CC BY
0СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
УДК 621.181 статья поступила 16.11.2023
А.С. Иванов, кандидат технических наук, доцент кафедры «Технические системы в АПК», ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», г. Тюмень
СПОСОБЫ УТИЛИЗАЦИИ ЗОЛЫ, ПОЛУЧЕННОЙ В РЕЗУЛЬТАТЕ СЖИГАНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
Утилизация золы является частью устойчивого производства электроэнергии из растительных отходов сельского хозяйства и способствует созданию «зеленого» имиджа. Утилизация высокоуглеродистой золы на полигонах не поощряется во многих европейских странах. Для такой золы оптимальным вариантом должно стать дожигание и захоронение остатков на полигоне. Цель исследования - проанализировать способы утилизации и особенности вторичного использования золы, полученной в результате сжигания растительных отходов в теплогенераторе. В настоящее время имеется три хорошо изученных варианта глобального использования золы: использование в качестве (сырья) удобрения; применение в качестве строительного материала или компонента при производстве строительных материалов; повторное использование в качестве топлива. Возврат золы в результате термической переработки растительных отходов в исходное место в почве, где были собраны растительные отходы, является наиболее экологичным и устойчивым способом использования золы, и его следует применять, поскольку происходит возврат питательных веществ и замыкается минеральный цикл. Использование золы в качестве сырья представляется перспективным направлением получения удобрений с высоким содержанием питательных веществ. Для богатой углеродом золы уноса, образующейся в результате сжигания в псевдоожиженном слое, основным направлением является использование в качестве топлива. Для некоторых видов золы может потребоваться дополнительная обработка перед утилизацией, но, тем не менее, с высокой долей вероятности, останутся определенные фракции, которые необходимо будет захоронить.
Ключевые слова: зола, биомасса, утилизация, теплогенератор, сжигание отходов, удобрения, топливо.
A.S. Ivanov,
Northern Trans-Ural State Agricultural
METHODS FOR RECYCLING ASH OBTAINED FROM COMBUSTION AGRICULTURAL PLANT WASTE
Ash recycling is part of sustainable energy production from agricultural plant waste and contributes to a green image. Landfill disposal of high carbon ash is discouraged in many European countries. For such ash, the best option should be afterburning and disposal of the residues at a landfill. The purpose of the study is to analyze the methods of recycling and the features of recycling ash obtained from the combustion of plant waste in a heat generator. Currently, there are three well-studied options for the global use of ash: use as a (raw material) fertilizer; use as a building material or component in the production of building materials; reuse as fuel. Returning ash from thermal processing of crop waste to its original location in the soil where the crop waste was collected is the most environmentally friendly and sustainable way to use the ash and should be used as it returns nutrients and completes the mineral cycle. Use as a raw material for the production of fertilizers seems to be a promising direction for obtaining fertilizers with a high nutrient content. For carbon-rich fly ash resulting from fluidized bed combustion, the main
destination is to use it as a fuel. Some types of ash may require additional treatment before disposal, but there is a high probability that certain fractions will remain and will need to be disposed of.
Key words: ash, biomass, recycling, heat generator, waste burning, fertilizers, fuel.
Утилизация золы является частью устойчивого производства электроэнергии из растительных отходов сельского хозяйства и способствует созданию «зеленого» имиджа. Состав топлива и тип установки - основные факторы, влияющие на качество золы [1]. Изменения неорганической фракции топлива напрямую отражаются на составе золы. Различные типы установок приводят к образованию нескольких видов потоков золы, каждый из которых имеет различия в морфологии, составе и поведении при выщелачивании.
В иерархии управления отходами свалка является наименее привлекательной альтернативой. Свалка служит отправной точкой для сравнения вариантов утилизации [2]. Любой предлагаемый вид утилизации должен иметь экономические преимущества по сравнению с захоронением отходов. Богатая углеродом зола уноса от сжигания в псевдо-ожиженном слое представляет собой проблематичный вид золы [3]. Это обусловлено, главным образом, высокой энергетической составляющей вследствие относительно большого количества несгоревшего углерода [4]. Следует избегать контакта с воздухом во избежание самовозгорания и возможных взрывов пыли. Утилизация высокоуглеродистой золы на полигонах не поощряется во многих европейских странах. Для золы уноса с высоким содержанием углерода оптимальным вариантом должно стать дожигание и захоронение остатков на полигоне.
Цель исследования - проанализировать способы утилизации и особенности вторичного использования золы, полученной в результате сжигания растительных отходов сельского хозяйства в теплогенераторе.
Материал и методы исследования. Самый устойчивый способ борьбы с золой растительных отходов - это минимизировать содержание золы в топливе, т.е. собирать биомассу таким образом, чтобы питательные вещества и другие золообразующие компоненты оставались на месте и не удалялись вместе с биомассой. Устойчивые методы ведения, например, лесного хозяйства, которые минимизируют количество питательных веществ во время вырубки деревьев, находятся в стадии разработки и должны применяться с точки зрения управления золой.
Возвращение золы растительных отходов в места, где она была собрана, можно рассматривать как еще один устойчивый вариант. Питательные вещества возвращаются в первоначальное место в почве, и, следовательно, прекращается рециркуляция минералов. В долгосрочной перспективе переработка отходов позволяет избежать проблем с истощением почв, если только почвы не удобряются другими способами. Требования к сельскохозяйственным культурам и устойчивое кондиционирование почвы должны быть ведущими принципами. Например, переработка золы не должна приводить к неконтролируемому шоку pH в почвах.
Золу растительных отходов следует по возможности перерабатывать, но качество золы должно быть достаточно высоким, чтобы предотвратить загрязнение в результате распространения золы. Большинство европейских стран, имеющих опыт использования растительных отходов для производства энергии (Финляндия, Швеция, Дания, Австрия, Германия и др.), приняли на законодательном уровне необходимость контроля переработки золы растительных отходов, получаемой в сельскохозяйственных районах. Однако, общий объем перерабатываемой золы очень мал по сравнению с общим объемом производства золы биомассы. Часто в золе присутствует высокое содержание тяжелых металлов (Cd, Pb и Zn), даже если зола получена из чистой, необработанной биомассы. Проблема существует, в основном, для золы уноса и, в меньшей степени, для зольного остатка.
Результаты исследования. Несмотря на то, что переработка золы является наиболее устойчивой формой ее использования, тем не менее, имеется большое количество зо-
лы растительных отходов, которая не может быть переработана по ряду причин [5]. Существуют большие потоки растительных отходов, первоначальное место сбора которых невозможно проследить. Наконец, законных возможностей может не быть. Для всех этих потоков золы растительных отходов необходимо найти альтернативную форму использования. В настоящее время имеется три хорошо изученных варианта глобального использования золы:
1) использование в качестве (сырья) удобрения;
2) применение в качестве строительного материала или компонента при производстве строительных материалов;
3) повторное использование в качестве топлива.
Использование в качестве удобрения. Золу растительных отходов можно использовать непосредственно в качестве удобрения или улучшителя почвы, а также в качестве сырья при производстве минеральных удобрений. Использование золы растительных отходов в универсальных удобрениях ограничено. Тремя элементами в составе полных удобрений являются N P и ^ Зола может быть только существенным источником калия, потому что:
а) зола от термических процессов почти не содержит азота;
б) фосфор присутствует в форме, которая имеет очень плохую растворимость в почвенных условиях.
Существуют альтернативы производству удобрений (кроме прямого использования в качестве удобрений общего назначения). Золу можно смешивать с дополнительными материалами, или растительные отходы можно использовать так же, как минеральные ресурсы: растворение K и P при очень низком pH, а затем перерабатывать в обычное производство удобрений. Зола также может применяться для получения других элементов, кроме N P и ^ Многие золы содержат значительное количество Ca, Mg, № и S, которые представляют собой сельскохозяйственную ценность. В частности, когда доломит или известняк добавляются во время сжигания, зола может стать ценным источником кальция и магния и использоваться в качестве улучшителя почвы.
Самой большой проблемой в результате сжигания в теплогенераторе зачастую оказывается кадмий, но Zn и As также могут препятствовать прямому использованию в качестве удобрений. На практике зола далеко не всегда является привлекательным сырьем, поскольку в ней низкое соотношение питательных веществ по сравнению с загрязнителями. Минеральные источники предпочтительнее, потому что они чище. Но возможны исключения, например, зола от куриного помета может быть подходящим сырьем для K и Р
Зола газификации оказывается менее привлекательной в качестве удобрения, чем зола от сгорания. Она содержит инертную углеродную матрицу, которая снижает питательную ценность. Другие эффекты от углерода заключаются в том, что зола в определенной степени гидрофобна (плохо контактирует с водой) и связывает определенные микроэлементы, что может стать как преимуществом, так и недостатком. Самого того факта, что зола содержит углерод, недостаточно, чтобы запретить ее использование, но возможность адсорбции ПАУ на золе может стать проблемой.
Во всех формах использования в качестве удобрения (либо сырья) ключевыми факторами являются объемы производства и состав. Маржа прибыли в отрасли удобрений невелика, поэтому важно, чтобы зола была доступна по низким ценам, в больших количествах и с предсказуемым составом. В настоящее время большинство зол не соответствуют этим критериям.
Применение в качестве строительного материала. Основная цель такого использования золы - это экономия невозобновляемых ресурсов [6]. При применении зола биомассы должна подчиняться тем же техническим критериям и экологическим нормам, что и любой другой материал. Зола от сжигания в псевдоожиженном слое состоит по большей части из песка и может заменять другие виды песка при дорожном строительстве или
ландшафтном дизайне. Зола от колосниковых топок и газификации с увлечением потоков может быть преобразована в гранулят для дорожных конструкций и бетона.
Зола уноса от сжигания биомассы является одним из наиболее сложных для утилизации материалов. Прямое использование в качестве сыпучего строительного материала, заменяющего песок или гравий, практически невозможно, поскольку это очень мелкий порошок. Использование в качестве компонента цемента или бетона является более вероятным вариантом. Типичная зола уноса растительных отходов отличается от золы уноса угля и не соответствует критериям нормативных строительных стандартов. Щелочь и хлор зачастую являются проблемными компонентами. Кроме того, в некоторых золах биомассы присутствуют компоненты (например, фосфаты), которые отрицательно влияют на качество бетона, в тех случаях, когда зола биомассы используется в качестве заменителя угольной золы.
Помимо технических требований, существуют также экологические требования к строительным материалам. Происхождение и характеристики отдельных компонентов, в основном, не имеют значения, важно только их поведение как конечного продукта. Для сыпучих гранулированных материалов существует испытание на перколяцию, а для формованных строительных материалов применяется испытание в резервуаре. Жидкости, полученные в ходе испытаний на выщелачивание, анализируются на наличие порядка двадцати загрязняющих компонентов. Для каждого компонента выщелоченные количества (выраженные в мг компонента на кг исходного материала или на квадратный метр открытой поверхности) сравниваются с верхним и нижним пределом. Когда все компоненты остаются за границей нижнего предела, строительный материал классифицируется как «категория 1» и может использоваться в неограниченных количествах. Когда один или несколько компонентов превышают нижний предел, но все компоненты остаются в границе до верхнего предела, материал классифицируется как «категория 2», что означает, что его можно использовать при защите от прямого контакта с водой (дождевой водой или грунтовыми водами). Если один или несколько компонентов превышают верхний предел, материал нельзя использовать в качестве строительного материала.
В последние годы большое количество различных зол растительных отходов было подвергнуто испытаниям на выщелачивание. В целом установлено, что зола от различных видов теплогенераторов является категорией 1 строительного материала. Проблемными элементами золы уноса при сжигании обычно являются Mo, Se, & и О.
Использование золы от сжигания в качестве строительного материала или компонента при производстве строительных изделий в настоящее время становится всё более востребованным направлением. Самая большая проблема - это состав золы. Несмотря на доступность больших объемов золы, ключевым фактором успеха все же является состав золы, даже если она более низкого качества.
Использование в качестве топлива. Такой способ является жизнеспособным вариантом для золы со значительным количеством несгоревшего углерода [7]. На практике этот вариант ограничивается богатой углеродом золы уноса от газификации в псевдоожи-женном слое. Использование в качестве топлива является логичным и предпочтительным вариантом, поскольку это использование золы с той же целью, что и исходный материал: выработка тепла и электроэнергии. Использование в качестве топлива возможно, когда теплотворная способность превышает 15 МДж/кг. Тот факт, что зола уноса представляет собой мелкий порошок, может стать преимуществом при совместном сжигании: измельчение не требуется. С другой стороны, транспортировка и обращение с горючим порошком повышают риски для здоровья и безопасности, например, возможен взрыв пыли. Логистика является решающим фактором в использовании золы уноса в качестве топлива. Зола уноса - очень легкий материал с плотностью около 200 кг/м3. Транспортировка и хранение такого легкого материала относительно дороги, особенно когда расстояние между производством и использованием велико. Одним из способов улучшить эту ситуацию является уплотнение золы в пеллеты, грануляты или даже брикеты. Одну золу можно
гранулировать, добавляя только воду, например, когда она богата соединениями Са или содержит другие компоненты, действующие как связующие. Для другой золы может потребоваться добавление связующего. Очень хорошо работают традиционные связующие для угольных брикетов, например, крахмал. Гранулирование увеличивает плотность материала примерно в 6 раз.
В зависимости от формы пеллет или гранулята насыпная плотность может увеличиваться до 4 раз. Это приводит к значительному сокращению количества машин, необходимых для перевозки. К дополнительным преимуществам можно отнести то, что пеллеты имеют лучшие сыпучие характеристики, при транспортировке не происходит переуплотнения, риски для здоровья и безопасности гораздо ниже, золу можно транспортировать в контейнерах или биг-бэгах, а не в цистернах, хранение проще и занимает меньше места.
Использование в качестве топлива в процессах сгорания не полностью решает проблему поиска устойчивого способа утилизации золы растительных отходов. При сгорании традиционных топлив также образуется низкоуглеродистая зола, которая практически идентична золе от сгорания растительных отходов. Совместное сжигание золы с высоким содержанием углерода приведет к включению золы в конечные продукты сгорания или побочные продукты.
Рынка топлива из золы уноса не существует, но предварительные оценки показывают, что такое направление будет наиболее экономичным в применении золы с высоким содержанием углерода. Подобно использованию в качестве удобрения или строительного материала, ключевыми факторами успеха являются состав золы и доступность в больших количествах. Содержание воды и энергетическая ценность являются наиболее важными, но поведение (крупной) неорганической фракции в камере сгорания также имеет важное значение при рассмотрении вопроса об использовании золы в качестве топлива.
Выводы. Возврат золы в результате термической переработки биомассы в исходное место в почве, где были собраны растительные отходы, является наиболее экологичным и устойчивым способом использования золы, и его следует применять, поскольку происходит возврат питательных веществ и замыкается минеральный цикл. Использование в качестве сырья для производства удобрений представляется перспективным направлением получения удобрений с высоким содержанием питательных веществ. Для богатой углеродом золы уноса, образующейся в результате сжигания в псевдоожиженном слое, основным направлением является использование в качестве топлива. Для некоторых видов золы может потребоваться дополнительная обработка перед утилизацией, но, тем не менее, с высокой долей вероятности, останутся определенные фракции, которые необходимо будет захоронить.
Библиографический список
1. Билинска, Е. Возможности утилизации золы биомассы / Е. Билинска, Е. Меллер. - Текст : непосредственный // Золошлаки ТЭС : удаление, транспорт, переработка, складирование. Материалы III международного научно-практического семинара. - 2010. - С. 76-79.
2. Литун, Д. С. Расчет уноса золы и потерь тепла с механическим недожогом в кипящем слое при сжигании биомассы / Д. С. Литун, Г. А. Рябов. - Текст : непосредственный // Известия Российской академии наук. Энергетика. - 2015. - № 5. - С. 90-102.
3. Хицнар, Я. Зола котлов с ЦКС - производство и утилизация / Я. Хицнар. - Текст : непосредственный // Золошлаки ТЭС : удаление, транспорт, переработка, складирование. Материалы II международного научно-практического семинара. - 2009. - С. 53-56.
4. Небываев, А. В. Исследование свойств золы лузги подсолнечника после ее обработки различными методами торрефикации / А. В. Небываев, О. Ю. Милованов. - Текст : непосредственный // Теплоэнергетика. - 2023. - № 4. - С. 55-64.
5. Саламов, А. А. Использование золы биомассы для удобрения почвы / А. А. Са-ламов. - Текст : непосредственный // Энергетика за рубежом. Приложение к журналу «Энергетик». - 2020. - № 4. - С. 37-38.
6. Толонбеков, Т. Т. Переработка и использование угольной золы в строительстве / Т. Т. Толонбеков, К. К. Сыдыков. - Текст : непосредственный // Наука и инновационные технологии. - 2020. - № 1 (14). - С. 229-234.
7. Иванов, А. С. Результаты исследования технических характеристик отходов зерновых культур, применяемых в качестве биотоплива / А. С. Иванов, Н. Н. Устинов. -Текст : непосредственный // Аграрный научный журнал. - 2020. - № 5. - С. 88-92.
References
1. Bilinska, E. Vozmozhnosti utilizacii zoly biomassy / E. Bilinska, E. Meller. - Tekst : neposredstvennyj // Zoloshlaki TES : udalenie, transport, pererabotka, skladirovanie. Materialy III mezhdunarodnogo nauchno-prakticheskogo seminara. - 2010. - S. 76-79.
2. Litun, D. S. Raschet unosa zoly i poter' tepla s mekhanicheskim nedozhogom v kipyashchem sloe pri szhiganii biomassy / D. S. Litun, G. A. Ryabov. - Tekst : neposredstvennyj // Izvestiya Rossijskoj akademii nauk. Energetika. - 2015. - № 5. - S. 90-102.
3. Hicnar, YA. Zola kotlov s CKS - proizvodstvo i utilizaciya / YA. Hicnar. - Tekst : neposredstvennyj // Zoloshlaki TES : udalenie, transport, pererabotka, skladirovanie. Materialy II mezhdunarodnogo nauchno-prakticheskogo seminara. - 2009. - S. 53-56.
4. Nebyvaev, A. V. Issledovanie svojstv zoly luzgi podsolnechnika posle ee obrabotki razlichnymi metodami torrefikacii / A. V. Nebyvaev, O. YU. Milovanov. - Tekst : neposredstvennyj // Teploenergetika. - 2023. - № 4. - S. 55-64.
5. Salamov, A. A. Ispol'zovanie zoly biomassy dlya udobreniya pochvy / A. A. Salamov. - Tekst : neposredstvennyj // Energetika za rubezhom. Prilozhenie k zhurnalu «Energetik». -2020. - № 4. - S. 37-38.
6. Tolonbekov, T. T. Pererabotka i ispol'zovanie ugol'noj zoly v stroitel'stve / T. T. To-lonbekov, K. K. Sydykov. - Tekst : neposredstvennyj // Nauka i innovacionnye tekhnologii. -2020. - № 1 (14). - S. 229-234.
7. Ivanov, A. S. Rezul'taty issledovaniya tekhnicheskih harakteristik othodov zernovyh kul'tur, primenyaemyh v kachestve biotopliva / A. S. Ivanov, N. N. Ustinov. - Tekst : neposredstvennyj // Agrarnyj nauchnyj zhurnal. - 2020. - № 5. - S. 88-92.
Контактная информация:
Иванов Андрей Сергеевич. E-mail: [email protected]
