بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تعيين پتانسيل انرژي ضايعات نيشکر
چکيده
استفاده از ضايعات کشاورزي براي توليد انرژي ، يکي از گزينه هاي مناسب براي حل مشکل پايان پذيري و آلودگي هاي زيست محيطي ناشي از کاربرد سوخت هاي فسيلي مي باشد. با توجه به مسائل اقتصادي و زيست محيطي ناشي از دفع و سوزاندن ضايعات نيشکر، مطالعه اي در واحدهاي هفت گانه ي شرکت توسعه ي نيشکر و صنايع جانبي با هدف تعيين پتانسيل انرژي ضايعات نيشکر انجام شد. پتانسيل انرژي پس از تعيين مقدار توليد ساليانه ، محتواي رطوبت و ارزش حرارتي خالص ضايعات نيشکر محاسبه شد. نتايج نشان داد که مقدار ارزش حرارتي خالص براي سرني و پوشال ١٦.٥١٥ مگاژول بر کيلوگرم و براي باگاس ١٧.٨١ مگاژول بر کيلوگرم مي باشد. همچنين مقدار پتانسيل انرژي يک واحد کشت و صنعت ٩٥٣ گيگاوات ساعت و مجموع واحدها ٦٦٧٣ گيگاوات ساعت مي باشد.
واژه هاي کليدي : انرژي هاي تجديدپذير، زيست توده ، باگاس ، سرني و پوشال
مقدمه
تمدن زغال سنگي قرون ١٨ و ١٩ بر نگره «پيشرفت » استوار بود. نگره اي صرفاً کمي و اقتصادي که عمدتاً ميزان سنجش و محاسبه ي آن ، انبارهاي گمرک ، دفاتر ثبت بانک ها و... بود. تمدن نفت سوز کنوني نيز که واپسين سال هاي حيات خود را مي گذراند، به انگاره ي اندکي پيچيده تر «توسعه » متکي است . توسعه البته برخي مفاهيم غيراقتصادي را نيز دربرمي گيرد، اما به همان اندازه کمي و غيرکيفي است . تمدن بعدي اصولاً به سوخت هاي پاک تر از قبيل برق آبي ، خورشيدي ، بادي و... متکي خواهد بود. و قطعاً اتکاي آن به شاخص هاي کمي معرف رفاه ، کمتر بوده و اساساً رويکردي کاملاً کيفي به آنچه که «خوشبختي » ناميده مي شود، خواهد بود (کرمي ، ١٣٨٥). سيستم هاي کنوني انرژي اصولاً آسيب پذيرند. اين آسيب پذيري به ساختار بي ثبات و غير انعطاف پذير اين سيستم ها باز مي گردد. براي برخورد با معضل آسيب پذيري راه حل هايي وجود دارد که در تغيير دادن سيستم هاي انرژي خلاصه مي شود. راه حل پايدار و قابل استمرار در درازمدت ، تغيير سيستم ها مي باشد که
شامل :
١- کاربرد و استفاده وسيع تر از حامل هاي انرژي تجديدپذير مانند انرژي خورشيد، باد، آب ، توده هاي زيستي و زمين گرمايي .
٢- کارايي انرژي در سيستم ها.
هر دو گزينه استفاده از انرژي هاي تجديدپذير و کارايي انرژي ، حتي براي توليدکنندگان سوخت هاي فسيلي هم فرصت ها و امکانات بهتري را فراهم مي سازد. زيرا کاهش تقاضا براي سوخت هاي فسيلي مي تواند موجب کاهش نوسان قيمت در بازارهاي انرژي جهان ، افزايش دوره هاي توليد سوخت هاي فسيلي و آثار مثبت ديگري چون افزايش فرصت هاي شغلي در بخش انرژي هاي تجديدپذير و صنايع کارايي انرژي شود (ساپرزبرگر، ٢٠٠٦). محدوديت و ناپايداري در دسترسي به منابع فسيلي ، بحران هاي سياسي و نوسانات قيمت ناشي از آن و ارزش افزوده حاصل از به کارگيري منابع فسيلي در صنايع پتروشيمي و دارويي از يک سو و مسائل زيست محيطي مانند انتشار گازهاي گلخانه اي از سويي ديگر، ضرورت توجه به جايگزيني اين منابع را
1
با منابع متنوع تجديدپذير ايجاب مي کند. زيست توده (بقاياي کشاورزي، ضايعات صنعتي، مواد زائد شهري و...) چهارمين منبع بزرگ تامين انرژي جهان (١٤ درصد) به شمار ميرود (پاريکا، ٢٠٠٤). توليد انرژي از بقاياي کشاورزي مي تواند نقش عمده اي در جهت کاهش وابستگي بخش کشاورزي به منابع انرژي خارج از مزرعه و در نتيجه پايداري توليد داشته باشد. با توجه به نياز روزافزون به انرژي الکتريکي پاک در کشاورزي و ويژگي هاي مثبت زيست محيطي اين بقايا، ميتوان آنها را از طريق طيف گسترده اي از تکنولوژيهاي بيولوژيکي و ترموشيميايي به حامل هاي مختلف انرژي تبديل کرد.
استان خوزستان محل رشد و کشت و زرع نيشکر در ايران مي باشد. نيشکر به عنوان دومين محصول زراعي اين استان ، بيشترين سطح زير کشت را در بين گياهان صنعتي دارد (آمارنامۀ کشاورزي ، ١٣٨٢). هفت واحد تابعۀ شرکت توسعۀ نيشکر و صنايع جانبي در حال حاضر داراي بيش از ٤٥٠٠٠ هکتار سطح زير کشت و ني توليدي در حدود ٣.٥ ميليون تن ميباشد.. از انبوه ضايعات باقيمانده ، تمامي سرني و پوشال در مزرعه سوزانده شده و از باگاس توليدي کارخانجات شکر نيز تنها مقدار کمي به مصرف کارخانجات توليد خوراک دام و تختۀ صنعتي مي رسد و مقادير باقيمانده با صرف هزينۀ هنگفتي دفع و يا سوزانده مي شود. با در نظر گرفتن انبوه مسائل اقتصادي و زيست محيطي ناشي از دفع و سوزاندن (آلودگي منابع آب ، خاک و هوا)،
بازيافت و استفاده مناسب از ضايعات نيشکر ضروري است . بر اين اساس طرحي با اهداف زير اجرا گرديد:
١- تعيين پتانسيل انرژي سرني و پوشال
٢- تعيين پتانسيل انرژي باگاس
مروري بر ادبيات تحقيق
تمامي مواد آلي به عنوان زيست توده شناخته مي شوند و انرژي که در موقع خوردن ، سوزانيدن يا تبديل آن به سوخت هاي ديگر از آنها آزاد مي شود، انرژي زيست توده ناميده مي شود. فن آوريهاي انرژي زيست توده ، آرايه اي از توليدات شامل برق ، سوخت هاي مايع ، جامد و گاز، حرارت و مواد شيميايي را توليد مي کنند. زيست توده و ضايعات تنها اقسام تجديدپذير انرژي هستند که به صورت مستقيم با سوخت هاي فسيلي رقابت مي کنند. زيرا آنها هم سوخت هاي جامد هستند و نيز فرآيندهاي تبديل مشابهي دارند (آندره و فاجي، ٢٠٠٦). بر پايه گزارش هاي آژانس بين المللي انرژي (٢٠٠٦)، زيست توده در حال حاضر ١٠ درصد از کل عرضه انرژي اوليه و ١.٣ درصد از توليد برق جهان را تأمين مي کند. دوگانه سوزي زيست توده با سوخت هاي فسيلي، هم زمان با اينکه انتشار CO٢ را کاهش مي دهد، سهم آن را در توليد برق از ٣ به ٥ درصد تا سال ٢٠٥٠ افزايش خواهد داد. نتايج تحقيقات متعدد نشان مي دهد که استفاده از پتانسيل انرژي منابع زيست توده در اکثر کشورهاي جهان به سرعت در حال افزايش است . در اين بخش به برخي از اين تحقيقات اشاره مي شود.
پتانسيل سالانه ي زيست توده کشور ترکيه معادل ٣٢ ميليون تن نفت خام مي باشد. همچنين کل پتانسيل زيست انرژي قابل بازيافت ، حدود ١٦.٩٢ ميليون تن معادل نفت خام تخمين زده مي شود. (دميرباس و باکيس ، ٢٠٠٤). در سال ٢٠٠٠، سياست انرژي جمهوري چک ، بر افزايش سهم منابع انرژي تجديدپذير١ در منابع انرژي اوليه ، از ١.٥ درصد در سال ٢٠٠٠ به ٣ تا ٦ درصد در سال ٢٠١٠ و ٤ تا ٨ درصد تا سال ٢٠٢٠ هدف گذاري شده و زيست توده تقريباً ٨٥ درصد از سهم RES را در سياست انرژي اين کشور در سال ٢٠٠٤ دربرداشته است . (اسلادکي، ١٩٩٦ و اسکولز و همکاران ، ١٩٩٧). در سال ٢٠٠٥، کل عرضه انرژي اوليه ي برزيل ، Mtoe ٢١٧.٦ بوده که ٣٨.٤% از نفت خام ، ١٥% از منابع برق آبي، ١٣.٧% از سوختهاي چوبي،
١٣.١% از توليدات جانبي نيشکر (باگاس )، ٩.١ از گاز، ٦.٤% از ذغال سنگ ، ٢.٩% از ديگر منابع تجديدپذير و ١.٤% از انرژي هسته اي بوده است . (بوگ و همکاران ، ٢٠٠٦). در سال ١٩٩٨ بقاياي کشاورزي در چين ٩٣٩ ميليون تن بوده است که از اين مقدار ٥٥١ ميليون تن ميتواند براي توليد انرژي و ٢٦٦ ميليون تن براي مصارف ديگر استفاده شود (ليائو و همکاران ، ٢٠٠٤).
باتاچاريا و همکاران (٢٠٠٥)، در مطالعه اي پتانسيل انرژي اوليه منابع زيست توده (بقاياي کشاورزي، کود حيواني، ضايعات جامد شهري، فاضلاب و پتانسيل انرژي منابع زيست توده پايدار) در پنج کشور آسيايي چين ، هند، فيليپين ، سريلانکا و تايلند را ارزيابي کردند. نتايج اين تحقيق نشان داد که پتانسيل انرژي منابع زيست توده براي کشورهاي چين ، هند، فيليپين ، سريلانکا و
1 . Renewable Energy Sources (RES)
2
تايلند به ترتيب ٨١٣٥.٧، ٨٧٦٤، ٨٢٣.٧، ١٣٢.٧ و ٧٠١.٧ پتاژول ميباشد. در هندوستان ،توليد توأم حرارت و توان سهم مهمي از برق توليد شده توسط منابع تجديدپذير در تمام تکنولوژي هاي انرژي تجديدپذير به غير از باد را دارا مي باشد .توليد توان و حرارت از ضايعات نيشکر (باگاس )، مثال روشني از پتانسيل بهره برداري نشده منابع تجديدپذير تاکنون مي باشد (سينگ ،
.(2006
بوگ و همکاران (٢٠٠٦)، مطالعه اي با هدف تعيين پتانسيل انرژي بقاياي نيشکر در برزيل انجام دادند. انرژي اوليه برزيل در سال ١٩٩٩ بالغ بر Mtoe ٢٣٣ بوده است . از اين مقدار Mtoe ٣٤ توسط محصول نيشکر - معادل بيش از نصف توليد نفت و گاز - تأمين شده است . Mtoe ١٦ از اين مقدار نيز در شکل باگاس براي توليد ٦ تراوات ساعت در ١٠٠٠ مگاوات از تاسيسات توليد توأم حرارت و توان در کارخانه هاي تقطير و شکر به عنوان نيازهاي بخار فرآيند استفاده شده است . اين در حالي است که انرژي معادل Mtoe١١ در مزرعه سوزانده شده است . با اين وجود تخمين زده مي شود بيش از ٦٠ تراوات ساعت برق ميتواند به صورت هزينه - کارا با استفاده از بويلرهاي با فشار بالاتر و ديگر روش هاي نگهداري و صرفه جويي توليد شود.
تکنولوژي هاي جديد در حال توسعه ميتوانند اين مقدار را به دو يا سه برابر افزايش دهند (هولاندا و پول ، ٢٠٠٠). مطالعات در پورتوريکو، جامائيکا، هاوايي و تايلند نشان مي دهد که ٥٠ درصد از بقاياي مزرعه اي نيشکر ميتواند بدون هيچ گونه اثر منفي بر بهره وري مزرعه جمع آوري شود. با اين فرض پتانسيل انرژي بقاياي نيشکر در تانرانيا به دو برابر افزايش خواهد يافت . چون سرني و پوشال نيز از لحاظ قابليت انرژي مشابه باگاس مي باشد (گابرا، ١٩٩٥). باتاچاريا و همکاران (٢٠٠٥)، در مطالعه اي پتانسيل انرژي سرني و باگاس نيشکر را در ٥ کشور آسيايي تعيين کردند. پتانسيل انرژي سرني نيشکر در سال ٢٠١٠ براي کشور هند PJ ١٤٣ تخمين زده شد. اين مقدار براي سريلانکا و تايلند در سال ٢٠٠٥ به ترتيب ١.٤٥ و ١٢٩.٢ پتاژول بود.
همچنين پتانسيل انرژي باگاس در سال ٢٠٠٥ براي چين ، هند (در سال ٢٠١٠)، فيليپين ، سريلانکا و تايلند به ترتيب ٧٧.١، ١١٣٨، ١٦٦.٦، ٢.١٧ و ١٠٢.٢ پتاژول تعيين شد.
براي تعيين پتانسيل منابع زيست توده در ايران چهار فعاليت عمده توسط سازمان انرژي هاي نو ايران انجام شده است .
اين مطالعات بيشتر در زمينه تعيين پتانسيل انرژي ضايعات جامد شهري انجام شده است . پروژه اول که پتانسيل سنجي منابع زيست توده در ايران بوده ، در سال ١٣٧٧ آغاز و در سال ١٣٧٩ به پايان رسيده است . با اين حال نتايج مشخصي از آن ارائه نشده است . پروژه ديگر پتانسيل سنجي جامع منابع زيست توده در کل کشور ميباشد که از سال ١٣٨٥ آغاز و تا سال ١٣٨٨ به اتمام خواهد رسيد. با توجه به پژوهش هاي انجام شده و بررسي منابع اطلاعاتي در زمينه ي به کارگيري منابع تجديدپذير به صورت اعم و ضايعات نيشکر به طور ويژه و با جمع بندي ديدگاه هاي متعدد فني، اقتصادي و زيست محيطي در اين زمينه به نظر مي رسد که حرکت به سمت برخورداري و بهره برداري از تکنولوژي هاي مربوط به انرژي هاي بيکران و پاک تجديدپذير، حداقل در ميان مدت و بلندمدت نه تنها به عنوان يک گزينه ي انتخابي، بلکه به صورت يک ضرورت و اجبار اجتناب ناپذير، فراروي کشور ما مي باشد. بنابراين انجام تحقيقات پايه در اين زمينه در شرايط اقليمي، فني، اقتصادي و اجتماعي خاص کشورمان بايد جزء اولويت هاي مراکز تحقيقاتي و وزارت نيرو باشد.
موادوروش
محدوده ي اجراي طرح
با توجه به ضرورت تأمين مواد اوليه و اطمينان از قابليـت دسترسـي پايـدار و وجـود زيرسـاخت هـاي لازم بـراي انجـام مطالعات بنيادين جهت احداث نيروگاه هاي با سوخت ضايعات کشاورزي، و نيز تجربيات ساير کشورها در اين زمينه ، هفت واحد تابعه ي شرکت توسعه نيشکر و صنايع جانبي خوزستان شامل امام خميني، دعبل خزاعي، اميرکبير، ميرزا کوچک خان ، سـلمان فارسي، فارابي و دهخدا براي انجام اين مطالعه انتخاب شدند. محدوده طرح هاي توسعه نيشکر بخشي از دشت وسيع خوزسـتان در جنوب غربي ايران است که در ناحيه اي بين عرض جغرافيايي ٣٠.٤٥ تا ٣١.١٥ شمالي و طول شرقي ٤٨.١٢ تا ٤٨.٤٠ واقـع شده است . دو واحد امام خميني و دهخدا در شمال و پنج واحد ديگر در جنوب اهواز واقع شده اند.
3
مقادير و پتانسيل انرژي ضايعات نيشکر
پتانسيل انرژي سرني و پوشال با استفاده از روابط ٣-٢ و ٣-٣ محاسبه شد (باتاچاريا و همکاران ، ٢٠٠٥). براي اين کـار ابتدا مقدار توليد ساليانه ي ضايعات براي دو سال زراعي ٨٤-٨٣ و ٨٥-٨٤ محاسبه شد. به اين ترتيـب کـه نـسبتي از عملکـرد فعلي و اسمي محصول نيشکر با توجه به خصوصيات واريته ، رطوبت نيشکر، روش هاي برداشت ، عملکرد کارخانـه هـاي اسـتخراج شکر، شرايط محلي و ساير موارد تأثيرگذار، به عنوان ضايعات در نظر گرفته شـد (مرکـز تحقيقـات نيـشکر، ١٣٨٥؛ هاسـوآني و همکاران ٢٠٠٥ و باتاچاريا و همکاران ، ٢٠٠٥). سپس مقدار ضايعات (بـر پايـه ي وزن خـشک ) را در ارزش حرارتـي خـالص آن ضرب کرده و براي تبديل واحد مگاژول بر کيلوگرم به مگاوات ساعت ، نتيجه بر عدد ٣.٦ تقسيم شده و به اين ترتيـب پتانـسيل انرژي اوليه ضايعات (برحسب مگاوات ساعت ) به طور جداگانه براي ضايعات مزرعه اي و باگاس محاسبه شد.
در روابط فوق :
- M: مقدار توليد ساليانه بقايا (تن درسال )
- PRP: نسبت توليد ضايعات به نيشکر
- C: عملکرد ساليانه نيشکر (تن )
- LHV: ارزش حرارتي خالص بقايا (مگاژول بر کيلوگرم )
- EP: پتانسيل انرژي ضايعات (مگاوات ساعت )
درصد رطوبت و ارزش حرارتي ضايعات نيشکر
درصد رطوبت باگاس از روش وزني Moisture Teller (پاين ، ١٩٨٦) و در آزمايشگاه هاي واحدهاي مـذکور تعيـين شـد.
ميانگين درصد رطوبت سرني و پوشال با توجه به نوع بقايا (سرني وپوشال ) شرايط جوي زمان برداشت ، نوع روش برداشت ، مدت باقي ماندن بقايا در مزرعه ، روش هاي بسته بندي وحمل و شرايط انبـارداري قبـل از احتـراق ، ٢٥ درصـد منظـور گرديـد. ارزش حرارتي خالص ١ باگاس و پوشال با نمونه برداري از کارخانه ها و مزارع دو واحد امام خميني و دعبل خزاعـي بـه عنـوان نماينـده واحدهاي شمال و جنوب اهواز تعيين شد. ارزش حرارتي نمونه ها با استفاده از دستگاه بمـب کـالريمتـر مـدل ١٢٦٦ PARR و طبق استاندارد ٢.-٥٤٦٨ ASTM در آزمايشگاه تغذيه سازمان جهاد کشاورزي استان خوزستان تعيين شد.
نتيجه
سطح زير کشت و عملکرد فعلي
سطح زير کشت ، ميانگين عملکرد و عملکرد ساليانه شش واحد شرکت توسعه نيشکر و صنايع جانبي در دو فصل زراعي
٨٤-٨٣ و ٨٥-٨٤ در جدول ١ آورده شده است . سطح زير کـشت واحـد دهخـدا بـه دليـل اينکـه ايـن واحـد هنـوز در مراحـل آماده سازي ميباشد، قابل توجه نبوده و درآمارهاي معاونت کشاورزي شرکت نيز به آن اشاره نميشود، دراين جدول آورده نشده است . در بين واحدها، واحد امام خميني به سطح زير کشت نهايي خود (١٠٠٠٠ هکتار) رسيده است . اما ساير واحدها بـه طـور ساليانه سطح زير کشت خود را افزايش داده اند. ميانگين عملکرد تمامي واحدها بـه جـز واحـد فـارابي در سـال زراعـي ٨٥-٨٤ کاهش داشته است . هر چند افزايش عملکرد اين واحد قابل توجه نيست .
1. Lower Heating Value (LHV)
4
