Использование соломы сельскохозяйственных культур

Теплотворная способность 1 т сухого вещества соломы эквивалентна 445 кг сырой нефти. По показателю теплотворности пшеничная солома (15,5 МДж/кг) приближается к дровам (14,6 – 15,9 МДж/кг) и превосходит бурый уголь (12,5 МДж/кг) [18]. В условиях Германии солома с 1 га при использовании для сжигания способна заменить 1200 – 1600 л жидкого топлива. При выходе соломы в 3 т/га в ней содержится энергия, эквивалентная находящейся в 1000 л мазута или в 2,7 тыс. м³ природного газа [22]. В Швеции получаемая из соломы энергия в ряде случаев дешевле энергии жидкого топлива [19].

В Польше часто в качестве топлива используют древесные отходы и солому. Общее количество котлов для сжигания подобного топлива превышает 500 единиц с общей мощностью свыше 500 МВт. Среди объемов энергии, получаемой в Польше из биомассы, солома и другие растительные остатки составляют более 46%. В Дании работают более 20 тыс. тепловых установок на соломе, и на каждой сжигают 10 – 20 тонн соломы в год. Имеется положительный опыт использования соломы на топливо в различных странах мира [22].

Основную часть химического состава соломы составляет углерод (73 – 79 %). Солома содержит (табл. 3) также значительное количество других макроэлементов [1].

Содержание микроэлементов в соломе выше, чем в зерне. В процессе разложения соломы микроорганизмы используют соединения углерода в качестве источника энергии. Солома содержит в 60 – 100 раз больше углерода, чем азота. Солома в аэробных условиях на нейтральных почвах разлагается в течение 3 – 4-x лет, а на кислых и тяжелых почвах – за более длительный срок.

Уборка соломы с полей всегда была проблемой для большинства хозяйств республики. Особенно актуальной она стала в последние годы из-за увеличения удельного веса зерновых в севооборотах и расширения посевов крестоцветных, зернобобовых, гречихи. При валовом сборе зерна около 7 млн. тонн выход соломы составит 5,73 млн. тонн. Для определения урожая массы соломы на гектар следует учитывать урожай зерна и соотношение зерна и соломы. В зависимости от степени интенсивности сорта зерновых у озимой ржи соотношение зерна и соломы равно 1: 1,3 – 1,5, у озимой пшеницы – 1:1,0 – 1,4, у ярового ячменя – 1:0,8 – 1,0 [1].

В настоящее время солома занимает особое место в кормовом балансе многих хозяйств, и своевременная уборка ее с полей является по сути и кормозаготовкой. На кормовые цели в Беларуси расходуется 1,8 млн. тонн соломы. С другой стороны, около 1,5 млн. тонн соломы в целом по республике используется как компонент органических удобрений в качестве подстилки животных. Кроме того, 1 млн. тонн соломы применяется для укрытия буртов и продажи населению на потребительские нужды.

Традиционный способ использования соломы в качестве подстилки животным требует больших материальных затрат на погрузочно-разгрузочные и транспортные работы при уборке, стоговании, доставке к фермам, на измельчение, а гакже все виды работ, связанные с вывозом и внесением органических удобрений. Так, при уборке зерновых культур комбайном КЗС-7 с расстилом соломы в валок эксплуатационные затраты составляют 117,3 долл. США/га, расход ГСМ – 14,0 кг/га. Для того, чтобы убрать солому с поля в тюках, не­обходимо к этим затратам дополнительно расходовать 68,4 долл. США/га и 31,1 кг/га ГСМ. На уборку незерновой части урожая рулонными подборщиками придется затратить несколько меньше средств – 26,9 долл. США/га и 19,5 кг/га ГСМ. При этом следует отметить, что убранная с полей солома для приготовления навоза и его последующего внесе­ния также требует значительных расходов финансовых средств (140,8 долл. США/га) (табл.2).

Эффективным способом использования соломы в качестве органического удобрения является раздельное внесение ее с жидким навозом или азотными удобрениями. Дополнительный азот в этом случае необходим для того, чтобы обеспечить интенсивное разложение соломы, при котором требуется иметь соотношение C:N как 20:1. В соломе количество углерода по отношению к азоту несравненно большее и колеблется в зависимости от типа соломы – от 60:1 до 100:1. Технология использования соломы на удобрение была разработана в Институте почвоведения и агрохимии НАН Беларуси в 1991 г. [2]. Суть ее заключается в измельчении соломы при уборке специальными приставками к комбайнам. Оборудование комбайна КЗС-7 измельчителем не уменьшает сменную выработку (10,1 га) и лишь незначительно (на 1,8 кг/га) увеличивает расход топлива и эксплуатационные затраты (на 1 USD/га). По такой технологии в республике может быть использовано 1,349 млн. тонн соломы [3].

В общем балансе использования соломы в Беларуси из 5730 тыс. тонн (2004 г.) для хозяйственных целей используется около 58%. Примерно 23% соломы рекомендуется измельчать и запахивать. По данным, полученным в результате специального анкетирования слушателей ФПК из Могилевской, Гомельской и Витебской областей, в среднем 19,0 – 27,5% соломы в хозяйствах используется неэффективно [4]. Для хозяйств Могилевской и Витебской областей среднее значение излишков соломы составляет 25,3 – 27,5%, а для Гомельской области – 19,0%. Данное количество соломы может быть успешно использовано в качестве топлива.

Проведенные в Германии исследования [23] показывают теплотворную способность различных видов органических биомасс и содержащиеся в них основные химические элементы.

Теплотворная способность зависит от вида органического вещества и для разных видов соломы в среднем находится в пределах 16,56 – 17,69 МДж/кг. Для каждого вида соломы возможны колебания показателя теплотворной способности с отклонениями до 1 МДж. Для рассмотренных 9 видов соломы среднее значение теплотворной способности составляет 16,82 МДж/кг. Теплотворная способность древесных материалов (тополь, верба, кустарник) несколько выше и составляет в среднем 16,85 – 18,52 МДж/га. Содержание золы после сжигания соломы находится в пределах 4,35 – 15,56% (среднее около 7%) (табл. 4).

Для процесса горения соломы (как и других твердых топлив) можно подсчитать теоретическую низшую теплоту сгорания по известной формуле[24]:

Q_н = 339,1 C + 1063,4 H – 108,9 (O- S) – 25,1 W, кДж/кг,

где С – содержание углерода,%;

Н – содержание водорода,%;

S – содержание серы,%;

О – содержание кислорода,%;

W – содержание влаги, %.

Для соломы по справочным данным с учетом содержания указанных химических элементов (C = 43,2%; H= 5,2%; S= 0,1%; O+N= 37%; W = 10%) расчетное значение низшей рабочей теплоты сгорания составляет 15,5 МДж/кг. После сгорания теоретически остается 4,5% золы. Однако в данных расчетах не учитываются особенности сжигаемой соломы.

Важным условием горения соломы является подача необходимого количества воздуха. С учетом химических элементов состава соломы по известной формуле [24] можно теоретически подсчитать потребное для горения количество воздуха:

L_т = (2,67 С + 8 Н – S – О) / 30 = 3,995 м³/кг.

В реальных условиях горения расход воздуха обычно больше теоретического, что учитывается коэффициентом избытка ά = 1,4 – 2,0. Тогда для сжигания 1 кг соломы требуемое количество воздуха составит 5,6 – 8,0 м³/кг.

Т а б л и ц а 4. Среднее и предельные значения химико-вещественных показателей исследованных биомасс

П р и м е ч а н и е: Верхняя строка – среднее значение, нижняя – пределы изменения.

Эффективность использования соломы в качестве топлива достаточно высокая (табл. 5).

Экспериментально определены параметры получаемого теплоносителя при использовании в качестве топлива различных видов соломы (табл. 6).

Проведенные исследования подтвердили значительные возможности использования соломы для получения теплоносителя с перспективами дальнейшего его применения в полезных целях.

В России имеется два вида данного растения. Многолетники 80 – 300 см высотой, обычно образующие крупные, довольно рыхлые дерновины с ползучими корневищами. Основания побегов одеты кожистыми чешуевидными листьями. Стебли прямостоячие. Листовые пластинки – 0,5 – 1,8 см шириной, линейные или ланцетно-линейные, очень жесткие. Метелки более или менее веерообразные (с длинными боковыми веточками и сильно укороченной общей остью), 10 – 30 см длиной; колоски – 0,3 – 0,7 см длиной, с одним вполне развитым цветком, окруженные длинными шелковистыми волосками, отходящими от их основания и со спинки колосковых чешуй; колосковые чешуи равные колоскам, тонкокожистые; нижние цветковые чешуи более короткие, перепончатые, без ости или с остью (рис. 7).

Выращивание культуры мискантус может быть выгодно только в больших масштабах, чтобы снизить ее себестоимость при получении урожая не менее 18 т/га. Доходность может быть повышена через субсидии и снижение налогов. Доходность также может быть повышена, если использовать часть посевов для последующего размножения культуры и продажи рассады. Данные были посчитаны при условии средней урожайности 15 т/га и стоимости 49 евро/т.

Сравнение ряда растений по выходу с гектара чистой энергии показало, что наиболее выгодными для этих целей являются мискантус, ива, тритикале, кукуруза, люпин, которые по данному показателю значительно превосходят подсолнечник, рапс, лен, картофель. По удельной теплоте сгорания (МДж/ кг) биомасса мискантуса (17,2), ивы (16,1), тритикале (14,3), узколистного люпина (15,8) превосходит таковую торфа (8,1), дров (10,2), приближаясь к каменному углю (22,0).

На современном этапе развития этого нетрадиционного вида сельхозпроизводства наиболее распространенными в Европе, Северной Америке являются энергоплантации на основе ивы и мискантуса (слоновой травы). Ивовые энергоплантации используются для получения энергии с третьего года их жизни и ежегодно дают 10 – 12 т/га сухой биомассы, что эквивалентно 7 – 9 т каменного угля. Проектная жизнь ивовой плантации – 25 – 30 лет. Энергоплантации на основе мискантуса также используются для получения энергии с третьего года жизни и ежегодно на протяжении 15 – 20 лет обеспечивают урожай сухой биомассы 10 –14 т/га, что эквивалентно 8 – 11 тонн каменного угля.

Энергоплантации на основе ивы и мискантуса ежегодно удобряются в расчете 100 – 300 кг/ га NPK с преобладанием азота.

Фирма Bical (Великобритания), с целью создания разнообразия для фермеров и землевладельцев и основываясь на платформе передовых научных исследований, создала международный бизнес по производству энергетической культуры Miscanthus в странах ЕС и других. Через сотрудничество с ведущими учеными Bical достиг всестороннего понимания агрономии возможности получения урожая и огромного потенциала нового источника энергии. Альтернативное решение Miscanihus – углеродистое-нейтральное, многоцелевое растение со многими выгодами. Урожай приводит к конкурентоспособным сокращениям затрат.

В качестве энергокультуры может возделываться американская бобовая культура тарви (Lupinus mutabilis), а затем по мере повышения плодородия почвы затем, по мере повышения плодородия почвы желательно включать в короткие севообороты с тарви тритикале, кукурузу и другие экономически выгодные для получения «зеленой» энергии культуры. Выбор тарви в качестве культуры размещения энергоплантаций на низкоплодородной пашне обусловлен как уникальностью его биологии, так и богатым практическим опытом в Беларуси возделывания на бедных почвах кормового люпина. Кроме того, улучшенная со временем пашня таких энергоплантаций при необходимости может с успехом использоваться для возделывания сельхозкультур на традиционные цели без проведения дополнительных мелиоративных работ.

Уникальность биологии тарви заключается в ее способности хорошо расти на малоплодородных почвах, активно усваивать азот воз­духа (250 – 300 кг/га), мобилизовать фосфор из труднорастворимых соединений почвы (30 – 50 кг/га), формировать плотный высокорослый ценоз (1,2 – 2,0 м), обеспечивающий сбор сухого вещества зеленой массы (до 14 т/га). В семенах тарви накапливается до 20 % масла и 40 % белка, что обусловливает высокую удельную теплоту сгорания всей его биомассы (17,2 МДж/кг).

При реализации на низкоплодородных землях потенциала урожайности энергосортов тарви на 50 % Беларусь может ежегодно получать с площади в 1,2 млн. га 7,2 млн. тонн сухой энергобиомассы, что эквивалентно 4,2 млн. тонн условного топлива. В эквивалентном переводе эта биомасса энергоплантаций в 10 раз больше всего коли­чества каменного угля (520 тыс. тонн), использованного в Беларуси в 2000г., или даст столько энергии, сколько планируется производить на белорусской атомной станции [11].

Создание и внедрение в производство энергоплантаций на основе специальных сортов люпина включает 3 основных направления работ: селекция и семеноводство, технология возделывания энергосортов, технология использования продукции.

Селекция и семеноводство энергосортов тарви – типовые для самоопыляющихся культур. В течение 2008 – 2012 гг. создаются энергосорта тарви с комплексной устойчивостью к болезням, вредителям и экстремальным факторам среды с потенциальной урожайностью сухой биомассы 14 т/га, зерновой части – 3 т/га, с удельной теплотой сгорания всей (солома и зерно) сухой биомассы 17,2 МДж/кг.

Технология возделывания энергосортов тарви – типовая для люпина, будет редуцирована до «безпахотной» в системе экологического земледелия с использованием ползучего люпина. Соответственно вложив в 1 га люпиновой плантации 4 ГДж энергии, получают 7 тонн сухой биомассы или 120,4 ГДж энергии.

Многолетнее использование энергогосортов люпина в монокультуре или в коротких се­вооборотах (люпин – тритикале) приведет к повышению плодородия используемых земель, а, соответственно, повышению урожайности энергоплантаций.

Энергоплантации на основе тритикале и люпина по урожайности и сбору биоэнергии с гектара приближаются к таковым на основе мискантуса, но высеваются и убираются ежегодно. Под энергоплантации на базе тритикале вносятся удобрения NPK в количестве 250 – 300 кг/га с преобладанием азота. Под плантации люпина вносятся только фосфорно-калийные удобрения в расчете 150 – 200 кг/га. Дорогостоящие азотные удобрения не вносят, поскольку люпин обеспечивает себя азотом из воздуха.

Технология использования энергии биомассы является типовой для твердого топлива в котельных установках. При этом зола может использоваться в сельскохозяйственном производстве в качестве минерального удобрения (около 250 тыс. тонн ежегодно). Возможно получение из биомассы биогаза, а из зерна – масла для технических нужд. Кроме того, создание и исполь­зование энергоплантаций на низкоплодородной пашне будет способствовать сохранению пашни и рабочих мест в сельской местности.

Таким образом, развертывание в Республике Беларусь энергоплантаций на малоплодородных пахотных землях до 25 баллов включительно (1,2 млн гектаров) обеспечит уже в первые годы их функционирования получение энергобиомассы, эквивалентной 4,2 млн. тонн условного топлива. Энертоплантации ежегодно будут обеспечивать редукцию 14 млн. тонн углекислого газа.

BioGrate представляет собой систему сжигания с подачей топлива снизу через центр кольцевой конусообразной решетки. Решетка состоит из концентрических колец, из которых каждое второе вращается, а находящиеся между ними кольца остаются неподвижными. Вращающиеся кольца приводятся в движение с помощью гидравлических цилиндров, причем соседние вращающиеся кольца двигаются в различных направлениях, т.е. если первое кольцо вращается по часовой стрелке, то второе будет неподвижным, а третье будет вращаться против часовой стрелки. Благодаря такой конструкции топливо распределяется равномерно по всей решетке, и горящее топливо образует ровный слой необходимой толщины (рис. 8).

Рис. 8. Установка для сжигания топлива BioGrate.

При эффективном сжигании биотоплива с минимальными вредными выбросами важную роль играет управление воздухом для горения. Первичный воздух для горения, а также циркуляционные дымовые газы, если они используются, подают снизу из-под решетки через имеющиеся в кольцах отверстия. Вторичный и третичный воздух (если используется) подают над решеткой прямо в топку. Для распределения воздуха предусмотрены регулировочные заслонки и вентиляторы с регулировкой числа оборотов, обеспечивающие низкий уровень выбросов окиси азота (NO₂) и окиси углерода (СО) при использовании различных видов топлива.

Тщательно запроектированная система подачи топлива является одним из наиболее важных факторов, обеспечивающих бесперебойную работу силовой установки. Данные силовые установки, работающие на биологических видах топлива, удовлетворяют требованиям в отношении систем подачи топлива и эксплуатации установок без постоянного присутствия обслуживающего персонала. Топливная система Wartsila спроектирована с учетом высокой интенсивности эксплуатации без снижения требований в отношении качества продукции.

Топливные компоненты можно перемешивать в промежуточных складах, оснащенных местными и автоматизированными устройствами подачи топлива. Топливная система обеспечивает использование неоднородного, состоящего из различных компонентов топлива, с сохранением эффективности сгорания. Встроенный измельчающий цилиндр обеспечивает подачу даже покрытого льдом смерзшегося топлива. Кроме того, топливная система включает в себя несколько других стандартных узлов, обеспечивающих надёжность работы установки.