Солома как энергетическое топливо: возможные решения проблем, возникающих при производстве и сжигании гранулированной соломы и других отходов растениеводства

В 2007 г. администрацией Ростовской области было поддержано наше предложение о строительстве пилотной линии по производству гранул из соломы в одном из районов области, в котором в обозримом будущем не планировалась газификация. К таким регионам относятся восточные районы Ростовской области, граничащие с республикой Калмыкия и Волгоградской областью. Сельское хозяйство в районах представлено овцеводством и выращиванием зерновых культур. По данным районного управления сельского хозяйства, в одном только Заветнинском районе (Ростовская обл.) под озимыми занято было в 2006 г. 34568 га земли (в коллективных хозяйствах 21571 га). Причем площадь земель, занятых под озимыми в районе, за последние 7 лет имеет тенденцию к увеличению. Урожайность озимых в районе невысокая (из-за сложных климатических условий), но в последние годы возросла более чем в 1, 5 раза. Валовый сбор соломы озимых в 2006 г. составил 56 тыс. т и в среднем за 20002006 гг. составил 46, 7 тыс. т в год. В коллективных хозяйствах валовый сбор озимой соломы в 2006 г. составил 36 тыс. т, а в среднем за 7 лет - 31, 1 тыс. т в год. На 6-8 тыс. га озимые убираются с измельчением для поддержания плодородия почвы. Для нужд животноводства в районе используется 15-18 тыс. т соломы в основном яровых культур. Валовый сбор соломы яровых составил в 2006 г. 38 тыс. т. Таким образом, в 2006 г. невостребованными оказались около 40 тыс. т соломы озимых. В среднем за 2000-2006 гг. ежегодно оставались невостребованными и сжигались на полях около 28 тыс. т соломы озимых. В случае получения положительного результата при реализации проекта планировалось на первом этапе заменить 50% угля, сжигаемого в муниципальных котельных района, а в дальнейшем увеличить производство соломенных гранул до 12 тыс. т в год, чтобы полностью заменить ими уголь как в муниципальной энергетике, так и в быту. При этом надо иметь в виду, что расчетная стоимость гранул из соломы составляет 12002500 руб./т (в зависимости от стоимости соломы, электроэнергии, рабочей силы и т.п.), а стоимость угля - 5500 руб./т (в ценах 2009 г.). С учетом того, что теплотворная способность угля, применяемого в Заветинском районе, не более, чем на 30% выше теплотворной способности соломенных гранул, преимущества от использования последних очевидны.

Из-за ограниченности в финансовых ресурсах для производства соломенных гранул было выбрано относительно недорогое оборудование, выпускаемое одной из отечественных компаний. Оборудование включало стандартный набор, состоящий из дробилки соломенной сечки типа ДКР-3, бункера-накопителя соломенной муки, гранулятора ОГМ-0, 8 с дозатором и смесителем, транспортера готовых гранул, колонки охлаждения со столом рассева, нории для транспортирования гранул в бункер готовой продукции.

Планировалось, что солома будет заготавливаться в виде тюков диаметром 145 мм и длиной 140 мм и измельчаться в сечку с помощью измельчителя ИКР-145. Однако, оказалось, что использовать указанный измельчитель невозможно, т.к. получаемая сечка имела длину до 200 мм, что затрудняло загрузку сечки в дробилку и резко снижало производительность установки. В основном эти сложности обуславливались климатическими условиями, в которых выращиваются зерновые в Заветинском районе. С середины апреля по конец октября в районе устанавливается засушливая жаркая погода со средней температурой воздуха в летние месяцы (в период уборки) 35-45 ^ОС. Стебель зерна имеет длину 150-250 мм, влажность соломы падает до 4%. В таких условиях очень трудно получить плотные тюки соломы: насыпная плотность соломы в тюках в среднем составляет 88 кг/м³. При измельчении в ИРК-145 такой тюк расслаивается, более короткие стебли соломы проскакивают через ножи измельчителя практически в нетронутом виде.

По нашей просьбе фирма-производитель разработала и изготовила измельчитель рулонов соломы принципиально новой конструкции, который позволял не только измельчать солому в сечку длиной до 50 мм, но тонко регулировать производительность, чтобы можно было совместить его работу с работой дробилки ДКР-3. Был разработан специальный переход между дробилкой и измельчителем, обеспечивающий перемещение материала во взвешенном состоянии. Таким образом, была решена проблема измельчения соломы при исходной влажности материала не более 20%.

Сложности возникли также с процессом гранулирования соломы. Из-за малого содержания лигнина в соломе было трудно на первом этапе регулировать влажность соломенной муки для получения качественных гранул. От обработки соломы паром решено было отказаться ввиду больших энергозатрат, а обработка соломенной муки водой давала малый эффект. Было решено отказаться от отработки соломенной муки паром или водой, а получать качественные гранулы за счет увеличения степени сжатия муки в матрице гранулятора. Была применена специальная матрица с двухступенчатой фильерой, гранулятор ОГМ-0, 8 был заменен на гранулятор ОГМ-1, 5, на главный привод которого был установлен электродвигатель мощностью 110 кВт. В результате были получены очень качественные гранулы с блестящей поверхностью. Была достигнута производительность линии 600-700 кг/ч при влажности соломы от 7 до 20%. При этом было отмечено, что хорошо гранулируется не только свежеубранная солома, но и солома урожая 2-3-летней давности при отсутствии в тюках кусков гнилой соломы. Линия была введена в эксплуатацию осенью 2009 г. Внешний вид линии приведен на рис. 3.

Произведенные соломенные гранулы будут сжигаться в котлах нашей конструкции, в которых реализуется технология сжигания гранул из соломы, лузги проса, риса и подобных отходов в кипящем слое, который формируют сами гранулы и твердые продукты их горения (частицы коксового остатка и золы).

При сжигании в таком слое зола, образующаяся при горении гранул, постоянно измельчается тяжелыми гранулами, постоянно поступающими в слой. Мелкие частицы золы уносятся из слоя из-за высоких скоростей газов в слое, которые нужны для поддержания во взвешенном состоянии тяжелых гранул. Это препятствует накоплению в слое соединений калия (накопление в слое соединений калия является главной причиной образования золошлаковых агломератов).

Кроме того, даже если такие агломераты и образуются, они сразу же разрушаются постоянно движущимися тяжелыми гранулами.

Котлы нашей конструкции (рис. 4) имеют мощность 200, 300, 500 и 1000 кВт и КПД при сжигании гранул, произведенных из отходов растениеводства, не ниже 85%.

Исследования, проведенные нами, показали, что при сжигании биогранул, в том числе изготовленных из отходов растениеводства, в кипящем слое, сформированном самими гранулами, частицами их коксового остатка и золой, температура слоя достигает 1000-1100 ^ОС, что достаточно для воспламенения и устойчивого горения коксового остатка; движущиеся частицы постоянно разрушают образующиеся в слое золошлаковые агломераты, поэтому очаговый остаток имеет порошкообразную структуру (рис. 5). Поэтому при сжигании по предложенному способу гранул из соломы потери от механической неполноты сжигания составляют 7, 94%, тогда, как при сжигании в обычном гранульном котле «Pelling-27» (Чехия) в плотном слое движущихся гранул - 36, 44%, при сжигании гранул из лузги проса, соответственно - 15, 76% и 30, 12%, гранул из лузги риса - 10, 07% и 43, 02%, гранул из лузги подсолнечника - 4, 96% и 12, 46%.

Работа выполняется по контракту с Федеральным агентством по науке и инновациям России 02.516.11.6199.

Литература

1. Ronnback M., Johansson M., Claesson F. Combustion test in residential burners of pellets from new ash rich biomass // Proceeding on European Pellets Conferences, Wels, Austria, 2009.

2. Kiesewalter S., Rohricht C. Pelletierung von Stroh und Heu // In Proceeding on European Pellets Conferences, Wels, Austria, 2004, pp. 283-296.

Размещено на Allbest.ru