Чирков Михаил, Калиничева Анастасия,
студенты второго курса инженерного отделения,
специальность «Теплоснабжение и теплотехническое оборудование»
ГАПОУ РК «Петрозаводский техникум городского хозяйства»
Научный руководитель: ,
преподаватель ГАПОУ РК «Петрозаводский техникум
городского хозяйства»
РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМОГО БИОТОПЛИВА В ЖИЛИЩНО - КОММУНАЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ КАРЕЛИИ
Аннотация: статья посвящена традиционно используемым в Карелии привозным видам топлива: углю, мазуту, газу и альтернативному борщевику Сосновского. В работе сделаны расчеты расходов топлива и экономических затрат. Предложена наиболее эффективная технология сжигания топлива.
Целью работы является выбор финансово привлекательной для инвесторов технологии использования возобновляемого топлива.
Ключевые слова: пеллеты, кластерная структура, пиролиз, возобновляемое биотопливо, уголь, борщевик Сосновского, торрефикацированное биотопливо.
В своей работе мы предлагаем эффективную, финансово привлекательную для инвесторов, технологию использования возобновляемого топлива. Она заключается в выборе наиболее привлекательного вида топлива за счет увеличения доли использования местных возобновляемых видов топлива, что соответствует поставленным задачам снижения зависимости энергетики района от привозного топлива, затрат на производство тепловой энергии, увеличения финансовых потоков внутри регионального экономического пространства, улучшению экологии района.
Обоснованием для проведения наиболее рационального режима отопительного сезона мы руководствовались решением, принятым на Климатической конференции ООН в Париже в 2015 г. и развитием технологий по использованию возобновляемых источников энергии.
Для исследования и расчетов была выбрана котельная установка мощностью не более 2,0 МВт (закрытая система теплоснабжения), находящаяся в Медвежьегорском районе (пос. Повенец). Под местным топливом мы понимаем сено (борщевик Сосновского). Под привозным топливом рассматриваем уголь.
Распоряжением Правительства РФ р «Об основных направле-ниях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 года», на период до 2020 года устанавливаются следующие значения целевых показателей объема производства и потребления электрической энергии с использованием возобновляемых источников энергии:
В 2010 году - 1,5 %;
В 2015 году – 2,5 %;
В 2020 году - 4,65 %.
Это Распоряжение служит основанием для развития инфраструктуры для возобновляемого вида топлива (биотоплива) и создания экономических стимулов в Карелии. Переход на частично или полностью используемые местные виды топлива позволит получить не только ощутимый экономический эффект от сокращения расходов на производство тепловой энергии, но и стимулировать экономическую деятельность района.
Ежегодно происходит повышение тарифов на услуги ЖКК в среднем на 10-15 %. Основной составляющей тарифов является топливо. Поэтому мы решили предложить свое решение в пользу возобновляемого биотоплива. Одним из экологически чистых видов топлива являются древесные пеллеты.
Предприятия по выработке биотоплива (пеллет) сориентированы на европейский рынок, местный рынок в этом направлении не привлекателен (небольшие объемы) [2]. Для развития переработки возобновляемого биотоплива необходимо привлечь инвестиционные вложения в производство и получение торрефицированного биотоплива. Это решает сразу несколько проблем:
- Обеспечение рабочими местами. Сбор отходов щепы (например от ЦБК г. Сегежа). Возможность переработки борщевика Сосновского. Снижение затрат на закупку угля.
Для наиболее эффективного использования местных видов топлива необходимо создать кластерную структуру, которая позволит свести к минимуму риск инвесторов за счет регионального внедрения методов управления разработкой и производством новых видов топлива, путем использования временных групп, созданных для разработки, продвижения и внедрения их внутри биоэнергетического кластера.
Функционирование организаций в кластере способствует обмену опытом, информацией и технологиями, налоговыми льготами.
Основой для формирования регионального биоэнергетического кластера может стать достаточный потенциал возобновляемых биоэнергетических ресурсов (древесина энергетического назначения, торф, сено из борщевика Сосновского).
При выборе предприятия необходимо учитывать существенный недостаток биотоплива, а именно, границу применения. Это обусловлено необходимостью стабильных поставок топлива, потому что котельная должна быть «привязана» к конкретному поставщику, и расстояние до поставщика не должно превышать 50-60 км.
Мировая тенденция последних лет показывает, что топливную энергетику необходимо повернуть к возобновляемым видам топлива, применяя новые технологии по получению биотоплива нового поколения.
Развитие новых технологий, таких, как торрефикация возобновляемого вида биотоплива (древесные отходы, переработка сена, торфа), позволяет получить более высокую калорийность топлива по сравнению с прошедшим только механическую переработку (щепа).
Торрефикация – это процесс «мягкого» пиролиза биомассы, нагрева без доступа воздуха, который протекает при температурах 200-320°С и атмосферном давлении в течении 30-90 минут. В процессе торрификации происходит извлечение влаги и летучих веществ, образующихся в ходе частичного разложения цепочек полимеров – целлюлозы и лигнина. Это уменьшает массу сырья на 20-30%, а энергоемкость увеличивает на 10%. Большая потеря массы по сравнению с потерей энергии исходного сырья, приводит к увеличению теплоты сгорания конечного продукта.
Полученный сухой остаток называют «биоуглем», его измельчают и получают гранулы коричневого цвета, которые и принято называть торрефицированными гранулами, у которого теплотворная способность превышает 21-22 МДж/кг (5015-5253 ккал/кг).
Древесные пеллеты по сравнению с углем не уступают по теплоте сгорания, но при этом обладают значительно меньшей зольностью, не содержат вредных веществ и не влияют на парниковый эффект.
Таблица 1
Таблица сравнения химического состава различных видов топлива
Вид топлива | Теплота сгорания, МДж/кг | % серы | % золы | Углекислый газ, кг/ГДж |
Каменный уголь | 15-25 | 1-3 | 10-20 | 60 |
Уголь+солома | 17,5 24,5 | 0,2 | 5 4 | 0 |
Гранулы древесные | 17,5 | 0,1 | 1 | 0 |
Как альтернатива каменному углю, появились современные технологии в виде индустриальных топливных брикетов из отходов лесозаготовки и деревообработки. Помимо производственных отходов древесины мы предлагаем рассмотреть борщевик Сосновского, как солому. В последние годы он занял огромные площади.
Борщевик относится к семейству Сельдерейные (Apiaceae) или Зонтичные (Heracleum)[3]. К почве не требователен, произрастает на одном месте до 20 лет. Цветение борщевика начинается в первой половине июля, созревание семян – июль, августа. Его урожайность ежегодно достигает 2000 ц/га, поэтому необходимо найти ему применение в энергетике. Засушенный борщевик образует солому - легко получаемый и распространенный вид биотоплива.
Заготовка биотоплива начинается с июня. Солома быстро разогревается, но также быстро и остывает. Поэтому ее используют для краткосрочного обогрева. Но ее хорошо использовать в смеси с другими отходами или совместно с углем, который горит намного дольше, тогда получается более дешевое и энергоемкое топливо.
Наша задача - рассмотреть возможность использовать солому в смеси с углем.
Смесь соломы и угля создается следующим образом:
Уголь, поступивший на склад автотранспортом, должен быть смешан с измельченной соломой в бункере верхней подачи угля [1]. При 1 загрузке порции угля (80%), что составит - 392 кг (490 кг/ч*80%) необходимо добавить 20% измельченной соломы, что составит – 98 кг/кг. Процент смешения соломы не должен превышать 37%, так как большее количество приведет к забиванию тракта топливоподачи. Измельчение соломы происходит в измельчителях или скарификаторах, где брикеты соломы разделяются на части, и солома фактически возвращается в свое исходное состояние до длины менее 50 мм. Производительность скарификаторов составляет 15‑1000 кг/ч, скорость вращения – до 30 об/мин.
Тепловой эффект при смешении топлива в процессе горения повышается, снижается недожог топлива, наблюдается значительная экономия топлива, уменьшаются выбросы парниковых газов.
Доставка угля к удаленной котельной поселка Повенец производится автомобильным транспортом. Значительные затраты на закупку и транспортировку топлива снижают эффективность системы топливоснабжения.
Предлагаем рассмотреть результаты проведенных расчетов [3] при сжигании различного вида топлива:
уголь, уголь+солома борщевика Сосновского.Таблица2
Химический состава привозного и местного видов топлива
Вещество | Уголь | Солома Борщевика |
Углерод, С | 50-96 % | 42 % |
Водород, Н | 3-6 % | 5,0 |
Кислород, О | 25 -37 % | 37 % |
Азот, N | 0-2,7 % | 0,45-1,13 % |
Сера, S | До 3,5 % | 0,16% |
Влажность. W | 8 % | Средняя 20 % |
Зольность, А | 23 % | 0,1 |
Из таблицы 2 видно, что возобновляемые виды топлива имеют наименьшие показатели серы, зольности.
Теперь рассмотрим затраты на применение каждого вида топлива в отдельности. В графике представлены суммы расходов на топливо по месяцам отопительного сезона.
Рис.1. График затрат на топливо (тыс. руб)
Рис.2. График расходов топлива (т/г)
Из показателей, представленных на графике 2, видно, что такие месяцы, как сентябрь, октябрь, апрель, май расход топлива незначителен, и работать можно со сниженной нагрузкой.
Мы проанализировали преимущества и недостатки традиционной технологии использования угля и новой технологии – использования смеси двух видов топлива и отметили, что совместное сжигание угля и сломы снижают выбросы углекислого газа, серы и оксидов азота, а выбросы от сжигания угля значительно ухудшают экологию территории.
Таким образом, затраты на топливо можно значительно сократить и при этом не уменьшить энергоемкость топлива, если использовать смесь угля и соломы.
Таблица 2
Преимущества и недостатки выбранных технологий
Технология | Достоинство | Недостаток |
Сжигание угля |
|
|
Сжигание угля и соломы (борщевика Сосновского) |
|
|
Совместное сжигание угля и биомассы для выработки тепловой энергии имеет ряд преимуществ, которые включают в себя следующее:
- использование энергии, выработанной на базе биомассы;
- более высокая эффективность использования располагаемого тепла топлива:
- решается проблема сезонности поставки;
- уменьшается загрязнение атмосферы выбросами оксидов серы, азота, аэрозолей;
- снижается стоимость вырабатываемой энергии;
- сокращается выброс парникового углекислого газа.
Использование в качестве катализатора борщевик Сосновского позволяет повысить тепловой эффект горения, снизить недожог топлива, сэкономить топливо, уменьшить выбросы парниковых газов.
В работе мы рассмотрели использование топлива в более теплые месяцы, когда среднемесячная температура наружного воздуха имеет положительные значения.
Экономный режим выработки тепловой энергии заключается в графике 2 ведения отопительного периода.
Таблица 3
Сравнительная характеристика топлива
Показатель | Уголь | Уголь(80%)+солома(20%) | Экономия |
Теплоемкость, ккал/кг | 5200 | 8950 (5200 +3750) | |
Расход топлива в год, тонн (150 дней) | 2407 | 1411,2 | 995,8 |
Расход топлива в осенне-весенний период, тонн (90 суток) | 940 | 528 | 412 |
Всего расход топлива за отопительный период, т/год | 3347 | 2935 | 1053,8 |
Цена 1 т топлива | 7000 | 6900 Уголь (80%) + Солома(20%) | 100 |
Затраты на топливо, тыс. руб. | 23429 | 20236 | 3193 |
Инвестиционные вложения, тыс. руб. | нет | 2374,5 |
Рассмотренные варианты ведения отопительного периода наглядно показывают, что наиболее экономичным является совместное сжигание угля и соломы, в результате чего экономия составила 3193 тысяч рублей.
Значительно снижается расход угля, а значит, и количество выбросов, затрат на закупку, доставку и потери. Перевод котельных на сжигание возобновляемого вида топлива наиболее привлекательный для вложений инвесторов.
Инвестиционные вложения необходимы для приготовления соломы из борщевика Сосновского и процесса смешения с углем.
Основные затраты требуются на обеспечение сбора, складирования, измельчения, приобретения воздуходувки соломы из борщевика Сосновского и составят 2374,5 тысяч рублей.
Приход природного газа в республику отодвинул развитие возобновляемых видов топлива, таких, как альтернативные источники энергии. Необходимо сделать рынок Карелии наиболее привлекательным для инвесторов.
Список использованных источников:
1. , генеральный директор, к. х.н. -нано», Рижский пр. 26, С. Петербург, Россия *****@***com ,
2. Журнал BIOENERGY №3(40) сентябрь 2016. «Хроника пеллетных заводов». Изд-во Санкт-Петербург 9 линия д.24
3.Эстеркин установки. Курсовое и дипломное проектирование. Учебное пособие для техникумов.- Л; Энергоатомиздат. Ленинградское отд. .1989-280 с, ил.
