Использование биомассы в энергетических целях в Приморском крае: проблемы и перспективы

Нетрадиционные источники энергии

Вестник ДВО РАН. 2010. № 3

УДК 577.3

В.К.ХМЕЛЬНИЦКИЙ, В.В.СЛЕСАРЕНКО

Использование биомассы в энергетических целях в Приморском крае: проблемы и перспективы

Рассмотрены энергетические ресурсы биомассы в Приморском крае, определены основные направления ее использования для теплоснабжения и получения различных видов топлива, дана оценка систем переработки отходов в городах и сельской местности с точки зрения минимальных затрат, экологического вреда, энергосбережения, использования нетрадиционных источников энергии. Представлены результаты исследований, направленных на рациональное использование биомассы в производстве энергии.

Ключевые слова: энергосбережение, биомасса, биотопливо, утилизация отходов.

Use of biomass in power engineering of Primorsky Kray: problems and prospects. V.K.HMELNITSKIY,

V.V.SLESARENKO (Institute of Marine Technology Problems, FEB RAS, Vladivostok).

Energy resources of biomass in Primorsky Kray are considered in the paper The basic directions on its use for heat supply and production of various kinds of fuel are determined. Estimation of waste recycling systems in cities and in countryside from the point of view of minimum expenses, ecological damage, economy of energy, use of nonconventional power sources is made. Results of researches aimed at biomass conservation in power production are presented.

Key words: economy of energy, biomass, biofuel, recycling of wastes.

Отсутствие в Приморском крае собственных источников жидкого и газообразного топлива, рост цен на нефтепродукты требуют разработки энергетической программы, учитывающей все ресурсы топлива, в том числе биомассу. В зависимости от преобладания тех или иных ресурсных источников в крае необходимо иметь различные варианты ее использования в энергетических целях. Биомасса может применяться в качестве топлива для прямого сжигания или перерабатываться в твердое, жидкое и газообразное топливо более высокой калорийности с помощью газификации или пиролиза для силовых установок, в том числе для автотранспорта. Во многих странах мира топливо из биомассы используют также для совместного сжигания с углем, мазутом, что позволяет снизить уровень загрязнения атмосферы вредными выбросами.

Основными ресурсными источниками биомассы в Приморском крае являются древесина, отходы от ее заготовки и переработки, торф, твердые бытовые и подобные им промышленные отходы, отходы животноводства, растениеводства и пищевого производства, канализационные стоки городов и поселков.

Энергетические ресурсы биомассы отдельных территорий зависят от численности проживающего на ней населения, уровня производства и потребления лесной продукции, сельского хозяйства, продуктов питания, торговли, количества коммунальных стоков жилищного хозяйства и предприятий, климатических условий [3]. По данным на 2009 г., численность населения края составляла около 1,8 млн чел., доля городского населения 76%, сельского - 24%. В местах проживания сельского населения Приморского края для теплоснабжения частных домовладений в основном применяется печное отопление на твердом

ХМЕЛЬНИЦКИЙ Владимир Корнильевич - ведущий инженер, СЛЕСАРЕНКО Вячеслав Владимирович - доктор технических наук, и.о. заведующего лабораторией (Институт проблем морских технологий ДВО РАН, Владивосток). E-mail: Lab_07@marine.febras.ru

топливе (уголь, дрова), котельные предприятия промышленности и сельского хозяйства оборудованы котлами для сжигания угля и мазута. Частных домохозяйств в сельских населенных пунктах края насчитывается более 150 тыс.

Лесные ресурсы. Приморский край, как и весь Дальневосточный регион России, имеет значительные массивы леса и запасы торфа. Использование методики [1] позволило рассчитать энергетический (технический) потенциал лесной биомассы для Приморского края по расчетной лесосеке (см. таблицу). «Программой развития комплекса лесной промышленности Приморского края на 2004-2010 гг.» расчетная лесосека для края определена в объеме 8330,1 тыс. пл. м3 (плотных кубометров), а экономически доступная лесосека - в объеме 6029,1 тыс. пл. м3.

Энергетические ресурсы биомассы для Приморского края в год

Вид биомассы Тонна условного МДж, 109 Тонна нефтяного топлива, 106 эквивалента, 106

Отходы лесозаготовки и лесопереработки (технический потенциал расчетной лесосеки) Отходы лесозаготовки и лесопереработки древесины при экологически допустимых рубках Твердые бытовые отходы (сжигание) Канализационные стоки ЖКХ (биогаз, анаэробное сбраживание) Навоз животноводческих, птицеводческих предприятий, отходы полеводства (биогаз, анаэробное сбраживание) 0,177 5,21 0,124 0,074 2,19 0,052 0,016-0,048 0,47-1,4 0,011-0,034 0,003-0,008 0,086-0,24 0,002-0,006 0,051 1,494 0,036

Программой на 2010 г. установлена годовая заготовка леса для края 4137 тыс. пл. м3, в том числе экспорт круглого леса 2064 тыс. пл. м3, технологической щепы - 250 тыс. пл. м3. Авторы считают, что реально в Приморском крае можно рубить в год не более 3500 тыс. пл. м3. Это связано с уменьшением ресурсов леса для заготовки древесины (расчетная лесосека уменьшилась в крае за последние 10 лет на 18%), необходимостью сохранения биоразнообразия на видовом и экосистемном уровнях, речных экосистем и водозаборов. В Приморском крае доля планового экспорта в лесоматериалах в 2006 г. по круглому лесу составляла 76%, пиломатериалам 73%, технологической щепе 100%. Остальная часть лесоматериалов, а также вся топливная щепа поступали на внутренний рынок. Вместе с ростом экспорта леса существенно снижается его возможный топливный ресурс. При сплошных рубках леса в Приморском крае значительная часть древесины, предназначенная для производства пиломатериалов низкого сорта, балансов, тонкомерной древесины и дров, составляющих до 35-40% деловой древесины, остается у пня или (в лучшем случае) не срубленными. Деловая древесина рубками ухода практически не заготавливается. Ввиду этого леса, составляющие плановый объем таких рубок, могут рассматриваться как резерв для заготовки топливной древесины. Отходы при заготовке древесины представляют основной источник топливной биомассы. Их количество зависит от технологий рубок, в том числе в порядке ухода за лесом, системы транспорта, складирования, мест размещения предприятий. Опыт эксплуатации автомашин и трелевочных тракторов с газогенераторами в 1950-х годах показал, что на лесоразработках переработка отходов в местах их образования мобильными установками в газообразное, твердое и жидкое топливо может быть экономически оправдана.

Объемы отходов биомассы при переработке стволовой древесины зависят от технологий, например изготовления бумаги, упаковочных материалов и других изделий. Их объемы могут достигать 50%, энергетическая ценность ресурса должна оцениваться индивидуально для каждой технологии. Например, основными видами топливной биомассы целлюлозно-бумажного производства являются кора и черные щелоки. При переработке

каждого кубометра древесины (ее деловой части) образуется 0,28 т черного щелока, что эквивалентно 0,19 тут. Эта часть отходов легко перерабатывается, их использование на месте образования всегда экономически выгодно [2]. Объем, или комплексную оценку энергии, древесной биомассы территорий можно определить лишь путем составления баланса биомассы, получаемой в результате рубок [1] и с учетом породного состава леса.

Лесная биомасса считается возобновляемым источником энергии, однако длительный период воспроизводства лесов (80 лет и более) определяет особую ответственность за выбор долговременных программ эксплуатации, развития лесодобывающих и перерабатывающих отраслей. Технологии рубок определяют время воспроизводства лесных ресурсов. Большинство развитых стран ограничивают потребление собственных лесных ресурсов вне зависимости от требований внутреннего рынка и экспорта. При этом они увеличивают внутри страны использование в энергетических целях древесных и твердых бытовых отходов, промышленных и бытовых канализационных стоков, отходов сельского хозяйства [5].

В настоящее время в Приморском крае, лесистость которого превышает 70%, уже нет свободных для аренды территорий, перспективных для развертывания масштабных лесозаготовительных работ. Лесозаготовки ведутся в северных, ранее не освоенных малонаселенных районах и местах проживания коренных малочисленных народов. Ресурсный потенциал лесозаготовок в южных и центральных районах Приморского края подорван. Темпы естественного восстановления лесов после рубок и пожаров недостаточны для восполнения ежегодного сокращения эксплуатационных лесов. На протяжении 1996-2005 гг. ежегодно в крае производились искусственные посадки леса на площади около 4 тыс. га, что составляет всего 0,03% от общей площади лесных земель в Приморском крае. Резервом древесной биомассы для топлива могут быть рубки леса вдоль транспортных магистралей, дорог, просек под прокладку трубопроводов (нефти и газа), линий связи и электропередач, рубки ухода в парках и лесных зонах городов. В этих случаях нужны мобильные установки по переработке отходов, например в жидкое топливо, для тех же эксплуатационных организаций.

Торф - длительно возобновляемая биомасса (десятые доли миллиметра за год). В Приморском крае, по результатам разведочных работ геологов, имеется 153 месторождения торфа с суммарным запасом 168 917 тыс. т. В основном они расположены в северных малонаселенных районах края вдали от транспортных магистралей и автодорог. Месторождения топливного торфа образуются в течение сотен и тысяч лет, поэтому сжигание торфа подлежит квотированию, как всякого ископаемого топлива. Необходимо соизмерять имеющиеся ресурсы торфа, их прирост с возможным объемом его использования. В Приморском крае торф в энергетических целях не добывался и не использовался, в связи с влажным климатом производство энергетического торфа может быть нерентабельным. Для определения энергетического ресурса биомассы торфа в год для Приморского края необходимо произвести отбор месторождений для энергетических объектов, определить эксплуатационные запасы топливного торфа на весь срок эксплуатации объектов. В 2000 г. НПП «Биотоп» предлагало организовать в Приморском крае производство брикетов из торфа и угольной мелочи, но проект не был реализован. Торф можно использовать и для производства пеллет, но спроса на них пока нет.

Твердые бытовые отходы (ТБО), содержащие биомассу и отходы различных органических материалов, - альтернативные источники топлива для энергетики, загрязняющие прибрежные морские акватории, реки, леса и территории городов и поселков. Основная масса ТБО в Приморском крае образуется в городах и складируется на мусорных свалках (всего 163 площадью 336 га), неучтенные мелкие свалки возникают в лесных массивах, вдоль рек, на морском побережье вдали от населенных пунктов и санкционированных свалок. В г. Владивосток, где проживает около 1/3 городского населения края, количество ТБО оценивается в 1,4 млн м3 ежегодно, т.е. на одного жителя приходится 2,1 м3, или 450-525 кг, отходов в год. Топливная составляющая ТБО может быть расширена за счет деревянных

строительных конструкций, старой мебели и прочих горючих отходов. Энергетический ресурс ТБО для Приморского края приведен в таблице. Очистить сельскохозяйственные и лесные территории края от стихийных свалок можно с помощью мобильных установок по переработке ТБО. Приморской думой 17 марта 2005 г. была утверждена целевая программа «Отходы» на 2005-2011 гг., согласно которой 6,9 тыс. т опасных отходов в крае (II, III класс опасности) можно сжечь или использовать как вторичное сырье. В некоторых районах и городах края программой предусматривалось строительство мини-электростанций, газогенераторных водогрейных котлов для сжигания древесных отходов, установок по изготовлению брикетов. Однако мощность и производительность установок не были определены, не оценен перспективный объем поставки отходов, не дана экономическая оценка эффективности установок.

В Приморском крае существует серьезная проблема загрязнения прибрежных территорий ТБО и различными стоками. Так, из 171 очистного сооружения только 19 обеспечивают нормативную очистку сточных вод, ни на одном из них нет установок анаэробного сбраживания осадка и получения биогаза. Сухая часть осадка, в котором содержится в среднем 60-80% органического вещества, составляет 2-3% объема канализационного стока. Осадок после очистки может быть переработан в газообразное, жидкое и твердое топливо с помощью пиролиза (рис. 1).

Практика очистки бытовых сточных вод (БСВ) показала, что механический перенос технических решений по очистке и обеззараживанию БСВ, широко используемых в районах с теплым умеренным климатом, не дает желаемых результатов в северных регионах. Следует учитывать возможное промерзание мелких рек и водоемов в зимний период, их низкую самоочищаемость. При этом необходимо перед очистными сооружениями подогревать сточные воды с 3-5 до 10°С. Низкая температура сточной жидкости может быть обусловлена протяженностью сетей, сбросом в них от 10 до 30% холодной водопроводной воды.

В большинстве стран Европы установки анаэробного сбраживания для переработки навозных стоков и сельскохозяйственных отходов, промышленных и бытовых стоков, обеспечивающих выработку биогаза, широко применяются для небольших очистных

Рис. 1. Пиролизные установки ООО «Биотоп»: опытно-экспериментальная установка для переработки органических отходов на территории очистных сооружений г. Владивосток

сооружений, в том числе в сочетании с солнечными нагревателями и тепловыми насосами. В ФРГ на большинстве очистных сооружений производительностью 40-785 тыс. м3 в сутки осуществляется анаэробная стабилизация осадка. Это связано не только с возможностью получения большого количества биогаза для покрытия энергетических нужд очистных сооружений (до 70%), но и с тем, что существующее законодательство разрешает использовать в качестве удобрения для внесения в почву и даже сброса в море только стабилизированные осадки с содержанием сухих веществ не выше 30-40%, иногда осадки сжигают, но предварительно сбраживают для получения биогаза.

В Финляндии из-за высоких энергетических затрат и трудностей эксплуатации, вызванных суровым климатом, аэробная стабилизация осадка применяется только на небольших водоочистных сооружениях, в то же время стабилизированные известью осадки в кислых почвах легко утилизируются [4].

Неутилизированный высушенный осадок можно сжигать, при этом выделенное тепло использовать для сушки, или перерабатывать методом пиролиза в искусственное жидкое и газообразное топливо. Затем им можно обогревать метантенки на очистных сооружениях водоканализационного хозяйства, производить электроэнергию на когенерационных установках.

В проектах очистных сооружений не учитывается возможность использования промышленных и бытовых стоков как источников низкопотенциального тепла после их очистки. Температура стоков существенно выше температуры холодной воды. Количество утилизируемой в этом случае тепловой энергии может составить до 30% от расхода, требуемого на теплоснабжение очистных сооружений. Температура воды очистных сооружений городов Приморского края поддерживается в пределах 12-25°С.

На очистных сооружениях, имеющих метантенки, получаемый биогаз может использоваться для работы двигателя внутреннего сгорания в составе теплонасосной установки (рис. 2) [4].

Еще в начале XX в. при строительстве отдельных домов в центре г. Владивосток строились индивидуальные очистные сооружения. Новый генеральный план застройки города

Рис. 2. Принципиальная схема установки, использующей биогаз и теплоту сточных вод для системы теплоснабжения: 1 - метантенк; 2 - блок очистки биогаза; 3 - двигатель внутреннего сгорания; 4 - теплонасосная установка; 5, 6 - теплообменники

предусматривает строительство центральных очистных сооружений. В настоящее время не учитывается положительный опыт переработки методом пиролиза осадка сточных вод (около 2,5 тыс. т в год) и различных органических отходов в искусственное топливо на установке для очистных сооружений МУП Водоканал, построенной по проекту НПП «Биотоп» на п-ове Де-Фриза. К сожалению, в краевой программе «Отходы» не нашлось места таким установкам для переработки отходов. Возможно, это связано с тем, что осадок очистных сооружений не рассматривается в качестве отходов производства. В то же время при анаэробном сбраживании 1 кг осадка выделяется 0,4-0,5 м3 биогаза. Энергетические ресурсы осадков канализационных стоков городов Уссурийск, Владивосток и их промышленных зон могут составить в пересчете на топливо 3-8 • 103 тут в год (см. таблицу).

Отходы сельского хозяйства. По данным государственной статистики по численности животных, птицы, урожая полевых культур, для Приморского края определен энергетический ресурс отходов сельского хозяйства при получении биогаза методом анаэробного сбраживания - 1,494 • 106 ГДж в год (см. таблицу). Приморский край относится к зоне рискованного земледелия, урожайность сельскохозяйственных культур ниже, чем в других регионах России, выращивание их с целью производства биотоплива может оказаться нерентабельным. Более эффективно непосредственное сжигание растительных отходов.

Выводы. Использование биомассы в энергетических целях в Приморском крае сдерживается отсутствием установок по переработке отходов в топливо на месте их образования: на лесозаготовках, в очистных сооружениях коммунальных стоков, промышленности, животноводческих хозяйств. Весьма перспективно использование для этого мобильных установок.

При выборе систем переработки отходов как в городах, так и в сельской местности необходимо рассматривать варианты сооружения энергетических установок, использующих биомассу, с точки зрения минимальных затрат, экологического вреда, энергосбережения, применения нетрадиционных источников энергии.

Необходимо значительно увеличить финансирование работ по рациональному использованию отходов производства и биомассы, энергосбережению, созданию малоотходных и безотходных технологий в Приморском крае на государственном и региональном уровне, в том числе с привлечением средств муниципальных бюджетов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России / под ред. П.П.Безруких. СПб.: Наука, 2002. 311 с.

2. Рябов Г.А., Литун Д.С., Дик Э.П., Земсков К.А. Перспективы и проблемы использования биомассы и отходов для производства тепла и электроэнергии // Теплоэнергетика. 2006. № 7. С. 61-66.

3. Хмельницкий В.К., Волков А.В., Ковалев О.П. Возможности и условия развития источников энергии на биомассе, управление отходами биомассы в Приморском крае // 5-й Междунар. конгр. по управлению отходами и природоохранным технологиям «ВейстТек-2007», Москва, 29 мая-1июня 2007 г. М.: Compact disc SIBICO Int. Ltd., 2007. С. 10-14.

4. Хмельницкий В.К., Волков А.В., Ковалев О.П. Проблемы утилизации отходов прибрежных территорий юга Приморского края // 5-й Междунар. конгр. по управлению отходами и природоохранным технологиям «ВейстТек-2007», Москва, 29 мая-1 июня 2007 г. М., 2007. С. 59-64.

5. Rutchmann C. Im wald wahst Warme // Sonnenenerg. Sol. [Sonnenenergie]. 1997. N 2. P. 4-7.