Использование кукурузной соломы для энергетических целей

437
Использование кукурузной соломы для энергетических целей

Цены на природный газ и другие виды топлива ежегодно растут и, по прогнозам, будут повышаться и впредь. В настоящее время общепризнанным фактом является то, что сжигать для получения тепла сухие отходы сельскохозяйственного производства в 2,5–4,0 раза выгоднее, чем использовать природный газ. Все знают, что для этих целей можно применять солому зерновых культур, но немногие слышали, что можно с успехом использовать и кукурузную солому – главное, чтобы она была сухая. В данной статье мы рассмотрим возможность заготовки и использования кукурузной соломы.

Использовать кукурузную солому для производства тепла могут как небольшие агропредприятия, так и крупные элеваторы. Это особенно актуально в том случае, если предприятие занимается растениеводством, стабильно дающим очень большое количество кукурузной соломы (применение кукурузно-соевых севооборотов и т. п.).

ОБЪЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА И НАПРАВЛЕНИЯ ПРИМЕНЕНИЯ КУКУРУЗНОЙ СОЛОМЫ

Кукурузная солома является побочным продуктом, получаемым в результате выращивания зерна кукурузы. Площадь под этой культурой в Украине составляет порядка 4,3–4,7 млн гектаров, и наша страна ежегодно производит 6,45–8,00 млн тонн кукурузной соломы (этот объем с каждым годом возрастает в связи с совершенствованием технологий выращивания и повышением урожайности культуры). Большая часть соломы кукурузы, которая производится в Украине, является побочным продуктом и не используется.

В то же время основными направлениями применения кукурузной соломы являются:

  • использование в качестве подстилки для животных;
  • измельчение с последующей заделкой в почву (например, при помощи вспашки)
    для увеличения содержания гумуса в почве и повышения почвенного плодородия
    (рис. 1);
  • для энергетических целей – сжигания для получения тепла и электроэнергии
    (рис. 10);
  • для производства этанола из целлюлозы, получаемой из кукурузной соломы
    (рис. 11).
Рис. 1. После кукурузы в поле остается очень большое количество растительных остатков, с которыми даже хороший плуг не всегда может справиться. Обычно они представляют проблему при основной обработке, поскольку качественно заделать в почву большое количество растительных остатков довольно затруднительно, особенно при урожайности кукурузы свыше 9 т/га. В таком случае на поле остается в среднем 12–18 т/га кукурузной соломы, т. е. поле размером 100 га обычно дает 1200–1800 т кукурузной соломы
Рис. 1. После кукурузы в поле остается очень большое количество растительных остатков, с которыми даже хороший плуг не всегда может справиться. Обычно они представляют проблему при основной обработке, поскольку качественно заделать в почву большое количество растительных остатков довольно затруднительно, особенно при урожайности кукурузы свыше 9 т/га. В таком случае на поле остается в среднем 12–18 т/га кукурузной соломы, т. е. поле размером 100 га обычно дает 1200–1800 т кукурузной соломы
Рис. 2. Соотношение основной (зерно) и побочной продукции (солома) в зависимости от генетических особенностей гибрида и условий выращивания составляет 1:0,9–2,0 (обычно 1:1,5). Высокорослые гибриды кукурузы, выращиваемые на орошении, гибриды двойного назначения зерно/силос и гибриды с большим ФАО обычно формируют значительно больше соломы. Сжигание кукурузной соломы может быть использовано для нагрева воды и отопления, обогрева теплиц, сушки зерна, получения электричества и других целей
Рис. 2. Соотношение основной (зерно) и побочной продукции (солома) в зависимости от генетических особенностей гибрида и условий выращивания составляет 1:0,9–2,0 (обычно 1:1,5). Высокорослые гибриды кукурузы, выращиваемые на орошении, гибриды двойного назначения зерно/силос и гибриды с большим ФАО  формируют значительно больше соломы. Сжигание кукурузной соломы может быть использовано для нагрева воды и отопления, обогрева теплиц, сушки зерна, получения электричества и др.

Традиционно рынок сбыта кукурузной соломы в Украине не развит, а если определенные контракты и заключаются, то цены на этот продукт очень неустойчивые. В отличие от нас, в странах ЕС и в США кукурузная солома уже в течение многих десятилетий успешно используется в качестве топлива – для производства как тепла, так и электроэнергии. В США и Европе на кукурузной соломе работают целые электростанции и заводы по производству этанола. Кукурузная солома – это сырье (биомасса), которого в Украине в избытке. Из общего объема полученной соломы в нашей стране для производства энергии можно использовать 3,5–5,0 млн тонн.

ЗАГОТОВКА, ХРАНЕНИЕ И ТРАНСПОРТИРОВКА КУКУРУЗНОЙ СОЛОМЫ

Существует распространенное мнение, что транспортировка соломы невыгодна. Но это далеко не так, ведь современное оборудование позволяет делать тюки с большой плотностью и массой (табл. 1).

Таблица 1. Ориентировочный вес и габариты тюков соломы, кгТаким образом, в стандартный грузовик с прицепом для транспортировки соломы может поместиться от 25 до 40 т соломы в тюках, что делает такую логистику вполне рентабельной даже при транспортировке на большие расстояния.

Рис. 3. Наиболее распространенный способ уборки кукурузной соломы – в круглые тюки (на фото слева). Но для транспортировки соломы и ее хранения это не самый лучший вариант. Более компактными считаются квадратные тюки (на фото справа)
Рис. 3. Наиболее распространенный способ уборки кукурузной соломы – в круглые тюки (на фото слева). Но для транспортировки соломы и ее хранения это не самый лучший вариант. Более компактными считаются квадратные тюки (на фото справа)

При разработке схемы производства энергии из соломы следует учитывать сезонность производства соломы. Она может быть доступна с конца сентября до декабря. Солома обычно тюкуется при помощи прицепных балеров с трактором (рис. 4, справа).

Рис. 4. Для уборки соломы используются обычные пресс-подборщики различных видов (на фото – справа). Для погрузки очень удобно применять телескопические погрузчики (на фото – слева). Для формирования валков и их объединения обычно используют различные механические валкователи и грабли. Резку на комбайне отключают, чтобы сформировались хорошие валки
Рис. 4. Для уборки соломы используются обычные пресс-подборщики различных видов (на фото – справа). Для погрузки очень удобно применять телескопические погрузчики (на фото – слева). Для формирования валков и их объединения обычно используют различные механические валкователи и грабли. Резку на комбайне отключают, чтобы сформировались хорошие валки
Рис. 5. Иногда для уборки используют балеры, агрегати­руемые с комбайном. В таком случае мощность комбайна должна быть достаточной для уборки и производства тюков
Рис. 5. Иногда для уборки используют балеры, агрегати­руемые с комбайном. В таком случае мощность комбайна должна быть достаточной для уборки и производства тюков

Помимо этого, существует возможность использования прицепных балеров в агрегате с тележкой для транспортировки (рис. 6, слева) и с комбайном (рис. 5).

Созданы также прицепные балеры, которые производят готовые гранулы уже в поле. Обычно тюки изготавливают двух форм: круглого (наиболее распространены) и квадратного сечения (рис. 3). Тюки квадратного сечения лучше приспособлены для транспортировки на большие расстояния, поскольку укладываются более плотно.

Рис. 6. Использование агрегата – пресс-подборщик + тележка (слева). Такую тележку трактор затем отвозит в место временного хранения тюков. Справа – погрузка тюков из кукурузной соломы на грузовик для транспортировки на большие расстояния
Рис. 6. Использование агрегата – пресс-подборщик + тележка (слева). Такую тележку трактор затем отвозит в место временного хранения тюков. Справа – погрузка тюков из кукурузной соломы на грузовик для транспортировки на большие расстояния

При подборе балера необходимо учитывать плотность, с какой он уплотняет солому в тюках: чем она выше, тем лучше, поскольку в таком случае транспортировка тюков будет менее затратной. Большое значение имеет также длина резки соломы: чем она короче, тем лучше уплотняется. В то же время не следует нарезать слишком коротко, чтобы тюки не распадались. Солома обязательно должна быть сухой.

Логистика заключается в сборе кукурузной соломы в поле и последующей ее транспортировке на ферму для дальнейшего хранения (рис. 7) или производства пеллет либо в доставке off-farm, т. е. непосредственно на склад потребителю (рис. 8).

Рис. 7. Хранение тюков кукурузной соломы на ферме. Для этого могут быть использованы ангары различного типа. Главное требование – чтобы влажность тюков не увеличивалась. Также очень важна пожарная безопасность на всех этапах работы с кукурузной соломой
Рис. 7. Хранение тюков кукурузной соломы на ферме. Для этого могут быть использованы ангары различного типа. Главное требование – чтобы влажность тюков не увеличивалась. Также очень важна пожарная безопасность на всех этапах работы с кукурузной соломой
Рис. 8. Хранение тюков из кукурузной соломы на автоматизированном складе на электростанции (справа) и подача в камеру сгорания при помощи крана-балки (слева). При планировании хранения кукурузной соломы следует помнить, что тюки квадратного сечения более удобны в хранении, поскольку занимают меньше места. При хранении кукурузной соломы нельзя допускать повышения ее влажности, так как это существенно влияет на цену
Рис. 8. Хранение тюков из кукурузной соломы на автоматизированном складе на электростанции (справа) и подача в камеру сгорания при помощи крана-балки (слева). При планировании хранения кукурузной соломы следует помнить, что тюки квадратного сечения более удобны в хранении, поскольку занимают меньше места. При хранении кукурузной соломы нельзя допускать повышения ее влажности, так как это существенно влияет на цену

Чем ближе к месту производства соломы находится теплогенератор, в котором ее будут сжигать, тем дешевле обойдется логистика. При транспортировке на большие расстояния имеет смысл производить из кукурузной соломы тюки высокой плотности или пеллеты.

КУКУРУЗНАЯ СОЛОМА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ

Использование соломы в качестве топлива в котлах/теплообменниках для нагрева воды может привести к коррозии на металлических поверхностях теплообменников и в камерах сгорания. Однако некоторые производители дают длительную гарантию на использование своих котлов именно для сжигания в них соломы.

Таблица 2. Энергетическая ценность тонны соломы при влажности 15% (по данным Teagas)Солома – это возобновляемый ресурс; пока выращиваются зерновые культуры – будет и солома. Часто зольность используется как фактор снижения цены на гранулы из соломы при их покупке потребителями. Но на самом деле зольность не оказывает особого влияния на процесс получения тепла. Единственное, что нужно предусмотреть, – удаление мусора, золы и шлаков. Солома – это нейтральное топливо, и именно поэтому она может играть важную роль в цепочке поставок зеленой энергии.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СЖИГАНИЯ КУКУРУЗНОЙ СОЛОМЫ

Существует ряд котлов, которые не чувствительны к более сложному химическому составу соломы и отлично ее сжигают. Имеются котлы, оснащенные воздушными нагнетателями для управления подачей воздуха. Котельные установки для кукурузной соломы могут использоваться для производства тепла на агропредприятиях, для сушки зерна и централизованного теплоснабжения. Солома может быть представлена в виде соломенной резки, пеллет (гранул) или цельного тюка (круглого или квадратного сечения) в зависимости от технологии, к которой приспособлен котел.

Таблица 3. Экономия при сушке зерна кукурузы при помощи соломы в сравнении с природным газом (при влажности входящего зерна 27%, исходящего – 14%, а также учитывая, что для снижения влажности зерна нужно в среднем на 1 тонно­процент 1,50 м3 газа)Кукурузная солома может подаваться в камеру сгорания в виде целых тюков при помощи погрузчиков (рис. 4, слева) или специальным конвейером. Также она может предварительно измельчаться и вдуваться в камеру сгорания при помощи сильного потока воздуха. Еще один метод – сжигание пеллет из кукурузной соломы, которые обладают хорошей сыпучестью, поэтому сжигать их очень просто при помощи подачи обычной норией, т. е. механическим путем.

Сжигание 2,34 кг гранул (пеллет) из кукурузной соломы эквивалентно сжиганию 1,0–1,1 м3 природного газа. При этом гранулы из кукурузной соломы намного доступнее, поскольку в этом случае не требуются газопроводы, специальные разрешения и оплата услуг газовых компаний. Таким образом, для населения (в сельских домах) использование гранул или сечки из кукурузной соломы в 2 раза выгоднее, чем природного газа. А для промышленных предприятий и агрофирм выгода получается еще больше.

Рис. 9. Шлаки, образовавшиеся в металлической камере сгорания (без керамического покрытия) при сжигании кукурузной соломы на одном из крупных элеваторов (Киевская область, 2016). Часто такие шлаки имеют вид камня или стекла. Камера сгорания должна легко очищаться от шлаков
Рис. 9. Шлаки, образовавшиеся в металлической камере сгорания (без керамического покрытия) при сжигании кукурузной соломы на одном из крупных элеваторов (Киевская область, 2016). Часто такие шлаки имеют вид камня или стекла. Камера сгорания должна легко очищаться от шлаков

При использовании газа для сушки зерна существуют определенные риски: перебои с поставкой газа, повышение цен на газ (например, по сравнению с 2013 годом цена на газ в долларовом эквиваленте выросла в 3,5 раза), поставка разбавленного и некачественного газа, огромная стоимость разрешительной документации и работ по подведению газа.

А при использовании кукурузной соломы для сушки зерна таких рисков нет.

При сегодняшней конъюнктуре рынка капитальные инвестиции на подведение и установку газового оборудования для сушки зерна в агрофирме значительно превышают затраты на аналогичное оборудование, предназначенное для сжигания кукурузной соломы.

КАЧЕСТВО КУКУРУЗНОЙ СОЛОМЫ В ТЮКАХ

Из-за различий в типах почвы, разных погодных условий, методов и сроков уборки урожая и способов хранения зола и содержание влаги в тюках кукурузной соломы могут варьироваться в зависимости от производителя и по годам. Зола – это не только зольность в прямом понимании, но и грязь, мусор, которые могут быть собраны с поля вместе с мелкими камешками и частичками почвы.

Таблица 4. Прибыльность производства тюков кукурузной соломы в зависимости от их влажности и зольностиТюки, имеющие чрезмерную зольность или высокое содержание влаги, менее пригодны в качестве сырья для выработки биоэнергии.

Вероятно, что потребители, покупающие тюки кукурузной соломы, будут наказывать поставщиков соломы в тех случаях, когда тюки содержат золу или уровень влажности, превышающие допустимые диапазоны (табл. 4).

Идеальный вариант – чтобы солома высохла в поле самостоятельно. Если придется сушить ее искусственным путем, доходность такого производства будет потеряна.

Рис. 10. Солома кукурузы в виде соломенных тюков различной формы и уровня уплотнения, соломенной резки или соломенных гранул (пеллет) является хорошим энергоносителем. По своей теплотворной способности сжигание 2,34 кг соломы приблизительно равно сжиганию 1 м3 природного газа. При этом промышленным предприятиям, фермам или элеваторам использование соломы обойдется в 3 раза дешевле, чем природного газа. На фото – горение соломенных тюков круглого сечения в специальных котлах, предназначенных для соломы (Herlt). В котлы тюки можно подавать при помощи погрузчика или автоматически. Слева – теплогенератор на большом индустриальном элеваторе, справа – топка теплогенератора с внутренним керамическим покрытием, предотвращающим налипание топочных шлаков на стенки камеры сгорания
Рис. 10. Солома кукурузы в виде соломенных тюков различной формы и уровня уплотнения, соломенной резки или соломенных гранул (пеллет) является хорошим энергоносителем. По своей теплотворной способности сжигание 2,34 кг соломы приблизительно равно сжиганию 1 м3 природного газа. При этом промышленным предприятиям, фермам или элеваторам использование соломы обойдется в 3 раза дешевле, чем природного газа. На фото – горение соломенных тюков круглого сечения в специальных котлах, предназначенных для соломы (Herlt). В котлы тюки можно подавать при помощи погрузчика или автоматически. Слева – теплогенератор на большом индустриальном элеваторе, справа – топка теплогенератора с внутренним керамическим покрытием, предотвращающим налипание топочных шлаков на стенки камеры сгорания

Предварительная обработка тюков перед сжиганием обычно включает в себя их измельчение на мелкие кусочки до начала процесса преобразования в энергию. Потребители сталкиваются с более высокими затратами на предварительную обработку соломы, когда тюки имеют высокую влажность или чрезмерное содержание золы.

Таким образом, при высокой влажности и зольности производство тюков из кукурузной соломы становиться нерентабельным.

КУКУРУЗНАЯ СОЛОМА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭТАНОЛА

Около десяти лет назад многие страны начали предпринимать шаги в направлении энергетической независимости, снижения выбросов парниковых газов и необходимости стимулирования экономики в сельских районах, что привело к разработке политики в поддержку биотоплива (рис. 11) – в том числе этанола из кукурузных остатков (целлюлозный – полученный из кукурузной соломы или другой биомассы).

Рис. 11. Проверка качества тюка кукурузной соломы на заводе по производству <strong><figcaption class=целлюлозного этанола в США” width=”900″ height=”538″ /> Рис. 11. Проверка качества тюка кукурузной соломы на заводе по производству целлюлозного этанола в США

В настоящее время в США уже построено несколько заводов по производству целлюлозного этанола, который вышел на мировой рынок в 2013 году.

ВЫВОДЫ

  • Кукурузная солома может сжигаться в нескольких формах в зависимости от применяемой технологии;
  • Значительное количество кукурузной соломы потенциально доступно для энергетических целей;
  • Для сжигания кукурузной соломы имеется ряд котлов/теплообменников, которые могут использоваться промышленными и частными сельскими хозяйствами;
  • Использование кукурузной соломы позволяет экономить на энергоносителях и получать высокую дополнительную прибыль.

Алексей Орлов, канд. c.-х. наук

Опубліковано в журналі “Агроном”, 2018