Содержание страницы
Традиционные виды энергии — это энергетические ресурсы, которыми человечество пользовалось на протяжении столетий, задолго до появления ископаемых видов топлива, электростанций и глобальной энергосистемы. Эти источники — прежде всего дрова, древесный уголь, отходы биологического происхождения — в своё время были основой отопления, приготовления пищи, а также промышленного производства в допаровой и раннеиндустриальной эпохе.
Несмотря на свою архаичность, многие из них до сих пор остаются востребованными в сельской местности и развивающихся странах. Сегодня интерес к таким видам топлива возрождается в контексте устойчивого развития, локальной энергетики и биоэнергетических технологий.
С момента приручения огня человек активно использовал доступные природные материалы — сухую древесину, сено, навоз — для отопления жилищ и приготовления пищи. Уже в античные времена были известны технологии получения древесного угля, использовавшегося в металлургии. В средневековой Европе и на Руси древесный уголь стал основным восстановителем при выплавке железа, а к XVIII веку — главным энергетическим ресурсом уральской металлургии. В тропиках и странах Латинской Америки в роли топлива выступал жом сахарного тростника — отход сахарного производства. Практически в каждой аграрной культуре имелись свои биоотходы, перерабатывавшиеся в топливо.
В настоящее время традиционные энергетические ресурсы применяются в значительно меньших масштабах, чаще как вспомогательные. Тем не менее, их историческая роль, особенно как топлива, была ключевой, хотя сегодня они постепенно утрачивают свое практическое значение.
Рис. 1. Сено, как традиционный вид топлива
1. Дрова
Дрова — это фрагменты древесины, чаще всего в необработанном состоянии, предназначенные для использования в качестве топлива. Исторически дрова были одним из главных источников тепловой энергии, особенно в сельских и лесных регионах.
При расчете объемов древесного топлива учитываются и те фрагменты, которые идут на изготовление древесного угля. Для пересчета массы в объем при этом применяется коэффициент пересчета, равный 6, что позволяет корректно переводить метрические тонны древесного угля в кубические метры.
Рис. 2. Фото необработанной древесины
Количество тепловой энергии, высвобождаемой при сжигании дров, варьируется в зависимости от типа древесины и степени ее влажности. Чем выше содержание влаги, тем меньше эффективность сгорания, поскольку энергия тратится на испарение воды. На каждый килограмм влаги в дровах приходится тепловая потеря, составляющая примерно 0,63 кВт*ч, вне зависимости от начальной температуры древесного материала.
Рис. 3. Горящая древесина
Для абсолютно сухих дров лиственных пород характерна теплоотдача на уровне около 5 кВт·ч на килограмм, в то время как хвойные породы могут выделять до 5,2 кВт·ч тепла за счет своей отличающейся химической структуры. Однако в естественных условиях добиться полной сухости практически невозможно.
Одной из уникальных черт древесины является почти полное сходство ее элементного состава у разных пород, благодаря чему удельная теплота сгорания для большинства видов практически идентична. Колебания в составе находятся в пределах допустимой погрешности измерений, и в расчетах эти различия часто игнорируются.
Теплотой сгорания принято называть то количество тепловой энергии, которое выделяется при полном сгорании 1 кг горючего вещества. В этом контексте различают высшую и низшую теплоту сгорания.
Высшая теплота сгорания — это энергетическое значение, при котором учитывается полная конденсация водяных паров, образующихся в процессе горения, с учетом всей скрытой теплоты их испарения.
Низшая теплота сгорания (НТС), напротив, не включает в себя тепло, которое тратится на испарение влаги, образовавшейся во время горения.
Среди ключевых параметров топлива выделяется сернистость. В случае дров содержание серы и фосфора столь мало, что им обычно пренебрегают. Это играет важную роль в теплотехническом аспекте: потери с уходящими газами (q2) напрямую зависят от температуры дымовых газов. При сжигании топлива с высоким содержанием серы температура должна быть не менее 200–250 °C для предотвращения сернокислотной коррозии. Однако при сжигании древесины, не содержащей серу, допустимо снижение температуры до 100–120 °C, что существенно повышает КПД теплоагрегатов.
2. Древесный уголь
Древесный уголь представляет собой пористую углеродсодержащую массу, которая получается путем термического разложения древесины в бескислородной среде (пиролиза). Это топливо обладает высокой теплоемкостью: его удельная теплота сгорания колеблется от 31,5 до 34 МДж/кг. Помимо бытового применения, древесный уголь широко используется в промышленности: в производстве кремния, активированного угля, черных и цветных металлов, а также сероуглерода.
Рис. 4. Древесный уголь
На территории России производство древесного угля имеет многовековую традицию. Особенно активно эта практика развивалась на Урале, где располагались крупные металлургические предприятия, такие как заводы Демидова. Именно за счет древесного угля создавались знаменитые литые изделия, украшавшие Санкт-Петербург. В первые годы после революции, на фоне краха промышленной инфраструктуры, снова стали использоваться традиционные методы кучного обжига древесины.
С установлением Советской власти начали появляться крупные углевыжигательные предприятия, включая Ашу, Сяву, Амзю, Молому и Верхнюю Синячиху. Эти заводы позволяли выпускать древесный уголь в промышленных масштабах с соблюдением санитарных норм.
Рис. 5. Древесный уголь (частично тлеющий)
В то же время, особенно в отдаленных регионах, таких как северная часть Урала, продолжали использоваться простые кирпичные углевыжигательные печи. Позднее, уже в постсоветский период, производство переместилось в кустарный сектор. Были широко распространены металлические печи самодельной конструкции – бочки с дополнительными топками. Отсутствие надзора и санитарного контроля, наряду с неконтролируемой вырубкой лесов, способствовали бурному, но крайне неэффективному развитию нелегального углежжения. Результатом стали большие объемы угля низкого качества при значительных потерях древесины, что, тем не менее, удовлетворяло спрос.
В первом десятилетии XXI века наступил новый этап развития углевыжигательной промышленности. Были построены несколько крупных заводов по производству кристаллического кремния, каждый из которых потребляет уголь в объёмах, превышающих возможности кустарных производств на несколько порядков. При этом требования к качеству древесного угля высоки и строго регламентированы технологическими стандартами. Обеспечить такие объемы и параметры возможно только при наличии грамотно организованного, крупного и экологически безопасного производства древесного угля. В ряде регионов России уже функционируют подобные производства, и продолжается строительство новых объектов.
На сегодняшний день существует несколько ключевых направлений промышленного применения древесного угля. Одним из самых быстрорастущих является производство кремния. Для получения особо чистого кремния, используемого в электронной промышленности, необходим исключительно древесный уголь в качестве восстановителя. Это определяет устойчивый рост спроса на активированный уголь. Он широко применяется для очистки пищевых продуктов, алкогольных напитков, но особенно актуален для систем очистки питьевой воды, где ожидается значительное увеличение потребления.
Исторически в России древесный уголь использовался для выплавки высококачественного ковкого чугуна. На нём работали все Демидовские металлургические заводы Урала. Благодаря высокой пластичности чугуна, полученного на древесном угле, его применяли в точном литье. Яркий пример – русский павильон на Всемирной выставке в Париже 1900 года, отлитый на заводе в Касли из ажурного чугуна. Аналогичные изделия можно увидеть в виде знаменитых литых решеток Петербурга и других городов. В XVIII–XIX веках Россия экспортировала ковкий чугун в различные страны. Заводы в Касли и Кусе продолжают производство художественного литья по историческим моделям конца XIX – начала XX века.
В настоящее время ведущим производителем серого чугуна, выплавляемого на древесном угле, является Бразилия. Она экспортирует значительные объёмы продукции по всему миру. В СССР металлургия отказалась от древесного угля в пользу более дешевого и доступного каменноугольного кокса.
В Японии древесный уголь давно вышел за рамки топлива. Благодаря его способности поглощать вредные положительные и выделять полезные отрицательные ионы, было разработано множество товаров бытового назначения. Среди них – шампуни, мыло, специальная бумага с угольной пылью для упаковки продуктов, защитные экраны для офисных рабочих мест, и многое другое. Особую популярность приобрели японские печи «хибаци» – керамические или металлические горшки с поддувалом и колосником. Они безопасны для использования в помещениях, так как древесный уголь при горении и тлении не выделяет вредных газов, включая угарный. Эти печи удобно использовать для приготовления пищи или обогрева небольших помещений, таких как палатки или дачные домики.
3. Жом сахарного тростника
Жом сахарного тростника – это целлюлозный остаток, образующийся после извлечения сахара из стеблей сахарного тростника. Он активно используется как топливо в технологических процессах сахарной промышленности.
Рис. 6. Резервуары с жомом сахарного тростника
4. Отходы растительного происхождения
Отходы растительного происхождения включают пожнивные остатки (например, солому кукурузы, риса, пшеницы и др.), а также отходы переработки сельхозпродукции, такие как скорлупа кокосов, рисовая и арахисовая шелуха. Эти материалы активно используются в качестве возобновляемого топлива. Важно отметить, что жом сахарного тростника не относится к этой категории отходов.
Рис. 7. Солома зерновых культур
Рис. 8. Скорлупа кокосовых орехов
Рис. 9. Рисовая шелуха
5. Отходы животного происхождения
К отходам животного происхождения относят навоз и другие органические выделения от крупного рогатого скота, свиней, лошадей, птицы и т.д. Эти отходы могут быть высушены и использованы как твёрдое биотопливо, либо переработаны в биогаз (в основном метан) с использованием анаэробного сбраживания.
Рис. 10. Пластиковые бутылки из отходов животного происхождения
Интересные факты:
-
Древесный уголь был единственным восстановителем для производства качественного чугуна вплоть до появления кокса. На нем работали все демидовские заводы на Урале.
-
В Японии древесный уголь используется не только как топливо, но и как фильтр, косметика и элемент интерьера, благодаря его ионно-обменным свойствам.
-
Солома и шелуха — отходы сельского хозяйства — в некоторых странах дают до 30% энергии для села.
-
До промышленной революции дрова составляли более 90% мирового потребления энергии.
-
Жом сахарного тростника в Бразилии и Индии сжигается на месте производства, снабжая заводы собственной энергией и снижая углеродный след.
-
Сухое сено и навоз были основными видами топлива в степных и кочевых культурах, благодаря легкости транспортировки и доступности.
Традиционные виды энергии — это не только пережитки прошлого, но и свидетельство адаптации человека к природной среде. Они сыграли решающую роль в развитии цивилизации, от бытовых нужд до становления промышленности. Сегодня, в эпоху поиска экологичных и устойчивых решений, внимание к таким источникам возвращается. Технологии переработки биомассы, локальные ТЭЦ на биотопливе, восстановление углежжения на научной основе — всё это показывает, что традиционные источники энергии могут получить вторую жизнь, став частью «зеленого» будущего.
