(к. т.н., докторант), (магистрант), (студент), (к. т.н., доцент)
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ОТХОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ МАСЛИЧНЫХ И ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР В КАЧЕСТВЕ
АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
г. Краснодар, Кубанский государственный технологический
университет
Основой развития материальной базы современной земной цивилизации является спектр используемых энергоносителей, их доступность и обеспеченность запасами. Рост цен на нефть и исчерпаемость её как природного ресурса породил новый виток развития работ по комплексному использованию растительного сырья в решении проблем производства энергоносителей.
Понимая остроту и актуальность данной проблемы для страны в целом и сельскохозяйственной отрасли в частности, Министр сельского хозяйства РФ А. Гордеев высказал тревогу по поводу нынешнего состояния отрасли, так как сельское хозяйство все меньше и меньше имеет экономический доступ ко многим традиционным видам энергоресурсов. Если 15 лет назад в себестоимости производства зерновых культур доля топлива составляла 3%, то сегодня – 15-16% [1]. Поэтому сельское хозяйство России в первую очередь и напрямую заинтересовано в альтернативных источниках энергии, которые оно само сможет производить, применяя передовые технологии производства альтернативных видов топлива из возобновляемых источников своего производства.
В РФ практически все есть, чтобы начать производство альтернативных источников автомобильных топлив. К сожалению, к 2007 году доля альтернативных источников энергии в России не смогла вырасти до 0,5% от общего его производства, как планировалось, хотя в США она приблизилась к 20%, что равно всему объему производства энергии в России [1].
В сельском хозяйстве РФ получается около 200 млн. т отходов растениеводства. Принято считать, что 1 т биомассы эквивалентна 0,625 т условного топлива. Поэтому переработка растительной биомассы для получения топлива, тепловой и электрической энергии и обеспечение ими сельских потребителей, особенно в труднодоступных и энергодефицитных районах, становится актуальной задачей.
Применение биомассы в натуральном твердом виде связано с рядом проблем, основными из которых являются экология и недостаточная эффективность преобразования и использования энергии сырья. Предварительная переработка биомассы в жидкую и газообразную формы представляется наиболее перспективной. Выработанное из биомассы жидкое и газообразное топливо более универсально, экологически приемлемо и имеет большое энергосодержание по сравнению с сырьем.
Термохимические технологии получения твердого, жидкого и газообразного топлива из различных видов биомассы включают в себя следующие процессы: прямое сжигание, пиролиз, газификацию, синтез.
Среди современных термохимических технологий энергетического использования растительной биомассы пиролиз является наиболее универсальной, которая позволяет получать качественное, экологически безопасное твердое, жидкое и газообразное топливо практически из любого сырья. При этом энергетические затраты на обеспечение термохимического процесса обычно не превышают 5-10% от получаемых энергетических продуктов.
В течение последних двух десятилетий за рубежом интенсивно развивается технология быстрого пиролиза, позволяющая при умеренных температурах 450-550 оС получать до 70-80 % жидкого топлива от массы сухого вещества. Интерес к этому направлению подогревался стремлением разработать аналог жидкого горючего для двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Однако, ввиду существенного отличия физико-химических свойств пиролизной жидкости растительного происхождения от свойств нефтепродуктов, эта задача оказалась намного более сложной в техническом отношении, чем первоначально предполагалось.
Наиболее существенными недостатками бионефти по сравнению с дизельным топливом являются высокая вязкость и невысокая теплотворная способность, обусловленная высоким содержанием воды и кислорода. Этот жидкий энергетический продукт можно применять в качестве котельного топлива. В то же время бионефть, как и любой горючий материал углеводородного происхождения, имеет несомненные экологические преимущества перед нефтепродуктами: она почти не содержит серы; содержание азота, как правило, меньше, чем у нефти.
Немецкими химиками Фишером и Тропшом (1923 г.) была разработана технология прямого синтеза углеводородов (УВ) из синтез-газа. Основное достоинство этого процесса заключается в возможности получения УВ практически из любого углеродсодержащего сырья (угля, торфа, природного газа), в том числе и органических сельскохозяйственных отходов и т. д. Исследование теоретических основ процесса показало, что выход фракций УВ, соответствующих бензиновой (С5-С11) и дизельной (С12-С16) не может превышать 48 и 30% масс.
Особым достоинством продуктов процесса Фишера-Тропша, в отличие от продуктов, полученных из нефти, является практически полное отсутствие в их составе серо- и азотсодержащих соединений и незначительное содержание ароматических УВ, что устраняет образование токсичных оксидов серы и азота при сгорании топлив в двигателях и тем самым решает экологические проблемы моторных топлив.
Наряду с газовыми синтетическими моторными топливами, получаемыми из растительного сырья и отходов наиболее широко разработаны технологии производства низкомолекулярных спиртов — метанола, этанола и др, а также простых эфиров (метил-третбутиловый (МТБЭ), метил-третамиловый (МТАЭ), этил-третбутиловый (ЭТБЭ), диизопропиловый (ДИПЭ) и др.), используемых в качестве альтернативного жидкого горючего топлива или кислородсодержащих добавок (КСД) к топливу.
Однако применение оксигенатных топлив наряду с преимуществами имеет следующие основные недостатки:
- пониженная (почти в 2 раза) по сравнению с углеводородными топливами теплота сгорания, что оказывает отрицательное влияние на мощностные характеристики двигателя;
- низкая энергоплотность спиртов по сравнению с углеводородными топливами (16 МДж/л для метанола и 21 МДж/л для этанола против 32 МДж/л для бензина) приводит к увеличению почти в 2 раза удельного расхода спиртового топлива и требует для обеспечения одинакового запаса хода почти в вдвое большего объема топливного бака.
К положительным качествам метанола и этанола в первую очередь относятся высокие антидетонационные свойства, что позволяет повысить степень сжатия в камере сгорания до 12 — 14 и снизить удельный расход энергии на единицу мощности (повысить кпд двигателя). При использовании спиртовых топлив снижается содержание токсичных веществ в отработавших газах. При практически одинаковых антидетонационных свойствах метанола, этанола, МТБЭ и ТАМЭ наиболее эффективной добавкой в отношении снижения эмиссии СО, СН и NОх является метанол. Использование метанола требует существенного переоборудования двигателя и топливной системы. Наряду с отмеченными недостатками широкому использованию метанола в качестве моторного топлива или его компонентов препятствуют экономические показатели его производства.
Несмотря на более высокую стоимость по сравнению с метиловым спиртом, в США этанол используется в качестве моторного топлива в значительно больших объемах. Это обстоятельство обусловлено следующими преимуществами этанола:
- более высокая теплотворная способность — на 35% выше таковой для метанола;
- лучшая растворимость в бензине;
- меньшая коррозионная агрессивность по отношению к резинотехническим изделиям и металлам;
- значительно меньшая токсичность (содержание оксидов углерода уменьшается на 25-39%, оксидов азота – на 30%, канцерогенов - на 50%, летучих органических соединений – на 30%).
Этанол получают в основном из сельскохозяйственных продуктов. В большинстве случаев он вырабатывается из крахмала, полученного из ржи, сорго, кукурузы и пшеницы. Этанол можно изготовлять из промышленных отходов, полученных при производстве пищевых продуктов и напитков. Для его производства можно использовать целлюлозу, которая содержится в древесине, соломе, рисовой шелухе и просе. Таким образом, выработка этанола способна значительно поднять уровень сельского хозяйства, экономику и улучшить окружающую среду. В промышленности этанол получают несколькими способами, в том числе:
- гидролизом непищевого растительного сырья – гидролизный этанол;
- ферментативной переработкой пищевого растительного сырья – пищевой этанол.
Потенциальный рынок в России по биоэтанолу составляет в настоящее время более 3,6 млн. т.
В Южном Федеральном округе, где имеются большие ресурсы пищевых и сельскохозяйственных отходов, в свое время был построен гидролизный завод в г. Краснодаре, который в настоящее время требует своей реанимации, с тем, чтобы можно было использовать его производственные мощности по прямому назначению, имеющему общегосударственное значение. Благоприятным фактором для возрождения гидролизного производства именно в г. Краснодаре на базе существующего гидролизного завода является наличие на территории Краснодарского края целой сети крупных, средних и мелких нефтеперерабатывающих заводов. Перевод Краснодарского гидролизного завода на выпуск топливного этанола обеспечит полную загрузку производственных мощностей, что также решит социальную проблему занятости населения, открытия новых рабочих мест, поступлений в бюджет края, города и т. д. Существующая законодательная база и соотношение цен на спирт и товарный бензин, по нашему мнению, - временное организационное препятствие, которое должно быть и будет решено на государственном уровне, ввиду неоспоримой экономической, социальной и экологической целесообразности производства отечественного топлива нового поколения, так как это приведет к росту ВВП, созданию рабочих мест, особенно в депрессивных сельских регионах, росту доходов фермеров, оживлению местной экономики, дополнительным местным и федеральным налогам, контролю цен на бензин, а также экологизации топлива и окружающей среды в мегаполисах и т. д.
Сбраживанием продуктов гидролиза целлюлозосодержащего сырья получают так называемый гидролизный этанол. В России такой спирт вырабатывается по ГОСТ 18300 на гидролизных и биохимических предприятиях. При получении этанола из пищевого сырья используются такие растительные продукты, как зерно, картофель, сахарный тростник, кукуруза и др., а также отходы производства, содержащие крахмал и углеводы. Сущность метода заключается в сбраживании этих продуктов при помощи бактерий, перерабатывающих углеводы в этанол. Соотношение себестоимости гидролизного и ферментативного этанолов – 1,2:1,0.
Необходимо отметить, что чистый этанол крепостью 95% и более используется в качестве моторного топлива в сравнительно небольших объемах. Наиболее широко применяются различные смеси бензина с этанолом, содержащие от 5-10% до 85-95 % этанола. Широкое внимание к этанолсодержащему бензину в настоящее время обусловлено в основном экологическими проблемами, так как исследования показали, что использование топлива Е85 позволяет снизить выбросы газов, вызывающие парниковый эффект, на 37% (для Е10 только на 4%).
Наиболее технологичным, хотя и далеко не единственным видом твердого биотоплива, являются топливные гранулы, которые можно изготавливать из самых разных видов биомассы. Первый экспериментальный завод по производству топливных гранул в России был построен в 2001 году не далеко от Санкт-Петербурга. К настоящему времени успешно функционирует более 200 биотопливных заводов. На сегодняшний день средняя производительность одного биотопливного завода составляет около 500 т в месяц, что составляет примерно 30% от средней номинальной производительности [2]. Поэтому поиск новых видов сырья и разработка технологии производства твердого гранулированного топлива на их основе с учетом требований российского потребителя является задачей настоящей работы. К сожалению, в России традиционно недооценивался потенциал этого вида энергоносителей. Из-за дешевизны и кажущейся бесконечности ископаемого топлива российские энергетики только в последние годы начали обращать свое внимание на очевидные факты, подтверждающие преимущества использования биотоплива: во-первых, низкая стоимость топливной составляющей, во-вторых, независимость от сетей и автономность, в-третьих, экологическая чистота, в-четвертых, решение проблем утилизации отходов биологического происхождения.
Сырьем для производства твердого биотоплива – топливных гранул (пеллет) могут быть не только древесные отходы лесозаготовки, но и отходы сельскохозяйственных культур: солома, лузга подсолнечника, отходы кукурузы, крупяного производства и т. п.
Южный Федеральный округ располагает 36% общероссийских запасов соломы и отходов АПК. Однако во всем ЮФО имеется только один завод по переработке соломы в топливные пелеты, который расположен в Ростовской области. Стоимость одной линии для производства пеллет – около 3 млн. руб., окупаемость – 2,5-3 года [2]. Кроме того, в Ростовской области на маслоэкстракционных заводах в Миллерово и Морозовске для удовлетворения энергетических потребностей производства в топках котлов сжигают подсолнечную лузгу. Себестоимость энергии, получаемой таким способом, не превышает 69 коп/кВт·час (рыночная цена – 2,4-2,6 руб.). Таким образом, использование топлива из растительных отходов позволяет значительно снизить себестоимость продукции. Сравнительная характеристика различных видов биотоплива представлена в таблице 1.
Таблица 1. Сравнительная характеристика различных видов биотоплива [2]
Биотопливо | Теплота сгорания, кВт ч/кг | Зольность, % | Содержание азота, % | Содержание хлора, % | Содержание серы, % |
Злаковая солома | 4,78 | 5,68 | 0,47 | 2,503 | 737 |
Рапсовая солома | 4,76 | 6,20 | 0,84 | 4,668 | 2,703 |
Целое злаковое растение | 4,76 | 4,24 | 1,16 | 1,807 | 1,370 |
Злаковые зерна | 4,72 | 2,26 | 1,96 | 660 | 1,050 |
Рапсовые зерна | 7,35 | 4,60 | 3,94 | - | 1,000 |
Сено | 4,83 | 5,71 | 1,14 | 3,112 | 1,581 |
Луговое сено | 4,74 | 7,09 | 1,26 | 7,588 | 1650 |
Хвойная древесина | 5,23 | 0,79 | 0,14 | 87 | 234 |
Лиственная древесина | 5,11 | 0,55 | 0,49 | 163 | 402 |
В качестве объектов растительных отходов сельскохозяйственного производства на данном этапе исследований были выбраны подсолнечная лузга и стержни кукурузных початков, как наиболее характерные для Краснодарского края и Юга России, объемные по своей массе, и ценные биосырьевые энергоресурсы. Подсолнечная лузга и стержни кукурузных початков рассматривались с точки зрения использования их в качестве сырья для производства биотоплива или других товарных продуктов с учетом специфики обстоятельств и условий, характерных для Юга России и Краснодарского края, а также как сырья транспортируемого в другие регионы. С этой целью были исследованы специфические свойства данных продуктов важные для транспортировки и производства. Результаты исследований физико-механических свойств подсолнечной лузги и измельченных стержней кукурузных початков представлены в таблице 2.
Таблица 2. Физико-механические свойства лузги подсолнечных семян и измельченных стержней кукурузных початков
Наименование показателя | Плодовая оболочка (лузга) семян подсолнечника | Стержни кукурузных початков (измельченные) |
Объемная масса, г/м3 | 90-150 | 210-250 |
Угол естественного откоса, град | 37-50 | 40-50 |
Угол трения покоя, град: - по стали (железу) | 23-26 | 30-35 |
Коэффициент трения покоя: - по стали (железу) | 0,439-0,442 | 0,520-0,720 |
Результаты исследования свидетельствуют о том, что подсолнечная лузга имеет очень низкие значения объемной массы. С целью увеличения объемной массы подсолнечной лузги были проведены исследования с различной степенью измельченности отобранных образцов в спокойном наполнении и при уплотнении вибрацией. Результаты исследований объемной массы подсолнечной лузги в зависимости от вибраций и степени измельчения представлены в таблице 3.
Таблица 3. Изменение объемной массы лузги подсолнечника в зависимости от вибраций и степени измельчения
Степень измельчения | Объемная масса при спокойном наполнении сосуда, кг/м3 | Объемная масса при уплотнении вибрацией, кг/м3 | ||||
миним. | макс. | средн. | миним. | макс. | средн. | |
Неизмельченная лузга | 77 | 108 | 82 | 86 | 120 | 103 |
Измельченная до Д=0,6 мм | 329 | 367 | 348 | 435 | 463 | 449 |
Измельченная до Д=0,25 мм | 352 | 443 | 398 | 510 | 585 | 548 |
Результаты проведенных исследований показали, что за счет измельчения и вибрации можно повысить объемную массу примерно в 4-5 раз в зависимости от степени измельчения или уплотнения вибрацией измельченного материала.
Из анализа ранее представленных литературных данных известно, что подсолнечная лузга и стержни кукурузных початков характеризуются высоким содержанием веществ, извлекаемых органическими растворителями - «сырого жира», а также азотистых, минеральных веществ и клетчатки. Результаты исследований свойств образцов от производственных партий данных видов отходов представлены в таблице 4.
Таблица 4. Химический состав лузги полсолнечника и стержней кукурузных початков (% на абсолютно сухое вещество)
Наименование показателя | Лузга подсолнечника | Стержни кукурузных початков |
Сырой жир | 3,42 | 0,99 |
Сырая клетчатка | 59,6 | 64,1 |
Сырой протеин (Nх6,25) | 1,88 | 2,42 |
Сырая зола | 2,77 | 1,46 |
БЭВ | 30,4 | 29,8 |
Как видно из представленных данных, подсолнечная лузга и стержни кукурузных початков обладают низкой кормовой ценностью, поэтому их целесообразно использовать с учетом химического состава как химическое сырье с высоким содержанием клетчатки. С этой целью была определена теплотворная способность и выход фурфурола при её использовании как сырья для производства. Результаты проведенных исследований представлены в таблице 5.
Таблица 5. Теплотворная способность и выход фурфурола
Наименование показателя | Единицы измерения | Величина |
Теплотворная способность - максимальная - минимальная | кДж/кг | 17877 16412 |
Выход фурфурола из абсолютно сухой массы | % | 17,2 |
Сравнивая полученные данные теплотворной способности отходов с теплотворной способностью известных топлив можно сказать, что теплотворная способность данных видов отходов аналогична теплотворной способности дубовых дров. Поэтому весьма перспективно было бы использовать данные отходы в качестве обычного печного топлива. Однако, учитывая установленную нами низкую объемную массу следует разработать методы компактирования данного вида топливного сырья.
Результаты исследования химического состава золы после сжигания представлены в таблице 6.
Таблица 6. Химический состав остатка после сжигания лузги подсолнечника
Название элемента | Содержание, % |
Калий | 24,39 |
Кальций | 11,85-14,14 |
Кремний | 3,27-6,40 |
Магний | 5,61-9,05 |
Натрий | 0,42 |
Сера | 0,62 |
Углерод | 2,99 |
Фосфор | 2,44 |
Анализируя данные, представленные в таблице 6, следует, что по минеральному составу остаток в наибольшей степени обогащен калием, кальцием и магнием и может в дальнейшем использоваться как минеральное удобрение.
Таким образом, использование альтернативного биотоплива из отходов сельского хозяйства позволит создать экологически чистое, безотходное производство, снизить себестоимость продукции, экономически эффективно использовать растительные отходы, экономно расходовать бюджетные средства, выделяемые на закупку топлива, а также развивать малый бизнес и создать рабочие места.
Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы.
Список литературы
1. Офицеров растительного сырья и газа в решении проблемы энергопотребления // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья : материалы III Всероссийской конференции. Барна7. Кн. 3. С. 192-195.
2. Биоэнергетика в России: точки роста // Твердые бытовые отходы. URL: http://www. solidwaste. ru/publ/view/175.html (дата обращения 26.08.2009).
