Библиографическое описание:

Семирненко С. Л. Исследование рационального использования соломенной биомассы с целью уменьшения техногенной нагрузки // Молодой ученый. — 2013. — №3. — С. 98-102.

В статье представлены исследования по целесообразности использования в качестве биотоплива соломы озимой пшеницы и внесения образованной золы как удобрения в почву с целью уменьшения вредного влияния на окружающую среду.

In the articles presented of research on expedience of the use in quality of biopropellant of straw of winter wheat and bringing of well-educated ash as fertilizers in soil with the purpose of diminishing of harmful influence on an environment.


Исходя из мирового опыта и концепции развития биоэнергетики в Украине, в статье приводятся исследования по уменьшению техногенной нагрузки за счет использования в качестве топлива соломы и внесения в качестве удобрений образовавшейся золы, а также выбор соломы конкретной культуры для уменьшения внешних отложений на поверхностях нагрева котлов.

Постановка проблемы в общем виде. Высокие цены, которые сохраняются на традиционные энергоносители и усиленные требования к охране окружающей среды обуславливают повышенный интерес производителей и потребителей тепловой и электрической энергии к использованию в качестве топлива возобновляемых источников энергии, в частности, сельскохозяйственной биомассы. Поэтому увеличение использования сельскохозяйственных растительных отходов в энергетических целях приведет к росту объемов золы, а, следовательно, к проблемам загрязнения внешних поверхностей нагрева соломосжигающих котлов и проблемам с утилизацией золы. То есть, экологически чистое топливо будет уменьшать вредные выбросы, в то же время будет происходить нагромождение золы от сжигания данного топлива, которое может составлять экологическую опасность. Кроме того, использование соломы некоторых культур будет способствовать увеличению внешних отложений на поверхностях нагрева котлов, что негативно скажется на их работе и может способствовать увеличению вредных выбросов.

Анализ последних исследований и публикаций. Решение данной проблемы освещалось в ряде работ [1,2,3,4]. Но проведенный анализ литературных источников не указывает на способы образования и удаления золы соломы зерновых культур, а также на выбор соломы в качестве топлива с более высокой температурой размягчения золы.

Формулировка целей статьи (постановка задания). Авторами приводится анализ зольности соломы зерновых культур, состав золы соломы этих культур как удобрения для сельскохозяйственных культур, плавкостные характеристики золы зерновых культур, обосновывается целесообразность использования в качестве топлива соломы озимой пшеницы. Этим решаются важные экологические вопросы: уменьшение внешних отложений на поверхностях нагрева котлов, а, значит, и уменьшение вредных выбросов; уменьшение загрязнения золой окружающей среды; экономические вопросы, связанные с расходами на утилизацию золы; вопросы, связанные с повышением урожайности почв.

Изложение основного материала исследования. В современных условиях, когда применение экологически безопасных технологий земледелия является требованием времени, рациональное использование ресурсов — необходимая составляющая сельскохозяйственной деятельности человека [4].

Сельскохозяйственная биомасса, которая используется в качестве топлива, имеет ряд особенностей, что отличает ее от традиционных энергоресурсов. Твердые остатки сжигания называются внешними отложениями поверхностей нагрева. Загрязнение внешних поверхностей нагрева котлов на соломенном топливе происходит значительно интенсивнее, чем, например, в котлах на газообразном или на жидком легком топливе. Из-за отложений снижается охлаждение газов в котлах, КПД котлов и их тепловая мощность. Внешние отложения поверхностей нагрева котлов на биотопливе будут зависеть как от самой биомассы, так и от режима горения топлива.

Некоторые из характеристик твердого биотоплива, прежде всего внешние (плотность, размеры частиц, специфичность поверхности), через измельчение и уплотнение могут быть изменены, однако его основные топливно-технологические характеристики принято рассматривать как постоянные. Энергетическая ценность соломы зависит от ее влажности, а также от химического состава, который изменяется в зависимости от типа соломы (зерновые, рапс и т. д.) и от условий вегетации растений.

Все твердые топлива из биомассы содержат разные примеси в виде частей негорючих компонентов — золы. Образование золы является нежелательным, поскольку при этом нужна очистка дымовых газов от частиц с последующей утилизацией золы.

Одни частицы золы соломы формируются из частиц почвы и песка, которые оседают на листостебельную массу в процессе роста, уборки и т. п. и попадают вместе с соломой в топку. Другие частицы попадают из почвы в стебли с солями в период вегетации растений. Это, прежде всего, негорючие элементы: Si, Ca, Mg, K, Na, P (табл. 1).

Таблица 1

Содержание негорючих элементов в топливе и золе биомассы [5]

Элементы

Солома озимой пшеницы

Зольность %

5,1

Максимальное содержание в топливе, мг/кг (на сухую массу)

Si

27000

Ca

7000

Mg

3200

K

21000

Na

4800

P

2900

Максимальное содержание в золе, мг/кг (на сухую массу)

Si

30,0

Ca

8,0

Mg

2,7

K

16,0

Na

1,0

P

6,7


Из указанных негорючих элементов наиболее негативно влияют на работу котла соли калия и натрия: приводят к образованию липкой золы, которая вызывает отложения в котле.

Зольность соломы злаковых культур, как и других твердых биотоплив, достаточно низкая (табл. 2). Но несмотря на низкую зольность, ее характеристики плавкости значительно влияют на работу котлов, использующих биотопливо.

Таблица 2

Зольность соломы злаковых культур [4]

Зольность на сухую массу, %

Культуры

Рожь

Пшеница

Ячмень

Овес

Средняя

4,5

5,1

5,2

4,9

5,0


Наибольшей проблемой при сжигании соломы сельскохозяйственных культур, в том числе и в виде брикетов, есть низкая температура плавления золы, которая обуславливает образование золошлаковых агломератов, что препятствуют горению и нормальной работе котлов.

Плавление золы может вызывать ошлакование в топке и возникновение плотных отложений на конвективных поверхностях нагрева, которые значительно будут влиять на КПД котла и на уровень вредных выбросов в продуктах сгорания.

Содержание летучих компонентов в соломе колеблется от 60 до 70 %, это несколько ниже, чем у древесины. В то же время температура плавления золы соломы некоторых зерновых культур может быть значительно ниже, чем золы древесных топлив (табл. 3).

Как видно из табл.3, размягчение золы соломы ржи, овса и ячменя начинается при очень низких температурах (735–8400C), что приводит к спеканию золы, ошлакованию поверхностей, образованию отложений на поверхностях нагрева и др. Это необходимо учитывать при выборе технологии сжигания и наладке режима горения в топке.

Таблица 3

Плавкостные характеристики золы [4]

Вид золы

Температура, 0С

размягчение

образование полусферы

точка растекания

Озимая пшеница

1050

1350

1400

Рожь

840

1150

1330

Ячмень

765

1035

1190

Овес

735

1045

1175

Древесная щепа отходов рубки

1205

1230

1250


Как известно, для энергетических целей целесообразно использовать солому озимых зерновых культур — она имеет меньшее содержание хлора, который приводит к коррозии элементов котлов, кроме того, она не используется для кормления скота.

Так как температура плавления золы озимой пшеницы примерно такая, как и некоторой древесины, и составляет 1050 0С, это еще раз подчеркивает эффективность использования в энергетических целях соломы озимой пшеницы.

Одним из целесообразных способов утилизации золы при сжигании соломы есть использование ее в качестве удобрений. Особенно это актуально при ограниченном внесении в почву органических и минеральных удобрений. То есть, улучшить плодородие почв можно путем внесения золы, которая образовалась в результате сжигания сельскохозяйственных растительных отходов с целью выработки энергии, а именно — соломы озимой пшеницы.

Основными элементами, которые выносятся из почвы при росте сельскохозяйственных растений, есть азот, фосфор и калий. Содержание данных компонентов в золе соломы некоторых культур приведено в табл. 1.

Процесс сжигания соломенной биомассы зависит в значительной мере от вида соломы, ее физико-механических свойств и химического состава.

Всю золу, которая образуется при сгорании соломы, разделяют на зольный остаток и летучую золу (циклонную и фильтрационную). Кроме большого количества питательных веществ, зола имеет в своем составе и опасные для окружающей среды тяжелые металлы, такие как цинк, кадмий. Внесение ее в почву может быть ограниченным и даже нежелательным. Фактическое содержание этих элементов в золе приведено в табл.4.

Таблица 4

Содержание тяжелых металлов в золе (мг/кг) [2, 3]

Вид золы

Hg

Cu

Zn

Cr

Pb

Ni

Cd

Солома пшеничная

0,98

22,7

212

2,1

5,99

5,45

1,195

Среднее значение для соломы злаковых

0,1

30,0

240

2,0

9,0

5,0

2,0


Но проведенные исследования указывают на то, что данные элементы в своем подавляющем большинстве находятся в фильтрационной золе. Это связано с тем, что летучие соединения тяжелых металлов (Cd, Zn) в большинстве испаряющиеся при сгорании топлива, потом осаждаются на поверхности частиц летучей золы. Состав золы в значительной мере зависит не только от вида биомассы, но и от агротехнических факторов, таких как количество осадков, обработка посевов ядохимикатами, внесение удобрений и т. п. Поэтому перед внесением золы в почву необходимо не только проводить анализ почвы, но и анализ самой золы. Величины допустимых значений этих элементов для разных стран несколько отличаются. Средние допустимые значения предельного содержания тяжелых металлов в золе для большинства европейских стран приведены в табл. 5.

Таблица 5

Предельное содержание тяжелых металлов в золе, которая используется в сельском хозяйстве (мг/кг) [3]

Zn

Cu

Pb

Ni

Hg

Zn

Cr

Cd

1000

250

250

100

0,8

4000

2,49

5


Следует заметить также, что при использовании соломы в виде рулонов, тюков и брикетов, в топку попадает и незначительное количество механических примесей, таких как песок и почва. Появление этих примесей является следствием подбирания соломы из валков на поле. Причем, больший процент почвы и песка находится в тюках и рулонах, меньший — в топливных брикетах.

Для уменьшения попадания тяжелых металлов в почву и утилизации механических примесей предлагается внесение в почву в качестве удобрения только зольного остатка и циклонной золы. Из-за низкой концентрации тяжелых металлов в таких видах золы, не будет никаких экологических препятствий относительно ее внесения в почву.

Фильтрационную золу, а ее доля составляет приблизительно 10 %, можно утилизировать путем промышленной переработки при определенных условиях в дорожном строительстве или добавлением в незначительном количестве к органическим удобрениям для последующего внесения в почву при условии недопущения предельного значения.

Количество пригодной для удобрения почвы золы, которая получается при сжигании соломы, следует определять исходя из потребностей растений и почвы в питательных веществах.

Количество золы, которая будет использоваться для удобрения, зависит от условий возделывания почвы, ее состава, внесения дополнительных удобрений, и должна рассчитываться ежегодно по балансу питательных веществ.

Использование золы увеличит значение рН в почве. Поэтому ее целесообразно использовать для кислых почв с целью повышения значения рН.

Калий в золе, который образовывается при сжигании биомассы, ничем не отличается от промышленных удобрений. Наиболее пригодна зола для растений, чувствительных к хлору и способных переносить увеличение рН почвы.

Кроме того, зола, которая получается при сжигании биомассы, может использоваться для удобрения однолетних растений, используемых в качестве источника энергии, с высоким содержанием хлора с целью уменьшения его поглощения сельскохозяйственными растениями.

Фосфор, который образуется в золе при сжигании биомассы, может лишь частично поддерживать стабильный уровень фосфора в почве, так как этот элемент в такой золе есть в незначительном количестве и слабо растворяется в почве. Однако, содержание фосфора в золе соломы выше, чем в золе сожженной древесины. Возобновление недостатка фосфора возможно за счет внесения соответствующих минеральных удобрений.

Внесение такой золы в почву является возможным без дополнительной ее предыдущей обработки. Для этого необходимо ее перемешивание, чтобы обеспечить однородность и загрузку в герметическую тару с целью предотвращения загрязнения окружающей среды мелкой фракцией золы при ее хранении и транспортировке.

Выводы

Как показали исследования, одной из проблем при использовании соломенной биомассы в качестве топлива есть образование внешних отложений на поверхностях нагрева соломосжигающих котлов и золы, а также ее утилизация. То есть, использование экологически чистого топлива будет приводить к уменьшению вредных выбросов, но возможное образование внешних отложений на поверхностях нагрева котлов при сжигании некоторых видов соломы может способствовать уменьшению его КПД и увеличению вредных выбросов. В то же время нагромождение золы от сжигания данного топлива может составлять экологическую опасность. Для решения этих проблем предлагается использование в качестве топлива соломы озимой пшеницы, как такой, которая имеет наивысшую из соломенной биомассы температуру размягчения золы и является наиболее распространенной озимой культурой в Украине. А образованную золу вносить на поля в качестве удобрения.


Литература:

  1. Станковски С. Золошлаки от сжигания биомассы — ценные побочные продукты или отход? / С. Станковски, Г. Мациоровски, М. Гибжинска // Золошлаки ТЭС: удаление, транспорт, переработка, складирование: материалы IV научно-практического семинара, 19–20 апреля 2012 г. / Москва, НИУ МЭИ. — М., 2012. — С. 106–109.

  2. Билинска Е. Я. Возможности утилизации золы биомассы / Е. Я. Билинска, Е. Меллер, С. Станковски // Золошлаки ТЭС: удаление, транспорт, переработка, складирование: материалы III научно-практического семинара, 22–23 апреля 2010 г. / Москва, издательский дом МЭИ. — М., 2010. — С. 105–108.

  3. Утилизация золы котельных, работающих на древесном топливе / Программа развития ООН (ПРООН) Глобальный экологический фонд (ГЭФ) Департамент по энерго- эффективности Государственного Комитета по Стандартизации; [Составитель Норберт Вильдбахер], — Минск, 2007. — 28 с.

  4. Справочник потребителя биотоплива / [Виллу Варес, Юло Каськ, Пеэтер Майсте и др.]; под ред. Виллу Вареса. — Таллин, 2005. -183 с. — ISBN 9985–59–586–6.

  5. Біомаса як паливна сировина / Гелетуха Г. Г., Жовмір М. М., Олійник Е. М., Радченко С. В. // Пром. теплотехніка, — 2011. — т. 33. — № 5. — С. 76–84. -ISSN 0204–3602.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle