Оценка энергетической ценности использования отходов свеклосахарной промышленности

УДК 574

ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЦЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ОТХОДОВ СВЕКЛОСАХАРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

© 2016 Р.Я. Дыганова, В.П. Шипков

Казанский государственный энергетический университет

Статья поступила в редакцию 27.10.2016

В статье приведены примеры утилизации отходов свеклосахарной промышленности и проведен анализ зарубежного и российского опыта их утилизации. Проанализированы свеклосахарные заводы приблизительно одинаковой мощности в Италии и Республике Татарстан. Рассчитано количество образующихся отходов. Для трех свеклосахарных заводов Республики Татарстан рассмотрен способ утилизации свекловичного жома методом термической сушки и дальнейшего сжигания полученных гранул в котлах утилизаторах. Рассчитан материальный и энергетический баланс сушки свекловичного жома. Проведена оценка количества получаемой избыточной тепловой энергии и возможности использования избыточных высушенных гранул. Ключевые слова: свекловичный жом, термическая утилизация, свеклосахарный завод, утилизация отходов.

В Энергетической стратегии России на период до 2035 года, раздел «Инновационная и научно-техническая политика в энергетике» включает расширение производства и использования новых видов топлива, получаемых из различных видов биомассы. В разделе отражено направление государственной энергетической политики, одним из целевых ориентиров на указанный период является повышение энергоэффективности и увеличение относительного объема производства и потребления электрической энергии с использованием возобновляемых источников энергии [1,9]. Это также позволит снизить экологические риски воздействия на биосферу [12].

В данной статье рассмотрено использование отходов свеклосахарного производства, в качестве топлива. На сегодняшний день энергетическая ценность этих отходов недооценена. Для того, чтобы оценить потенциал их использования в качестве вторичного энергетического ресурса (ВЭР) нами были рассмотрены зарубежные свеклосахарные заводы Италии (табл. 1.1) и заводы Республики Татарстан (табл. 1.2), которые производят сахар-песок из сахарной свеклы. Как видно, по данным производительности [2, 3, 4], в Италии работают два завода сопоставимой мощностью с Буинским сахарным заводом в Республике Татарстан (РТ). Можно предположить, что и количество образующихся в процессе переработки отходов будет приблизительно одинаковым.

В Италии, такие отходы свеклосахарной промышленности как свекловичный жом, как прави-

Дыганова Роза Яхиевна, доктор биологических наук, профессор, заведующая кафедрой "Инженерная экология и рациональное природопользование". E-mail: dyganova.roza@yandex.ru

Шипков Виктор Павлович, аспирант кафедры "Инженерная экология и рациональное природопользование". E-mail: victor.shipkov@gmail.com

ло либо сушатся и гранулируются для продажи в качестве корма скоту, либо используется для выработки биогаза [5]. Эффективность выработки кормовых гранул составляет 53 кг с 1 тонны свекловичного жома. Эффективность выработки с одной тонны свекловичного жома по тепловой энергии от сжигания биогаза составляет 21,56 МДж, по электрической энергии - 6,1 кВат.ч.

Производственный цикл свеклосахарных заводов в РТ является сезонным (с августа по декабрь) и составляет около 160 дней. Прежде всего это связано с ограниченным сроком хранения сахарной свеклы. В процессе извлечения сахара из свекловичной стружки образуется свекловичный жом с влажностью 92-95%, в его состав входят: целлюлоза, геми-целлюлоза, сахароза, белки, аминокислоты, лигнин, сапонин, пектиновые и минеральные вещества.

С помощью программного комплекса "Расчет отходов сахарного производства" [6] нами рассчитаны данные по количеству образующегося свекловичного жома, расчетные данные для свеклосахарных заводов РТ сведены в табл. 2. В строка 1-3 столбца 1 таблицы представлены расчетные значения количества образующегося сырого жома (столбец 2) и по количеству прессованного жома (столбец 3). Прессованный жом образуется после легкого прессования , где его влажность снижается до 80-82%, что позволяет снизить его первоначальную массу почти в 2,5 раза. Но, несмотря на механическое обезвоживание, ежедневное количество образующегося свекловичного жома остается достаточно велико.

В соответствии с основными принципами и приоритетными направлениями государственной политики в области обращения с отходами, изложенными в статьей 3 Федерального закона от 24 июня 1998 г. N 89-ФЗ " Об отходах производства и потребления" свекловичный жом, как и любой другой отход, необходимо утилизировать [7, 10].

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 18, № 4(5), 2016

Таблица 1.1. Свеклосахарные заводы Италии

№ Название предприятия Производи-тельность (по сахару), тыс. т/год.

1 2

1. 90

2. ^^ Zucherri (Pontelongo) 89

Таблица 1.2. Свеклосахарные заводы Республики Татарстан

№ Название предприятия Производи-тельность (по сахару), тыс. т/год.

1 2

1. ОАО «Буинский сахарный завод» 85

2. ОАО «Заинский сахарный завод» 77

3. ЗАО «Нурлатский сахар» 25

Ранее нами был рассчитан метод утилизации отходов свеклосахарного производства (жом + сточные воды) в биогазовых установках [8]. Те -плотворной способности получаемого биогаза в 19,43 МВт оказалось недостаточным для того, чтобы покрыть тепловые затраты на выпаривание воды из сахарного сиропа, которые составляют 19,43 МВт.

Другим перспективным способом утилизации прессованного свекловичного жома является термическая сушка с последующим сжиганием в котлах утилизаторах. Одной из таких технологий, способных эффективно высушить прессованный свекловичный жом до влажности 12-15% - это технология сушки итальянской компании УОММ, методом мгновенного нагрева прессованного свекловичного жома с нагретой до 200-250 оС стенкой сушильной камеры [11]. За счет равномерного нагрева и продувания сушильной камеры нагретым воздухом прессованный свекловичный жом быстро высушивается и отправляется на стадию гранулирования. Где образуется топливо в виде гранул, готовое для сжигания в котлах-утилизаторах. Его теплотворная способность составляет около 10460КДж/кг.

Другим, не менее важным аспектом утилизации отходов, чем эффективность процесса,

является ее энергетическая составляющая. Ранее было сказано, что теплотворная способность гранул, полученных после термической сушки, составляет около 10460 КДж/кг. Затраты на сушку одной тонны прессованного свекловичного жома (влажность 80%) составят 2186 МДж, 80% от этой затрачиваемой энергии можно восстановить в виде горячей воды. Тепловая энергия, получаемая от сжигания в котлах-утилизаторах (КПД около 85%) 0,235 тонны сухих гранул, полученных после термической сушки 1 тонны прессованного жома, составит 2458 МДж. Таким образом, высокая теплотворная способность гранул в ходе сжигания в котлах утилизаторах обеспечивает не только сам цикл термической сушки, но и позволяет выработать избыточное тепло в количестве 271,46 МДж на 1 тонну прессованного свекловичного жома.

В столбцах 3 и 4 табл. 3 представлены расчетные данные по затрачиваемой и вырабатываемой избыточной энергии в ходе термоутилизации. Это избыточное тепло может полностью покрыть потребность сахарного завода в природном газе, например для работы котельных установок сахарного завода с производительностью по готовой продукции (сахар-песку) около 40000 тонн в год требуется около 19,5 МВт энергии, а потенциал избыточной энергии от сжигания гранулиро-

Таблица 2. Объемы образования свекловичного жома на свеклосахарных заводах Республики Татарстан

№ Название предприятия Кол-во сырого жома Кол-во прессован-ного жома

тыс. т/сут. тыс. т/год т/сут. тыс. т/год

1 2 3

1. ОАО «Буинский сахарный завод» 3,4 547,2 1,36 218,9

2. ОАО «Заинский сахарный завод» 3,1 495,9 1,24 198,4

3. ЗАО «Нурлатский сахар» 1 161 0,4 64,4

Таблица 3. Объемы образования свекловичного жома на свеклосахарных заводах Республики Татарстан

Кол-во Кол-во

прессован-ного затрач. Кол-во

№ Название предприятия жома энергии избыт.

тыс. на энергии,

т/сут. т/год сушку, ГДж/сут. ГДж/сут.

1 2 3 4

1. ОАО «Буинский сахарный завод» 1,36 637,9 704,1 87,4

2. ОАО «Заинский сахарный завод» 1,24 207,1 637,9 79,2

3. ЗАО «Нурлатский сахар» 0,4 64,4 207,1 25,7

ванного свекловичного жома, образованного на этом предприятии, составляет 24,28 МВт. Соответственно, лишние гранулы можно не сжигать, а продавать в качестве корма для крупного рогатого скота, как это и делается на зарубежных свеклосахарных заводах.

Как можно видеть, термоутилизация свекловичного жома позволяет не только решить экологические проблемы предприятия за счет утилизации отходов производства, но и покрыть затраты на технологический цикл сушки и выработать достаточное количество избыточной тепловой энергии. Эта энергия может быть использована на собственные нужды предприятия свеклосахарного производства, особенно на такой энергоемкой стадии как сгущения сока выпариванием.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Энергетическая стратегия России на период до 2035 года

2. Сахарные заводы России, организации, сахар,торговля http://carbofocd.ru/sugar-works/saxamye-zavcriy-rossiya/ saxarnye-zavody-rossii (дата обращения 10.09.2016).

3. Сайт компании Italia Zuccheri. http://www. italiazuccheri.it/ (дата обращения 10.09.2016).

4. Сайт компании COPROB. http://www.coprob.com/

(дата обращения 10.09.2016).

5. Cost-benefit Analysis for Using Sugar Beets as Biomass: Summary SIA «M koncepts» November 2013

6. Шипков В.П., Дыганова Р.Я. Программа «Расчет отходов сахарного производства». Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2016614869.

7. Федерального закона от 24 июня 1998 г. N 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления».

8. Дыганова Р.Я., Шипков В.П., Зайнашева З.Р. Использование метода теплового баланса при оценке применения биогаза в качестве топлива // Сборник трудов пятого международного экологического конгресса (седьмой международной научно-технической конференции) «Экология и безопасность жизнедеятельности про-мышленно-транспортных комплексов ELPIT 2015», 16-20 сентября 2015 г., гг. Самара - Тольятти, Россия: Издательство СНЦ 2015. Т. 1. 166 с.

9. Васильев А.В. Основы экологии в технических вузах. Учебное пособие. Тольятти, 2000.

10. Васильев А.В. Обеспечение экологической безопасности в условиях городского округа Тольятти: учебное пособие. Самара: Изд-во Самарского научного центра РАН, 2012. 201 с.

11. A method for the solid state polymerization of polyethylene terephthalate. ITMI20030048 (A1). 2004-07-16.

12. Vasilyev A.V. Method and approaches to the estimation of ecological risks of urban territories // Safety of Technogenic Environment. 2014. № 6. С. 43-46.

ASSESSMENT OF ENERGY VALUE OF USE OF WASTE OF THE SUGAR BEET INDUSTRY

© 2016 R.Ya. Dyganova, V.P. Shipkov

Kazan State Power Engineering University

In article examples of recycling of the beet sugar industry are given and the analysis of foreign and Russian experience of their utilization is carried out. Beet sugar plants of approximately identical power in Italy and the Republic of Tatarstan are analysed. The quantity of the formed waste is calculated. For three beet sugar plants of the Republic of Tatarstan the way of utilization of a beet press by method of thermal drying and further burning of the received granules in coppers utilizers is considered. The material and power balance of drying of a beet press is calculated. The assessment of quantity of the had excess thermal energy and an opportunity of use of the excess dried-up granules is carried out. Keywords: beet press, thermal utilization, beet sugar plant, recycling. Roza Dyganova, the Dr.Sci.Biol., Professor, Head at the Engineering Ecology andRational Environmental Management Department. E-mail: dyganova.roza@yandex.ru Viktor Shipkov, Graduate Student at the Engineering Ecology and Rational Environmental Management Department. E-mail: victor.shipkov@gmail.com