Не є винятком і наша країна, яка, безсумнівно, сьогодні перебуває у пошуку дешевої біосировини, нових технологічних рішень і створення необхідної інфраструктури для вирощування та переробки біомаси за допомогою хімічних та біологічних процесів, термоконверсії, біоконверсії у різні види біопалива: рідкі, газоподібні та тверді.
Відтак, все більш актуальним стає використання рослинної біомаси (соломи) у вигляді твердого біопалива для підвищення рівня енергетичної автономності сільськогосподарського виробництва. Разом з тим, не менш важливим постає питання правильної технології заготівлі рослинної біомаси.
Який же маємо потенціал?
Ресурси рослинної біомаси, яка є ефективним поновлюваним джерелом енергії у сільському господарстві, наявні у всіх регіонах України, і майже в кожному з них може бути налагоджена її переробка в енергію і паливо.
Біомасою називають органічну речовину, що генерується рослинами в результаті фотосинтезу, при цьому до звичайних форм біомаси слід віднести деревину та рослинну біомасу енергетичних культур. Значна частина біомаси утворюється при виробництві та переробці продукції рослинництва як побічна продукція: солома, стебла, лушпиння соняшнику, качани кукурудзи та ін.
Грунтово-кліматичні умови більшості регіонів України є сприятливими для вирощування як високопродуктивних енергетичних, так і сільськогосподарських культур, які в процесі переробки можуть слугувати джерелом для виробництва біопалива. В розрізі обсягів енергетичної біомаси відходи сільськогосподарського виробництва становлять близько 4,8 %, але їх особливістю є те, що вони щороку поновлюються і є маловикористовуваним ресурсом.
Використання рослинної біомаси для біоенергетичних потреб може проводитися через пряме спалювання, виробництво біогазу з сільськогосподарських і побутових відходів, або виробництво етилового спирту для здобуття моторного палива.
За оцінками провідних фахівців у сфері біоенергетики, економічний потенціал біомаси становить близько 30 млн т у. п./рік, що може забезпечити до 14 % потреби України в первинній енергії, з яких 17 млн т у. п. доступні вже сьогодні. Основний потенціал становлять відходи сільського господарства — солома зернових культур, стебла ріпаку, кукурудзи та соняшнику. У результаті наукового аналізу встановлено, що найвищий економічний потенціал відходів рослинної біомаси має побічна продукція олійних культур (ріпаку, соняшнику), при сумарному коефіцієнті 1,34–1,40, дещо нижчий — стебла кукурудзи (0,74), та найменший — солома зернових і зернобобових культур — 0,10–0,13.
Якщо розглянути види високопродуктивних енергетичних культур, які можуть бути використані для виробництва твердого біопалива, то до них належать:
- багаторічні злакові культури (міскантус, просо лозоподібне, костриця та ін.), з терміном збирання і використання через 2–3 роки;
- дерев’янисті культури (гібридні верби, тополі та ін.). Як правило, ці культри швидкоростучі та можуть бути використані протягом 10–20 років після садіння;
- сільськогосподарські культури (відходи виробництва та переробки). Обсяг біологічних відходів сільськогосподарських культур є значним, а питома вага їх залежить від виду, способів збирання, переробки та ін.
На останньому з видів енергетичних сільськогосподарських культур слід зосередити особливу увагу в подальшому використанні, оскільки вони мають ряд суттєвих переваг перед аналогами, а саме:
- щорічне поновлення та мають маловикористовуваний ресурс;
- не потребують спеціальних технологій для їх вирощування, позаяк є побічною продукцією;
- мінімальні капітальні витрати на придбання засобів механізації для заготівлі побічної продукції;
- низька собівартість побічної продукції сільськогосподарських культур як основної сировини для виробництва біопалива.
Отже, переваги використання відходів виробництва та переробки сільськогосподарських культур для виробництва біопалива є беззаперечними, однак небхідно звернути увагу на вибір технологій та обладнання для енергетичного використання біомаси, які визначають величину майбутніх капітальних витрат на технічне забезпечення технології виробництва твердого біопалива (паливних гранул).
Економічна доцільність — у гранулах?
Біомасу як енергоресурси широко використовують у сільському господарстві Польщі, Угорщини, Чехії, зокрема, побічні продукти агропромислового виробництва — солому зернових культур, стебла кукурудзи і соняшнику тощо. Ці енергоресурси можна ефективно використовувати, якщо вони розташовані на невеликій відстані від об’єкту опалення та мають достатню для потреб кількість.
Так, солому спалюють у вигляді брикетів, пресованих рулонів чи тюків прямокутного перерізу або в подрібненому вигляді. Водночас, заготівля соломи найбільш ефективно здійснюється із застосуванням пресування у рулони або тюки. Застосування фіксації форми рулонів сіткою полегшує їх енергетичне використання.
Спалювання біомаси є найбільш старим та простим способом отримання енергії, однак у багатьох випадках цей спосіб вважають економічно доцільним. Велика неоднорідність біомаси, з точки зору хімічного складу та фізичних властивостей, викликає певні труднощі як в процесі спалювання, так і емісії компонентів, які є побічними продуктами процесу.
Важливим чинником якості твердого біопалива є технологія приготування біомаси до спалювання. Вона зумовлює конструктивно-технологічне виконання теплотехнічного обладнання, істотно впливає на економічні показники його роботи та визначає величину капітальних витрат (табл. 1).
Таблиця 1. Характеристика енергомісткості твердого біопалива, залежно від
технологій його попереднього приготування до спалювання
Вологомісткість спалюваної сировини знижує теплоту згорання, впливаючи на тепло-ефективність процесу горіння.
Отже, спалювання соломи через нерівномірний вміст вологи, велику кількість попелу (до 10 %), низьку щільність та значний вміст летких складових (до 70–80 %) зумовлене рядом технічних ускладнень: зокрема, низькою питомою теплотою згорання на одиницю маси; значними коливаннями фізико-хімічних властивостей; складнощами контролю швидкості горіння та забезпечення постійного дозування; великою площею складування та проблемами транспортування; значною емісією токсичних елементів.
Процес спалювання потребує забезпечення доступу кисню (повітря), кількість якого залежить від маси та властивостей сировини, що спалюється.
Подрібнення біомаси дозволяє покращити контакт кисню із паливними компонентами, що сприяє кращому спалюванню.
Найбільш поширеними біо-енергетичними технологіями переробки біомаси в тверді енергетичні продукти є пряме спалювання, піроліз та газифікація. Енергетичні продукти, які можуть бути отримані при використанні вказаних біоенергетичних технологій, наведені в табл. 2.
Таблиця 2. Енергетичні продукти біоенергетичних технологій
Процес широкого впровадження біоенергетичних технологій, виходячи з умов можливості швидкої зміни природного газу для виробництва теплової енергії з найнижчими інвестиційними витратами і найкоротшими термінами окупності, треба розпочинати із запровадження сучасного обладнання для спалювання відходів деревини, соломи та торфу у вигляді гранул та брикетів.
Наразі у світі існують декілька економічно доцільних технологій підготовки та переробки біомаси, особливо перспективним є метод гранулювання, що дозволяє підвищити ефективність отримання енергії у вигляді твердого палива. Паливні гранули — це високопродуктивне паливо, вироблене в результаті переробки біомаси методом пресування під великим тиском у спеціальній матриці. Завдяки цьому процесу енергія, накопичена в первинній сировині, значно ущільнюється і збільшуються енергетичні показники. Окрім того, паливні гранули мають відповідні параметри, які роблять процес спалювання більш ефективним та стабільним. Вони мають меншу об’ємну масу, не втрачають паливних властивостей під час зберігання, що значно здешевлює процес транспортування гранул від виробників до споживачів.
Як видно з таблиці 3, найвищі значення теплоти згорання серед біопалив мають паливні гранули та брикети, що становить відповідно 18 та 17 МДж/кг, або 4500 та 4040 Ккал/кг, при цьому витрати палива для виробництва 1 Гкал тепла мають найнижчі значення і сягають 261 та 281 кг відповідно, що доводить про доцільність проведення етапів підготовки рослинної біомаси сільськогосподарських культур (брикетування та гранулювання) при виробництві біоенергетичних продуктів (паливних гранул, паливних брикетів).
Таблиця 3. Характеристика органічних видів палива
Враховуючи економічну доцільність використання біопалива в ущільненому стані у вигляді гранул (значення теплоти згорання та витрати палива для виробництва 1 Гкал тепла), виникає необхідність проведення подальших досліджень, спрямованих на розробку нових та вдосконалення існуючих технологій заготівлі рослинної біомаси і виробництва твердого біопалива у вигляді паливних гранул із рослинної біомаси сільськогосподарських культур.
Правильна заготівля без втрат
Недодержання технологічних вимог при заготівлі соломи призводить до втрат. Розрізняють втрати, яких можна уникнути, і втрати, яких уникнути практично неможливо, але їх можна обмежити. Уникнути можна втрат, які виникають у разі недодержання строків, способів і технології збирання, поганої підготовки транспортних засобів і сховищ. Їх відносять до господарських. Але збитки, що виникають внаслідок біохімічних процесів у вологій соломистій масі і в подальшому в результаті автолізу і дії мікроорганізмів, неминучі. Проте їх також можна обмежити, додержуючи строків і досконалих технологій збирання і заготівлі соломи.
Незалежно від комбайнового способу збирання зернових культур (однофазний — пряме комбайнування або двофазний — роздільний спосіб збирання) незернову частину врожаю збирають у цілому вигляді, подрібнюють або пресують. При цьому застосовують такі технології збирання незернової частини врожаю: копицеву, потокову, валкову та збирання після очісування зернових.
Найбільш доцільною технологією заготівлі соломи на енергетичні цілі є валкова, оскільки передбачає заготівлю соломи в ущільненому вигляді, що зменшує витрати на транспортування її до місць зберігання завдяки оптимальному завантаженню.
При валковій технології процес збирання зерна і соломи проводять роздільно, тобто зерно після обмолоту надходить в бункер, а солома укладається комбайном у валок. Солому, складену у валок, не можна залишати на полі на тривалий час, оскільки її наявність унеможливлює проведення подальшого якісного обробітку ґрунту. Така технологія збирання соломи широко використовується в Україні та країнах Європи, США, Канаді, що спонукало до впровадження зернозбиральних комбайнів іноземного виробництва обладнаних валкоукладачами.
Крім того, заготівля соломи в пресованому вигляді має беззаперечні переваги перед заготівлею її в розсипному вигляді: по-перше, це зменшення витрат на транспортування з поля до місць зберігання, по-друге, вона добре зберігається завдяки дотримання заданої вологості та ін.
Основні вимоги до спресованих тюків та рулонів такі:
- щільність пресування має бути рівномірною по всьому об’єму рулону чи тюка (для різних моделей прес-підбирачів вона становить у межах від 70 до 200 кг/м3);
- вони мають зберігати задану форму та габаритні розміри під час завантаження у транспортні засоби, перевезення, розвантаження та укладання для зберігання.
При копицевій технології збирання соломи передбачається збирання основної культури з накопиченням соломи в бункері-накопичувачі зернозбирального комбайна. За роздільного збирання врожаю солома комбайнами вкладається у копиці, які потім за допомогою спеціальних волокуш стягуються на край поля для скиртування. При заповненні бункера солома вивантажується копицею на полі. Основними недоліками такої технології є застосування додаткових засобів механізації та ресурсів, а також збільшення тривалості збирального процесу, на полі деякий час неможливо проводити обробіток ґрунту.
Крім того, що в кожному з можливих способів збирання соломи (при застосуванні навантажувачів або волокуш) майже повністю втрачається найбільш цінна частина соломи — полова, а тому із-за наявності ряду недоліків та відсутністю технічних засобів для її реалізації копицева технологія збирання соломи останнім часом у господарствах не набула широкого застосування.
Потокова технологія збирання соломи передбачає збирання основної культури з подрібненням соломи та частковим або повним завантаженням до транспортних причепів із вивезенням до місць подальшого зберігання. Під час потокового збирання солому подрібнюють спеціальними системами молотарки комбайна (подрібнювачами) і відразу вивозять із поля.
Потокова технологія є найбільш доцільною для сучасних умов господарювання, оскільки має ряд суттєвих переваг, а саме: подрібнення соломи, що полегшує подальше її використання; одночасно зі збиранням основної культури відбувається завантаження транспортних засобів та зручність транспортування (на невеликі відстані) до місць зберігання (подальшого використання); ця технологія дозволяє вчасно звільнити поле від основної культури та соломи одночасно, що сприяє обробітку ґрунту в кращі агротехнологічні терміни.
На збиранні соломи за потоковою технологією використовується комбайн, обладнаний подрібнювачем і пристроєм для транспортування спеціального причепа із кузовом великої місткості (45–60 м3) типу 2-ПТС-8545–45. Окрім переваг у застосуванні потокової технології збирання соломи, є ряд недоліків, а саме:
- обладнання комбайна подрібнювачем соломи зменшує пропускну здатність молотарки та маневреність збирального агрегату;
- наявність жорсткої зв’язки в технічних засобах для збирання зерна і соломи призводить до додаткового простоювання комбайна і зниження (до 20 %) денного і сезонного виробітку;
- при потоковому збиранні врожаю збільшуються витрати людських і грошових ресурсів, зростає матеріалоємність і енергомісткість процесу;
- на збиранні хлібів, які вирощуються за інтенсивною технологією, використання потокової технології призводить до зниження якості соломи тому, що в період збирання солома має підвищену вологість, і відповідно погано зберігається. Однак така технологія забезпечує швидке вивільнення полів від соломи і дає змогу проводити операції з підготовки ґрунту для вирощування у сівозміні наступних культур.
Потокова технологія зі збиранням подрібненої соломи в змінні причепи застосовується у господарствах, які мають для цього спеціальні комбайни, використання яких обмежується термінами збирання, погодними умовами, сезонним і денним навантаженням на машину, збільшенням прямих та експлуатаційних витрат, пов’язаних зі збільшенням витрат пального, використанням додаткових технічних засобів, недостатнім забезпечення господарств комбайнами, тракторами й причепами для транспортування соломи до місця скиртування. На загальному фоні збільшення собівартості робіт ця технологія дає можливість подальшого використання соломи на корм, підстилку або сировину для біопалива.
Подальшим розвитком потокової технології зі збиранням подрібненої соломи є розроблена в ННЦ «ІМЕСГ» НААН великокопицева, за якою подрібнена солома збирається у швидко розвантажувальні причепи ємністю 60 м3 і вивантажується без зупинки комбайна. Великі копиці, утворені таким чином, підбирають самозавантажувальним причепом-підбирачем і транспортують до місця зберігання. Застосування такої технології збільшує рентабельність роботи комбайна на 15 %.
Використання вище зазначених технологій призводило як до значних втрат соломи під час збирання та зберігання (при копицевій технології — до 30 % і більше), так і до великих витрат праці і засобів — при використанні потокової технології. На скиртуванні соломи все ще використовується малопродуктивна ручна праця. Так, наприклад, рівень механізації робіт на заготівлі соломи з використанням потокової технології (із подрібненням і ручним формуванням скирт) (за даними ННЦ «ІМЕСГ») порівняно низький і становить у межах від 71 до 80 %, а трудомісткість збирання від 8,9 до 11,3 люд. — год./га.
Збирання соломи після обчісування зернових культур
Останнім часом набуває поширення розроблений в УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого і частково впроваджений у господарствах України новий спосіб збирання зернових і зернобобових культур — метод обчісування зерна колосків (зернівок) зі стебел із наступним залишенням соломистої маси на полі. Під час розробки нового методу виходили з того, що під час обмолоту через молотарку проходить значна маса НЧУ, кількість якої негативно впливає на процеси сепарації зерна з грубого вороху на соломотрясі і на процеси очищення зерна в системі очищення. Така технологія збирання зернових вже довела свою перевагу над традиційним способом збирання, полегшує збирання вологих та забур’янених хлібів. Солома, що залишається на полі після обчісування зернових, зменшує випаровування вологи з ґрунту, забезпечує накопичення снігу в зимовий період і не створює проблем для роботи посівних агрегатів під час прямого посіву весною наступного року.
На сьогодні існують наступні способи використання обчесаної соломи: загортання рослинних решток у ґрунт; збирання соломи.
Стебла зернової культури скошують ротаційними косарками з утворення валків соломи валкоутворювачами та наступним їх підбиранням прес-підбирачами і транспортуванням до місць подальшого зберігання, при цьому застосовується класичний набір технічних засобів, зазначений у попередніх технологіях заготівлі соломи.
Технологія збирання соломи після обчісування зернових не набула широкого розповсюдження, оскільки потребує розробки нових та удосконалення існуючих машин для її реалізації, а також додаткового залучення засобів механізації (косарки, гребки та ін.) для збирання соломи.
У подальших статтях детально розглянемо комплекс технічних засобів для проведення валкової технології заготівлі соломи та запропонуємо сучасні машини для її реалізації.
