и требует дорогостоящей газоочистки. Если отходы содержат более 14% углеводородов, то их рациональнее подвергать термической переработки, получая при этом тепловую энергию, если менее 14% – то для обезвреживания таких отходов лучше использовать химические, биологические или физико-химические методы. Другим направлением утилизации твердых бытовых отходов является сортировки и предварительной подготовки твердых бытовых отходов, а затем анаэробная переработка в органическое удобрение (компост). Однако в РБ не развита система целевого сбора отсортированного и незагрязненного вторичного сырья у населения, что влечет за собой необходимость строительства дополнительного завода по сортировке мусора для разделения и сбора вторичного сырья: пленка, бумага, черные и цветные металлы, стекло. К сожалению, из-за низкой экологической культуры населения в бытовые отходы попадают краски, батарейки, люминисцентные лампы и многое другое, что может привести к перенасыщению компоста тяжелыми металлами и вредными компонентами. |