Вопросы менеджмента при использовании древесного биосырья в энергетических целях

Министерство образования Республики Беларусь Учреждение образования Международный государственный экологический университет имени А. Д. Сахарова Факультет мониторинга окружающей среды Кафедра энергоэффективных технологий Курсовая работа ВОПРОСЫ МЕНЕДЖМЕНТА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ДРЕВЕСНОГО БИОСЫРЬЯ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЦЕЛЯХ Студентки 5-ого курса Черкасовой Александры Александровны Научный руководитель ст. преподаватель О. А. Кучинский Минск 2012 г.

Реферат на русском языке Объектами исследования являются вопросы энергетического менеджмента при использовании древесного биосырья.

Цель: рассмотреть вопросы менеджмента при использовании древесного биосырья в энергетических целях.

Изучены некоторые аспекты менеджмента древесного биосырья. Рассмотрены общие вопросы: классификация древесного топлива, лесной фонд страны, направления использования древесного топлива. Конкретизированы теоретические основы менеджмента древесного биосырья. Детально рассмотрены методики сбора, хранения, транспорта древесного биотоплива, а также способы получения из него энергии. Изучены социальные и экологические аспекты использования биотоплива. Отдельно рассмотрен вопрос препятствий на пути роста удельной доли биомассы в энергетической структуре страны.

РЭФЕРАТ НА БЕЛАРУСКАЙ МОВЕ Аб’ектамi даследавання з’яуляюцца пытаннi энергетычнага менеджменту пры выкарыстаннi драунянай 6iясыравiны.

Мэта: разгледзець пытаннi менеджменту пры выкарыстаннi драунянай 6iясыравiны у энергетычных мэтах.

Вывучаны некаторыя аспекты менеджменту драунянай 6iясыравiны. Разгледжаны агульныя пытаннi: класiфiкацыя драунянага палiва, лясны фонд краны, кiрункi выкарыстання драулянага палiва. Канкрэтызаваны тэарэтычныя грунты менеджменту драунянага 6iясыравiны. Дэтальна разгледжаны методыкi збору, захоуваня, транспарта драулянага 6iяпалiва, а таксама спосабы атрымання з яго энергii. Вывучаны сацыяльныя i экалагiчныя аспекты выкарыстання 6iясыравiны. Асобна разгледжаны пытання перашкод на шляху узросту удзелынай дзелi бiямасы у энергетычнай структуры краiны.

ABSTRACT IN ENGLISH

Object of research is the issue of energy management in the use of firewood.

Purpose: to consider management using wood biofuels for energy purposes.

Some aspects of the management of wood biofuels studied. General questions: classification of fuelwood, forest fund of the country uses of wood have been studied. The theoretical basis of management of wood biofuel specified. Methods of collection, storage, transport, wood biofuels, as well as ways to get energy out of it were discussed in detail. Social and environmental aspects of biofuels studied. The question obstacles to the growth of the specific proportion of biomass in the energy mix of the country considered separately.

ВВЕДЕНИЕ

Доля возобновляемых источников энергии в мировом энегобалансе возрастает с каждым годом. Применение возобновляемых источников энергии способствует увеличению независимости страны от импорта энергии, обеспечению безопасности поставок энергоресурсов, повышению уровня занятости, а также содействовать более эффективному развитию на местном и региональном уровнях. Развитие этой отрасли создаст новые возможности для развития и торгово-экономической деятельности и, что наиболее важно, будет способствовать снижению выбросов СО2. Наиболее перспективным направлением использования ВИЭ для нашей страны является использование биомассы в частности древесного биосырья.

Древесина имеет потенциал и играет важную роль в устойчивом обеспечении народного хозяйства чистой энергией. Являясь экономически жизнеспособным для различных видов применения, этот возобновляемый энергетический источник не может быть полностью реализован из-за нескольких барьеров. Основными барьерами являются: конкуренция с другими энергетическими источниками, национальная энергетическая политика и мнения, сложившееся на местах.

Большое количество древесного топлива производится с использованием не лучших на сегодняшний день технологий. В повышении эффективности большое значение имеет не только внедрение нового оборудования, передовой технологии, совершенствование и модернизация существующего оборудования, но и правильно организованное управление, т. е. менеджмент. Менеджмент представляет собой совокупность технических и организационных мероприятий, направленных на повышение эффективности использования биотоплива. Он играет значительную роль в повышении экономической эффективности и экологической безопасности использования древесного биосырья.

1. ИСТОЧНИКИ ДРЕВЕСНОГО БИОТОПЛИВА

Все виды древесной биомассы, которые не могут быть использованы на предприятиях лесной промышленности, пригодны для производства энергии из древесины. Топливная древесина включает ветви, крону, тонко-мерные деревья и другие виды низкосортной древесины или части деревьев, непригодные для промышленной переработки. В целом топливо из «лесной» древесины можно определить как топливо, состоящее из отходов, образующихся при промышленных рубках леса и рубках ухода. Теоретически пни являются значительным потенциальным источником древесной биомассы, однако в настоящее время они не используются в связи с отсутствием экономически эффективных и приемлемых в техническом отношении методов их заготовки и переработки. Следует отметить, что древесина пригодная для использования на предприятиях лесной промышленности не включается в запасы топливной древесины, так как более экономически эффективным является применения в процессах производства нетопливной продукции.

Лесосечные отходы состоят из листвы, хвои и вершин деревьев (ветвей и крои), нетоварных балансов. Они образуют основной экономически значимый источник сырья в производстве древесного топлива. Однако количество и состав лесосечных отходов варьируется в значительных пределах в зависимости от лесосеки. Количество лесосечных отходов зависит от породы дерева, объема древостоя, размеров, ветвистости деревьев, степени разложения древесины. С учетом этих параметров можно определить приблизительное количество лесосечных отходов спелых деревьев различных пород. На рис. 1.1. показано соотношение между массой зелени и массой ствола.

Рис. 1.1 Лесосечные отходы от спелых деревьев различных пород

На рис. 1.2. можно видеть соотношение стволовой древесины, ветвей и вершин зрелых деревьев некоторых пород. Из приведенных данных видно, что наибольшее количество биомассы дают зрелые деревья ели обыкновенной.

Рис. 1.2 Биомасса спелых деревьев различных пород

Кроме лесосечных отходов для производства биомассы используют отходы деревообрабатывающей промышленности — такие, как кора и опилки, а также утилизированную древесину, включая строительные отходы (древесные отходы, образующиеся при сносе зданий и сооружений или древесину тары). [2]

Таким образом, основными источниками топливной древесины или получаемого в лесу древесного топлива являются:

— тонкомериая древесина, заготавливаемая при рубках ухода и прореживании молодняка;

— тонкомериая древесина, являющаяся побочным продуктом первых промышленных рубок прореживания;

— отходы с лесосек, на которых проводятся рубки главного пользования;

— низкосортные деревья, не пригодные для использования в качестве сырья в лесной промышленности

— отходы деревообрабатывающей промышленности

Отдельно от перечисленных источников топливной древесины стоит использование продукции сельскохозяйственного лесоводства, которое основано на использовании специальных быстрорастущих древесных насаждений.

биотопливо энергия лесной экологический

2. ЛЕСНОЙ ФОНД РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Лесной фонд Беларуси насчитывает более 9,4 млн. га, лесистость территории составляет 38,8%.в Запас древесины на корню оценивается в 1,6 млрд. кубических метров. Ежегодный прирост составляет 30,3 млн. кубометров древесины. На оного жителя республики приходится 0,8 га покрытых лесом земель и более 160 кубических метр древесного запаса, что в 2 раза выше среднеевропейского уровня.

В Беларуси одновременно с увеличением общей площади лесного фонда наблюдается и устойчивый рост площадей приспевающих, спелых и перестойных насаждений. За двадцатилетний период площадь спелых древостоев увеличилась более чем в два раза.

В результате планового регулирования объемов рубок леса, в первую очередь, рубок главного пользования, общий запас насаждений увеличился в 1,6 раза, запасы спелой древесины составили 197 млн. куб. м. Если в 1989 году доля спелых лесов составляла всего 2,3%, то сегодня уже 10%.

Благодаря целенаправленной деятельности лесоводов происходит и качественное улучшение состояния лесного фонда. В лесах Министерства лесного хозяйства стабильно возрастает объем лесных культур, созданных селекционным посевным и посадочным материалом. Если в 2006 году их доля составляла всего 11%, то сейчас — 34,1%.

Все леса в Беларуси являются исключительной собственностью государства. [3]

Таблица 2.1 Характеристика лесного фонда РБ

Таблица 2.2 Распределение лесного фонда Республики Беларусь по министерствам и ведомствам

3. НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСНОГО ТОПЛИВА

Древесина добывается на постоянной основе: в лесах в процессе вырубки. В процессе прореживания лесных плантаций создается большое количество древесных отходов. Сегодня они зачастую остаются гнить на месте. Эти древесные отходы могут быть собраны, высушены и использованы в качестве топлива частными и местными промышленными потребителями, однако большой объем и влажность делают их транспортировку экономически нецелесообразной. Однако механические рубительные машины для производства древесной щепы решает часть проблем. Такая щепа может быть легко высушена и использована в специализированных котлах.

Следующим источником древесных отходов является обработка деловой древесины. Сухие опилки и другие отходы, возникающие в процессе распиловки, представляют собой качественное топливо. Эти отходы могут в дальнейшем использованы для производства древесных гранул и топливных брикетов. На рисунке 4.1.1 приведена схема комплексного использования древесного биосырья.

Методы получения энергии из древесного биотоплива основаны на следующих процессах:

— прямое сжигание биомассы.

— термохимическое преобразование для получения обогащенного топлива. Процессы этой категории включают пиролиз, газификацию и сжижение.

3.1 Сжигание

Технология прямого сжигания представляет собой наиболее очевидный способ извлечения энергии из биомассы. Она проста, хорошо изучена и коммерчески доступна. Существует множество типов и размеров систем прямого сжигания. Тепло, получаемое при сжигании биомассы, может использоваться для отопления и горячего водоснабжения, для производства электроэнергии и в промышленных процессах. Одной из проблем, связанных с непосредственным сжиганием, является его низкая эффективность. В случае использования открытого пламени большая часть тепла теряется.

Сжигание древесины может быть разбито на 4 фазы:

— кипение воды, содержащейся в древесине. Даже древесина, высушенная в течение нескольких лет, содержит от 15 до 20% воды в клеточной структуре.

— выделение газовой (летучей) составляющей. Очень важно, чтобы эти газы сгорали, а не «вылетали в трубу» .

— выделяющиеся газы смешиваются с атмосферным воздухом и сгорают под воздействием высокой температуры.

Рис. 3.1.1 Пути использования биотоплива

— сгорание остатков древесины (преимущественно углерод). При хорошем сжигании энергия используется полностью. Единственным остатком является небольшое количество золы.

Для эффективного сжигания необходимы три условия:

— достаточно высокая температура;

— достаточное количество воздуха;

— достаточное время для полного сгорания.

Если количество поступающего воздуха недостаточно, сгорание происходит не полностью. При этом образуется черный дым, состоящий из несгоревшего углерода. В результате образуются отложения сажи в дымоходе, повышающие опасность возгорания. Если количество поступающего воздуха слишком велико, то температура в зоне горения снижается и газы покидают ее несгоревшими, унося тепло. Правильное количество воздуха приводит к оптимальному использованию топлива. При этом не образуются запах и дым, невелика опасность возгорания в дымоходе. Регулирование количества воздуха зависит от конструкции дымохода и тяги, которую он может обеспечить.

Прямое сжигание является простейшим и наиболее распространенным методом получения энергии, содержащейся в биомассе. Кипячение воды в кастрюле над горящими дровами представляет собой простейший процесс. К сожалению, он также является и малоэффективным, как показывают простейшие вычисления.

Один кубический метр сухой древесины содержит 10 ГДж энергии (десять миллионов кДж). Для нагревания 1 литра воды на 1 градус требуется 4,2 кДж тепловой энергии. Для того, чтобы довести до кипения литр воды, потребуется менее 400 кДж, содержащиеся в 40 кубических сантиметрах древесины — то есть небольшая деревянная палочка. На практике на открытом огне потребуется, по крайней мере, в 50 раз большее количество древесины. Эффективность преобразования не превышает 2%.

Разработка печей или котлов, способных эффективно использовать энергию топлива, требует понимания процессов сгорания твердого топлива. Первым процессом, потребляющим энергию, является испарение содержащейся в древесине воды. Для относительно сухого топлива на испарение используется лишь несколько процентов от общего количества выделяемой энергии. В самом процессе сгорания всегда имеются две стадии, потому что любое твердое топливо содержит две сгораемые составляющие. Летучие компоненты выделяются из топлива при повышении температуры в виде смеси паров и испаренных смол и масел. При сжигании этих продуктов образуются небольшие пиролизные струи.

Современные устройства для сжигания (котлы) обычно производят тепло, пар, используемый в промышленных процессах, или электроэнергию. Устройство систем прямого сжигания варьируется в зависимости от варианта использования. Выбор топлива также влияет на дизайн и эффективность систем сжигания. Системы прямого сжигания биомассы подобны аналогичным устройствам, сжигающим уголь. На практике биомасса может сжигаться совместно с углем в небольшой пропорции в существующих угольных котлах. Биомасса, сжигаемая совместно с углем, представляет собой дешевое сырье, например отходы лесного или сельского хозяйства. Это помогает уменьшить выбросы в атмосферу, обычно связанные с использованием угля. Уголь представляет собой окаменевшую в течение миллионов лет биомассу. В процессе нагрева и сжатия в глубинах земной коры уголь накапливает такие химические элементы, как фосфор и ртуть. В процессе сжигания угля для производства тепловой или электрической энергии эти элементы высвобождаются и попадают в атмосферу. В «сырой» биомассе эти элементы отсутствуют.

3.2 Пиролиз

Пиролиз представляет собой простейший и, по-видимому, самый старый способ преобразования одного вида топлива в другой с лучшими показателями. Разные виды высокоэнергетического топлива могут быть получены с помощью нагрева сухой древесины и даже соломы. Процесс использовался в течение столетий для получения древесного угля. Традиционный пиролиз заключается в нагреве исходного материала (который часто превращается в порошок или измельчается перед помещением в реактор) в условиях почти полного отсутствия воздуха, обычно до температуры 300 — 500 °C до полного удаления летучей фракции. Остаток, известный под названием древесный уголь, имеет двойную энергетическую плотность по сравнению с исходным материалом и сгорает при значительно более высоких температурах. В зависимости от влажности и эффективности процесса, 4−10 тонн древесины требуется для производства 1 тонны древесного угля

Более сложная техника пиролиза позволяет собрать летучие вещества. Кроме того, контроль температуры позволяет контролировать их состав. Жидкие продукты могут использоваться в качестве жидкого топлива. Однако они содержат кислоты и должны очищаться перед использованием. Быстрый пиролиз растительных материалов, например древесины или скорлупы орехов, при температурах 800−900 градусов Цельсия приводит к образованию 10% твердого древесного угля и преобразует 60% исходного сырья в газ, содержащий большое количество водорода и монооксида углерода. Этот метод может составить конкуренцию традиционному пиролизу, однако для широкого коммерческого использования его необходимо отработать.

В настоящее время традиционный пиролиз не привлекательным видом технологии. Так как после проведения пиролиза образуется большое количество вредных веществ, которые необходимо утилизировать на специальном оборудовании.

3.3 Газификация

В процессе газификации древесины образуется горючий газ, представляющий собой смесь водорода, угарного газа (монооксида углерода), метана и некоторых негорючих сопутствующих компонентов. Это достигается частичным сжиганием и частичным нагревом биомассы (с использованием тепла ограниченного горения) в присутствии древесного угля (естественного продукта сжигания биомассы). Газ возможно использовать в газопоршневых, и турбинных установках.

3.4 Синтетические топлива

В газификаторах, использующих кислород вместо воздуха, можно получать газ, состоящий преимущественно из H2, CO и CO2. Представляет интерес то обстоятельство, что после удаления СО2 можно получить так называемый синтез-газ, из которого в свою очередь можно синтезировать практически любое углеводородное сырье. В частности, при взаимодействии Н2 и СО получается чистый метан. Другим возможным продуктом является метанол — жидкий углеводород с теплотворной способностью 23 ГДж/т. Производство метанола требует организации сложного химического процесса с высокими температурами и давлением и дорогого оборудования. Несмотря на это, интерес к производству метанола объясняется тем, что он представляет собой ценный продукт — жидкое топливо, способное непосредственно заменить бензин. В настоящее время производство метанола с использованием синтез-газа не является коммерческим. Однако технология существует для использования угля в качестве сырья. Она была развита странами, имеющими большой угольный потенциал, в периоды перебоев с поставками нефти. [5]

4. МЕНЕДЖЕМЕНТ

Древесное топливо может быть использовано для производства различных видов топлива (твердое, жидкое и газообразное) и генерации различных видов энергии (электроэнергии, тепла и электроэнергии). Энергия, полученная на базе древесины, имеет большой потенциал как локально доступный и экологически чистый (по сравнению с ископаемым топливом) источник энергии. Однако резкое увеличение использование лесного биосырья может уничтожить ценные экосистемы, изменить водный баланс местности, подорвать продовольственную безопасность, за счет отчуждения сельскохозяйственные земли под нужды лесного хозяйства.

Все возникающие проблемы, связанные с использованием леса в качестве источника энергии, могут быть решены путем государственного контроля и хорошо организованного менеджмента производства, транспорта хранения и использования древесины для энергетических целей.

Высококлассное управление производством позволяет обеспечить энергетическую безопасность, развитие сельских районов, сокращения выбросов парниковых газов и стимулов для хорошего управления лесными ресурсами.

Новые технологии необходимы, чтобы сделать древесное топливо более рентабельным и конкурентоспособным в сравнении с другими источниками энергии. Новая политика необходима для развития рынка древесного топлива. Например, содействие использованию древесного топлива может иметь много положительных экономических преимуществ. Это создание рынков для отходов деревообрабатывающей промышленности, улучшение экономической целесообразности выращивания быстрорастущей древесины на неиспользуемых сельскохозяйственных землях, а также создание рабочих мест в дерево выращивания, сбора, транспорта и преобразования в полезную энергию.

Сочетание факторов, в том числе, перечисленные здесь, в конечном счете, будет способствовать преодолению основных барьеров и содействию развитию более устойчивых систем производства древесного топлива.

Разнообразие новых технологических разработок для конверсии древесного топлива в энергию позволит сделать производство энергии не только более экономичным эффективным, но и более удобной для использования в конкретных регионах страны, в зависимости от их потребности. Это и совместное сжигание, более широкое использование комбинированного производства тепла и электроэнергии, а также новые технологии для утилизации древесных отходов и другое.

Большой неиспользованный потенциал древесины в качестве энергетического ресурса большое значение не только для будущего развития лесного хозяйства и связанных с ними отраслей, но и для разработки программ по улучшению условий жизни.

Созданные энергокомплексы на базе древесины буду выступать инструментом для мобилизации средств и инвестиций в сельской местности, содействовать в создание рабочих мест (особенно в лесной и сельской местности) и развитие новых рыночных возможностей для леса м его побочных продуктов, мероприятия диверсификации леса будут способствовать увеличению количества лесной продукции и повышению продуктивности лесов, ведущее к улучшению и устойчивого управления лесами.

Радикальные изменения в политике лесного и энергетического хозяйства обеспечат развитие благоприятного климата для инвестиций в энергию на базе древесины. [4]

Исходя из вышеперечисленных факторов, успешный менеджмент опирается на идею совместного сочетания следующих аспектов: экологического, технологического в интеграции с экономическим и социального фактора. При этом следует учитывать, что сочетание этих факторов следует представлять не в виде в виде пересекающихся кругов (как когда-то было представлено НСУР), представить взаимодействие подсистем успешного менеджмента в форме вложенных один в другой кругов рис 4.1. Это позволит избежать опасного перекоса в сторону экономических интересов в ущерб двум другим.

Рис. 4.1 Структура взаимодействия подсистем менеджмента

5. ВОПРОСЫ МЕНЕДЖЕМЕНТА. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

При рассмотрении вопросов, связанных с технологией и экономической целесообразностью использования древесного биосырья в энергетических целях, следует учитывать множество факторов:

— способ заготовки сырья;

— логистический фактор (транспорт, хранение)

— характеристика сырья;

— характеристика поставщиков и конечных потребителей;

— себестоимость производства, прибыль и другое.

Вопросы менеджмента древесного биосырья касаются всех его этапов жизненного цикла, а именно сбора, транспортировки и хранения, повышение качества (при необходимости) производства энергии.

5.1 Заготовка древесного топлива

Рассмотрим способы заготовки древесного топлива образующегося при плановых рубках, рубках ухода и других видов рубок. В настоящие время система производства древесного топлива основана на измельчении древесины. Место измельчительного оборудования в производственной цепочке определяет состояние биомассы во время транспортировки и, следовательно, зависимость друг от друга машин последующего цикла. Измельчение может осуществляться на придорожной либо погрузочной площадке, по месту рубки леса, на терминале или на энергетической установке, где используется щепа. Различают следующие методы заготовки щепы: измельчение на придорожной погрузочной площадке, измельчение на терминале, измельчение по месту рубки, измельчение либо дробление пакетированных древесных отходов на электростанции.

5.1.1 Метод измельчения на придорожной погрузочной площадке

Лесосечные отходы перевозятся на придорожную погрузочную площадку с прилегающей к терминалу территории в течение всего года (рис. 6.1.1). Отходы складируются и высушиваются в течение следующего лета, что дает возможность улучшить качество топлива. Измельчение отходов в щепу производится круглогодично, а доставка щепы осуществляется при помощи обычных транспортных средств для перевозки твердого топлива. Задача заключается в том, чтобы древесные отходы измельчались и подавались непосредственно в прицепы для дальних перевозок без складирования щепы из древесных отходов на погрузочной площадке.

5.1.2 Метод измельчения на терминале

Производственные этапы технологической цепочки заготовки древесных отходов на топливо на базе измельчения на терминале (рис. 6.1.2) включают перевозку по местности, складирование и сушку, измельчение древесных отходов и перевозку щепы из древесных отходов дорожным транспортом на электростанцию. Этапы работы аналогичны этапам заготовки при измельчении на придорожной площадке измельчение или дробление на электростанции

Рис. 6.1.1 Метод измельчения на придорожной погрузочной площадке

5.1.3 Метод измельчения по месту рубки

Измельчение по месту вырубки основывается на применении одной машины для измельчения древесных отходов на лесосеке, которая на месте рубки леса измельчает древесные отходы в щепу и подает их в контейнер, а затем перевозит щепу в контейнере на площадку для выгрузки либо придорожную площадку (рис 6.1.3). Опорожнение контейнера происходит путем опрокидывания в большие контейнеры. Щепа затем транспортируется на электростанцию, и машина возвращает опорожненные контейнеры на место погрузки

Рис. 6.1.2 Метод измельчения на терминале

5.1.4 Метод измельчения или дробления на электростанции

Четвертая основная система переработки лесосечных отходов представляет собой их измельчение на объекте конечного потребления, которое, как правило, может быть реализовано более экономичным способом, чем по месту вырубки либо на придорожной площадке. Переработка на электростанции (рис. 6.1.4) также позволяет избежать узких мест системы заготовки. Перспективной альтернативой транспортировке цельных лесосечных отходов является их пакетирование перед транспортировкой на дальнее расстояние и измельчение на электростанции.

Рис. 5.1.3 Метод по месту рубки

Рис. 6.1.4 Измельчение либо дробление пакетированных древесных отходов на электростанции

Произведем сравнительную характеристику вариантов измельчения. Для начала выявим узкие места в различных схемах производства щепы.

При измельчении на придорожной площадке машина для измельчения древесных отходов и грузовик находятся в зависимости друг от друга (узкое место). Следствием этого может стать потерянное время эксплуатации измельчительного оборудования и щеповоза, что приводит к снижению коэффициента использования производственных мощностей и высокой стоимости измельчения. Измельчение на объекте конечного потребления устраняет взаимозависимость между машиной для измельчения древесных отходов и щеповозом и упрощает обеспечение высокой степени использования производственных мощностей и, тем самым, низких расходов на измельчение древесных отходов.

Невысокая объемная плотность отходов лесозаготовки является слабым звеном системы измельчения на объекте конечного потребления. Новая технология (например, пакетирование порубочных остатков или обрезка сучьев с небольших деревьев) способствует повышению объемной плотности и снижению транспортных расходов.

Стоимость оборудования для централизованного измельчения высока, а система измельчения на объекте конечного потребления пригодна лишь для крупных ТЭЦ. Система измельчения на придорожных площадках пригодна как для больших, так и для небольших ТЭЦ.

Таким образом, не существует универсальной технологии по сбору и первичной обработки древесного биотоплива, применение каждой схемы следует рассматривать как с экономической так и с технологической точки зрения.

Оценку эксплутационных затрат на рубку, хранение (без промежуточных складов) и транспорт можно произвести, если минимизировать целевую функцию которая учитывает затраты на строительство лесоэнергетических терминалов (ЛЭТ), потери (снижение качества) древесного сырья при открытом кучевом хранении и дополнительных затрат, вызванных с ограниченностью ЛЭТ.

где — среднемесячные эксплутационные затраты по содержанию доли площади ЛЭТ, необходимой для размещения на на ней 1 плотного кубического метра топливной древесины (с учетом типа применяемого оборудования), у. е/пл м3;

— величина среднемесячных потерь древесного вещества при открывает хранения, %;

— цена 1 пл. м3 древесного топлива с учетом влажности и зольности, у. е/пл.м3;

— коэффициент обновление запаса древесного топливо на терминале (= 0,25−0,5);

— относительная вместимость ЛЭТ (является безразмерной величиной и выражает возможную размещения топлива в количестве среднемесячных объемов производства);

, — соответственно эксплутационные затраты содержания 1 маш.-смены автотранспортных средств, рубительных машин и ковшовых погрузчиков, обслуживающих ЛЭТ древесного топлива, в том числе с зарплатой на обслуживание их рабочими, у. е;

, — соответственно сменные производительности автотранспортных средств, рубительных машин, ковшевых средств за год из-за ограниченности вместимости ЛЭТ или отсутствия сырья на нем, у. е;

, — соответственно среднемесячные эксплутационные затраты от простоя транспортных средств, рубительных машин и ковшовых погрузчиков за год из-за ограниченной вместимости ЛЭТ или отсутствии сырья на нем, у. е;

— соответственно вероятности отсутствия сырья на ЛЭТ

Оценку эксплутационных затрат на рубку, хранение (с промежуточными складами) и транспорт можно произвести, если минимизировать целевую функцию, которая учитывает затраты на строительство лесоэнергетических терминалов (ЛЭТ), потери (снижение качества) древесного сырья при открытом кучевом хранении и дополнительных затрат, вызванных с ограниченностью ЛЭТ. Главное отличие от предыдущей формулы заключает в том, что допускается частичное хранение древесного топлива как на основном терминале потребителя, так и промежуточного складах, расположенный у дорог круглогодового действия.

где — среднемесячные удельные эксплутационные затраты по содержанию доли площади промежуточного склада, необходимой для разрешения на ней 1 пл. м3, у. е/пл.м3;

— среднемесячные удельные эксплутационные затраты по содержанию доли площади на терминала потребителя, необходимой для размещения на ней 1 пл. м3 топливной древесины, у. е/пл.м3;

d — доля вместимости промежуточных складов по отношению к общему межсезонного запасу древесного топлива;

kтр — коэффициент увеличения удельных эксплутационных затрат транспортных средств, учитывающий доставку топлива из промежуточных складов. [11]

Данные затраты представляют удельные показатели учитывающий площадь площадки, затраты на технику в том числе и транспорт, что в дальнейшем дает возможность найти оптимальный объем склада и оптимальное расстояние на которое оправдана транспортировка древесного сырья.

5.2 Поставщики древесного топлива

В настоящее время принято условное деление поставщиков на крупных и мелких.

Крупные поставщики работают в общенациональном масштабе и поставляют древесину через специальные лесохозяйственные подразделения, которые заключают контракты на реализацию этой продукции с предпринимателями, энергопроизводящими предприятиями. Для крупных поставщиков характерно использование схемы интегрированной производственной цепочки поставок сырьевых материалов и древесного топлива (рис. 5.2.1). Данная схема хорошо себя оправдывает с экономической точки зрения.

Рис. 5.2.1 Пример интегрированной производственной цепочки поставок сырьевых материалов и древесного топлива

Существуют различные способы организации масштабных поставок и торговли древесными отходами (рис 6.2.2):

1) Одна организация закупает, заготавливает, поставляет и продает как круглую древесину, так и древесные отходы.

2) В организации имеется две (дочерних) компании, одна для заготовки круглого леса и древесных отходов, другая для измельчения и сбыта древесных отходов

3) Контракт между двумя отдельными компаниями, одна из которых заготавливает круглый лес и древесные отходы, а вторая занимается

Рис 5.2.2 Широкомасштабная торговля древесным топливом

Линия раздела между двумя компаниями обычно проходит по придорожной погрузочной площадке, одна компания отвечает за заготовку и транспортировку по лесу к погрузочной площадке, другая занимается измельчением либо дроблением древесных отходов и доставкой их потребителю.

Мелкие поставщиком относятся производителей и поставщиков топливной древесины, работающих в менее значительном масштабе, чем крупные, к ним относятся предприниматели-владельцы лесозаготовительных машин и транспортных средств, владельцы котельных и предприниматели, по совместительству занимающиеся поставками древесного топлива. Вместо того чтобы работать на крупные компании в качестве подрядчиков, некоторые предприниматели-владельцы лесозаготовительных машин и транспортных средств действуют в качестве независимых производителей топлива, продавая его как самостоятельно, так и через сеть.

Для теплоснабжения небольших районных теплоцентралей и больших отдельно стоящих муниципальных зданий, таких как школы, для закупок топлива, а также эксплуатации и обслуживания котельных установок возможно применить предпринимательскую модель теплоснабжения.

Следует отметить, при использовании данной модели можно поставлять облагороженное топливо (древесные гранулы и брикеты) вместо древесной щепы.

Гранулы и брикеты — это глубоко переработанный и экологически совершенный вид топлива. Часто их называют «сухим топливом», так как влажность уменьшается до 10%. Гранулы и брикеты используются в более или менее одинаковых типах тепловых установок.

Преимуществом использования прессованного биотоплива является стоимость оборудования для котельных установок мощностью до 2 МВт, которые требуют меньше инвестиций для гранул/брикетов по сравнению с установками для древесной щепы. Объем склада для древесной щепы намного больше и поэтому строительство склада обойдется дороже, и поскольку гранулы/брикеты прессуются до меньшего объема при той же энергоемкости, то объем склада для них может быть уменьшен до 50%.

Гранулы могут храниться ближе к жилым районам, так как этот материал «мертвый» после прохождения термической обработки. Он имеет преимущество по сравнению со свежей древесной щепой, которая содержит споры, склонные к самовоспламенению при возрастании внутренней температуры, и вызывающие при этом аллергическую реакцию у людей, соприкасающихся с ней. Древесная щепа может содержать паразитов, что естественно негигиенично по отношению к людям, проживающим рядом.

Некоторые очевидные преимущества использования прессованного биотоплива:

— горение в топке котла происходит более эффективно

— при горении гранулы/брикеты не оказывают негативного влияния на окружающую среду

— отработанные газы имеют высокий pH-уровень; поэтому, имеет место «лечебное» воздействие, направленное против вредных последствий сжигания ископаемых видов топлива

— при хранении гранулы/брикеты не вызывают аллергической реакции

— при производстве гранул/брикетов объем опилок значительно уменьшается

— производство гранул/брикетов должно увеличиваться, так как Европейский Союз решил, что к 2010 год 12% энергии должно получаться за счет возобновляемого топлива.

Кроме всех вышеперечисленных достоинств использования прессованного биотоплива, можно отметить некоторые дополнительные особенности и преимущества гранул и брикетов. Что касается гранул, можно выделить следующее:

— подача топлива в горелку котла может быть легко сделана автоматической

— гранулы могут использоваться как в установках небольшой мощности, для отопления частных домов, так и в котельных средней мощности для отопления учреждений, школ и т. п., а также в более мощных котельных

— сжигатели для гранул легко устанавливаются на котлы взамен отработанных горелок для жидкого топлива с сохранением высокого уровня автоматизации

Брикеты, обладая высоким содержанием энергии, являются идеальной альтернативой для старых угольных и дровяных котельных, способствуют повышению КПД котлоагрегатов и являются удобными в транспортировке и использовании. [7]

Дальнейшее схема использование топлива в энергетических целях зависит от вида энергии (комбинированная (тепловая и электрическая) или тепловая), которое следует получить, ее количество и качество. Варианты, превращение древесины в энергию приведены в главе 4.

Рассмотрим отдельно процесс горения, ведь сам процесс горение биомассы представляет собой сложный процесс со многими переменными, которые прямо или косвенно воздействуют на уровни выбросов и эффективность использования энергии.

5.3 Горение

Процесс сжигания твердого топлива включает несколько этапов с различной температурой горения:

— высушивание;

— нагревание, газификация и сгорание газифицированных веществ;

— сгорание твердого углерода.

5.3.1 Высушивание топлива

Когда температура достигает 100 °C, начинает испаряться влага и происходит высушивание топлива.

5.3.2 Пиролиз

Процесс пиролиза начинается при нагревании твердого органического вещества до температуры 100−105°С. Летучие вещества например, углеводородные соединения, начинают испаряться. Структура материала топлива изменяется, и его поверхность становится пористой.

5.3.3 Воспламенение твердого топлива

Происходит при температуре 200−300°С в зависимости от вида топлива. Воспламенение сухого торфа происходит при температуре 225−280°C, мягкой древесины — при температуре 220 °C и твердой древесины — при температуре 300 °C.

5.3.4 Сгорание летучих компонентов

При температуре 500−600°С начинается процесс горения летучих компонентов, которые находятся на этом этапе в газообразной. Содержание летучих компонентов в горючем веществе составляет 75%, поэтому сжигание твердого топлива — это в основном сжигание газов.

5.3.5 Дожиг

При температуре 800−900°С происходит сгорание твердого углерода и смолы.

Эффективным сжиганием топлива является сжигание с незначительными потерями теплоты. Следующие три параметра, так называемые три «Т», определяют эффективность сжигания топлива:

— требуемое время (Этот параметр определяет требования к размерам топки, которые должны быть достаточно большими для того, чтобы частицы и капли имели достаточное время для полного сгорания до соприкосновения с холодными поверхностями, т. е. стенками топки или трубы);

— требуемая температура (Температура должна быть достаточно высокой для того, чтобы обеспечить полное сгорание топлива в зоне дожига);

— требуемая турбулентность (Турбулентность создается для того, чтобы подаваемый воздух смешивался с горючими газами. С этой целью в топку с высокой скоростью подается первичный, вторичный и, при необходимости, третичный воздух).

В таблице 5.3.1 дается краткое описание наиболее важных переменных характеристик этого процесса (в основном с использованием установок для сжигания биомассы большой мощности).

Таблица 5.3.1

5.4 Параметры для контроля и регулирования горения

При сжигании топлива необходимо минимизировать потери энергии. Потери составляют пестревшие вещества и потери при горении, вызванные чрезмерным количеством избыточного воздуха.

Показателем эффективности процесса является содержание СО в отходящих газах. При сжигании топлива необходимо обеспечить содержание максимального количества СО2 и отсутствие СО в отходящих газах. Па практике в процессе горения отходящие газы всегда содержат некоторое количество СО.

Следующие параметры могут использоваться для контроля и регулирования процесса горения.

5.4.1 Количество О2 в отходящих газах

При недостаточном количестве воздуха может увеличиться образование СО. С другой стороны, чрезмерное количество воздуха может уменьшать эффективность процесса горения и увеличивать образование термических NОх.

5.4.2 Количество CO2 в отходящих газах

Количество СO2 в отходящих газах должно быть максимально приближено к предельному допустимому значению для древесного топлива, т. е. 20,4%. Однако, так как существует явно выраженная зависимость между содержанием О2 и содержанием СО2, вышеуказанное содержание О2 в отходящих газах (5−8%) будет соответствовать содержанию СО2 13−16%.

5.4.3 Количество СО в отходящих газах

Содержание в отходящих газах несгоревших газов, в основном СО, должно быть минимальным и составлять менее 100 частей на миллион.

5.4.4 Количество NО2 в отходящих газах

Количество NO2 в отходящих газах зависит в основном от степени избытка воздуха и температуры. Температура не должна быть ни слишком высокой, так как в этом случае может увеличиться образование термических NOx, ни слишком низкой, так как низкая температура горения не обеспечивает полное сгорание топлива. Эффективная температура горения может составлять от 850 до 1200 °C.

5.4.5 Температура отходящего газа

Температура отходящего газа должна быть менее 150 °C перед вытяжным вентилятором отходящего газа. Она может быть несколько выше при сжигании сухого топлива.

5.4.6 Топливо

Наиболее эффективное сгорание происходит при использовании топлива с однородным размером частиц одинаковой влажности.

Современные промышленные установки, предназначенные для сжигания топлива, оборудованы системами контроля технологических процессов, обеспечивающими полностью автоматическую эксплуатацию.

5.5 Технологии сжигания топлива

Существуют следующие основные технологии сжигания биомассы:

— сжигание топлива в неподвижном слое;

— сжигание топлива в псевдоожиженном (кипящем и циркулирующем) слое;

— пылевое сжигание.

Схемы этих технологических процессов показаны на рис. 5.5.1 и описаны ниже.

Рис 5.5.1 Схемы основных технологических процессов сжигания биомассы

Установки, предназначенные для сжигания топлива в неподвижном слое, включают топки с колосниковыми решетками при загрузке с нижней подачей топлива. Первичный воздух проходит через неподвижный слой топлива, в котором происходит подсушивание, газификация и обугливание топливного материала. Выделившиеся горючие газы сгорают после подачи вторичного воздуха, как правило, в зоне горения, отделенной от топливного слоя.

В топке с псевдоожиженным слоем топливная биомасса сжигается в самоперемешивающейся взвеси газа и материала слоя, в который снизу подается воздух для горения. В зависимости от скорости псевдоожижения различают сжигание топлива в псевдоожиженном (кипящем) слое и циркулирующем псевдоожиженном слое.

Пылевое сжигание может применяться для сжигания топлива, состоящего из мелких частиц (имеющих средний размер менее 2 мм). В топочную камеру подается смесь то плива и первичного воздуха горения. Топливо сгорает во взвешенном состоянии, и послеподачи вторичного воздуха происходит выгорание газов. Существуют также различныеварианты этих технологий. Примерами могут служить установки, предназначенные для cжигания топлива с забрасывателями-распределителями и циклонными форсунками.

В таблице 5.5.1 дается технологическая оценка описанных методов сжигания биомассы.

Таблица 5.5.1

При выборе одного или другого способа сжигания следует учитывать установленную мощность, вид топлива, экономическую составляющую, а также не стоит забывать о возможности модернизации установки с целью повышения ее КПД или производительности. [8]