Оценка и прогноз потенциала твердого топлива

Оценка и прогноз потенциала твердого топлива

 

 

Твердое биотопливо, которое включает в себя солому зерновых, зернобобовых и технических культур, стебли кукурузы, подсолнечника, а также отходы древесины, является возобновляемым сырьем. Количество соломы напрямую зависит от валового сбора урожая сельскохозяйственных культур, который во многом определяется погодно-климатическими условиями, структурой посевных площадей и т.д. В то же время для прогнозирования развития биоэнергетики необходимо знание потенциала твердого биотоплива и характер его изменения. Существующие методики оценки базируются на трех основных видах потенциала биомассы – теоретическом, техническом и экономическом, между которыми иногда нет четких границ, в результате чего оценки потенциала существенно отличаются. В статье приводится уточнение известных методик расчетов потенциалов биомассы, направленное на определение единого энергетического потенциала биотоплива. Для достижения поставленной цели в настоящей работе применен ресурсно-ориентированный подход оценки энергетического потенциала твердой биомассы на основании статистических данных по валовому сбору сельскохозяйственных культур, представляющих интерес для производства биотоплива, а также по объему заготовки леса в стране за период 1990-2010 годов.

 Энергетический потенциал  растительных отходов. Объемы  растительных отходов слагаются  из отходов, получаемых в результате  сбора урожая зерновых и технических  культур, первичной переработки  подсолнечника, а также объемов  энергетических растений. Главнейшим  источником топливных отходов  сельскохозяйственных растений, в  первую очередь, являются зерновые  культуры и, во вторую очередь,  – технические. Среди отходов  этих культур доминирующее положение  по ежегодным сборам принадлежит  соломе. Наиболее точно оценить  количество растительных отходов  можно, используя официальные  статистические данные по валовому  сбору урожая зерна. Тогда количество  отходов находится из зависимости

 

                             В_от = В_зер ∙ К_от ,                                                                       (1)       

                                                                                                     

где В_от – количество растительных отходов; В_зе – количество зерна; К_от – коэффициент отходов. Коэффициент отходов является безразмерной величиной и определяет выход соломы или стеблей растений в зависимости от количества зерна.

Как известно, часть соломы пшеницы, ячменя, овса используется для  содержания скота, а солома, например, гречихи, рапса не применяется в  животноводстве. Поэтому для оценки части отходов, которые могут  быть использованы в качестве топлива  для производства энергии, применим коэффициент энергетического использования  растительных отходов К_эн. Для учета потерь, возникающих при сборе и транспортировке соломы, введем коэффициент К_п.  Тогда количество отходов, доступных для производства топлива, определим из выражения

 

В_эн = В_зер × К_от × (1-К_п) × К_эн,                                                             (2)

                                                                                                    

Коэффициенты К_от,  К_n и К_эн были определены нами в результате обработки фактических данных по валовому сбору зерна и соломы в различных регионах страны.

 

В таблице 1 приведены значения указанных коэффициентов.

 

 

 

 

Таблица 1

Значение коэффициентов  для основных растительных отходов

№	Наименование культуры и  отходов	Коэффициенты
			отходов, Кот	потерь, Кп	энергетического использования, Кэн
1.	Солома зерновых и зернобобовых	1,0	0,1	0,7
2.	Солома рапса	1,8	0,1	1,0
3.	Солома сои	1,3	0,1	1,0
4.	Кукуруза (стебли)	1,2	0,25	1,0
5.	Подсолнечник (стебли)	3,5	0,3	1,0
6.	Подсолнечник (лузга)	0,18	0,1	1,0

 

 

Для расчета количества растительных отходов по формуле (2) использованы официальные статистические данные по валовому сбору зерна.

 

Таблица 2

Результаты расчетов

	годы
	1990	1995	2000	2005	2006	2007	2008	2009	2010
Валовой сбор зерна, Взер, тыс.т
Зерновые и зернобобовые*	46272,2	30538	20610,9	30848,	27832,7	21873,8	41843,3	35542	27317,9
Рапс	130,2	39,8	131,8	284,8	605,7	1047,4	2872,8	1279,3	1469,7
Соя	99,3	22,3	64,4	612,6	889,6	722,6	812,8	1043,5	1680,2
Кукуруза	4736,8	3391,8	3848,1	7166,6	6425,6	7421,1	11446,8	10486,3	11953
Подсолнечник	2570,8	2859,9	3457,4	4706,1	5324,3	4174,4	6526,2	6364	6771,5
Количество растительных отходов, Вэн, тыс.т
Солома зерновых и зернобобовых*	29151,5	19238,9	12984,8	19435,4	17534,6	13780,5	26361,3	22391	17210,3
Солома рапса	210,9	54,9	83	461,4	981,2	1696,8	4653,9	3034,7	2380,9
Солома сои	116,2	26,1	75,3	716,7	1040,8	845,4	951	1220,9	1965,8
Кукуруза (стебли)	4263,1	3052,6	3463,3	6449,9	5783	6679	10302,1	9437,7	10757,7
Подсолнечник (стебли)	6298,5	7006,7	8470,6	11529,9	13444,4	10227,3	15989,2	15591,8	16590,8
Подсолнечник (лузга)	416,5	463,3	560,1	762,4	862,5	676,3	1057,2	1031	1097
всего	40456,7	29842,5	25637,2	39355,7	39646,5	33905,3	59314,7	52707,1	50001,9

*без кукурузы

Пример расчета количества отходов соломы рапса  за год по формуле (2):

 

В_эн = В_зер × К_от × (1-К_п) × К_эн = 2872,8 × 1,8 × (1-0,1) × 1,0 = 4653,9 тыс.т

 

 

 

 

Энергетический потенциал  растительных отходов определяется по выражению

 

П_эн = В_эн ×

/ 7000, кг у. т.,                                                            (3)

 

где – низшая теплота сгорания рабочего топлива из растительных отходов, ккал/кг; 7000 ккал – теплотворная способность 1 кг условного топлива.

Так как  зависит от влажности отходов, то значения принимались по литературным данным для воздушно-сухих отходов влажностью 18-20%. Солома зерновых и зернобобовых культур =3000 ккал/ кг; рапса – 3660; сои – 3800; стебли кукурузы – 3270; стебли подсолнечника – 3200; лузга подсолнечника – 3750 ккал/кг.

       

 Таблица 3

Результаты расчета энергетического  потенциала

Годы	Количество условного  топлива Пэн, тыс.т.у.т.
	Зерновые и зернобобовые*	рапс	соя	кукуруза	Подсолнечник		всего
					стебли	лузга
1990	12493,5	110,2	63,1	1991,5	2879,3	223,1	17760,7
1995	8245,2	28,7	14,2	1426,0	3203,0	248,2	13165,3
2000	5564,9	43,4	40,9	1617,8	3872,3	300,0	11439,3
2005	8329,4	241,2	389,1	3013,0	5270,8	408,4	17651,9
2006	7514,8	513,0	565,0	2701,5	6146,0	462,1	17902,4
2007	5905,9	887,2	458,9	3120,0	4675,3	362,3	15409,6
2008	11297,7	2433,3	516,2	4812,5	7309,3	566,4	26935,4
2009	9595,7	1586,7	662,7	4408,7	7127,7	552,3	23933,8
2010	7375,8	1244,9	1067,1	5025,4	7584,1	587,7	22885,0
Среднегодовое	8480,3	787,6	419,7	3124,0	5340,9	412,3	18564,8

 

          *без кукурузы

Пример расчета энергетического потенциала соломы рапса за 2008 год по формуле (3)

 

П_эн =

 

Как видно из таблицы 3, наибольший энергетический потенциал растительных отходов был в 2008 г и составил почти 27 млн. т у. т.

Энергетический  потенциал отходов древесины. В процессе вырубки деревьев в лесу, распиловки бревен на пиломатериалы и изготовления изделий из них образуются древесные отходы. На рисунке 1 представлена схема образования древесных отходов.

Рисунок 1. Номенкулатура древесных отходов лесопиления и деревообработки

Как следует из рис. 1, около 29% древесных отходов образуется во время распиловки бревен на пиломатериалы. Вторая часть отходов древесины, примерно 65% от объема пиломатериалов, образуется на мебельных фабриках. Технологии лесопиления и дере-вообработки постоянно совершенствуются, в результате чего уменьшается объем отходов, поэтому принято, что объем древесных отходов составляет 40% от объемов заготовки древесины. Статистические данные об объемах заготовки древесины могут служить базой для определения реального объема отходов.

Известно, что при заготовке деловой древесины в лесу остаются верхушки, ветви и сучья толщиной 20 - 70 мм, количество которых оценивается примерно 10% от заготовленного леса. Поэтому общий коэффициент отходов древесины К_др будет составлять ≈0,5 от объема заготовки леса. Для перехода к весу древесины ее средняя плотность принята ρ_др=0,61 т/ м³.

Теплотворная способность  древесины существенно зависит от ее влажности. Принято, что влажность заготавливаемой древесины составляет 50%, а низшая теплотворная способность 2010 ккал/кг. На основании принятых допущений определим тепловой эквивалент древесины как отношение ее низшей теплотворной способности к теплотворной способности условного топлива (7000 ккал/кг):

 

                                                                (4)

 

Таким образом, 1 т сырой древесины замещает 0,29 т условного топлива. Энергетический потенциал отходов древесины определяется по выражению

 

П_др = В_др × К_{др ×} r_др × Е_{т, ,} т.у.т.                                                                  (5)

 

где В_др– объем заготовки древесины, м³

 

В таблице 4 представлены данные об объемах заготовки древесины , количества отходов и количества условного топлива.

 

 

 

 

 

Таблица 4

Количество условного  топлива из отходов древесины

Годы	Заготовка древесины, тыс. м3	Посадка леса, тыс. га	Количество отходов		Количество условного  топлива, тыс. т
			тыс. м3	тыс. т
1990	12642,0	37,5	6321,0	3855,8	1118,2
1991	10833,0	33,7	5416,5	3304,1	958,2
1992	10183,0	31,9	5091,5	3105,8	900,7
1993	9649,0	29,7	4824,5	2942,9	853,5
1994	9959,0	33,1	4979,5	3037,5	880,9
1995	9741,0	38,4	4870,5	2971,0	861,6
1996	9176,0	38,5	4588,0	2798,7	811,6
1997	10597,0	38,5	5298,5	3232,1	937,3
1998	10548,7	36,7	5274,35	3217,4	933,0
1999	10308,7	38,6	5154,35	3144,1	911,8
2000	11261,7	37,8	5630,85	3434,8	996,1
2001	12022,3	42,6	6011,15	3666,8	1063,4
2002	12826,8	45,9	6413,4	3912,2	1134,5
2003	15953,3	48,3	7976,65	4865,7	1411,1
2004	17300,7	53,9	8650,35	5276,7	1530,2
2005	17124,3	58,6	8562,15	5529,9	1514,6
2006	17759,8	66,7	8879,9	5416,7	1570,8
2007	19013,9	73,6	9506,95	5799,2	1681,7
2008	17687,5	80,2	8843,75	5393,7	1564,4
2009	15876,5	80,9	7938,25	4842,3	1404,2
2010	16145,6	91,3	8072,8	4924,4	1428,1
среднегодовое	13171,8	–	6585,9	4017,4	1165,0