СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОТОПЛИВА ИЗ ГАЛЕГИ ВОСТОЧНОЙ
METHOD FOR BIOFUEL PRODUCTION FROM GALEGA ORIENTALIS

Изобретение относится к сельскому хозяйству и биоэнергетике для создания ежегодно возобновляемого многолетнего энергонакапливающего травянистого источника биоэнергии на основе галеги восточной.
Технический результат изобретения заключается в получении экологически чистого биотоплива с теплотворной способностью до 19 мДж/кг по сухому веществу на основе биомассы, ежегодно возобновляемого на многолетних плантациях травянистого источника биоэнергии - галеги восточной - с нейтральным балансом по углекислому газу (при сгорании выделяется то же количество углекислого газа, которое было поглощено растениями галеги восточной в процессе фотосинтеза), при обогащении атмосферы кислородом в процессе развития растений и возможности развития комплексов, дополнительно включающих пчеловодческие, животноводческие хозяйства, предприятия по производству фармацевтических, косметических препаратов, фиточая.
Технический результат достигается тем, что вначале подготавливается почва для выращивания галеги восточной, специальными реагентами обрабатываются как почва, так и семена растения, семена высеваются при норме 25÷27 кг/га, зеленая масса выкашивается в стадии бутонизации, выдерживается в валках до остаточной влажности 60÷65%, измельчается до длины волокна 1÷3 см, сушится в сушильном барабане при температуре 100÷110°С, гранулируется, гранулы вылеживаются в пеллетах в течение 48÷54 часов до достижения остаточной влажности 9÷12% и упаковываются в мешки из крафт-бумаги.
Изобретение поясняется табличными и графическими материалами.
Таблица 1. Некоторые показатели фотосинтетической деятельности галеги восточной разных лет жизни (за 2 укоса).
ФСП - фотосинтетический потенциал
ЧПФ - чистая продуктивность фотосинтеза
КПД ФАР - процент использования солнечной энергии
Таблица 2. Некоторые показатели фотосинтетической деятельности галеги восточной в зависимости от расчетных доз минеральных удобрений (среднее за 10 лет).
Дозы удобрений рассчитаны на получение 50, 70 и 90 ц/га кормовых единиц.
Таблица 3. Теплотворная способность
Фиг.1 - влияние биогумуса и компоста на урожайность козлятника восточного 1-го года жизни (а - козлятник восточный, б - сорняки).
Варианты опыта: 1 - контроль (без удобрений); 2 - биогумус 2 т/га; 3 - биогумус 4 т/га; 4 - биогумус 6 т/га; 5 - компост 20 т/га; 6 - компост 40 т/га.
Фиг.2 - влияние биогумуса и компоста на количество растений в посевах козлятника восточного (а - козлятник восточный, б - сорняки).
Варианты опыта: 1 - контроль (без удобрений); 2 - биогумус 2 т/га; 3 - биогумус 4 т/га; 4 - биогумус 6 т/га; 5 - компост 20 т/га; 6 - компост - 40 т/га.
Фиг.3 - влияние обработки семян галеги восточной биопрепаратами на всхожесть и количество клубеньков на корнях (а - количество всходов, б - количество клубеньков).
Варианты опыта: 1 - контроль (без удобрений); 2 - ризоторфин, 3 - жидкое гуминовое удобрение из биогумуса (ЖГУ); 4 - половинная доза ризоторфина и ЖГУ.
Фиг.4 - воздействие обработки семян галеги восточной биопрепаратами на количество клубеньков на корнях.
Варианты опыта: 1 - контроль (без удобрений); 2 - ризоторфин, 3 - жидкое гуминовое удобрение из биогумуса (ЖГУ); 4 - половинная доза ризоторфина и ЖГУ.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Доступные месторождения природных источников энергии, таких как нефть и газ, разработка которых экономически выгодна, в перспективе, по прошествии десятков лет эксплуатации, истощатся. В настоящее время во всем мире идет поиск альтернативных источников энергии. Делаются ставки на возобновляемые источники. Бурно развивается биоэнергетика, которая использует в качестве сырья продовольствие: пшеницу, кукурузу, рапс, подсолнечник. В заявляемом способе получения экологически чистого биотоплива в качестве возобновляемого источника энергии - альтернативы сырью-продовольствию - используется многолетняя высокобелковая трава - галега восточная, возобновляющая высокоэнергетическую массу ежегодно от 350 до 800 ц/га за первый укос.
Широко известно, что сегодня потребности биоэнергетики и продуктов питания не обеспечиваются во всем мире. Остро стоит вопрос о том, в каком объеме можно производить биоэнергию, не поставив под угрозу обеспечение продовольствием населения планеты в целом и России в частности.
Известные способы возделывания галеги восточной на функционирующей пашне в севообороте и на выводных полях на пашне предполагают ее использование только на зеленый корм и семена, что определяет существенные отличия известных технологий предпосевной обработки семян, посева, внесения удобрений от соответствующих технологий заявляемого способа.
В настоящее время в силу причин экономического характера в России более 15 миллионов га пахотных земель выведено из севооборота, заброшено и зарастает малоценной древесной и сорной растительностью.
Заявляемый способ направлен на аккумуляцию солнечной энергии в зеленой массе галеги восточной, возрастающую вдвое уже на второй год жизни растений и втрое - на пятый год, что иллюстрирует Таблица 1 Соотношение КПД ФАР (коэффициентов использования солнечной энергии) растений шестого-шестнадцатого годов жизни близко к 1.
Фотосинтетическая деятельность галеги восточной поддерживается оптимальными дозами минеральных удобрений (Таблица 2).
По теплотворной способности галега восточная в виде гранул с остаточной влажностью 9-12% приближается к гранулам из древесных опилок, уступая традиционным видам топлива из-за относительно большого содержания балласта: азота и невысокого соотношения углерод/водород. Но она является реальной альтернативой каменному углю и природному газу. В отличие от полезных ископаемых биомасса галеги восточной - ежегодно возобновляемая часть биомассы планеты.
Технология возделывания козлятника восточного на корм и семена с использованием предпосевной культивации с одновременным внесением в почву трефлана и рядовой посев козлятника с вайдой красильной в качестве покровной культуры (RU, патент 2017365, А01В 79/02, 1994) способствует получению стабильных урожаев козлятника восточного и семенного материала, но не направлена на увеличение энергетического потенциала травостоя.
Известен способ одновременного высева козлятника восточного с донником белым в качестве двухлетней покровной культуры (RU, патент 2055459, А01В 79/00, 1996), который не позволяет получать продуктивные семена для гарантированных последующих урожаев и дает корм, не достаточный по биомассе.
Наиболее эффективным является способ по патенту №2248688 (RU, кл. А01В 79/02, 2003).
Однако сравнение свойств совокупности признаков известного способа и заявляемого показывает, что
- в известном способе посев галеги восточной проводят "под зиму", с покровной культурой, а в заявляемом - весной и без уплотнительной культуры; вследствие посева "под зиму" наблюдается повреждение весенних всходов козлятника заморозками, а также их полная гибель;
- в известном способе предпосевная обработка почвы включает культивацию с одновременным внесением в почву органических удобрений не менее 30 т/га и 0,45 количества расчетной дозы минеральных удобрений; внесение гербицида раундап за 2÷3 недели до зяблевой вспашки, что нарушает экологию агроландшафта, особенно в экологически значимых районах; а в заявляемом - обязательное предварительное известкование кислых почв доломитовой мукой до значения рН 5,8÷6,0, а также внесение в почву органических удобрений в виде биогумуса в дозе 3÷5 т/га; либо обработанного жидким гуминовым удобрением, сидерального удобрения в количестве 20÷30 т/га и полного минерального удобрения в соответствии с исходным почвенным плодородием. Также не используются гербициды, т.к. сидеральная культура за счет большой площади листьев на 60-80% подавляет рост и развитие сорняков, а биогумус и препарат из него изначально не содержат семян сорных растений, в отличие от торфонавозного компоста;
- в отличие от известного, в заявляемом способе предпосевная обработка семян проводится ризоторфином в комплексе с микроэлементами - борной кислотой и молибденовокислым аммонием; кроме того, в заявляемом способе проводятся ежегодные внекорневые подкормки раствором борной кислоты и жидким гуминовым удобрением, полученным из биогумуса, с целью увеличения энергонакапливающего потенциала травостоя;
- в отличие от известного, в заявляемом способе за время использования многолетней плантации, ее травостой трижды "омолаживают" дисковой бороной с обязательным последующим опрыскиванием жидким гуминовым удобрением, полученным из биогумуса;
- в отличие от известного, в заявляемом способе применение биогумуса и жидкого гуминового удобрения из него при предпосевной обработке семян, почвы, торфонавозного компоста и сидерата, а также вегетирующих растений увеличивает их энергопотенциал, дает мощный травостой, устойчивый к стрессовым ситуациям (засуха, избыток влаги, заморозки и т.п.), увеличивает урожайность на 25÷30%;
- известный способ лишен оптимизации, а заявляемый способ отмечает колебание доз применяемых препаратов в узком диапазоне концентраций.
Предлагаемый способ позволяет создать многофункциональный полигон, биомасса которого может использоваться:
2
- главным образом, после соответствующей переработки, в ежегодно возобновляемой биоэнергетике: использование гранул галеги восточной с теплотой сгорания 18,9 мДж/кг при зольности 3,5% как топлива и получение биогаза путем сбраживания или жидкого топлива путем пиролиза; при этом галега является CO-нейтральным топливом (выброс углекислоты в атмосферу при сжигании не превышает ее потребление из атмосферы в процессе фотосинтеза;
- в кормопроизводстве: получение высокобелкового малозатратного (основные затраты в первый год жизни, далее затраты идут на подкормку травостоя и уборку урожая) и дешевого корма: сена, сенажа, зеленой массы, травяной муки для кормления животных;
- в агроландшафтном земледелии: залужение заброшенной пашни, борьба с эрозией почвы, сохранение и повышение плодородия почв;
2
- как источник кислорода O в атмосфере, превосходящий по степени выделения последнего в несколько раз 1 га спелого леса, что является одним из путей сокращения выбросов углекислоты в атмосферу (согласно решениям Киотского протокола).
Получаемый травостой является мощным по своему развитию, главным образом, за счет влияния на него используемых биогумуса и жидкого гуминового удобрения, полученного из биогумуса. Эти удобрения обогащены уникальным сообществом микроорганизмов, создающих почвенное плодородие, содержат гуминовые вещества, ценный комплекс питательных элементов и микроэлементов в сбалансированном сочетании, ферменты, витамины, гормоны роста и развития растений, а также другие биологически активные вещества, нарабатываемые сообществом дождевых червей и микроорганизмов в процессе вермикомпостирования. Эти преимущества жидкого гуминового удобрения, полученного из "живого" биогумуса (микробиологически и биохимически активного), перед гуматами из инертных торфа и бурого угля обеспечивают увеличение энергопотенциала посевов галеги восточной.
Биогумус и жидкое гуминовое удобрение из него стимулирующе действуют на семена галеги восточной, снижают явление твердосемянности и одновременно увеличивают энергию их прорастания и полевую всхожесть. Они способствуют развитию мощной корневой системы с активно протекающей азотофиксацией на корнях за счет бурного развития клубеньковых бактерий на корнях галеги восточной, активизируют дыхание растений и их фотосинтетическую деятельность, удлиняют период фотосинтетической активности листового препарата. В результате этого возрастает размер листовых пластинок, увеличиваются количество листьев на стебле, наблюдается появление большого количества дополнительных стеблей из почек возобновления, растения становятся более высокими и мощными. В урожае увеличивается содержание сухого вещества и протеина, что в конечном итоге приводит к повышенному энергопотенциалу растений галеги.
Перед, посевом семена галеги восточной обрабатывают ризоторфином (1 кг на гектарную норму семян) и микроэлементами (борная кислота: 300÷500 граммов и молибденовокислый аммоний: 150÷200 граммов на гектарную норму семян), вносят в почву органические удобрения в виде биогумуса в дозе 3÷5 т/га, либо торфонавозного компоста, обработанного жидким гуминовым удобрением из биогумуса, с заделкой его под зяблевую вспашку в дозе 50÷60 т/га, либо зеленое сидеральное удобрение в количестве 20÷30 т/га с заделкой в почву в конце августа-сентябре плугом или дисковой бороной и одновременным опрыскиванием жидким гуминовым удобрением из биогумуса (для активизации и оптимизации биохимических и микробиологических процессов разложения сидерата и компоста). В этом случае посев галеги производится на следующий год рано весной и в качестве сидеральной культуры используют донник белый (с нормой высева 20÷25 кг/га) или люпин однолетний (90÷110 кг/га) и полное минеральное удобрение в соответствии с исходным почвенным плодородием. На кислых почвах обязательно проводят известкование доломитовой мукой с доведением кислотности до значения рН: 5,8÷6,0. Кроме этого, ежегодно вегетирующие растения галеги в фазе 5÷7 листа опрыскивают раствором борной кислоты в дозе 800÷1000 г/га и дважды за сезон (в начале отрастания и после первого укоса) жидким гуминовым удобрением из биогумуса в дозе 10÷15 л/га при концентрации рабочего раствора 0,005÷0,01%, и на пятый, десятый, пятнадцатый годы жизни галеги посевы "омолаживают" дисковой бороной с малым углом атаки, с обязательным последующим опрыскиванием жидким гуминовым удобрением из биогумуса в дозе 8÷10 л/га при концентрации 0,005÷0,01%. Семена галеги восточной высевают в количестве 25÷27 кг/га, уплотнительная культура отсутствует.
Обработка семян борной кислотой и молибденовокислым аммонием и опрыскивание вегетирующих растений раствором борной кислоты в дозе 800÷1000 г/га при условии внесения доломитовой муки с содержанием магния 30÷35% способствуют увеличению количества клубеньков на корнях, активизируют деятельность азотфиксирующих бактерий в клубеньках и повышают общее количество микроорганизмов в ризосфере, усиливают фотосинтетический потенциал, удлиняют период фотосинтетической активности листового аппарата и увеличивают урожайность. Создание благоприятного агрофона за счет внесения органо-минерального комплекса удобрений и опрыскивание по вегетирующим растениям солями гуминовых кислот будут способствовать аккумуляции солнечной энергии в сухом веществе до 18,9 мДж/кг и увеличению урожайности зеленой массы. Это позволяет получать ежегодно 5÷14 т/га сухого вещества галеги, что равноценно получению 4,5÷13 т/га условного топлива в течение 15÷20 лет при строгом соблюдении технологических требований (есть производственные посевы 27 года жизни с урожайностью до 800 ц/га зеленой массы за 1-й укос).
Известные способы не содержат комплексного подхода к выращиванию галеги восточной с учетом ее энергонакапливающего потенциала.
Исследованием уровня техники установлено, что способов создания возобновляемого источника биоэнергии с помощью галеги восточной, содержащих перечисленный комплекс мероприятий, не обнаруживается.
Способ осуществляется следующим образом.
Вначале производится подготовка почвы: кислую почву предварительно известкуют, используя доломитовую муку, до рН 5,8÷6,0. Осенью под зяблевую вспашку вносят биогумус в дозе - 3÷5 т/га или торфонавозный компост, обработанный жидким гуминовым удобрением из биогумуса в дозе 50÷60 т/га. При отсутствии биогумуса и компоста используют сидеральное удобрение: за год до посева галеги восточной весной в хорошо разделанную почву сеют донник белый в дозе 20÷25 кг/га, либо люпин однолетний в дозе 90÷110 кг/га. Сидеральное удобрение запахивается в почву в сентябре во время проведения зяблевой вспашки с одновременным опрыскиванием жидким гуминовым удобрением из биогумуса (для активизации и оптимизации биохимических и микробиологических процессов разложения сидерата).
Весной под культивацию вносят комплекс минеральных удобрений в соответствии с почвенным плодородием рабочего участка.
Перед посевом семена галеги восточной обрабатывают ризоторфином (800÷1000 г на гектарную норму семян; 40÷45 г на 1 кг семян в пересчете на сухое вещество) и микроэлементами (борная кислота: 300÷500 г и молибденовокислый аммоний: 150÷200 г на гектарную норму семян; борная кислота: 12÷20 г и молибденовокислый аммоний: 6÷8 г на 1 кг семян в пересчете на сухое вещество).
Норма высева семян галеги восточной - 25÷27 кг/га. Время посева: не позднее 15÷20 июня в Центральной зоне РФ.
Вегетирующие растения галеги ежегодно опрыскивают в фазе 5÷7 листа раствором борной кислоты в дозе 800÷1000 г/га и дважды за сезон (в начале отрастания и после первого укоса) опрыскивают жидким гуминовым удобрением из биогумуса в дозе 10÷15 л/га при концентрации солей гуматов 0,005÷0,01%.
На пятый, десятый и пятнадцатый годы жизни галеги посевы "омолаживают" дисковой бороной с малым углом атаки с обязательным последующим опрыскиванием жидким гуминовым удобрением из биогумуса в дозе 8÷10 л/га при концентрации 0,005÷0,01%.
В фазе бутонизации зеленую массу выкашивают кормоуборочными комбайнами в валки. В течение 2÷3 дней зеленая масса выдерживается в валках с подвяливанием до остаточной влажности 60÷65%. Затем зеленую массу измельчают кормоуборочными комбайнами до длины волокна 1÷3 см. Длина волокна определяется необходимостью предотвращения намотки зеленой массы на валы. Измельченная масса сушится в сушильном барабане при температуре 100÷110°С и гранулируется в грануляторе. Транспортировка зеленой массы к бункеру сушильного барабана и от гранулятора на склад осуществляется ленточными транспортерами. На складе гранулы складируются в конусы высотой 2÷3 м, в которых они выдерживаются в течение 48÷54 часов до достижения остаточной влажности 9÷12%. Затем гранулы упаковывают в мешки из крафт-бумаги.
Пример выполнения способа
Вначале кислую почву известкуют доломитовой мукой до значения рН 5,9. Под зяблевую вспашку вносят 4 т/га биогумуса.
Весной в срок до 15 июня проводят посев семян галеги по правильно обработанной почве.
Перед посевом семена галеги обрабатывают ризоторфином (1 кг на гектарную норму), борной кислотой (400 г на гектарную норму) и молибденовокислым аммонием (200 г на гектарную норму).
Сразу после обработки семена галеги восточной высевают в подготовленную почву.
Ежегодно по вегетирующим растениям проводят некорневые подкормки: в фазе 5 листа раствором борной кислоты (800 г/га) и дважды за вегетацию (в начале отрастания и после первого укоса) жидким гуминовым удобрением из биогумуса с концентрацией солей гуматов 0,005% в дозе 10 л/га.
На пятый, десятый и пятнадцатый годы жизни галеги посевы "омолаживают" дисковой бороной с малым углом атаки с обязательным последующим опрыскиванием жидким гуминовым удобрением из биогумуса в дозе 10 л/га при концентрации солей гуматов в рабочем растворе 0,005%.
В фазе бутонизации зеленую массу выкашивают кормоуборочными комбайнами, например "Дон-68", в валки, выдерживают зеленую массу в валках в течение 2÷3 дней с подвяливанием до остаточной влажности 60÷65% и измельчают ее комбайнами до длины волокна 1÷3 см. Затем зеленую массу ленточным транспортером транспортируют к приемному бункеру сушильного барабана, например передвижной установки "Pellet-500", сушат при температуре 100÷110°С, гранулируют в грануляторе той же установки и ленточным транспортером транспортируют на склад, где гранулы остывают и выдерживаются 48÷54 часов до достижения остаточной влажности 9÷12%. Готовое биотопливо упаковывают в четырех-пятислойные мешки из крафт-бумаги.
Производительность установки по готовому продукту - 1 т/час; в пересчете на поступающее сырье - 6÷7 т/час.
С площади 100 га получают 25÷30 т зеленой массы за один укос, что соответствует 5÷6 т готовых гранул. Количество укосов за одно лето 2÷3.
Таблица 1
Годы жизни
Высота растений, см
Площадь листьев, тыс. м<sup>2</sup>/га
ФСП, млн м<sup>2</sup>/га
ЧПФ, г м<sup>2</sup>/сут
Биологическая урожайность, т/га
КПД ФАР, %
сырая масса
сухая масса
1-й
71.5
21.4
1.17
1.72
20.1
2.7
0.96
2-й
123.9
39.9
2.13
3.80
80.9
11.3
2.18
3-й
137.8
51.9
2.24
4.51
101.0
11.9
2.33
4-й
144.1
68.4
2.29
4.50
103.1
11.8
2.57
5-й
157.6
76.4
2.81
4.60
129.3
12.1
2.79
6-й
140.1
65.3
2.23
4.00
89.2
9.8
1.60
7-й
140.9
63.4
2.53
4.07
102.9
10.9
2.05
8-й
158.4
75.6
2.31
4.41
101.9
10.1
2.15
9-й
161.2
79.9
2.37
4.34
102.9
10.1
2.19
10-й
134.1
50.9
2.20
2.73
60.1
7.9
1.51
11-й
127.6
51.9
2.23
2.71
60.4
7.9
1.54
12-й
134.7
55.6
2.25
2.75
61.9
7.9
1.56
13-й
144.1
63.4
2.47
3.56
89.9
9.1
1.64
14-й
140.9
63.9
2.45
3.58
87.7
9.2
1.62
15-й
120.6
53.7
2.30
3.44
79.1
8.6
1.54
16-й
136.7
55.1
2.33
3.44
80.2
8.9
1.55
Таблица 2
Варианты опыта
Площадь листьев, тыс. м<sup>2</sup>/га
ФСП млн м <sup>2</sup>/га
ЧПФ г м<sup>2</sup>/сут
Биологическая урожайность, т/га
сырая масса
сухая масса
1. Контроль (без удобрений)
76.2
2.98
3.63
55.7
10.72
2. P<sub>81</sub>K<sub>140</sub>
82.9
3.29
3.46
57.7
11.22
3. Р<sub>126</sub>К<sub>171</sub>
83.6
3.31
3.51
63.3
11.54
4. P<sub>162</sub>K<sub>224</sub>
90.6
3.36
3.49
69.4
11.69
5. N<sub>30</sub>P<sub>81</sub>K<sub>140</sub>
95.9
3.58
3.25
71.9
11.59
6. N<sub>60</sub>P<sub>126</sub>K<sub>171</sub>
94.6
3.47
3.21
67.7
11.02
7. N<sub>90</sub>P<sub>162</sub>K<sub>224</sub>
95.2
3.53
2.95
64.1
10.20
Таблица 3
№ п/п
Вид топлива
Теплота сгорания, МДж/кг
1
Дизельное топливо
42,7
2
Мазут
41,1
3
Природный газ
34,8
4
Уголь древесный
31,4
5
Уголь каменный
31,0
6
Пеллеты из опилок
18,9
7
Пеллеты из галеги восточной
15,0
8
Дрова
10,5