Сайт журнала "Экологический Вестник России"

Камыш как ресурс для производства экологических продуктов

Сегодня мы все чаще обращаемся к продуктам и товарам, изготовленным из экологически чистых природных материалов, что позволяет нам защитить себя от вредных воздействий и сохранить больше ископаемых природных ресурсов, тем самым внести свой посильный вклад в сохранение окружающей среды.

Авторами статьи рассмотрены технологии ресурсного обеспечения производства экологически безопасных продуктов, которые позволяют использовать камыш в изготовлении топливных пеллет и корма для скота.

Производство экологически безопасных продуктов питания, как и любое производство, нуждается в энергоносителях – электрической и тепловой энергии, кормах для животных и т.д. Сельскохозяйственное производство Волгоградской области не плохо обеспечено основным российским энергоносителем – газом. Газоснабжение имеют почти 70% сельских территорий и это значение имеет тенденцию к росту [1]. Но производство экологически безопасной с/х продукции требует использования «чистых» (не имеющих применения химических средств в истории землепользования) территорий. В большинстве случаев такие земли не имеют сетевого газоснабжения, что предполагает использование местных энергоресурсов. Могут быть использованы, в частности, растительные природные полимеры, имеющие в своем составе горючие элементы – углерод и водород. К таким энергоносителям, широко представленным в Волгоградской области, следует отнести камыш.

Исторически камыш – не только носитель энергии, но и составная часть местной экосистемы. Сегодня в Волгоградской области камыш часто обозначается источником пожаров и поэтому воспринимается как сорняк, который требует уничтожения [2]. Основных причин этого явления две. Первая – выполнение ирригационных сельскохозяйственных работ, что создает условия для расширения ареалов обитания камыша. Вторая – бесконтрольное образование разного рода свалок, также меняющее водообменный режим на территории. При этом площади бесхозного произрастания камыша в Волгоградской области измеряются тысячами гектар; только в областном центре перед пожароопасным периодом камыш уничтожается на 700 га [3].

С другой стороны, есть зарубежные примеры противоположного свойства - промышленного культивирования камыша для целей энергоснабжения [4]. Установлено, что через два-три года после посадки камыша в болоте можно получить первый урожай, пригодный для использования камыша в качестве топлива. А затем болото становится постоянным поставщиком топлива для малых электростанций. Производительность камышового болота – (10…20) т камыша с гектара. Можно оценить количество камыша, которое можно добывать ежегодно с площадки 1 тыс. га в Волгоградской области: 15 тыс. т естественной влажности.

При сравнении таких принципиально разных подходов появляется вопрос о современных отечественных возможностях хозяйственного использования камыша. Известно, что камыш может применяться не только в качестве источника тепла. Из него могут изготавливаться строительные материалы, корм для скота, удобрения для почвы. Ранее камыш успешно использовался для производства бумаги. Камыш используется в народной медицине, может применяться в кулинарии, в производстве спирта, молочной кислоты, глицерина, ацетона, дубильных веществ, газового или жидкого дизельного топлива.

Из известных вариантов использования камыша отметим случаи применения, которые сегодня могут встречаться чаще всего: в изготовлении печного топлива и корма для скота. При выборе подходящих для этого технологий учтем сравнительно малую плотность энергии, запасенную в камыше, как и любом другом растительном сырье [5]. По этой причине после сбора камыша появятся логистические ограничения на транспортировку сырья к местам его переработки – (20…30) км. Эти ограничения могут быть существенно снижены благодаря применению транспортабельных технологий автономной энергетики. Тогда с места добычи сырья будет вывозиться готовый товар или полуфабрикат, но в любом случае – продукт с повышенной добавленной стоимостью. При низких эксплуатационных расходах на обслуживание такого оборудования это положительно скажется на экономике всего процесса использования камыша конечным потребителем.

Рассмотрим свойства камыша подробнее.

Камыш (лат. Scírpus) - многолетнее растение, достигающее двухметровой высоты. На территории Волгоградской области представлены, в основном, два вида камыша – камыш болотный и камыш лесной. Камыш содержит до 45% целлюлозы, 25% лигнина, 22% гемицеллюлозы, около 9% белка и минеральные компоненты. Соотношение между компонентами меняется в зависимости от частей растения (корни, стебель, листья, цветы) и времен года. Как и у большинства растений, в твердой части стебля камыша целлюлозные волокна собраны в длинные жгуты, окружены и переплетены гемицеллюлозами. Целлюлоза – почти кристаллическое вещество, гемицеллюлоза – аморфное. Всё это переплетение залито лигнином - твердой полифенольной смолой. Такая конструкция растения определяет его вертикальную ориентацию и прочность.

Отметим технологии, которые могут быть использованы в переработке камыша в печное топливо и корм для скота.

Камыш – печное топливо

Современным видом твердого топлива, пригодного к использованию в системах автоматического отопления, являются топливные гранулы (пеллеты). Как показано в обзорной работе [6], гранулы из камыша приближаются по основным характеристикам к древесным (теплота сгорания, примерно, 19 МДж/кг, зольность в среднем 4%), а себестоимость производства ниже, в первую очередь, за счет сравнительно дешевого сырья. Мобильная линия пеллетирования в состоянии полной заводской готовности выпускается отечественным предприятием ЛесИнТех (С.-П.). Энергообеспечение пеллетного производства в полной мере может быть обеспечено расположенным рядом агрегатом для гидротермальной деструкции части срезанного камыша сверхкритической водой. Особенности такого агрегата отмечены, например, в [7]. Есть возможность производства на месте и высококалорийных пеллет - с теплотворной способностью 23 МДж/кг [8]. Для этого часть камыша должна быть подвергнута гидрокарбонизации и полученный при этом уголь подмешан в камышовую шихту перед прессованием. Аппаратно гидрокарбонизация может быть осуществлена в устройстве [6], но с докритичными параметрами температур и давлений воды.

Работа оборудования потребует измельчения камыша до частиц с характерным размером 1 мм и последующей сепарации измельченной массы на ситах. При этом более мелкие частицы (несколько десятых долей мм) будут направлены в аппараты со сверхкритической водой, одномиллиметровые – в гидрокарбонизацию, а более крупные – в шихту для пеллет.

Камыш – корм для скота

Питательная ценность камыша в полтора-два раза ниже, чем у зеленых луговых растений. Основная причина этого заключается в недоступности целлюлозы камыша расщеплению её в желудках животных до питательной глюкозы – недоступности работе ферментов-целлюлаз и микроорганизмов. Эта проблема была решена в 30-х годах прошлого века в США Мейсоном при увеличении питательной ценности соломы. Разработанный Мейсоном процесс получил его имя. Сегодня аналогичные процессы чаще именуются «паровым взрывом». Применительно к камышу организация парового взрыва означает, что водная суспензия измельченного камыша разогревается и выдерживается под давлением. Камыш при этом насыщается водой с растворенным в ней воздухом, после чего давление резко сбрасывается. Вода вскипает и пузырьки воздуха разрывают связи между волокнами целлюлозы, гемицеллюлозой и лигнином. Лигнин имеет плохую реакционную способность и будет выводиться из организма животного. А целлюлоза станет доступной для ферментации, благодаря чему питательная ценность камыша ожидаемо увеличится (как и у сена в процессе Мейсона).

Технология парового взрыва слабо востребована сегодня в отечественном сельском хозяйстве, но имеет отличные перспективы применения. Важно и то, что все вышеотмеченные процессы – гидротермальная деструкция камыша в сверхкритической воде, гидрокарбонизация и паровой взрыв - имеют близкие схемы аппаратной реализации и отличаются лишь выбором рабочих параметров (температур, давлений и экспозиций).

Первые технологические переделы камыша – его сбор и измельчение. Основная масса камыша (85…90)% растет на суше. В отдельных случаях, требуемых для сохранения экосистемы, допускается добыча камыша и с воды. При этом плавсредство может агрегатироваться и с илососом (на фотографии это не показано). Такая комбинация механизмов требуется при изготовлении органоминеральных удобрений на основе камыша. В случае торфяного болота на понтонах может размещаться любое оборудование – измельчительное, сушильное, энергогенерирующее или иное.

Как отмечалось выше, три технологии переработки водной суспензии камыша аппаратно могут быть выполнены на одинаковом оборудовании. Это оборудование разработано целевым образом для исследований деструкции органических веществ сверхкритической водой. Высокие давления и температуры (сотни градусов и атмосфер), характерные для этих процессов, потребовали соответствующих инженерных решений. Для парового взрыва и гидрокарбонизации, где высокие давления и температуры не требуются, решения могут быть упрощены. Соответственно, будет удешевлена и конструкция аппаратов. Но для отработки технологических режимов использования камыша в разных целях целесообразно использовать единую конструкцию исследовательской машины.

Здесь по краям конструкции, вдоль её высоты, расположены два реактора для водной суспензии камыша. Реакторы имеют циллиндрическую форму, окружены нагревателями и теплозащитой. На фотографии виден лишь внешний (теплозащитный) слой реакторов. Сброс твердой фракции переработанной суспензии осуществляется снизу реакторов, газообразной фракции – сверху. В центре конструкции виден баллон со сжатым воздухом. Рядом с баллоном находятся конструктивы с силовой и слаботочной автоматикой. Внизу видны клапаны для управления потоками реагентов (суспензии сырья, воздуха) и продуктов реакции. На фотографии не показана система автоматического управления агрегатом, позволяющая менять температуру реакции, давление и экспозицию суспензии в реакторе.

В работах со сверхкритической водой, где водная суспензия камыша используется для получения электричества и тепла, «выходным» продуктом агрегата является высокоэнтальпийная парогазовая смесь. Она используется для задействования парового контура турбины, приводящей электрогенератор. Турбина и генератор разработки ООО «ЭлТА» (Екатеринбург). Ротор генератора приводится во вращение соосно расположенной паровой турбиной. Электрическая мощность генератора - 30 кВт, осевой размер ротора турбины – 30 см. Оборудование позволяет задействовать три электрогенератора. Агрегат со сверхкритической водой и генератором электроэнергии будет использован в энергоснабжении пеллетайзера для прессования топливных пеллет. Это оборудование с производительностью 600 кг пеллет в час. Время развертывания такого оборудования из транспортного положения в рабочее – 6 часов.

Силосное оборудование для приготовления кормов является типовым и не нуждается в комментариях.

Моторы комбайнов, занятых в уборке и измельчении камыша, работают на дизельном топливе. Заготовители в своей работе руководствуются малотоннажной транспортабельной технологией получения из камыша жидкого и готового к применению топлива уровня «ЕВРО-5». Для этих целей лучшим образом подходит зимний камыш, имеющий влажность 25% и требующий малых энергозатрат на сушку. Подробности работы мобильного комплекса для производства дизтоплива из отходов изложены в журнале «Экологический вестник России» [9].

Рис.1. Взаимосвязи пайщиков кооператива, использующего камыш в производстве экологически безопасных продуктов питания

Реализация обозначенных выше и аналогичных технических решений предполагается в формате потребительской кооперации. На Рис. 1 показана схема взаимосвязей участников кооперации. Различные аспекты использования камыша, имеющего конечной целью получение и распределение экопродукции разрабатываются в рамках соответствующих целевых программ потребительского общества. Стратегический инвестор предоставляет потребительскому обществу займ для реализации этих программ. Потребительское общество предоставляет субзаймы разработчикам целевых программ, в т.ч. – разработчику, изготовителю и поставщику оборудования для использования камыша (ООО «ТРИВИМ Лтд). При этом формируется тридцатипроцентный финансовый резерв для компенсации рисков и пополнения оборотных сумм пайщиков кооператива. Оборудование для использования камыша (пай ТРИВИМа) перемещается в организацию, занимающуюся эксплуатацией оборудования и поддержанием технологий - машинно-технологическую станцию. Пай станции (её работа) перемещается в кооперативные участки, которые занимаются растениеводством, животноводством и переработкой их продукции. Полученные экопродукты распределяются транспортно-логистическим центром между пайщиками кооператива и внешним рынком. Вырученные от продажи на внешнем рынке деньги направляются в потребительское общество, при необходимости – пайщикам кооператива и формируют налогооблагаемую базу. Потребительское общество компенсирует затраты стратегического инвестора и координирует деятельность кооперативных участков. Качество экопродукции гарантируется сертификацией всех технологических переделов (от почвы до склада готовой продукции).

Приведенная выше информация показывает техническую и организационную осуществимость заявленных технологических решений. Ближайшая задача в продвижении проекта – выбор стратегического инвестора потребительского общества.

Литература и источники

1. Интернет-ресурс: http://docs.cntd.ru/document/450382763

2. Интернет-ресурс: http://v102.ru/news/70233.html .

3. Интернет-ресурс: https://volg.mk.ru .

4. Интернет-ресурс: http://www.brikk.info/index.php?option=com_content&view= article&id=93:kamitr&catid=39:articles&Itemid=58 .

5. В.С. Арутюнов. Биотопливо и реальность. Ж. «Сверхкритические флюиды: теория и практика», 2007, т. 2, № 4, с. 96-100.

6. Интернет-ресурс: http://www.lesprominform.ru/jarticles.html?id=4672

7. В.А. Морозов, А.В. Морозов. Малотоннажная технология переработки отработавших автомобильных шин в энергоносители для тепличного хозяйства. Ж. «Экологический вестник России», 2017, № 4, с. 26-31.

8. В.А. Морозов и др. Пеллеты из прессованной биомассы. Патент РФ от 08.08.2014.

9. В.А. Морозов и др. Мобильный комплекс для производства дизтоплива из древесных отходов. Ж. «Экологический вестник России», № 4, 2010, с.50.

Е.И. Базаров,

д.т.н., профессор, академик Международной Академии

экологической реконструкции,

член-корреспондент Российской Инженерной Академии,

г. Москва,

В.А. Морозов,

директор, ООО «ТРИВИМ Лтд», академик Международной

Экологической Академии (МЭА),

г. Саров, Нижегородская обл.,

А.В. Морозов,

директор IT-департамента,

ООО «ТРИВИМ Лтд»,

г. Саров, Нижегородская обл.