Потенциал использования биомассы в Республике Беларусь

Производство биотоплива на основе посадок быстрорастущих древесных пород

Одним из перспективных  направлений производства биотоплива признаны короткоцикловые плантационные посадки быстрорастущих пород ивы, для которых среднегодовой прирост биомассы превышает 25 м³/га. Серьезное внимание использованию плантационных посадок древесных пород с коротким циклом ротации уделяется в США, где таких плантаций насчитывается около 23 тысяч. Они дают до 20 т/га сухого вещества в год, часть его используется для целлюлозно-бумажной промышленности, часть для биоэнергетики. Канадские специалисты считают, что многоцелевые древесные плантации могут стать неиссякаемым источником энергетической биомассы. Вопрос ставится даже так, что существующая в настоящее время система сельскохозяйственного землепользования может быть существенно улучшена путем введения древесных плантаций для энергетических целей с коротким циклом ротации. В западной Европе общая площадь таких посадок превышает 1 млн. га. Имеется специальное постановление Европейского экономического сообщества №797/85 о выращивании быстрорастущих древесных пород для использования в промышленности и биоэнергетике (Carona Piermario, 1993).

В странах СНГ выращивание  быстрорастущих пород и кустарников  в основном рекомендуется в качестве источника технического сырья для переработки. В России быстрорастущим породам уделяется весьма большое внимание. Их рассматривают в качестве резерва повышения продуктивности лесов, увеличения запасов древесины и сокращения сроков её выращивания. Защитные и озеленительные насаждения, созданные из быстрорастущих пород, достигают необходимых размеров за более короткий срок и выполняют свою служебную роль в сравнительно молодом возрасте. На Украине, где в последнее время в связи с распадом СССР ощущается резкий недостаток древесины в промышленности, лесоводы намечают плантационные посадки быстрорастущих тополей.

Ранее в Беларуси специалисты по выращиванию быстрорастущих насаждений древесных и кустарниковых пород уделяли большое внимание проблеме, связанной с увеличением запасов деловой древесины, а также древесины для целлюлозно-бумажной промышленности и для получения технического сырья. Несмотря на то, что в Беларуси произрастают около 20 видов ивы, возделывание культурных плантаций высокопродуктивных пород для целей производства биотоплива не проводилось.

Короткоцикловые посадки (КЦП) представляют собой способ выращивания быстро растущих древесных пород с относительно короткой продолжительностью роста. На плантации ростки регенерируются от черенков после удаления основных стволов. Периодичность сбора урожая определяется способом дальнейшего использования древесины (в основном для топливных целей, а также для производства бумаги, прутьев и т.п.). В короткоцикловых рощах можно выращивать различные быстро растущие породы. Чаще всего практикуется посадка ивы и тополя. Практикуется значительная плотность посадки - от 10 до 20 тысяч растений на гектар. Полный срок использования плантации обычно достигает 25 лет, после чего выход биомассы заметно уменьшается. Продолжительность роста ивы до очередного сбора урожая составляет от 2 до 5 лет. Средняя урожайность во втором и последующих циклах выше, поскольку их вегетация начинается с уже укоренившихся в предшествующих циклах саженцев.

Земли, которые бы соответствовали  необходимым требованиям к условиям закладки и культивации посадок ивы с проектной продуктивностью следует искать среди нарушенных или отработанных сельхозугодий, где продолжение культивации злаковых и овощных культур становится невыгодным. В этом плане КЦП могут встретить конкуренцию с другими техническими культурами, что потребует в дальнейшем подробный экономический анализ в каждом конкретном случае. Однако для КЦП могут быть также приемлемы земли, где такие посадки не только будут давать конечный продукт в виде топлива, но и выполнять защитные функции. В странах Западной Европы и Америки уже в настоящее время используются посадки ивы быстрорастущей вдоль дорог, имеющие двух целевое назначение: защита дорог и источник топливно-энергетических ресурсов, что также весьма актуально для Беларуси. КЦП могут играть роль буферной зоны в проблеме защиты воды от загрязнения удобрениями, пестицидами, углеводородами и т.п. КЦП может уменьшать водную эрозию почвы - их плотная корневая система улучшает фильтрующую способность почвы. КЦП, наконец, может выполнять функцию лесозащитной полосы для пропашных культур и т.п. Однако при выборе мест размещения посадок ивы необходимо в первую очередь обращать внимание на тип почвы и ее водный режим.

Актуальность  проведения работ в обоснование  развития этой отрасли биоэнергетики, особенно в сельских районах, не вызывают сомнений. Посадки высокопродуктивных быстрорастущих кустарниковых и травянистых энергорастений дают возможность сельскому производителю работать в условиях автономного тепло энергоснабжения и независимости от централизованных поставок топлива, что, в свою очередь, позволит снизить издержки производства основных видов продукции, утилизировать земли, выведенные из оборота или малопродуктивные, решить некоторые социальные и коммунальные вопросы на местном уровне. Уже сейчас целый ряд хозяйств Брестской, Гродненской и Минской областей проявляют интерес к этому виду топлива.

Расчет себестоимости  топлива из биомассы быстрорастущих пород ивы показывает, что, с учетом ожидаемой урожайности (не менее 15 тонн воздушно-сухой биомассы с гектара в год) и дисконтирования затрат на закладку и раскорчевку плантации на весь срок ее эксплуатации (25 лет), себестоимость топлива не превысит 25 долл./т у. т.

Исследования  и разработка технологии производства энергоресурсов на основе топлива из биомассы быстрорастущих пород ивы в Беларуси ведутся с 2001 г. в Объединенном институте энергетических и ядерных исследований - Сосны НАНБ. Целью проекта является  научное  и  практическое  обоснование  производства  биомассы  путем выращивания    быстрорастущих    "энергетических"     посадок    ивы    в    республике    и использование в качестве топлива котлоагрегатов малой и средней мощности.

За период 2001-2003 г. выполнен комплекс теоретических  и экспериментальных исследований, в том числе:

• разработан технологический регламент выращивания быстрорастущих пород ивы в 
  условиях Беларуси  как источника возобновляемых  биоэнергетических  ресурсов, 
  включающий необходимую технику и механизмы для механизации посадок, ухода за 
  ними и для сбора биомассы;
• на      имеющихся      плантациях      проводился      контроль      параметров      роста, 
  контролировались   почвенно-климатические   условия,   потребление   компонентов 
  питания, урожайность и прирост биомассы;
• изучен элементный состав и технические характеристики топлива из биомассы - 
  влажность, зольность и калорические свойства топлива,  определен CHN состав, 
  летучие, концентрация K, Mg, Ca, Cl, S, Zn, тяжелых металлов, элементный состав 
  золы;
• проведены демонстрационные  испытания топлива  и  исследованы  процессы  его 
  сжигания   на  2-х   промышленных   котлоагрегатах   мощностью   700   и  25   кВт   с 
  измерением мощности и эффективности при стабильных режимах горения;
• полученные материалы обеспечили разработку и выпуск ТУ на топливо;
• выполнены экологические оценки выбросов;
• проведен   анализ   доступных   площадей   для   полномасштабного   промышленного 
  освоения разработанной технологии с учетом почвенно-климатических особенностей 
  Беларуси и оценен потенциал биомассы.

Анализ параметров роста посадок, выполненных по теме задания, позволяют сделать основной вывод, что в условиях Беларуси может быть обеспечена высокая продуктивность плантаций быстрорастущих сортов ивы. За неполный (1/3) цикл ротации годовой прирост биомассы достигал 9 т/га, что соответствует расчетному. При этом саженцы ивы показали высокую устойчивость к изменениям условий внешней среды и жизнестойкость корневой системы: максимальная высота растений за первый год после подрезки составила 3.14 м при средней длине однолетних побегов 1.8 м.

Исследования  топлива на основе биомассы ивы показали, что калорические свойства, реактивность и другие энерготехнологические показатели соответствуют данным параметрам для других топлив на основе древесины.

Проведены демонстрационные испытания процессов сжигания выращенного  топлива на экспериментальной установке, а также на промышленных водогрейных котлах с кучевой топкой мощностью 0,7 МВт (с подвижной решеткой) и 25 кВт (с неподвижной решеткой). Испытания показали наличие устойчивого горения топлива в широком диапазоне влажности (16-40%); механический недожог не превышал 2%, зола не имела заметной тенденции к спеканию, экологические параметры находились в пределах установленных нормативов. На основании исследований подготовлены материалы и выпущены технические условия на топливо из биомассы быстрорастущих пород ивы.

На основе полученных результатов даны рекомендации по необходимой технике для механизации работ, разработан технологический регламент для выполнения работ по закладке плантаций, уходу за посадками и сбору биомассы на топливо.

Показано, что  для средних метеорологических  и климатических условий, характерных для Беларуси, можно ожидать, что продуктивность указанных пород составит около 8 т у.т. с гектара в год. С учетом результатов анализа доступных площадей располагаемый топливный потенциал от этого вида возобновляемый импортозамещающих ресурсов может составить до 10 млн. т .у.т. в год, что может покрыть до 10% потребности в ТЭР.

Для развития и распространения в Беларуси производства и использования биомассы быстрорастущей ивы для получения тепловой энергии необходимо в дальнейшем выполнить следующие мероприятия:

• создать в каждом административном регионе плантации быстрорастущей ивы для 
  обеспечения  посадочным материалом последующих "энергетических посадок"  и 
  обеспечения селекционных работ по быстрорастущим культурам;
• продолжить     изучение     эффективного     сжигания     полученной     биомассы     на 
  котлоагрегатах   различного   типа   в   комбинациях   с   другими   местными   видами 
  топлива;
• изучить возможность использования быстрорастущих пород для очистки почвы от 
  тяжелых металлов, радионуклидов и других загрязнителей;
• продолжить изучение баланса минеральных компонентов питания и водного режима 
  для оценки влияния посадок на бонитет почвы.

Производство биотоплива на основе посадок быстрорастущих травянистых культур

Наряду с  древесными отходами во всём мире и  особенно в энергодефицитных странах  и регионах с напряженным экологическим балансом разрабатываются проекты и проводятся эксперименты по выращиванию быстрорастущих культур, биомасса которых могла бы использоваться для производства экологически чистого биотоплива. Одним из источников получения растительного сырья для производства биотоплива в условиях Беларуси может быть выращивание быстрорастущих травянистых культур семейства гречишных, обладающих следующими достоинствами:

• высокой  продолжительностью  жизни  одного  растения  (до 15   и  более  лет),  что 
  значительно снижает затраты и трудоемкость производства биотоплива;
• высоким выходом биомассы, до 300 т зеленой массы с гектара;
• высокоразвитой корневой системой;
• зимостойкостью;
• высокой технологичностью всех операций от посева до производства биотоплива, 
  что позволит механизировать работы на базе отечественных видов техники;
• способностью к извлечению из почвы радионуклидов,  что особенно важно для 
  освоения загрязненных и выведенных из оборота в результате аварии на ЧАЭС 
  территорий Гомельской и Могилевской областей.

В процессе исследований, проведенных ИРЭП НАНБ в 2000 году, получены данные о возможности использования для целей производства биотоплива быстрорастущих травянистых культур семейства гречишных: горца сахалинского, горца забайкальского, горца Вейриха и сильфии пронзеннолистной.

Исследования  и разработка технологии производства энергоресурсов на основе топлива из биомассы быстрорастущих культур семейства гречишных в Беларуси ведутся с 2001 г. в Объединенном институте энергетических и ядерных исследований - Сосны НАНБ.

Цель проекта - разработка технологии производства энергоресурсов на основе топлива из биомассы быстрорастущих культур семейства гречишных (БКСГ). За период 2001-2003 г. выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, в том числе:

• осуществлен    посев    гречишных    различного    вида    (горец    Вейриха,    сильфия пронзеннолистная, горец забайкальский) на общей площади 20 га.
• разработаны технологические регламенты на выращивание фитомассы гречишных и производство на ее основе биотоплива;
• проведена   серия   экспериментальных   исследований   по   изучению   химического состава,   теплотворной   способности,   насыпной   массы   при   различной   степени измельчения и других свойств топлива на основе биомассы гречишных;
• проведена серия экспериментальных исследований горения топливных композиций
• на основе биомассы гречишных в смеси с углем, торфом фрезерным, лигнином и
• древесными   опилками   при   различной   влажности   смеси   в   экспериментальной
• установке сжигания;
• экспериментально   исследованы   экологические   характеристики   уходящих   газов установки сжигания при использовании топлива на основе биомассы гречишных;
• выполнена серия экспериментальных исследований по прессованию брикетов из измельченной смеси биомассы гречишных с углем, торфом, лигнином и древесными опилками;
• предложен вариант энерготехнологического комплекса по выращиванию фитомассы гречишных, ее уборке, сушке и производству биотоплива, предназначенного для сжигания в топках энергоустановок;
• дана  предварительная  оценка  технико-экономических   показателей   производства топлива на основе биомассы гречишных.

Получены  следующие практические результаты.

1. Гречишные показали высокую всхожесть (до 80 %) при севе и выживаемость в 
   условиях,   когда   по   экономическим   и   организационным   причинам   посевы   не 
   обрабатывались гербицидами.
2. Топливо       на       основе       биомассы       гречишных       имеет       благоприятные 
   энерготехнологические свойства: Q/ = 2431 ккал/кг (при W^р =16 %), зольность А^р = 
   1,1  %, содержание серы S^р = 0,2 %, выход летучих Л^р = 76,5 %, аналогичные 
   свойствам других видов биотоплива - древесных отходов, торфа, соломы.
3. Имеющаяся в хозяйствах Беларуси техника позволяет осуществлять скашивание, 
   сушку,   подборку,   транспортировку   и  хранение   сухой   биомассы   гречишных   с 
   последующим   использованием   ее   в   качестве   топлива.   Для   использования   в 
   зависимости от складывающихся погодных условий и наличия техники в хозяйствах 
   разработаны 4 технологические схемы производства топлива на основе биомассы 
   гречишных. Биомасса, высушенная до  17 %, хранится в течение отопительного 
   сезона без плесневения.
4. Произведена экспериментальная партия топливных брикетов на основе биомассы 
   гречишных.  Брикеты,  состоящие  из  биомассы гречишных  с торфом (50:50)  по 
   прочности не уступают торфобрикетам, в смеси с лигнином или бурым углем (50:50) 
   превосходят прочность торфобрикетов.
5. Оптимальные   технологии   сжигания   топлива   на   основе   биомассы   гречишных 
   следующие: