III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

БИОТОПЛИВО ИЗ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОТХОДОВ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кулагина Е.Е. 1

---

1МБОУ «Лицей» г.Лесосибирска

Гаврилова Л.В. 1

---

1МБОУ "Лицей" г. Лесосибирска

Работа в формате PDF

1.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

В целях привлечения внимания общества к вопросам экологического развития Российской Федерации, 5 января 2016 года Владимир Путин подписал Указ о поведении в 2017 году в Российской Федерации Года экологии [5]. Актуальность работы определяется обеспокоенностью ухудшением экологической обстановки.

Увеличение стоимости на энергоносители, уменьшение запасов топливного сырья привело к поиску возможности организации отопления с помощью альтернативных видов топлива. В последние годы главной альтернативой обычным видам топлива (уголь, дрова, торф, газ, мазут) стали пеллеты, биологически чистые, экологически безопасные гранулы, получаемые в процессе технологической переработки отходов сельского хозяйства, природного топлива или древесного производства.

Самым распространенным в России является древесное сырье, причем чаще используют хвойные породы, несмотря на то, что из лиственных пород получается более качественное топливо. Популярность хвойных пород объясняется тем, что переработка древесины лиственных пород требует более сложного и дорогого оборудования. Производство пеллет в России крайне выгодно по сравнению с остальными странами, так как именно в России имеется обширная сырьевая база. В Красноярском крае для изготовления топливных пеллет в основном используются отходы лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств: щепки, кора, опилки, так как богатством нашего края считается лес.

Кроме того, используя топливные пеллеты, мы сохраняем от вырубки лесные насаждения, а так же снижаем расходы на отопление в зимний период и время на организацию отопительного процесса.

Тема моей работы: «Биотопливо из производственных отходов».

В своей работе я хочу показать, что мы можем внести свой вклад в сохранение экологии, самостоятельно перерабатывая отходы производства в экологически чистое топливо.

Объект исследования: технологический процесс изготовления пеллет.

Предмет исследования: процесс изготовления брикетов в домашних условиях

Гипотеза: если изучить технологию производства твердого биотоплива, то его можно изготовить в домашних условиях.

Цель: установить возможность изготовления брикетов из некоторых видов производственных и бытовых отходов.

Для достижения цели поставила задачи:

1. изучить литературу по теме исследования;

2. ознакомиться на практике с процессом изготовления пеллет;

3. провести опыты, чтобы определить эксплуатационные характеристики производственных пеллет;

4. провести анализ применение различных видов топлива для отопления дома;

5. изготовить топливных брикетов из производственных и бытовых отходов в домашних условиях.

Я выбрала для работы следующие методы:

• анализ и синтез;

• наблюдение;

• эксперимент;

• сравнение;

• статистический метод;

• метод визуализации данных.

ТВЕРДОЕ БИОТОПЛИВО – ПЕЛЛЕТЫ

Производимые сегодня топливные пеллеты (от англ. pellets — гранулы) – это биологически чистые, экологически безопасные гранулы, получаемые в процессе технологической переработки отходов сельского хозяйства, природного топлива или древесного производства [6]. Для изготовления пеллет подойдет только сырье, которое содержит лигнин, природный полимер. Для производства топливных гранул может использоваться: некачественная древесина; отходы деревообработки; куриный помет; солома; торф; лузга подсолнечника; отходы крупяного производства. Одним из перспективных видов вторичного сырья являются такие отходы лесопромышленности как опилки. Именно на их основе производятся топливные древесные пеллеты или, иначе говоря, опилочные гранулы. Пеллеты могут отличаться по своему составу. Они могут быть из чистой древесины безо всяких примесей, а также из древесины вместе с корой, кроме того в них довольно часто добавляют шелуху подсолнечника, солому и т.д.

Первый этап производства – крупное дробление. С помощью крупных дробилок сырье измельчается для подготовки к процессу просушки. В результате дробления должны получиться частички сырья небольших размеров. Таким образом, исходный материал быстрее и качественнее очистится и просохнет.

Второй этап – сушка сырья. По технологии производства исходный материал по показателям влажности не должен превышать 15%, иначе сырье будет плохо спрессовываться.

Третий этап – мелкое дробление. До процесса прессования по технологии сырье должно быть измельчено с помощью дробилки. По нормативам качественный продукт не должен быть больше 1,5–2 мм.

Четвертый этап – смешивание. Если в сырье уровень влажности ниже 8%, то его следует обработать горячим паром и довести до нормативного показателя в 12%. Заготовки обдаются паром, чтобы они лучше склеивались друг с другом.

Пятый этап – прессование. Самый важный и кропотливый процесс в вопросе производства пеллет. Изготовление топливных пеллет происходит при помощи прессов с плоской или цилиндрической матрицей. Сырье поступает в барабанную установку, где под давлением 300 атмосфер происходит прессовка «древесной муки» и формирование гранул.

Шестой этап – сушка продукции, ее охлаждение и упаковка. После прессования готовую продукцию следует охладить, чтобы осушить топливные пеллеты. Затем гранулы упаковывают в мешки.

Важными эксплуатационными параметрами пеллет являются: зольность, влажность, теплотворность, плотность.

Зольностью называют содержание в топливе минеральных веществ, остающихся после полного сгорания всей горючей массы. Зола является нежелательной частью топлива, так как снижает содержание горючих элементов и затрудняет эксплуатацию топочных устройств. Содержание золы в гранулах составляет, согласно стандарту европейских стран, менее 1,5% [3].

Влажность древесной биомассы — это количественная характеристика, показывающая содержание в биомассе влаги. Влажность влияет на теплотворность биотоплива. Низкое содержание влаги гарантирует постоянную эффективность сжигания. Влажность массы должна быть не более 8…14% [3].

Еще одной характеристикой топливных гранул является количество выделяемой тепловой энергии – теплотворность. Теплотой сгорания биомассы называется количество тепла, выделяемое при сгорании 1 кг вещества. Измерение теплоты сгорания производится в так называемой “калориметрической бомбе” и выражают обычно в МДж/кг или кДж/кг.

По эксплуатационным параметрам и сырью, из которых пеллеты изготовлены, они классифицируются на: индустриальные пеллеты, агропеллеты и белые пеллеты [6].

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ТОПЛИВНЫХ ПЕЛЛЕТ

Известно, что энергетические проблемы относятся к самым серьезным и стоят наиболее остро перед человечеством во всех уголках земного шара. Мировое сообщество некоторое время назад пришло к неутешительным выводам в отношении будущего нашей планеты и судьбы человеческой цивилизации. Ископаемые ресурсы и - в первую очередь - энергоносители исчерпаемы. Газа, по самым оптимистичным прогнозам, хватит еще на семьдесят лет. А нефть закончится уже через тридцать пять лет. Цифры заставляют задуматься! Экстенсивное использование углеводородного сырья для выработки энергии и связанные с ним выбросы в атмосферу уже начали приводить к изменению климата на планете. Собственно, новые источники энергии уже есть, некоторые из которых уже успешно применяются, например, альтернативные источники тепловой энергии – биотопливо.

Пеллеты являются энергетически стабильным, безотходным и экологичным видом топлива. В качестве исходного материала для производства топливных гранул в большинстве случаев используют отходы деревообрабатывающих производств и сельскохозяйственной промышленности. Проблема утилизации таких отходов стоит в любой стране. Ранее данные виды отходов просто вывозились на полигоны захоронения, где впоследствии гнили и через некоторое количество времени воспламенялись или в лучшем случае начинали тлеть. Один из наиболее эффективных способов решения проблемы – это переработка отходов в топливные брикеты и пеллеты.

При сжигании пелет достигается КПД до 94 %, газа – 92 %, дров - до 70%, угля - 75%. По своим тепловым свойствам пелеты превосходят дрова, щепу и бурый уголь. Гранулы производят без использования химических укрепителей. Экологические показатели вне конкуренции: в выбросах практически отсутствует сера, эмиссия углекислого газа ниже в 10 — 50 раз, чем у любого другого вида топлива. Зольность пеллет 0,5 – 3%, газа - 0%, дров 3-6%, угля 35-60%. Сравнительные характеристики разных видов топлива представлены в таблице и построены диаграммы, где представлено процентное соотношение теплоты сгорания и зольности различных видов топлива (Приложение 1). Пеллеты не содержат пыль и споры, которые вызывают аллергию у людей. Они не имеют запаха, в отличие от стандартных видов топлива. При хранении топливные гранулы не самовоспламеняются от повышения температуры. Не взрывоопасны, в отличии от газа. Могут сохраняться в непосредственной близости от жилищных помещений. Не набирают влаги из воздуха, потому их высокая теплотворность не снижается со временем. Гранулы удобно транспортировать и хранить — необходимая площадь в два раза меньше, чем при транспортировке и хранении дров, торфобрикетов. Легко поддаются автоматизации за счет хорошей сыпучести, которая делает их удобными в использовании. Пепел, который остается при сгорании деревянных и торфяных гранул с успехом применяется как удобрение на приусадебных газонах или грядках.

К недостаткам применения пеллет можно отнести то, что при их сжигании необходим специальный котел или следует переоборудовать твердотопливный котел и при закупке топливных пеллет в малом количестве их цена будет достаточно высокой.

Таким образом, пеллеты как вид альтернативного топлива применяют в современных системах отопления и водоснабжения наравне с традиционными теплоносителями. А если учесть его экологические особенности и развитие производства древесных гранул в России, то в скором будущем такие аппараты будут на равных конкурировать с газовыми, мазутными, дизельными и твердотопливными котлами.

ОПЫТЫ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЕЛЛЕТ

ОПЫТ 1 (определение зольности)

Я решила сама определить зольность пеллет. Для этого нужно специальное оборудование: муфельная печь, весы, эксикатор. Я взяла образцы пеллет (их мне предоставил завод «СиблесПроект») и провела опыт в лаборатории Лесосибирского технологического университета.

Сначала я определила массу пеллет. Взяла фарфоровую чашку и взвесила её (m₁). Потом положила туда пеллеты и взвесила чашку с пеллетами (m₂).

m₁=236,17 гр.

m₂=241,43 гр.

m(пеллет) = m₂ -m₁

m(пеллет) = 241,43-236,17=5,26 гр.

Теперь поставила фарфоровую чашечку с пеллетами в муфельную печь. Печь нагревается в два этапа. Сначала устанавливается температура 100⁰С на один час (за это время из пеллет уходит влага), затем ставим температуру 250⁰С на три часа. Весь опыт прокаливание пеллет продолжался четыре часа. Когда время истекло, я аккуратно достала из муфельной печи фарфоровую чашку с навеской (золой). Теперь надо дать остыть навеске до комнатной температуры, для этого я поместила чашку в эксикатор. После того как чашка с навеской остыла взвешиваем её (m₃).

m₃=236,23 гр. – масса чашки с навеской после прокаливания.

m(навески) = m₂ –m₃

m(навески) = 241,43-236,23=5,2 гр.

m =m (пеллет)–m (навески)

m(навески) = 5,26 – 5,2 = 0,06 гр.

Составляем пропорцию: 5,26 гр. - 100%

0,06 гр. - x%

x = (100*0.06)/5,26 = 1,14%.

Зольность наших образцов равна 1,14%. Это высокий показатель, значит, предоставленные пеллеты имеют низкую степень зольности (Приложение 2).

ОПЫТ 2 (определение содержание влаги)

Влажность я определяла с помощью анализатора влажности "Эвлас-2М". Поставила гирьку массой 5 гр. на чашку анализатора (определяем массу тары). Потом поместила пеллеты на взвешивающее устройство анализатора влажности, у меня получилось 8,3 гр. Запустила режим сушки, анализатор автоматически фиксирует начальную массу пробы, непрерывно контролирует массу пробы в процессе сушки, и после её стабилизации автоматически останавливает сушку и выводит на индикатор результат измерения: влажность пробы в процентах. При температуре 120⁰С и времени сушки 17 минут 54 секунды наша влажность получилась 9,17%.

Рабочая влажность наших образцов 9, 17% это в пределах нормы (Приложение 2).

ОПЫТ 3 (определение механической прочности).

Для проверки пеллет на механическую прочность их загружают в лигнотестер. В зависимости от количества потерянных в ходе испытания частиц и оценивается качество топлива: чем их меньше унесло воздухом, тем тверже пеллеты и, следовательно, выше их качество. Такие пеллеты характеризуются отсутствием древесной пыли, которая отражается на КПД оборудования. К тому же легче осуществить их транспортировку.

Я взяла образец (пеллеты) массой 500 гр., поместили в камеру лигнотестера, которая вращается со скоростью 500 оборотов за 10 минут. Потом содержимое барабана высыпаем в сито и просеиваем. Оставшуюся часть пеллет взвешала. У меня получилось 489,7 грамм. Механическую прочность пеллет вычислила по следующей формуле:

DU = m_a/m_e*100%, где m_a – масса пеллет после испытания, а m_e– масса пеллет перед испытанием.

DU = 489,7/500*100%

DU = 97,94%.

Механическая прочность проверяемых образцов 97,94% это в пределах нормы.

ОПЫТ 4 (определение наличия химических примесей).

Наличие химических примесей – выявляется при помощи растворения пеллет в воде. Гранулы сохраняют форму благодаря натуральному связующему веществу – лигнину, который разрушается под воздействием жидкости. Если при погружении в воду пеллеты не распадаются на опилки, значит, в качестве связующего вещества использовался какой-то химикат.

Для того чтобы определить наличие в топливе химических примесей, я погрузила топливные гранулы в воду. Они через двадцать минут полностью распались на опилки. Отсюда я могу сделать вывод, что эти пеллеты являются качественными и в них отсутствуют химические примеси (Приложение 2).

После проведения опытов я пришла к выводу, что, исследуемые мной, пеллеты соответствуют стандартам. У них низкая степень зольности, рабочая влажность и механическая прочность в пределах нормы, в них отсутствую химические примеси. Я убедилась на практике, что пеллеты экологически чистый вид топлива.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТОПЛИВНЫХ БРИКЕТОВ В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯХ

В процессе работы я пришла к выводу, что брикеты из опилок и других производственных отходов — это один из самых эффективных видов твердого топлива, используемых для отопления дома. Они высококалорийны, имеют небольшую зольность, а также удобны в складировании, поскольку занимают мало места. Но вот дешевым это горючее точно не назовешь, топить котел в течение всего сезона может себе позволить далеко не каждый. Отсюда и возникает интерес у многих домовладельцев – а нельзя ли как-то сделать топливные брикеты своими руками, тем самым снизить денежные затраты? И я решила попробовать в домашних условиях изготовить топливные брикеты из опилок и других видов сырья.

Чтобы получить представление, как можно сделать своими руками топливные брикеты, я изучила и посмотрела на практике, как их производят в заводских условиях. Понятно, что приобретать столь мощное оборудование, чтобы прессовать брикеты у себя дома – пустая затея (проблема окупаемости). Это значит, что выдержать традиционную технологию с выделением лигнина не удастся. Взамен этой технологии, в домашних условиях, для формования брикетов можно использовать разные связующие: клейстер на основе крахмала, глину или бумагу. В качестве сырья для их приготовления можно использовать любые органические отходы: опавшая листва и ветки, солома, опилки, лузга, шелуха, сухие стебли, макулатура [7]. Такие материалы найдутся на любой даче или приусадебном участке. Опыты по их изготовлению прошли довольно успешно.

Я приготовила биомассу, состоящую из опилок, шелухи подсолнечника, целлюлозы (бумага) и клеевой массы на основе крахмала (для склеивания). В ходе экспериментов, меняя процентные соотношения компонентов, я нашла наиболее оптимальный вариант. Если брать больше подсолнечной шелухи, то готовые изделия получаются более рыхлыми и плохо держат форму, рассыпаются. Поэтому я остановилась на следующем варианте: четыре части подсолнечной шелухи, четыре части древесных опилок, две части бумаги. В процентном соотношении компоненты смеси: опилок 40%, шелухи подсолнечника 40%, бумаги 20% и клеевой массы 400-500 грамм. Приспособления для прессования мне помог подготовить папа. Мы изготовили пресс форму состоящую из металлической трубы диаметром 40 миллиметров и двух металлических шайб. В качестве пресса был использован автомобильный гидравлический домкрат грузоподъемностью 3 тонны.

Сначала я раздробила на кофемолке шелуху подсолнечника, нарезала мелко бумагу, слегка размочив её в воде, сварила клейстер из крахмала. Потом все ингредиенты смешала до однородной биомассы. Полученную смесь разложили в пресс форму и запрессовали с помощью гидравлического домкрата. При этом из смеси выходила избыточная влага, вода. Полученные спрессованные брикеты разложила на батарею для просушки. Топливные брикеты готовы (Приложение 3). Я положила их в печь и посмотрела, как они горят. Прошло минут двадцать, брикеты не особенно уменьшились в объёме. Они горят в 3-4 раза дольше обычных дров и дают более чем в 2 раза больше тепла, чем обычные дрова.

Я решила провести опыты по определению зольности, влажности и наличие химических примесей топливных брикет сделанных в домашних условиях и сравнить результаты с результатами, полученными для производственных пеллет. После проведения опытов и подсчета результатов по формуле, я получила что зольность наших брикетов 2,48%, влажность – 13,2%. Эти показатели хуже, чем у производственных пеллет, но они в пределах нормы. Химических примесей в брикетах не обнаружили. Отсюда я могу сделать вывод, что брикеты соответствуют стандартам. Сравнительный анализ эксплуатационных параметров производственных пеллет и брикетов сделанных в домашних условиях представлен в таблице 1 и диаграмме (Приложение 4).

Таблица 1. Сравнительный анализ эксплуатационных параметров.

Топливные брикеты, изготовленные в домашних условиях, прекрасно прогревают сауны и бани за минимально возможное время. Такое топливо по достоинству оценено любителями приготовления блюд на мангалах и грилях, так ка оно выделяют минимальное количества дыма и искр [4]. Также оно подходит для отопления домов и дач в весенний и осенний период. К тому же брикеты можно делать любой формы и размеров, чтобы они эстетично смотрелись, например, в камине. У них есть два главных преимущества перед дровами – более высокая теплоотдача и удобство использования. За счет минимальной влажности и зольности калорийность брикетов выше. А благодаря правильной форме и высокой плотности брикеты плотно прилегают друг к другу и занимают меньше места в объеме. Наконец, делая брикеты, вы тем самым избавляетесь от различного мусора на своем приусадебном участке и пепел, который образуется после сгорания, можно использовать в качестве удобрения.

АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА ПРИ ОТОПЛЕНИИ ДОМА

Изучив литературу по теме работы, мне стало интересно, насколько экономически выгодно применение пеллет при отоплении дома площадью 100м². Основными видами топлива являются: дрова, уголь, газ [8]. Я нашла в интернете какое количество топлива каждого из видов необходимо затратить за период отопительного сезона, с сентября по май месяцы, среднюю стоимость и выполнила расчеты. Результаты вычислений представлены в таблице 2.

Таблица 2. Стоимость различных видов топлива.

В результате вычислений я сделала вывод, что пока применение пеллет обходится дороже, чем применение других видов топлива. Но если учесть экологическую составляющую, автоматизацию процесса отопления, отсутствие грязи, то мне кажется, что постепенно пеллеты вытеснят и дрова, и газ, и уголь.

Ещё одна экологическая проблема - это вырубка лесов. 1м³ это дерево радиус которого равен 30 см и высота примерно 10 м. Следовательно, для отопления только одного дома площадью 100м²необходимо срубить около 30 деревьев. А если выполнить расчеты в масштабах края?

Я пришла к выводу, что использование пеллет для отопления – очень удобно, безопасно и безвредно для окружающей среды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Известно, что от котельной, работающей на дизельном топливе или на угле, зачастую исходит неприятный запах. Пеллеты при горении не выделяют запах, и, как правило, за счет высокого КПД котельного оборудования дым от пеллет практически бесцветен. За счет низкого содержания серы в пеллетах уменьшаются выбросы в атмосферу двуокиси серы, а это, в свою очередь, ведет к уменьшению количества кислотных дождей. Пеллеты также выигрывают по всем позициям у каменного угля и жидкого топлива в области выброса других вредных веществ.

Пеллеты являются частью натурального круговорота СО₂ в окружающей среде. Пеллеты экологически чистое топливо, т. к. при их сгорании выделяется ровно столько СО₂, сколько было впитано деревом при его росте (закрытый углеродный обмен), в отличие от угля и т. д. Использование пеллет сберегает от рубки живой лес и от загрязнения отходами деревообрабатывающего производства окружающую среду. Кроме того, пеллеты относятся к возобновляемым источникам топлива, в отличие от угля, нефти и газа. С одного гектара леса в среднем 300 м³ дров. Следовательно, в среднем, 10 -11 семей за отопительный сезон уничтожают один гектар леса.

Изготовление топливных брикетов в домашних условиях не занимает много времени, оборудование требуется самое простое, а польза для экологии огромна. Даже если частично отапливать помещение этим топливом, будет сохранена часть лесного массива. Опытным путем учеными было подсчитано, что за сутки одно дерево среднего размера выделяет примерно два литра кислорода. Этого количества хватит, чтобы обеспечить дыхание человека примерно в течении трех суток. Забота об экологии должна быть делом каждого, а не отдельных активистов. Только от нас зависит, в каком мире мы будем жить.

В процессе написания данной работы, я не только занималась теоретическим изучением материала, но и на практике самостоятельно попыталась создать топливные брикеты из бытовых и производственных отходов. Этими брикетами можно частично отапливать дачу или дом, что позволит снизить денежные затраты.

Я считаю, что изучение этого вопроса позволит шире взглянуть на проблему экологии и вырубки лесов. Надеюсь, представленные мною материалы будут интересны многим учащимся и покажут необходимость перехода на биотопливо из производственных отходов.

Я думаю, что пеллеты и топливные брикеты на сегодняшний день самый современный, удобный и экологически чистый вид топлива!

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Любов В. Биоэнергетика – перспективное направление развития лесных регионов // Журнал леспром информ. - 2016. - №7. – С.174-176.

2. Маликова Г. Древесное биотопливо: гарантии качества продукции // Журнал леспром информ. - 2016. - №6. – С.128-129.

3. Передерий С. Сертификация брикетов началась // Журнал международная биоэнергетика. - 2016. - №4. – С.16-17.

4. Передерий С. Пеллеты: широкий спектр использования продукции // Журнал леспром информ. - 2014. - №1. – С.158-159.

5. Указ Президента Российской Федерации от 05.01.2016г. №7 http://docs.cntd.ru

6. http://ru.teplowiki.org/wiki/Пеллеты

7. http://vse-otoplenie.ru/izgotovlenie-toplivnyx-briketov-v-domashnix-usloviyax

8. http://www.eco-pellets.ru/info/1/

9. https://ru.wikipedia.org/wiki/Топливные_гранулы

Приложение 1

Сравнительные характеристики разных видов топлива.

Таблица

Приложение 1

Сравнительные характеристики разных видов топлива.

Диаграмм 1. Процентное соотношение теплоты

сгорания различных видов топлива.

Диаграмма 2. Процентное соотношение зольности

различных видов топлива.

Приложение 2

Опыты по определению эксплуатационных параметров пеллет.

Приложение 3

Изготовление топливных брикетов в домашних условиях.

Приложение 3

Изготовление топливных брикетов в домашних условиях.

Приложение 4

Сравнительный анализ эксплуатационных параметров производственных пеллет и брикетов сделанных в домашних условиях.

Диаграмма 3.