Сельское хозяйство / 2.Механизация сельского хозяйства

Член-корреспондент РАСХН, д-р техн. наук, профессор, М.А. Таранов

инженер А.С. Касьянов

Таранов Михаил Алексеевич – член-корреспондент РАСХН, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой эксплуатации энергетического оборудования и электрических машин Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии, Россия

Касьянов Алексей Сергеевич – инженер,Россия

Биотопливо источник энергии в сельском хозяйстве

В современном мире все больше уделяется внимания альтернативным источникам энергии в области сельского хозяйства[1,2,3]. Потенциально важным для сельскохозяйственных регионов видом топлива, являются пожнивные остатки зерновых и технических культур.

Этот вид топлива в России в энергетических целях используется крайне редко. А если и используется, то в основном, это связано с принятыми экологическим законодательством[4] и федеральным законом от 10.01.2002 № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды»; федеральным законом от 04.05.1999 № 96-ФЗ «Об охране атмосферного воздуха». Суть данных нормативных актов заключается в том, что при сжигании пожнивных остатков технических и других сельскохозяйственных культур к объекту применяются штрафы и административные меры наказания. Не смотря на все меры результаты социологического опроса фермеров и руководящего состава сельскохозяйственных организаций[5], показывают, что иногда им проще платить штрафы, чем утилизировать данный вид отходов.

На основании данных федеральной службы государственной статистики в Российской федерации в 2016 году было собрано зерновых и зернобобовых культур, а также технических культур около 205 млн.тонн[6].

Таблица 1 - Валовые сборы зерновых и зернобобовых культур по российской федерации (тысяч тонн)

	2009	2010	2011	2012	2013	2014	2015	2016
Зерновые и зернобобовые культуры	97111	60960	94213	70908	92385	105315	104786	120672
пшеница	61740	41508	56240	37720	52091	59711	61786	73295
рожь	4333	1636	2971	2132	3360	3281	2087	2541
ячмень	17881	8350	16938	13952	15389	20444	17546	17993
овёс	5401	3220	5332	4027	4932	5274	4536	4761
кукуруза	3963	3084	6962	8213	11635	11332	13173	15310
просо	265	134	878	334	419	493	572	630
гречиха	564	339	800	797	834	662	861	1186
рис	913	1061	1056	1052	935	1049	1110	1081
тритикале1)	508	249	523	464	582	654	565	619
сорго	13	9	60	45	172	220	194	313
зернобобовые культуры	1529	1371	2453	2174	2037	2196	2357	2943

Таблица 2 - Валовые сборы технических культур по Российской федерации (тысяч тонн)

Технические культуры:	2009	2010	2011	2012	2013	2014	2015	2016
семена льна-долгунца	9	5	6	7	5	6	8	8
волокно льна-долгунца	52	35	43	46	39	37	45	41
сахарная свекла	24892	22256	47643	45057	39321	33513	39031	51367
масличные культуры	8186	7457	12219	10563	13137	12859	13837	16258
из них: подсолнечник на зерно	6454	5345	9062	7495	9842	8475	9280	11010
соя	944	1222	1641	1683	1517	2364	2708	3135
горчица	24	36	82	38	50	93	67	73
рапс	667	670	956	945	1259	1338	1012	999
рапс озимый	308	395	290	157	391	454	266	165
рапс яровой (кольза)	359	275	667	789	868	884	747	834

Массу пожнивных остатков можно оценить по формуле 1[7]:

(1)

где - Б_от - кол-во пожнивных остатков злаковых или технических культур; Б _пр - количество продукции; К_от – коэффициент отходов.

Проведя обработку статистических данных по валовому сбору, приведенных выше данных зерновых и зернобобовых, а также технических культур получается, что только в 2016 году было не использовано около 120 млн. т. потенциального топлива. Один килограмм пожнивных остатков - это в среднем 3270 ккал, отходов технических культур 3120 ккал, то есть в денежном выражении[8] было упущено около 448,578 млн. рублей.

Как известно, основная часть электроэнергии вырабатывается за счет сжигания ископаемого сырья. Полученное при этом тепло используется, например, для образования пара, который вращает турбину, присоединенную к генератору. Таким образом, главным методом получения электроэнергии является непрямое преобразование тепла, сопряженное с весьма существенными энергетическими потерями.

Генерируемое тепло применяют для отопления зданий, подогрева воды или производства пара в различных промышленных процессах. В отличие от традиционных электростанций, где отработавшие газы выводятся через вытяжную трубу, газы, генерируемые в результате когенерации, охлаждаются, отдавая свою энергию, в контуре горячей воды/пара. Охлажденные газы затем выбрасываются в атмосферу.

Таким образом, тепловой комплекс решает одновременно две задачи: утилизации отходов и дешевого энергообеспечения.

Когенерационные установки тепла-энергии достигают коэффициента полезного действия 90 %. Кроме того, процесс когенерации является экологически безопасным, т. к. во время сжигания пожнивных остатков выделяется столько же вредных веществ, что и при их естественном увядании. В странах Европейского союза существуют примеры развития законодательства, касающегося когенерации. В Бельгии – это зеленые сертификаты и квоты когенерации, в Испании – новый декрет о продаже электричества когенерации, в Германии – новое законодательство по когенерации[10].

Когенерация тепла и электричества особенно развита в Скандинавских странах, а для некоторых из них является даже преобладающим направлением в политике энергоэффективности, составляя более 30 % от общего производства энергии. Для таких стран, как Дания, Финляндия, характерно широкое применение когенерации в сочетании с централизованным теплоснабжением. В Швеции большая доля централизованного теплоснабжения обеспечивается за счет установок паровых котлов, что подтверждает достаточный уровень развития когенерации в стране.

Основные преимущества:

- повышение эффективности преобразования и использования энергии;

- уменьшение выделений в окружающую среду, в частности CO₂, парниковых газов. ;

- снижение затрат. Предоставление приемлемого тепла для местного пользования сокращает затраты на энергетическую сеть, т. к. установки для совместного производства энергии обычно находятся рядом с пунктом потребления;

- возможность развития децентрализированных форм производства энергии, где установки удовлетворяют требованиям местных потребителей, обеспечивая эффективность и гибкость в системах применения, избегая энергетических потерь;

- энергия, вырабатываемая в результате когенерации, сокращает зависимость от сырьевых источников энергии, является целью энергетического будущего.

Не смотря на все достоинства данного вида топлива, его достаточно сложно использовать в виде сырья для прямого сжигания как на этапах сбора, транспортировки и хранения, так и на этапе непосредственного сжигания. Это связано с неоднородностью продукта, относительно высокой влажностью, малым объемным энергосодержанием, достаточно низкой температурой плавления золы и повышенным содержанием хлора. Объемы пожнивных остатков и угля, равные по энергосодержанию, различаются примерно в 10-20 раз.

Таким образом, имеется топливо, но нет надёжных и доступных устройств Российского производства для выработки электроэнергии. С тепловой энергией все обстоит на много лучше. Фермерские котлы достаточно распространены, но используются не для отопления, а как утилизационные. Рассмотрим способы получения электрической энергии из тепловой с наименьшими потерями и доступностью для сельскохозяйственных потребителей.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.

Термоэлектрогенератор — это техническое устройство, предназначенное для прямого преобразования тепловой энергии в электроэнергию посредством использования в его конструкции термоэлементов (термоэлектрических материалов).

Известны способы преобразования тепловой энергии в электрическую с помощью термоэмиссионного генератора, работающего на основе эффекта Пельтье[11,12]. Установка состоит из источника тепловой энергии, последовательно соединенных секций из последовательно соединенных термоэмиссионных трехэлектродных элементов и источника электрической энергии, положительный и отрицательный полюса которого подключены соответственно к аноду и сетке первого термоэмиссионного трехэлектродного элемента, при котором сетки термоэмиссионных элементов каждой секции электрически соединены, а анод первого термоэмиссионного трехэлектродного элемента каждой секции подключен к сеткам термоэмиссионных трехэлектродных элементов следующей секции. Преобразование тепловой энергии в электрическую по известному способу осуществляют путем нагрева катодов термоэмиссионных элементов потоком теплоносителя, поступающим из источника тепла, при одновременном отборе тепла от анодов. Полезная работа во внешней цепи совершается за счет кинетической энергии электронов, покидающих катод и осаждающихся на аноде. Этот способ имеет невысокий коэффициент преобразования тепловой энергии в электрическую, коэффициент полезного действия (КПД) термоэмиссионного генератора не превышает 10%.

Термоэлектрические батареи имеют длительный срок службы, устойчивы в работе, бесшумны ввиду отсутствия движущихся частей.

Благодаря этим свойствам термоэлектрические генераторы находят применение в областях, где требуются сверхнадежные источники электроэнергии, обладающие длительным сроком эксплуатации и не требующие обслуживания: автоматические метеостанции, морские маяки. Недостатком ТЭГ является сравнительно низкий КПД преобразования энергии (3 – 5 %).

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.

Для преобразования соломы в электроэнергию можно использовать электрогенератор, приводимый в действие двигателем внутреннего сгорание - газовую электростанцию. Такая установка может работать на газе, производимом газогенераторной установкой из соломы. Однако для питания такой установки необходимо большое количество газа высокого давления. Заведомо можно сказать, что КПД такой установки из-за тройного преобразования энергии будет невысоким.

ПАРОГЕНЕРАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ.

Для привода электрогенератора можно использовать паровую машину, источником тепла в которой является сжигаемая солома. Основное достоинство такой установки – ее относительная простота и хорошие тяговые характеристики парового двигателя независимо от скорости работы. Это позволяет обойтись без редуктора, что выгодно отличает такой двигатель от двигателя внутреннего сгорания.

Среди большого разнообразия паросиловых установок, которые применяются в фермерских хозяйствах, чаще всего используется теплофикационный цикл работы, когда на одной установке совмещается процесс выработки электрической энергии с процессами отбора пара на отопительные цели помещений (рисунок 1).

1.Паровой котел. 2. Пароперегреватель. 3.Паровая турбина. 4.Конденсатор. 5.Насос. 6.Электрический генератор. 7Потрибитель тепла.

Рисунок 1 - Тепловая схема простейшей теплофикационной установки

В установке теплоносителями являются вода и пар низких параметров. В ней в конденсаторе 4 поддерживается небольшое разряжение, то есть, давление, близкое к атмосферному. Такому давлению соответствует температура насыщения t_H конденсирующегося пара, близкая, к 100^оС. Охлаждающая вода в такой установке под действием насоса 8 циркулирует по замкнутому контуру, в который включен потребитель тепла. Температура охлаждающей воды, выходящей из конденсатора несколько ниже температуры t_H , но достаточно высока для обогрева помещения. Конденсат при температуре t_H забирается насосом 5 и после сжатым подаётся в котёл 1. Охлаждающая вода нагревается за счёт тепла конденсирующего пара и тепла сжигаемого топлива и под напором, создаваемым насосом 8, поступает в отопительную систему 7. В ней нагретая вода отдаёт тепло окружающей среде, обеспечивает необходимую температуру помещения. На выходе из отопительной системы охлаждённая вода вновь поступает в конденсатор 4 и в нём опять нагревается поступающим из турбины паром и дымовыми газами, омываемыми топку котла. Тепловой баланс установки выглядит следующим образом

где - количество тепла, идущие на отопительные цели;

- количество тепла, идущие на преобразование энергии перегретого пара в электрическую энергию;

- количество тепла от дымовых газов сгорания пожнивных остатков идущие на подогрев конденсата воды в конденсаторе.

При этом, КПД паросиловой установки для отопительных целей - , а для работы паровой турбины - , то есть, ; ; .

В принятой схеме паросиловой установки для дополнительного подогрева конденсата в пароперегревателе 2 используется энтальпия дымовых газов, сжигаемых в топке котла 1 пожнивных остатков.

Если, например, в объёме котла V_K паросиловой установки вода массой m_в нагрелась до температуры t= 180^оС, то давление и масса образовавшегося воздушного пара определяется следующим образом:

ü Из таблицы [9] определяется плотность пара ρ_n при температуре Т =(273+180)^оК=453 К и газовая его постоянная .

ü Масса пара, необходимая для насыщения котла объёмом V_K при температуре Т кг. Если (то есть, вся масса воды превратилась в пар), то пар - ненасыщенный; если , то пар в котле насыщенный.

ü Давление пара определяется из уравнения состояния Менделеева - Клайперона

где R - газовая постоянная, равная для пара 8,31 .

Так, если = 20 кг, =5м³, Т= 453К, , R =8,31 , то .

Исходя из приведённых расчётов теплового баланса паросиловой установки, можно выбрать параметры котла, его тип и его характеристику в целом [9].

Например, для приведенных расчётов можно принять:

1. Марка котла - Е-1,0-0,9М-3.

2. Рабочее давление пара на выходе - 0,9 МПа.

3. Расчётное топливо - возможно биотопливо.

4. КПД -67,7%

5. Температура питательной воды - 50^оС.

6. Температура пара - 180^оС.

7. Установленная электрическая мощность - 6 кВт.

8. Масса котла - 4300 кг.

9. Габариты котла, м :

а) длина - 4,2; б) ширина - 2,35; в) высота - 2,0

Литература:

1. Влияние энергетики возобновляемых источников энергии на устойчивое развитие сельского хозяйства. http://altenergiya.ru/apologiya/vozobnovlyaemye-istochniki-energii-na-sele.html.

2. Использование альтернативных источников энергии в сельском хозяйстве http://www.nofollow.ru/video.php?c=3MIxT35TSQs

3. Особенности когенерационной выработки энергии газопоршневыми электростанциями. http://selmech.msk.ru/1116.html#_Особенности_когенерационной_выработ

4. Экологическое законодательство федерального уровня http://bellona.org/content/uploads/sites/4/2017/03/S_X_FIRE_SITE-fin.pdf. Стр.7

5. Результаты социологического опроса фермеров и руководителей растениеводческих хозяйств http://bellona.org/content/uploads/sites/4/2017/03/S_X_FIRE_SITE-fin.pdf. . Стр.15

6. Валовые сборы сельскохозяйственных культур по российской федерации http://www.gks.ru/wps/wcm/connect/rosstat_main/rosstat/ru/statistics/enterprise/economy/#

7. Касьянов А.С. Энергетический потенциал соломы как биотоплива/ Научные исследования и разработки// Инженерный вестник Дона. - Выпуск - 1- Ростов-на-Дону, 2014.

8. Тарифы на тепловую энергию для населения. http://zhkhinfo.ru/tarify/tarify-na-teplovuyu-energiyu-dlya-naseleniya.html

9. П.Д. Лебедев, А.А. Щукин. Промышленная теплотехника - Л. 1956 г. с.- 385.

10. Когенерация http://power.cummins.com/sites/default/files/literature/

casehistories /EMEACH-5708-RU.pdf

11. Ансельм А. И., Введение в теорию полупроводников, 2 изд., М., 1978;

12. Аскеров Б. М., Электронные явления переноса в полупроводниках, М., 1985;