Тема 3. Тревна биомаса и нейното енергийно използване
Слонска трева
Резюме
В тази тема се разглеждат възможностите за използване на културите за енергийни цели, а така също и използването и на остатъците от земеделските култури за същата цел. Отбелязани са предимствата при използване на тревните култури за подобряване качествата на почвата. Разгледани са подходящите за България и Европа енергийни треви, подразделении на едногодишни и многогодишни. В таблици са дадени данни за енергийните характеристики на различните видове треви и на остатъците от земеделските култури. В края на темата са разгледани различни видове инсталации за директно оползотворяване /изгаряне/ на тревната биомаса.Отбелязани са и съпътстващите негативни явления при изгаряне на различните видове биомаса и начините за минимизиране на неблагоприятните ефекти.
1.Нови насоки за развитието на културите за биомаса.
Все по-голям интерес започват да предизвикват културите, прездназначени за енергийни цели. Предпоставки за тяхното утвърждаване е постигането на положителен енергиен баланс в процеса на селскостопанското производство и използването на нископродуктивни и изоставени земеделски земи.
Културите, предназначени за биомаса за енергийни цели могат да се разделят на две големи семейства:
- тревисти култури, едногодишни или многогодишни, предназначени за получаване на енергийна биомаса под формата на сухо вещество;
- бързорастящи дървесно-целулозни култури (като топола, върба, акация), предназначени основно за изгаряне и с кратко сеитбообращение. Това са така наречените SRF култури.
Освен за предназначените за енергия тревни култури, енергийна биомаса може да се получи и от остатъците от културите, отглеждани за други цели. В тези случаи остатъците са под формата на слама (на пшеница и др.) или стебла (царевица, слънчоглед). Може да се окаже, че в редица случаи, отглеждането на биомаса за енергийни цели е не по-малко изгодно отколкото отглеждането на обичайните културни насаждения. Основната част от разглежданите в раздела тревни култури се отличават с висока продуктивност и простота на отглеждането. Най-често те се нуждаят от оскъдно напояване и наторяване.
Трябва да се добави и фактът, че енергийното използване на земеделските култури или на остатъците от тях е свързано с вековните традиции на селските райони. През последните десетилетия бяха забравени традиционни за миналото видове, които сега отново могат да бъдат включени в сеитбообръщение.
2. Предимства на тревните култури
Освен, че представляват производство с икономическо значение, енергийните култури допринасят за намаляване на вредните емисии в атмосферата. Благодарение на тях се оползотворяват пустеещи земеделски земи. Използването на биомасата за енергийни цели вместо традиционните фосилни горива и за земеделски цели, вместо традиционните търговски култури, оказва положително въздейсвие върху околната среда [1,2]. Това се изразява в:
- намаляване на емисиите от СО2
По отношение на емисиите ефектът от използване на тревни култури за енергийни цели е напълно аналогичен както при всички култури за биомаса. По време на фотосинтезата те също абсорбират СО2 от атмосферата и го отделят по време на тяхното изгаряне. Като цяло тези два процеса са балансирани. Специфично предимство на многогодишните тревни култури пред традиционните едногодишни посеви, е по-малкото количество емисии при подготовка на почвите, тъй като това става по-рядко.
- увеличаване на органичния въглерод в почвата
Това е другият положителен ефект, който подобрява баланса на органичния въглерод в почвата. Така се повлиява изключително върху плодородието на почвата.
- подобряване на биологичното многообразие
Характерно е, че културите за биомаса не се третират с типичните за хранителните култури хербециди, защото тяхното крайно предназначение позволява по-голяма поносимост към плевелите. Това обогатява цялостната агроекосистема, което е по-силно изразено при многогодишните видове.
- предотвратяване деградацията на почвата
По необработваемите площи се разпространявт опасни плевели, създават се предпоставки за вятърна или водна ерозия вследствие липсата на достатъчно растителност. Не на последно място такива площи могат да се превърнат в източник на патогенни вещества и алергенти, което е проблем особено за крайградските области. Стопанисването на тези неизползваеми земи чрез засяване на енергийни култури спират тези негативни явления.
- намаляване на средствата за растителна защита и торове
Това твърдение е очевидно, защото традиционните земеделски култури изискват по-голямо количество торове и растителни препарати от културите, предназачени за енергия. Този ефект се мултиплицира, защото същевременно намалява риска от замърсяване на подпочвените води.
- увеличаване на органичните вещества в почвата
Този ефект се усеща най-много при гъстозасетите многогодишни тревни култури, защото намалява риска от ерозия в наклонените участъци и терени. Това се дължи на съчетаването на множество фактори, като: ефектът на „покриване” на почвата с непрекъсната растителна покривка и увеличаване на органичните вещества в горните пластове на почвата; ефектът от „наторяване” от падналите през годината листа и ефектът от задържане на земните маси, дължащ се на корените на растенията. Тези ефекти са много важни, особено когато става въпрос за едногодишни орни култури, пасища и запустели терени в лошо състояние.
- положителен енергиен баланс
Може да се каже, че това е едновременно икономически и екологичен показател, който е с особена важност. Същият показва енергийният баланс или съотношението между общата енергия, получена от крайната биомаса и общото невъзобновяема енергия, изразходвана за получаването на този продукт. Тук трябва да се вземат предвид всички направени разходи за торове, растителни препарати, механична енергия и транспорт, използвани по време на целия производствен цикъл за производство на енергийната биомаса. Данните, дадени в таблица 3.1, показват че получената (изходяща) енергия, многократно превишава вложената (входяща) енергия[4].
Таблица 3.1 Енергиен баланс на тревистите култури и на SRF топола
Източник: Бонари и ученици - Култури, предназначени за енергийни цели: Проект Биоенергийна ферма Италия,2005
3. Тревни култури за биомаса
Като начало трябва да се изясни разликата между културите, предназначени за производство на енергия и онези, чиито остатъци могат да бъдат използвани за същата цел. Растителните култури, предназначени за производство на биомаса за енергийни цели, трябва да бъдат с максимално съдържание на сухо вещество за единица площ, макар и с ниска стойност [2,3,4]. Енергийните тревисти растения са подходящи, тъй като за тяхното отглеждане могат да се използват подобни подходи и техническо оборудване, както при обикновените земеделски култури. Могат да бъдат оглеждани едногодишни и многогодишни тревисти растения. Като подходящи за Европа, могат да се посочат следните енергийни треви:
- едногодишни - сорго за влакно (Sorghum bicolor L.) /фиг.3.1/, коноп (Hibiscus cannabis L.), някои от рода фаларис (Phalaris spp.), метла (Kochia scoparia Schrad), щир.
- многогодишни - магарешки бодил (Cynara cardunculus L.)/фиг.3.4/, мискантус (Miscanthus sinensis Anderss.)/фиг.3.2/, обикновена тръстика (Arundo donax L.) /фиг.3.3/, просо (Panicum virgatum L.), тръстиковидна власатка (Kora), планинските овсиги (Tacit и Tabrom), фуражен киселец и др. [2,3,4].
Трябва да се отбележи, че едногодишните треви не са особено подходящи, защото ежегодното засаждане на растителност оскъпява производството на биомаса и съотношението между влаганата (входяща) енергия и добиваната (изходяща) енергия нараства чувствително.
С най-добри показатели са: соргото за влакно, обикновената тръстика, мискантусът и магарешкия бодил.
Фиг.3.4 Магарешки бодил
Друг важен източник за енергийна биомаса са остатъците от търговските земеделски култури. За условията на България, количествено значими земеделски култури, от които е перспективно да се оползотворяват остатъците за енергийни цели са:
- пшеница и ечемик - остатък слама
- царевица - остатък царевичак и какалашки
- слънчоглед - остатък стебла и пити
- тютюн - остатък стебла
Таблица 3.2. Остатъци от традиционните култури и тяхната употреба сега
4. Енергийни характеристики на тревната биомаса.
В основни линии можем да отбележим, че енергийното качество на биомасата, получена от тревисти култури или от техните остатъци, е по-ниско, отколкото това на биомасите, получени от горски остатъци или от дървесни видове от SRF [4]. Това се дължи на три основни причини:
- по-големи остатъци от пепел
- по-ниска температура на топене на пепелта (при риск от повреда на съоръженията, особено на онези, които заради енергийната ефективност трябва да работят при високи температури)
- наличие на опасни вещества, като силиций, алкални вещества (калий, натрий) и хлор, поради емисиите или материалите на инсталациите. Хлорът и алкалните вещества, реагирайки в процеса на горене, образуват хлориди със силно корозивен ефект върху стоманата на котела и на тръбопроводите.
Топлотворната способност/калоричността/ на тревистите биомаси е доста добра, малко по-ниска от тази на дървесните биомаси от SRF, но все пак над предвидения в нормативите за горивните инсталации минимум.
Всички параметри - пепел, температура на топене, нежелани вещества, по-ниска топлинна мощност, представляват проблем, особено ако горивото е растителни остатъци и най-вече слама.
Въпреки това, има две основни причини за енергийното използване на тези остатъци:
- по-голямата им наличност в сравнение с горските остатъци
- възможността за по-лесно и евтино прибиране в сравнение с горските отпадъци или дървесината от SRF.
Това са важни заключения, защото енергийното качество на тревистите биомаси варира значително при различните видове. Въз основа на енергийното качество на пелетите, произведени от основните култури за биомаса, можем да направим следните изводи:
Мискантус : въпреки, че има най-ниското съдържание на пепел сред разгледаните култури, той има много високо съдържание на силициев окис. Количеството силиций (в абсолютна стойност на кг пелети) е много по-високо, отколкото при другите енергийни култури. В зависимост от технологията на изгаряне това може да доведе до повреда на котлите или до твърде високи разходи за поддръжка.
Сорго: съдържа всички цитирани опасни вещества в по-големи количества. За да се предотврати този проблем се практикува производството на смесен пелет от сорго и топола в съотношение 1:1, при което се получава значително намаляване на всички нежелани параметри. Единственият отрицателен аспект е намаляването на кароричноста на продукта. Резултат по-близък до този на соргото, отколкото на тополата.
Обикновена тръстика : има относително ниска калоричност, но другите параметри са близки до тези на сместа сорго / топола и, следователно, са добри за тревна биомаса.
Магарешки бодил: има ниска калоричност и високо съдържание на пепел, със силно присъствие на окиси и хлориди.
Производството на топлина от дървесно-целулозно гориво, добито от дървесни видове, може да се счита за достатъчно изяснено от науката. Все още в процес на развитие е технологията на изгаряне на тревистите биомаси. Обикновено те се характеризират с високо съдържание на пепел (най-често нискотопима), което увеличава риска от повреди на котлите, намиращи се в момента на пазара.
Как да се намалят нежеланите ефекти от изгарянето на енергийните биомаси, т.е. голямото количество остатъчна пепел, ниската температура на топене и най-вече наличието на опасни компоненти?
От десетгодишния опит на Дания в използването на сламата за енергийни цели (едно от горивата с най-лоши характеристики сред разглежданите биомаси), могат да се направят някои важни изводи за подобряване на енергийната й ефективност.
Остатъчното сухо вещество от сламата съдържа около 50% въглерод, 42% кислород, 6% водород и малки количества азот, сяра, силиций и други минерали, в частност алкални елементи (натрий и калий) и хлор. Наличието на хлор и алкални минерали в газа, образуващ се във фазата на горене, е проблем, тъй като тези вещества, реагирайки помежду си, произвеждат натриев и калиев хлорид, които са много корозивни за стоманата на котела и тръбопроводите.
Друг проблем създава пепелта от момента, в който нейната точка на топене (800-850°) е относително ниска в сравнение с тази на другите горива. Това е важен проблем, особено за онези инсталации, които трябва да работят при висока температура, за да реализират висока ефективност.
Ако за гориво се използва комбинация от слама и въглища, поради наличието на алкални вещества, пепелта, за разлика от пепелта от чисти въглища, не може да се използва за съставка на строителни материали, а трябва да се складира на контролирани места.
Проведените в Дания опити, обаче, показват, че в сламата, оставена да гние на полето, под въздействието на дъждовете наличието на хлор и калий намалява значително (от 0,49% до 0,05% за хлора и от 1,18% до 0,22% за калия).
С цел още повече да се намали корозивното действие на сламата в инсталациите се прави термична обработка на сламата при температура около 160°. Доказано е също така, че хлорът и калият могат да се отмият при по-ниски температури, около 50-60°С [4].
Загубите на енергия, причинени от процесите на отмиване, изсушаване и отстраняване на нежеланите компоненти, възлизат на около 1,8% от калоричността на сламата.
Един ефикасен метод за повишаване на качеството на тревистите биомаси е използването им под формата на пелети.
В сравнение с другите форми на използване на биомасата, като трески, съчки, стърготини и др., пелетите имат редица предимства:
- очевидна висока плътност (650-780 кг/м3), която оптимизира транспортирането и съхраняването;
- количествена и качествена еднородност на материала, който събран в малки обеми, улеснява местенето и обработката;
- ниско съдържание на влажност (около 10%), което оптимизира изгарянето и намалява рисковете от ферментация през периода на съхранение;
- висока калоричност
- възможност за смесване на разнородни суровини.
Последната характеристика е от голямо значение при тревистите биомаси, особено при сламата или другите отпадъчни материали, защото, както показва опитът с пелетите от сорго / топола, смесването на тревисти с дървесни биомаси с високо енергийно качество позволява да се получи гориво с по-добри характеристики, като се намали значително съдържанието на нежеланите компоненти.
Таблица 3.3 Производствени и енергийни характеристики на някои видове, предназначени за биомаса
Източник: Angelini et al - PISA 1999 /4/
Таблица 3.4 Производствени и енергийни характеристики на някои остатъци от земеделието
Източник:ITABIA 2003 /4/
Таблица 3.5 Характеристики на горене на пелети, произлизащи от основни култури
източник: [4]
Таблица 3.6 Температура на разтапяне на пепелта от някои растителни биомаси
5. Използване на тревни биомаси за енергийни цели.
Енергийната конверсия на инсталациите на тревисти биомаси се основава на съществуващите технологии в областта на енергийната конверсия на дървесните биомаси. Горенето се осъществява в четири фази. Във фаза 1 се изпарява свободната вода. Във фаза 2 се осъществява пиролиза (превръщане в газ), по време на която в зависимост от температурата се образуват горивни газове. В тази фаза винаги се образува известно количество въглероден окис (СО), водород (Н2), метан (СН4) и други въглеводороди. Във фаза 3 става горенето на газовете. Ако кислородът е в достатъчни количества, горенето е пълно и остатъчните продукти са единствено въглероден двуокис (СО2) и вода. Ако кислородът не е достатъчен, се образуват въглероден окис, сажди, катран и неизгорели въглеводороди. Накрая, във фаза 4, изгаря въглеродът. В тази фаза също, ако изгарянето е пълно, се образува СО2, иначе се образува и опасният СО. Това, което остава, е пепел, състояща се от негорими органични вещества.
Основните характеристики на тревната биомаса са описани в таблица 3.7.
Таблица 3.7. Съдържание на основните химически елементи в сламата, сравнени със същите, съдържащи се в надробена дървесина
Тревната биомаса се характеризира с по-голямо съдържание на пепел в сравнение с дървесната. Съдържанието на пепел е около 5%, в зависимост от разглеждания растителен вид и зависи от съдържанието на влага в горивото и от други фактори, като температурата и наличието на кислород по време на горенето. Пепелта е богата на нискотопими и корозивни окиси, които могат да повредят съществуващите в днешно време котли. Това ограничава възможностите да се изгарят тревисти биомаси, тъй като изисква използването на специални котли, в които горенето да се контролира така, че да не превишава 700°С (температурата на размекване на пепелта- 600°С , при която започва да става лепкава). Колкото изходната биомаса е по-нееднородна и по-необработена предварително, толкова по-висока е температурата на топене. При оптимални условия температурата на топене на пепелта е дори над 1000°С (таблица 3.6). При всички случаи, това ограничение на температурата на практика намалява енергийната ефективност на производството на топлина и още повече, на производството на електричество. В действителност, за постигане на добра ефективност е необходима висока температура на парата, но това води до риск от образуване на масивни отлагания по тръбите.
Днес смятаме пепелта за отпадък, но тя може да намери важно приложение в селското стопанство. Остатъците от пепелта, освен че служат за определяне на качеството на изгорения материал, могат да се продават като тор, а това е допълнително остойностяване на продукта. Както бе отбелязано, пепелта от тревна биомаса, комбинирана с пепел от дървесно гориво, се размеква при значително по-ниска начална температура на деформация и това може да доведе до отлагания вътре в котлите.
Например, при котлите с флуидно легло, отлаганията се натрупват във флуидното легло и котелът спира. При котлите със скара отлаганията от горивото водят до намаляване на въздушния поток през скарата и нарушаване на процеса на изгаряне. Ако вследствие намаления приток на въздух през скарата температурата продължава да се повишава, топенето на горивото и на неговата пепел може да причини спиране на инсталацията. Тези недостатъци могат да се намалят, като се използват подвижни скари, които периодично се промиват с вода.
Друг проблем е наличието на хлор и алкални вещества в газовете на димоотвода. Тези вещества реагират и се преобразуват в натриев и калиев хлорид, които са крайно корозивни за стоманата на котела и тръбите, особено при високи температури. Един начин за намаляване съдържанието на хлориди и алкални вещества е сламата да се остави да гние на открито, както е описано по-горе.
Като отчетем тези недостатъци, дължащи се на различния тип на горивата, няма особена разлика в технологиите на енергийно преобразуване на биомасата от тревисти и от дървесни горива.
6. Видове инсталации и мащаби на използване
Преди да разгледаме различните видове инсталации на тревна биомаса, трябва да обърнем внимание на проблемите, свързани с транспортирането и механизираното захранване с входящо гориво. Това е особено важно при инсталациите с малки размери, тъй като надробяването на сламата за гориво изисква много енергия и доста сложни надробяващи устройства.
Едно от възможните решения е да се използват пелети, които могат да се произведат от различни култури, предназначени за енергия . Опитите, проведени в Дания с пелети с размери 8-10 мм от ненадробена слама, показват, че пелетите могат да се използват без проблеми при инсталации с големи размери, но образуването на пепел и сгурия ги прави по-малко подходящи за инсталации с малък капацитет.
Съществуват технологии, които позволяват сламата да се използва, без да е предварително надробена, както и да се подават направо цели бали /фиг.3.5/ [4].
Фиг.3.5 Схема на инсталация за изгаряне на слама
В търговската мрежа има и такива котли с малък капацитет, които работят с изсушено царевично зърно. Капацитетът на съществуващите котли (20-93 kW) не позволява царевицата да се счита за енергийна култура. Трябва да подчертаем, че количествата енергия и вода, изразходвани за производството на царевично зърно, са по-големи от тези за културите, предназначени за енергия. Все пак, перспективите за енергийно използване на бракувана царевица биха могли да представляват интерес, поради изключително високото съдържание на микотоксини. Във всеки случай голямото предимство на царевичното зърно е, че то може да се складира направо след прибирането от полето, без допълнителна обработка. От склада то автоматично да се подава в топлогенератора без никакви допълнителни разходи, например, за пелетизация. Точката на топене варира от 700 до 750°С и, за да се избегнат описаните в предходния параграф проблеми с омекването на пепелта, в зоната на хомогенизация с помощта на вентилатор трябва да се поддържа температура от 600 до 700оС.
Неотдавна са проведени интересни опити за използване на мискантус в малки топлоцентрали.
Става въпрос за малки инсталации ( в повечето случаи експериментални-Англия), които използват пелети от мискантус, с контрол на количеството дим на изхода и на количеството произведена пепел. Резултатите изглеждат много окуражаващи. Изчислено е, че от всеки хектар земя годишно могат да се произведат 15 тона пелетизиран мискантус, а добивът на топлина от тях ще позволи да се спестят 6000 литра традиционна нафта.
Сред инсталациите със среден капацитет особен тип инсталация за тревисти биомаси е така наречената „горелка за пури" ("cigar burner"). Тя е комбинация от система за захранване със сламени бали и котел с наклонена скара /фиг.3.6/
Фиг.3.6 Изгаряне на слама тип „ cigar burner”
Горивото не се нуждае от предварителна обработка, а това позволява да се намалят разходите. Балите се избутват напред върху решетка по време на горенето и достигат основата на наклонената скара, когато са напълно изгорели. Система от вертикални тръби позволява на пепелта да пада в един филтър с чувал. Недостатък на тази технология е, че видът и размерът на балите трябва да са еднородни, защото иначе се увеличава образуването на СО и намалява ефективността на горенето.
Примери за инсталации от този тип са една инсталация за когенерация в Хаслев -Дания, която произвежда 5 MW електричество и 13 MW топлина (първата инсталация за тревисти биомаси в света) и една малка инсталация за производство на топлина (3.2 MW) в Шкьолен - Германия.
Инсталациите със среден и най-вече с голям капацитет могат да произвеждат и електроенергия. Ясно е, че за предпочитане са инсталациите за когенерация на електричество и топлина.
- При инсталациите за производство на електроенергия се постига ефективност 40-45%, следователно загубата от разсейване на топлина в окръжаващата среда, въздуха и още по-вече - във водите, възлиза на 55-60%;
- При производство само на топлина, се постига ефективност 85%;
- При когенерация обаче, производството на електроенергия достига ефективност 20-30% , а на топлина - 60%, следователно тук загубата може да намалее до 10%.
Освен това, централите за когенерация не се нуждаят от вода за охлаждане на инсталацията и следователно, могат да бъдат удачно разположени в земеделските зони за производство на биомаси.
Инсталациите с по-голям капацитет обикновено не се захранват единствено с тревисти биомаси. Съществуват различни примери за централи на въглища, преобразувани да работят на биомаси и въглища. Става въпрос за централи, захранвани в миналото с гориво на прах, и преобразувани да изгарят смес от биомаси и въглища. Те произвеждат стотици мегавати топлина, но делът на тревистите биомаси е ограничен (до 20% от подаденото гориво).
Котлите с флуидно легло обикновено се използват при инсталации, произвеждащи над 10 MW мощност. Тази технология позволява да се използват различни видове горива с различно съдържание на влага. Температурата на горене е по-скоро висока, обикновено около 800°С. Това, както бе описано по-горе, е основната пречка за използването на тревистите биомаси, особено на нееднородните, тъй като пепелта започва да се размеква при по-ниски температури.
Основни понятия:
тревна биомаса, бързорастящи култури, енергийни култури, едногодишни, многогодишни растения, пепелен остатък, слама, Hibiscus cannabis L ., Cynara cardunculus L., Miscanthus sinensis Anderss., обикновена тръстика (Arundo donax L.)
Литература:
- Георгиев В., Технически потенциал на растителните селскостопански остатъци, подходящи за енергийно оползотворяване в България, Топлотехника за бита, 6/2005.
- Коцоуркова Д., Мръквичка И., Алтерантивно оползотворяване на тревна биомаса, Топлотехника за бита, 8, 2006.
- Крнов З., Алтернативни твърди биогорива за малките източници на отопление, Топлотехника за бита, 5, 2004.
- Пейчев К., Д. Динев, Р. Георгиев, Н. Делчев и др. 2006. Възобновяеми енергийни източници в земеделието (Международен проект “PROAERE” по програма “Леонардо да Винчи”)
