Портал по тригенерации, когенерации и мини-ТЭЦ

Древесина и растительные отходы – источник искусственного экологически чистого твёрдого топлива для децентрализованного энергоснабжения России и для сельскохозяйственной техники

Международная научно- практическая конференция « Малая энергетика-2005»

Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Титов Д.П. (Московский авиационный институт (ГТУ), Москва, Россия)

Ранее авторы показали целесообразность децентрализованного энергоснабжения на базе комбинированной выработки электрической и тепловой энергии в полностью газифицированных регионах России, доказав возможность и экономическую целесообразность замены электроэнергии, вырабатываемой всеми газовыми электростанциями РАО «ЕЭС России» на электроэнергию, вырабатываемую газопоршневыми двигателями, приводящими электрогенераторы, и, частично, паропоршневыми двигателями [1-8]. Такой наш подход теперь уже одобрен учеными Сибирского Энергетического Института им. Л.А. Мелентьева СО РАН [9]. Известны первые практические результаты внедрения газопоршневых двигателей [10,11]. Дальнейшее обсуждение применения газопоршневых двигателей требует раскрытия нами технических решений, содержащих ноу-хау и требующих патентования, поэтому пока не возможно. Сейчас мы работаем в направлении практической реализации названных технических решений. Поэтому свою теоретическую работу авторы намерены направить на доказательство возможности замены централизованной выработки электроэнергии на децентрализованную и в не газифицированных регионах России.

И, таким образом, доказать, что монополизм РАО «ЕЭС России», а по его ликвидации, сетевой электрокомпании, вовсе не является естественным не только в газифицированных регионах России, но и в во всех остальных. Это актуально, так как только 44% тепловой энергии муниципальных котельных вырабатывается на газе, 11% - на жидком топливе, а остальное - большей частью, на угле [12]. Частично такая проблема решается в другом докладе на этой конференции, где речь идет о мини-ТЭЦ на высокозольном угле. Их создание обеспечит децентрализованной электроэнергией только те регионы России, где есть дешевый высокозольный уголь, так как транспортировать его на дальние расстояния экономически нецелесообразно вследствие его низкой теплотворной способности. Кроме того, работа на нем в топках кипящего слоя является экологически приемлемой, но не экологически чистой. Классические способы сжигания сильно загрязняют атмосферу летучей золой, окислами серы и др.

Кардинальным решением проблемы защиты атмосферы от вредных выбросов в энергетике явился бы переход на экологически чистое топливо, не содержащее серы и золы. Учитывая это, фирма TRW (США) разработала в 80-х годах прошлого века метод глубокого обогащения угля, получивший название Гравимелт. Этот метод позволяет, используя низкосортный высокосернистый уголь с теплотой сгорания примерно 3890 ккал/кг, получить угольную пыль или брикеты с содержанием серы 0,1-0,3%, зольностью от 0,3-1% и теплотой сгорания примерно 6920 ккал/кг [13].

В условиях России, имеющей четвертую часть мировых запасов древесины [14], на наш взгляд более целесообразен другой метод получения экологически чистого топлива высокой теплотворной способности. Это - получение из отходов древесины и растительных отходов сельхозпроизводства древесного угля и древесной смолы с последующим брикетированием древесного угля, используя смолу как связующее. Учитывая, что древесина имеет менее 1% зольности и почти полное отсутствие серы [15], такое искусственное топливо будет иметь зольность на уровне топлива, полученного по технологии Гравимелт, но в отличие от него, полной отсутствие серы. При этом, летучая зола будет иметь менее вредный состав, так как в ней - мало окиси кремния, вызывающей силикоз. Таким образом, речь идет о топливе более экологически чистом, чем природный газ, который при сжигании в городских котельных обязательно одорируют этилмеркаптаном.

Это вещество содержит серу, в результате, при сгорании одорированного природного газа загрязняется атмосфера окислами серы.

Дрова и отходы древесины сами по себе являются экологически чистым топливом, но их можно применять только на месте получения в связи с низкой теплотой сгорания одного кг и, тем более 1 м3, что делает транспортировку экономически нецелесообразной. В табл.1 приведены данные по разным топливам, заимствованные из [15].

Превращение отходов древесины в топливо с насыпной плотностью более 0,9т/ м и низшей теплотой сгорания около 7000 ккал дает транспортабельное топливо, пригодное для сжигания на всей территории России.

Принципиальным отличием такого топлива является возможность его малотоннажного, рассредоточенного производства на месте выработки древесных отходов. Научная группа МАИ «Промтеплоэнергетика» совместно с другими организациями готова к разработке малогабаритной установки для производства такого топлива на основе современных технических решений из области высоких технологий при наличии финансирования. Предполагается, что, в отличие от антрацита, форма топлива будет стандартной и соответствовать размерам древесных пеллет, что увеличит его насыпную плотность и позволит применять более простые по конструкции системы подачи, в том числе, в топки, работающие под наддувом. Это означает возможность создания малогабаритных паровых котлов, а, следовательно, паросиловых установок с массогабаритными параметрами, пригодными для установки на трактора, комбайны, грузовые автомобили. Таким образом, проявляется перспектива в каждом сельхозпредприятии иметь установку по производству такого топлива из местного сырья.

Заменив на сельхозтехнике дизели и карбюраторные ДВС на паросиловые установки, получим высокорентабельное сельхозпроизводство, никак не зависящее от внешних поставок дорожающего топлива.

Летом такая установка обеспечит топливом сельхозтехнику и автономную электростанцию, зимой вырабатываемое ей топливо будет использоваться для отопления и электроснабжения.

Ориентировочно оценим стоимость такого топлива. Вышеупомянутая технология Гравимелт дает стоимость искусственного топлива 69 долл/т при цене исходного угля 25 долл/т [13]. Ясно, что более простая технология, не требующая использования внешних энергоресурсов и нулевая стоимость отходов древесины даст цену топлива, меньшую 69-25=44долл/т, или, учитывая теплоту сгорания полученного топлива, те же 44 долл/т.у.т.

Стоимость литра дизтоплива до конца 2005 года - примерно 0,5 доллара. С учетом плотности и теплоты сгорания дизтоплива тонна условного топлива для дизтоплива будет стоить 500*7000/(10100*0,86)=402,9 долл/т.у.т.

Таким образом, стоимость за тонну условного топлива искусственного угля будет более чем в 10 раз дешевле дизельного топлива. Если это топливо будет производиться в своем хозяйстве, то не будет ни НДС, ни торговых наценок, поэтому цена такого топлива будет совсем низкой.

В [15] приведены показатели возможной добычи древесины (производство дров). Это - при использовании древесных отходов на лесосеках в количестве 10% от имеющихся отходов. Годовая добыча твердого топлива в год может составлять 38 млн. тонн условного топлива [15].

В 2001 г для производства электроэнергии в Европейской части России было израсходовано количество газа, эквивалентное 154 млн. тонн условного топлива [16]. Таким образом, более четверти электроэнергии, производимой в европейской части России, можно вырабатывать из предлагаемого искусственного топлива, если развернуть добычу дров, практически без учета отходов. На территории России в целом продуцируется 14-15 млрд. тонн биомассы. Энергия химических связей этого количества биомассы соответствует 8200 млн. т.у.т. [17].

При этом в 2000 г. выработка тепла в котельных России равнялась всей централизованной выработке тепла и электроэнергии - 1600 млрд. кВт*ч тепловой энергии [18] или 1600*860/7000=196,6 млн. т.у.т. Таким образом, всю электроэнергию России, получаемую при сжигании органического топлива и большую часть тепловой энергии можно выработать, используя только 2,39% ежегодно произрастающей в России биомассы для сжигания в топках котлов. Это будет экологически чистая выработка энергии, так как пока практически вся эта биомасса, в конечном счете, сгнивает (окисляется) и выделяет в атмосферу углекислый газ. То же самое будет при ее сжигании. Таким образом, в атмосферу никакого дополнительного углекислого газа от энергетических установок не поступит, в отличие от сжигания ископаемых топлив. Это особенно актуально в связи с подписанием Россией Киотского протокола. В [14] указывается, что без нанесения ущерба лесным плантациям можно ежегодно перерабатывать для энергетики до 0,16% или 130 млн. м3, т.е. 65 млн. тонн. Энергоемкость этого объема древесины - 1,1*1018 Дж или 1,1*1018*2,39* 10-4/7000 = 3,75*1010 кг условного топлива = 37,5 млн. т.у.т.

Масса накопления в России за год соломы злаковых и крупяных культур составляет 80-100 млн. т [14]. Принимая ориентировочно теплоту ее сгорания равной теплоте сгорания древесины, имеем еще от 90 млн. т. соломы 90*37,5/65=51,9 млн. т.у.т.

Таким образом, всего от древесины и соломы имеем 37,5+51,9=89,4 млн. т.у.т.

То есть, почти половина всей электроэнергии России, получаемой на тепловых электростанциях, может быть выработана без использования ископаемого топлива. Проблема здесь - в том, что это топливо экономически недоступно, так как его экономически нецелесообразно транспортировать. Только его децентрализованная конверсия в искусственное твердое топливо, о чем говорилось выше, делает его доступным.

Здесь необходимо заметить следующее. Чтобы лес был в хорошем состоянии, его надо рубить, иначе он больше потребляет кислорода при гниении, чем выделяет. Проблема России - в том, что рубится только 20% того количества леса, которое необходимо рубить [19]. По различным оценкам, научно обоснованная годовая лесосека составляет от 500 до 600 млн. м3, но ежегодно остается до 500 млн. м3 перезрелой древесины [20]. Таким образом, приведенные выше данные [14] (130 млн. тонн) - действительно минимальные. Если использовать для энергетики всю перезрелую древесину, то получим в год не 37,5 млн. т.у.т., а 37,5*500/130=144,2 млн. т.у.т.

В этом случае, вместе с соломой имеем для энергетики 144,2+51,9=196,13 млн. т.у.т., то есть практически то количество топлива (196,6 млн. т.у.т.), которое сейчас сжигается электростанциями.

И это - без учета возможностей энергетического использования навоза, помета кур, канализационных стоков и твердых бытовых отходов. Необходимо отметить, что в России меньше половины теплоты сгорания топлива электростанций используется для отопления, горячего водоснабжения и других полезных целей. Остальная тепловая энергия сбрасывается в атмосферу через градирни. Даже ТЭЦ, которые должны вырабатывать электроэнергию комбинированно с тепловой энергией, имели в 2000 г. коэффициент полезного использования теплоты сгорания топлива всего 60-65% [21]. При этом, ТЭЦ страны вместе с ПГУ дают только 43,9% электроэнергии [22], а 29,5% -конденсационные электростанции (КЭС), обогревающие атмосферу своими градирнями, через которые выбрасывается более 61% теплоты сгорания топлива (КПД лучших КЭС - 38-39% [23]).

Предлагаемое искусственное твердое топливо целесообразно использовать для децентрализованной комбинированной выработки электрической и тепловой энергии. Максимальное приближение источника энергии к потребителю и применение паросиловых установок, пар которых полезно используется почти целиком, приводит к снижению расхода топлива примерно вдвое. Это означает, что Россия практически все свои энергетические нужды, включая отопление, способна обеспечить энергией сгорания древесины и сельскохозяйственных отходов, а ископаемое топливо -продавать. Это позволит продать и квоты загрязнения углекислым газом по Киотскому протоколу.

Технически это можно решить, конвертируя древесину в искусственный каменный уголь и применяя для привода электрогенераторов паропоршневые двигатели, как имеющие более высокие КПД и меньшую стоимость, чем паровые турбины, в диапазоне мощностей от 1 кВт до 1000 кВт [24-30]. Паропоршневым двигателям посвящены другие 4 доклада на данной конференции.

Литература

  1. Дубинин В.С., Лаврухин К.М. Перспективы использования поршневых машин для децентрализованной комбинированной выработки тепловой и электрической энергии. // Строительные материалы, оборудование и технологии XXI века 2001, № 6,7.
  2. Дубинин В.С., Лаврухин К.М. Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии в котельных. // «Новости теплоснабжения» 2002, № 4, 5, 6.
  3. Котельные могут обеспечить Россию электроэнергией с меньшей затратой газа автономно от электрических сетей РАО «ЕЭС России».// Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Малая энергетика 2003» 11-14 ноября 2003 г, г. Обнинск.
  4. Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Титов Д.П. Сопоставление централизованных и децентрализованных систем энергоснабжения в связи с ожидаемой ситуацией в энергетике России // Тезисы докладов на международной научно-практической конференции «Малая энергетика - 2004», 11-14 октября 2004 г., г. Москва.
  5. Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Титов Д.П. Сопоставление централизованного и децентрализованного энергоснабжения в современных условиях России // Полимергаз 2005 №2.
  6. Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Титов Д.П. Нужно ли Москве АО «Мосэнерго»?// газета «Содружество» №9, 2005 г.
  7. Дубинин В.С. Сопоставление систем централизованного и децентрализованного энергоснабжения в современных условиях России//Промышленная энергетика 2005, №9,10,11.
  8. Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Титов Д.П. Сопоставление систем централизованного и децентрализованного энергоснабжения в газифицированных регионах России//Реформа ЖКХ, №4, 2005г.
  9. Энергетика XXI века: условия развития, технологии, прогнозы. Отв. редактор - Н.И.Воропай - Новосибирск, Наука 2004.
  10. Прохорова А. Собственный энергоцентр.//Оборудование: рынок, предложение, цены.2004 №2(86)
  11. Лукачев П.Д., Филимонов А.И. Газопоршневые агрегаты для ЖКХ.//ЖКХ 2004 №2
  12. Реутов Б.Ф., Семенов В.Г., Наумов А.В., Пыжов И.Н., Муравьев В.В. Теплоснабжение страны на грани…// Энергия: экономика, техника, экология, №1, 2002
  13. Хардгроу Д., Майерс Р.А., Котлер В.Р. Получение экологически чистого топлива из низкосортного угля по методу Гравимелт//Электрические станции,№6,1994
  14. Парцхава Е.С., Пожарнов В.А. В перспективе Россия - крупнейший поставщик биотоплива на мировой рынок//Энергия: экономика, техника, экология, №6, 2005.
  15. Кошелев А.А., Шведов А.П. Дрова как основной энергоноситель для удаленных районов//Промышленная энергетика №11, 1997г.
  16. Демин В.Ф., Крылов Д.А. Экологические «следствия» «газовой паузы» в электроэнергетике России//Энергия, экономика, техника, экология, №6,2005г.
  17. Парцхава Е.С., Пожарнов В.А, Кошкин Н.Л. Биомасса - реальный источник топлив и энергии. Ч. II Потенциальные возможности России//Теплоэнергетика №1, 2002г.
  18. Фотин В.П. Энергетика и экономика России: виртуальное настоящее и реальное будущее//Энергия: экономика, техника, экология, №9, 2004
  19. Суханов В.С. Лес как возобновляемый источник энергии//в кн. Сборник докладов совещания «Проблемы теплоснабжения городов Российской Федерации» Москва, 2002
  20. Сорокин О.А. Применение газогенераторных установок для получения тепловой и электрической энергии.//Промышленная энергетика, №4, 2005 г.
  21. Ольховский Г.Г. Состояние и перспективы тепловой энергетики//Электрические станции, 2005, №2
  22. Хлебалин Ю.М. Пути повышения эффективности паротурбинных ТЭЦ//Промышленная энергетика, №12, 2004 г.
  23. Масленников В.М., Батенин В.М., Штеренберг В.Я., Выскубенко Ю.А., Цалко Э.А. Модернизация существующих паротурбинных установок путем газотурбинных надстроек с частичным окислением природного газа.//Теплоэнергетика №3, 2000 г.
  24. Дубинин В.С. Вопросы микроэнергетики летательных аппаратов. В книге «Гагаринские научные чтения по авиации и космонавтике, 1981 год». М.: Наука, 1983.
  25. Квачев В.Н. Исследования характеристик поршневой расширительной машины.// в кн.: Конструкция двигателей летательных аппаратов, их прочность и надежность. Тематический сборник научных трудов. Москва. Издательство МАИ, 1991 г.
  26. Ульянов И.Е., Дубинин В.С., Квачев В.Н., Головченко Ю.А., Лаврухин К.М. Способ работы поршневого двигателя и поршневой двигатель. Авт. свид. № 1753001 А1, приор 19.07.89, опубл. 07.08.92 Бюл № 29.
  27. Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Титов Д.П., Перспективы применения паропоршневых двигателей для привода вспомогательного оборудования котельных, // Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Малая энергетика 2003» 11-14 ноября 2003 г., г. Обнинск.
  28. Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Першин Л.И., Титов Д.П. Применение парогазогенератора на базе двигателя ВАЗ-2103 для испытания одноцилиндрового отсека паропоршневого двигателя и работа парогазогенератора в режиме горелки для испытания поверхностей нагрева прямоточного котла пульсирующего горения, работающего под наддувом//Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Малая энергетика 2004» 11-14 октября 2004г, г. Москва.
  29. Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Титов Д.П. Роль паропоршневых двигателей в реформировании энергетики России.//Тезисы докладов международной научно-практической конференции «Малая энергетика 2004» 11-14 октября 2004г, г. Москва
  30. Дубинин В.С., Лаврухин К.М., Титов Д.П. Роль паропоршневых двигателей в реформировании коммунальной энергетики России//Реформа ЖКХ, №3, 2005 г.