Древесина как энергоресурс

Еще на рубеже XIX и XX столетий, Д. И. Менделеев в главе «Измерение дерев и другие данные о приросте лесов в уральских краях» [24] писал: «Непременным условием разумного пользования лесными запасами должно считать такое в них хозяйство, чтобы годовое потребление было равно годовому приросту, ибо тогда потомкам останется столько же, сколько получено нами. Само собой понятно, что вырубка излишней массы должна истощать леса, но и недобор, несомненно, пагубен, так как перестоялый лес легко подвергается бурелому, гнилости и, что всего важнее, пожарам».

Далее Менделеев отмечал, что сухостоя и валежника в сосновом лесу за 100 лет его жизни, вероятно, накопится не менее 40 куб. саженей (около 320 м³) на гектар. Это едва ли не будет равняться сбору при вырубке, «на этот текущий доход от леса должно обратить усиленное внимание, потому что одним этим можно окупить присмотр за лесами и сильно увеличить массу топлива с данной площади».

По сути дела, Классик предупреждал всех нас и, пожалуй, прежде всего, современное чиновничество, причастное к появлению и реализации последнего Лесного кодекса, что любая попытка сэкономить на лесах ведет к неизбежным пожарам. Причем подобная экономия здесь просто бессмысленна, так как леса, при разумной их эксплуатации сами себя окупают, причем только за счет реализации их побочной топливной составляющей.

Отсюда следует, что если действительно будет пересматриваться Лесной кодекс, то нельзя игнорировать создание системы, исключающей впредь появление условий, способствующих возникновению «перестоялых лесов» в виде «сухостоя, валежника, бурелома, гнилости». В этой связи, не менее актуальной становится проблема пересмотра сложившейся классификации древесных отходов, как по экологической опасности, так и по виду энергетического ресурса.

В настоящее время по экологической классификации древесные отходы в массе своей определяют как малотоксичные 4 класса опасности, а древесину в целом относят к одному из местных видов топлива. То есть, этот вид энергоресурса подлежит использованию в месте его добычи и переработки, так как его транспортировка на дальние расстояния не может быть экономически оправдана. Рассмотрим характеристики древесины как топлива.

Древесное топливо состоит в основном из клетчатки С₆Н₁₀О₅ (50-70 %) и межклеточного вещества лигнина (20-30 %). Ценность древесного топлива состоит в малой зольности (А^с до 1 %), практически в отсутствии серы и большом содержании горючих летучих (до 85 %). Значительная влажность (W^р до 60 %) обусловливает относительно низкую его теплотворную способность (Q^р_н не более 2500-3000 ккал/кг).

Древесное топливо отличается стабильностью органической массы, малой изменяемостью теплотворности в зависимости от породы (табл. 7.3).

В [25] даны характеристики древесины ряда конкретных видов деревьев, табл. 7.4. Из таблиц 7.3 и 7.4 видно, что характеристики большинства видов древесины как топлива практически одинаковые, кроме влажности. Именно этот параметр является решающим при использовании древесного топлива. И здесь осина имеет некоторое преимущество.

Таблица 7.3

Органический состав древесины

Породы	Органическая масса	Выход летучих V °, %
С °	Н °	О °	N °
Лиственные	50,5	6,1	42,8	0,6	85,0
Хвойные	51,0	6,15	42,25	0,6	85,0
Смешанные	51,0	6,1	42,3	0,6	85,0

Таблица 7.4

Характеристики древесины различных пород

Топливо	Состав органической массы	Характеристика рабочего топлива
С °	Н °	О °+ N °	W p, %	А р, %	Q рp, кДж/кг	Q рp, ккал/кг
Сосна	50,2	6,0	43,8	57,4	1,4
Береза	49,3	6,1	44,6	50,4	2,1
Ольха	49,0	6,3	44,8	51,0	1,4
Осина	48,8	6,1	45,1	44,0	1,1

В табл. 7.5 приведены сравнительные расчетные характеристики следующих видов топлив: дрова и торф (кусковой и фрезерный); древесный уголь и кокс. Для древесины температура начала выхода летучих веществ равна приблизительно 170 °С. Выход летучих веществ до V ^г = 80 %. Дрова по своим характеристикам не уступают торфу, а древесный уголь коксу, особенно по зольности и по содержанию серы. Средний типичный состав золы ряда твердых топлив приведен в табл. 7.6.Зола древесины щелочная и на 50 % состоит из соединений Са и Мg. Содержание серы в дровах на сухую массу равно 0,2-1,0 %.

Содержание в топливе «внешнего балласта» – зола и влага, в меньшей степени, чем для других топлив, зависят от способа добычи и транспортировки.

По влажности дрова разделяются на:

1. Воздушно-сухие с содержанием влаги до 25/20 %;

2. Полусухие с содержанием влаги от 26/21 до 50/33 %;

3. Сырые с содержанием влаги более 50/33 %.

Таблица 7.5

Расчетные характеристики ряда твердых топлив

Топливо	Марка и сорт	Горючая масса	Сухая масса	Рабочее топливо
С г, %	Н г, %	N г, %	О г, %	S гор, %	S гк, %	Q гб, ккал/кг	V г, %	А с, %	S соб, %	А p, %	W р, %	Q рн, ккал/кг
Дрова		51,0	6,1	0,6	42,1	—	—		85,0	1,0	—	—		2440(10215)*
Торф	кусковой	57,8	6,0	2,5	33,4	0,3				0,3	6,6		2560 (10720)
Торф	фрезерный	57,8	6,0	2,5	33,4	0,3				0,3	5,5		2030 (8500)
Древесный уголь		88,0	3,5	0,4	7,9	0,2		15,0	3,0	0,2	—	6,0	7070 (29600)
Кокс	фракция > 25 мм	96,5	0,4	1,2	0,9	1,0		1,0	11,0	1,0	10,6	4,0	6640 (27800)

Примечание: * в кДж/кг

Вес 1 м³ дров при любой влажности по данным веса и влажности определяется по формуле:

G_х = G ,

где G _х и G — искомый вес при новой влажности и известный вес при данной влажности, W, кг

Влажность дров указывается двумя числами: левое от черты дает абсолютную W, правое – относительную W _o влажность. Они определяются по формулам:

W =

W _о =

где G и G ₁ – веса (кг) влажной и высушенной древесины, табл. 7.7.

Таблица 7.6

Средний типичный состав золы твердых топлив

Топливо	SO2	А1203	Fе203	СаО	мgо	SO3	Р205	Щелочи R2O
Антрацит	42,5	23,6	25,8	4,8	2,1	1,0	–	–
Подмосковный Б	37,7	37,8	15,8	4,1	1,5	3,0	–	следы
Карагандинский	58,2	39,1	27,7	1,4	1,3	0,8	–	»
Сланец гдовский	39,3	7,4	6,1	33,3	3,0	7,0	–	3,2
Торф верховой	10-40	10-35	10-35	10-30	4-8	–	1-3	1-2
Торф низинный	15-40	15-40	15-40	15-40	2-4	–	2-5	1-2
Древесина	2,5	4,0	4,0	44,0	9,0	–	5,0	20,0

В настоящее время в качестве дров не используются большинство из пород древесины, указанных в табл. 7.7. Но широко используются отходы любой древесины.

Таблица 7.7

Вес 1 плотного кубометра дров в зависимости от породы и влажности

Порода древесины	Вес 1 плотного кубического метра (здоровой древесины, без гнили), кг при влажности	В % к весу древесины сосны*
25/20 %	50/33 %
Граб
Дуб, ясень или клен
Лиственница
Бук
Береза
Ильм или вяз
Ольха
Сосна
Осина или липа
Ель
Кедр сибирский
Пихта кавказская
Пихта сибирская

Примечание: * Числами этой графы можно пользоваться для приближенных вычислений

теплотворности дров разных пород по отношению к теплотворности сосновых дров,

принятой за единицу (100 %).

На деревоперерабатывающих предприятиях преобладает следующий состав древесных отходов: опилки – 20 %; щепа – 60 %; кора – 20 %. Влажность колеблется и может превышать 60 % [25].

Для сравнения различных топлив, их пересчитывают на условное топливо с низшей теплотой сгорания равной 7000 ккал/кг у.т. (29310 кДж/кг у.т.).

Приведем здесь средние тепловые эквиваленты для перевода ряда натуральных топлив в условное топливо, табл. 7.8.

Суррогаты топлива. По своей структуре и топливным характеристикам близко подходят к древесине так называемые суррогаты топлива: лузга подсолнуха, солома и другие, характеристика которых дана в табл. 7.9, 7.10.

Из приведенных данных видно, чтодрова и древесинные отходы по всем сложившимся энергетическим факторам подлежат использованию как топливный ресурс. Причем практика широко показала, что этот вид топлива может использоваться не только как топливо для домовых печей. Его в мировой практике широко используют для получения тепловой и электрической энергии.

Таблица 7.8

Средние тепловые эквиваленты для перевода натурального топлива в условное

Пеллеты на тонну	Уголь бурый	Торф, полубрикет W =28 %	Дрова на плотный, м3	Опилки на складской, м3	Сучья, щепа, м3	Пни, м3	Кора на тонну	Солома, W =10 % на тонну
0,615	0,4-0,55	0,45	0,266	0,11	0,05	0,12	0,42	0,5

Таблица 7.9

Характеристика суррогатов топлива

Наименование	С г	Н г	О г	N г	S гл	Q гн	А с	W p
Лузга подсолнечная	51,5	5,9	41,9	0,5	0,2		2,8	15,0
Костра льняная	51,0	6,1	42,8	0,5	0,1		3,2	11,0
Шелуха рисовая	50,3	6,1	42,8	0,7	0,1		20,5	10,0
Солома	50,0	6,9	43,1	0,6	од		5,0	10,0

Таблица 7.10

Средние значения Q ^p_н суррогатов топлива, ккал/кг

Показатель	Солома	Костра льняная	Коробочки хлопчатника	Стебли хлопчатника	Подсолнечная лузга	Рисовая лузга
Q pн

Экологические факторы существенно повышают конкурентоспособность дров, а также и некоторых суррогатов топлива. Во-первых, дрова – это биотопливо с низкой эмиссией СО₂, при минимальном содержании серы, твердых продуктов сгорания. Замена мазута и каменного угля на дрова и отходы позволяет резко снизить объемы и перечень выброса вредных веществ в атмосферу.

Зола, получаемая при сгорании дров по своему составу, см. табл. 7.6, и свойствам может использоваться как удобрение, улучшающее не только состав, но и структуру почв.

Более того, ежегодный прирост лесных растений в несколько раз превышает количество добываемой древесины и тем более используемой в качестве топлива, особенно в нашей стране. Конечно, если древесина в результате неразумной деятельности человеческой, тем более, на законодательном уровне, не превращается в источник масштабных природных лесных пожаров.

Что касается отнесения древесины к местным видам топлива, здесь пора вносить существенные изменения. Вызвано это тем, что в мировой практике созданы принципиально новые виды топлив, при использовании в качестве сырья отходов древесины, сельскохозяйственных производств, некоторых суррогатов топлива, например, подсолнечная лузга. К этим видам топлива, в первую очередь, следует отнести топливные гранулы (пеллеты). Они отличаются от обычной древесины низкой влажностью до 12 %, более высокой в 1,5 раза плотностью. И главное, теплота сгорания достигает 4500 ккал/кг, это практически в два раза выше, чем у дров с влажностью более 30 %, см табл. 7.5, и не уступает большинству сортов каменных углей. Поэтому древесные гранулы (реllеts) в мире являются стандартизированным, т.е. равноправным, видом топлива. Некоторые из этих стандартов – DIN 51 731, DIN рlus. В нашей стране подобные отечественные стандарты нам не известны, т.е., если это так, то формально у нас такого топлива нет.

Сейчас Европа использует порядка 10 млн тонн пеллет, из которых внутри ЕС производиться не более 7 млн т в год. Очевидно благодаря этой разнице в 2010 году в России инициативно произведено порядка 1 млн тонн пеллет. Большая их часть экспортирована в Европу. Прогнозируется, что ЕС к 2020 году будет потреблять не менее 30-40 млн т древесных гранул. У российских производителей есть все возможности увеличивать объемы производства этого вида топлива в 2-3 раза в год. При этом европейцы намерены приобретать это топливо в странах со сбалансированной лесной промышленностью. Проще говоря, с учетом завета Д. И. Менделеева «Непременным условием разумного пользования лесными запасами должно считать такое в них хозяйство, чтобы годовое потребление было равно годовому приросту, ибо тогда...».

Отсюда можно сделать, как минимум два вывода.

1. Необходим и новый Лесной кодекс, и стандарты на топливные гранулы не хуже европейских DINов.

2. И перестать смотреть на дрова и древесные отходы как на проблему «муниципального» значения.

Согласно [26], на освоение возобновляемых источников энергии (ВИЭ) требуются заметные затраты. Так, в Германии государственный долг по этой статье расходов в год возрастает до 4 млрд евро.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Данилов О.Л. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях: учебник для вузов / О.Л. Данилов, А.Б. Гаряев, И.В. Яковлев и др.; под ред. А.В. Клименко. М.: Изд. дом МЭИ, 2010. 424 с.

2. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий: учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1995.

3. Андрижиевский А.А. Энергосбережение и энергетический менеджмент / А.А. Андрижиевский, В.Н. Володин. Минск: Вышэйшая школа, 2005.

4. Справочный документ по наилучшим доступным технологиям обеспечения энергоэффективности. Русская версия. М.: Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии, 2009. 455 с. URL: https://www.ippc-russia.org/content/id/ru/207.html

5. Щелоков Я.М. Энергетический анализ хозяйственной деятельности: учебно-методическое пособие. Екатеринбург: УрФУ, 2010. 390 с.

6. Практическое пособие по выбору и разработке энергосберегающих проектов / под ред. О.Л. Данилова и П.А. Костюченко. М.: ЗАО «Технопромстрой», 2006.

7. Вагин Г.Я. Экономия энергии в промышленных технологиях: справочно-методическое пособие / Г.Я. Вагин, Л.В. Дудникова, Е.А. Зенютович, А.Б. Лоскутов, Е.Б. Солнцев; под ред. С.К. Сергеева. Н-Новгород: НГТУ, НИЦЭ, 2001. 296 с.

8. Данилов Н.И. Основы энергосбережения: учебник – 2-е изд., доп. и перераб. / Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков; под общ. ред. Н.И. Данилова. Екатеринбург: Изд. дом «Автограф». 2010. 528 с.

9. ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

10. РД 153-34.0-15.501-00 Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 1. Контроль качества электрической энергии.

11. РД 153-34.0-25.502-2002 Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Часть 2. Анализ качества электрической энергии.

12. Научно-методические принципы энергосбережения и энергоаудита: научное и учебно-методическое пособие: в 3-х томах. Том 1. Научно-методические принципы энергоаудита и энергоменеджмента / Т.Е. Троицкий-Марков, О.Н. Будадин, С.А. Михайлов, А.И. Потапов. М.: Наука. 2005. 537 с.

13. ГОСТ 27322-87 Энергобаланс промышленного предприятия. Общие положения. М.: Изд. стандартов, 1987. 12 с.

14. Руководство по повышению энергоэффективности в пищевой промышленности. М.: DENA; ЦЭНФ, 2002. 188 с.

15. Федеральный закон от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

16. Об утверждении требований к энергетическому паспорту, составленному по результатам обязательного энергетического обследования, и энергетическому паспорту, составленному на основании проектной документации, и правилa направления копии энергетического паспорта, составленного по результатам обязательного энергетического обследования. Приказ Министерства энергетики РФ от 19.04.2010 г. № 182.

17. Ишков А. Энергетический паспорт: требования к оформлению / А. Ишков, В. Крайнов, Б. Житомирский, А. Кошелев, П. Шомов // Энергоаудит, 2010. № 4. С. 14-17.

18. Инструкция по организации в Министерстве энергетики Российской Федерации работы по расчету и обоснованию нормативов технологических потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям (утверждена приказом Минэнерго России от 30.12.2008 г. № 326).

19. Федеральный закон от 27.07.2010 г. № 190-ФЗ «О теплоснабжении».

20. Энергетический менеджмент. Руководство по энергосбережению концерна Du Pont (США). Нижний Новгород: Изд-во «Чувашия», 1997. 223 с.

21. Пособие по курсу «Методология проведения энергетического аудита» (Библиотека энергоменеджера). М.: АСЭМ; ENIZAN. 1997. 71 с.

22. ГОСТ 23875-88 Качество электрической энергии. Термины и определения. М.: Изд. стандартов. 1988. 15 с. (изменения от 23.12.2009 г.).

23. Kiesel F. Entwicklund and der Stromeinspeisung aus Regenerativanlagen / F. Kiesel, М. Timm // Elektrizitätswirt, 2010. 109. № 1-2. С. 22-29.

24. Менделеев Д.И. Уральская железная промышленность в 1899 г. Сочинения. Т. ХII. – М.: АН СССР, 1949.

25. Шарапа С.П. Современные технологии сжигания местных видов топлива в котлах небольшой производительности // Энергия и менеджмент. 2006. № 1. С. 29-32.

26. Staatsclasten steigen auf 17 Milliarden Euro. Ew: Elektrizitatswirt.2009. 108, № 26, c. 22-23.

Приложение 1