Биогаз двигател за minecraft 1.7 10. Основни видове двигатели: биогориво

Една от основните тенденции в дизайна на съвременните автомобилни двигатели е подобряването на техните екологични характеристики. В това отношение един от най-добрите варианти е двигател на биогориво, най-популярният вид от които е биоетанолът.

Биоетанолът е етилов алкохол, който се получава чрез преработка на растителни суровини. Основен източник за производството му са богатите на нишесте фуражни култури.

Характеристики на двигателя с биогориво

Трябва да се отбележи, че в момента практически не се говори за двигател, който да работи изцяло на биоетанол. Това се дължи на редица обективни ограничения, за които все още не са намерени ефективни решения.

Към днешна дата биотеанолът се използва за зареждане на автомобили, основно смесен с традиционните горива - бензин и дизелово гориво. Само превозни средства с двигател FFV (Flexible-fuel vehicle) могат да работят с такова гориво.

Двигателят тип FFV е двигател с вътрешно горене, който има някои разлики от традиционните двигатели. И така, основните отличителни черти са:

• наличието на специален сензор за кислород;
• използването на специален материал за производството на редица уплътнения;
• ECU софтуер, който ви позволява да определите процентното съдържание на алкохол в горивото и да регулирате работата на двигателя съответно;
• някои промени в дизайна за увеличаване на съотношението на компресия, което е необходимо поради по-високото октаново число на етанола в сравнение с бензина.

Днес автомобилното гориво, съдържащо биоетанол, е доста популярно в редица страни. Лидерите тук са САЩ и Бразилия. Днес в Бразилия е почти невъзможно да се купи бензин, който съдържа по-малко от 20% биоетанол. Тази технология е популярна и в редица европейски страни, особено в скандинавските страни.

Предимства и недостатъци

Биоетанолът като гориво има както значителни предимства, така и значителни недостатъци. Основните предимства на биогоривата са свързани предимно с екологичните характеристики.

Биоетанолът е нетоксично гориво, което се разтваря напълно във вода. При изгарянето му не се образуват опасни за околната среда и човешкото здраве съединения. Добавянето на биоетанол към бензина може да намали вредните емисии с до 30% или повече. Освен това биоетанолът се произвежда от естествени възобновяеми суровини. Често това е страничен продукт от безотпадното производство на други видове продукти.

Освен това, поради високото октаново число, използването на биоетанол може да подобри някои от характеристиките на двигателя с вътрешно горене. Освен това повишава ефективността му.

Един от основните недостатъци на биогоривата е тяхната неустойчивост на ниски температури. При замръзване може да се разслои с образуването на парафинов филм на повърхността. Това причинява трудно стартиране през зимата. За да се преодолее този недостатък, автомобилите трябва да бъдат оборудвани с нагревател за гориво или малък резервоар за газ, предназначен специално за студен старт.

Друг важен недостатък е ниската калоричност. При изгарянето на биоетанол се отделя 37-40% по-малко топлинна енергия в сравнение с традиционните видове автомобилно гориво. Това значително ограничава мощностните характеристики на двигателя.

Двигателите на биогориво имат значителни предимства, но има място за подобрение.

И. Трохин

Статията разглежда техническите характеристики на газобуталните двигатели и електрическите агрегати, базирани на тях, за мини-CHP, работещи с природен газ или алтернативно възобновяемо газообразно гориво - биогаз. Когато се използва природен газ като гориво, електрическата ефективност на такива агрегати достига 48,7%, а ефективността на топлината от изгаряне на горивото за мини-CHP е 96%.

Съвременните газобутални енергийни агрегати, подходящите когенерационни и тригенерационни технологии предоставят на потребителите възможност да осигурят не само технически и икономически изгодно производство на електрическа, топлинна енергия и студ, но и да постигнат това с приемливи към момента екологични показатели за емисии на отработени газове. в околната среда. Последното обстоятелство се проявява особено положително, когато газобутален двигател работи на биогаз. Специфичната топлина на изгаряне на биогаза е около 23 MJ/m 3 , за сравнение, природния газ - 33-35 MJ/m 3 .

Биотехнологичният процес за получаване на биогаз се състои в анаеробно (без достъп на кислород) унищожаване (използват се и термините "ферментация", "ферментация", "ферментация") на органични отпадъци, които служат като първични суровини ( раздел. 1), което води до образуването на газообразно биосубстанция (биогаз) и висококачествени органични торове. Производството на биогаз при такъв процес е много ефективен начин за производство на биогориво от биомаса, а органичните торове са страничен продукт, чието използване позволява да се намали дела на минералните торове, използвани в селското стопанство. Техническото изпълнение на производството на биогаз се извършва в инсталации за биогаз. За поддържане на техните работни процеси се изразходва част от енергията, получена от биогаз в газобутални електроцентрали. Свързаните органични торове могат да се съхраняват в сезонни складове. Инсталация за биогаз и газобутална електроцентрала (например мини-CHP, т.е. с електрическа мощност до 10 MW) обикновено се намират в непосредствена близост като единен комплекс за производство на биогаз от органични суровини и последващото производство на електрическа и топлинна енергия

маса 1

Производство на биогаз и електроенергия от органични суровини

Име	Обемът на биогаза, m 3, на тон суровини		Производство на електроенергия на тон мокри суровини, kWh
		мокър
говеда
Зърнени култури
листа от картофи
билков зърно
биологични

Забележка. По информационни материали от GE Jenbacher (Австрия).

Съставът на биогаза включва следните компоненти: метан (CH 4) като горима основа, въглероден диоксид (CO 2) и относително малко количество примеси, съпътстващи производството на биогаз (азот, водород, ароматни и халогенни въглеводородни съединения). В зависимост от суровинната база, добивът на биогаз в процеса на анаеробно разграждане може да варира. IN раздел. 1дадени са оценки за този показател, както и за специфичното производство на електроенергия от единица първични органични суровини в системата "биогазова инсталация-биогазова бутална електроцентрала".

Директно технологиите за когенерация и тригенерация в електроцентрали с газови бутала се основават на използването на котли за отпадна топлина и абсорбционни хладилни агрегати. Последните осигуряват възможност за полезно оползотворяване на топлината на отработените газове от газов бутален двигател, намалявайки температурата им при изпускане в атмосферата. В допълнение, дизайнът на съвременните газови бутални двигатели позволява възможността за полезно използване на ниска топлина от системите за охлаждане и смазване. Електрически генератори с газови бутални двигатели, включително за когенерационни агрегати, се разработват, произвеждат и предоставят сервизна поддръжка от много известни компании в чужбина и в Русия, например MWM GmbH (Германия), GE Jenbacher (Австрия), MTU Onsite Energy GmbH (Германия). По-долу са дадени някои от конструктивните характеристики, характеристики и изпълнени проекти, използващи такова газово-бутално енергийно оборудване.

Биогаз или природен газ?

Немската компания MWM GmbH е един от водещите световни разработчики и производители на газобутални системи за производство на електрическа и топлинна енергия от биогаз. Постоянното намаляване на запасите от невъзобновяеми въглеводородни енергийни източници и нарастването на потреблението на енергия в глобален мащаб води до увеличаване на потребителското търсене на алтернативни горива (например биогаз), получени от възобновяеми енергийни ресурси, включително отпадъци. Следователно оборудването, с което е възможно ефективно да се произвежда биогаз и енергия, не остава без вниманието на клиентите на инсталации за децентрализирано енергоснабдяване.

MWM GmbH генераторни агрегати, работещи с газ, единият от които е показан на ориз. 1, със синхронни генератори се експлоатират успешно, по-специално в Европа, и работят, включително в мини-CHP, не само на природен газ, но и на биогаз. Произведената електроенергия може да се пренася към централизирани електроенергийни системи. Осъществяването на процеса на получаване на биогаз като част от единен локален производствен комплекс се осъществява на собствено енергоснабдяване. Например, в Германия, биогаз бутален мини-CHP от Nawaro Kletkamp GmbH & Co. работи успешно. KG (Kletkamp biogas CHP plant - English) с двигател TCG 2016 B V12 от MWM GmbH, с електрическа мощност 568 kW. Дневно оползотворява около 20 тона зърнен силаж (царевичен силаж – англ.), а част от консуматорите на съседния немски град Лютенбург (Lütjenburg – нем.) се осигурява с топлинна енергия. Тази топлинна енергия се използва и за сушене на зърно, а също така се съхранява в топлоакумулатор. Страничният продукт, образуван в процеса на анаеробна ферментация на суровината за производство на биогаз, е остатъците от субстрата и се използва като органичен тор, произведен по този метод в годишно количество от около 7 хиляди тона.

Ориз. 1. Газобутален двигател-генераторен агрегат на MWM GmbH (Германия)

Специално за работа с биогаз, частите и компонентите на съответните газобутални двигатели от MWM GmbH са адаптирани и изчислени. Например дизайнът на буталото е адаптиран да работи с по-високо съотношение на компресия. За да се осигурят високи показатели за ресурс на частите и възлите на двигателя, по-специално се използват галванични покрития. Високи енергийни параметри на бутални генератори за биогаз на тази компания (Таблица 2)постигнато, включително чрез елиминиране на процеса на предварително компресиране на биогаза.

таблица 2

Номинални параметри на генераторния агрегат MWM GmbH с двигател TCG 2016 V08 C за мини-CHP

Име, мерна единица	Стойност при работа с гориво
	(60% CH4, 32% CO2)	Естествено
Електрическа мощност, kW
	Променлива, трифазна
Напрежение, V
Текуща честота, Hz
Средно ефективно налягане, бар
Топлинна мощност, kW
електрически топлинна
Сухо тегло, кг

Забележка. Според информационните брошури на фирма MWM GmbH (Германия).

Топ моделната гама в гамата на газовите бутални двигатели на MWM GmbH е представена от серията TCG 2016. Тези двигатели могат да работят с много високи стойности на ефективност, както се вижда от раздел. 2, което също се постига чрез използването на оптимизирани конструкции на разпределителния вал, горивната камера и запалителните свещи. Брандираната "обща електронна система за управление" под регистрираната търговска марка TEM  (Total Electronic Management - английски) осигурява координацията и работата на целия двигателно-генераторен комплект. За всеки един от цилиндрите е осигурен мониторинг на температурата. Има и система, благодарение на която двигателят може да работи ефективно с колебания и промени в газовия състав на сместа въздух-гориво. Това е особено важно, когато се предвижда използването на такива "проблемни" газове като гориво, като въглища или органични отпадъци.

Революционна конфигурация

Иновативни газобутални двигатели със световна известност под марката Jen-bacher ( ориз. 2) е разработен и произведен от австрийската компания GE Jenbacher, която е част от подразделението GE Energy на General Electric. Инсталациите за децентрализирано захранване, базирани на такива двигатели, са адаптирани да работят както с природен газ, така и с други газообразни горива, включително биогаз. Особено положителен икономически ефект от въвеждането на такива инсталации се постига, когато те работят на когенерационен или тригенерационен цикъл. В много развити страни, например Австрия и Германия, успешно се експлоатират газови бутални електроцентрали с двигател-генераторни агрегати Jenbacher в комбинация с инсталации за биогаз, по-специално с електрически и топлинни мощности от около триста до един и половина до два хиляди киловата.

Ориз. 2. Газобутален двигател Jenbacher като част от електрически агрегат

Революционната, както я наричат ​​самите разработчици, тримодулната конфигурация на съвременните генераторни агрегати Jenbacher и инженерната концепция за постигане на целта за повишаване на ефективността на двигателите чрез повишаване на тяхната ефективност, надеждност и намаляване на емисиите на вредни емисии в атмосферата доведе до създаването на нов газобутален двигател J920 с двустепенно турбокомпресор и най-висока електрическа ефективност в класа на газобуталните двигатели ( раздел. 3). Тримодулната схема на електрическия агрегат с този двигател включва следните елементи, разположени последователно: модул със синхронен електрически генератор, оборудван с въздушно охлаждане и цифрова система за управление; двадесетцилиндров газобутален захранващ модул, базиран на самия двигател J920; спомагателен модул с двустепенен турбокомпресор. Благодарение на това разположение отделните елементи могат да бъдат заменени без разглобяване на целия генераторен комплект.

Двигателят J920 има разделен разпределителен вал, който позволява лесна смяна чрез работен порт, разположен в горната част на картера. Други основни части и компоненти на двигателя също са лесно достъпни. Обширният натрупан опит в разработването и практиката на работа на система за изгаряне на гориво за газови бутални двигатели Jenbacher тип 6 направи възможно оборудването на въпросния двигател с усъвършенствана система за предкамерно горене с искрово запалване, което позволява дългосрочна работа. Освен това се осигурява оперативен мониторинг на работата на системата с помощта на специални сензори за всеки от цилиндрите, което позволява да се постигнат оптимални характеристики по време на изгаряне на гориво. Системата за запалване е електронна, което осигурява избор на времето за запалване с адаптиране към състава и (или) вида на използваното газообразно гориво.

Таблица 3

Номинални параметри на генераторен агрегат с двигател Jenbacher J920 за мини-CHP, използващ природен газ (метаново число MN > 80)

Име, мерна единица	Значение
Електрическа мощност, kW
	Променлива, трифазна
Текуща честота, Hz
Обороти на вала на двигателя и генератора, об./мин
Топлинна мощност, kW
Ефективност за по-ниска калоричност, %: електрически
Габаритни размери (приблизително), mm:
Сухо тегло (приблизително), кг

Забележка. Според GE Energy (www.ge-energy.com).

От изпускателния колектор част от газовете, отделени в газобуталния двигател, се използват за задвижване на турбокомпресора (с турбокомпресор). Последният по време на работа осигурява увеличаване на специфичната мощност на двигателя и следователно в крайна сметка електрическата ефективност на агрегата двигател-генератор. Използването на собствена патентована технология в двигателя под регистрираната търговска марка LEANOX  (Изгаряне на бедна смес - английски) направи възможно прилагането на процеса на ефективен контрол на съотношението на съдържанието на компонентите "въздух / газ гориво" в горивото -въздушна смес с цел минимизиране на емисиите на вредни за околната среда отработени газове в атмосферата. Тази полза за околната среда се постига чрез работа на двигателя с бедна горивна смес (съотношението въздух/горивен газ се регулира под границата на всички работни стойности), докато работи стабилно.

Патентованата двустепенна технология за турбокомпресор позволява на двигателя да се осигури по-голямо увеличение на специфичната мощност, отколкото се реализира с едностепенно турбокомпресор. Освен това, ако говорим за когенерационни инсталации, тогава с внедряването на тази технология за турбокомпресор, общата ефективност на електрическия агрегат също се увеличава, достигайки стойност от 90%, което е почти 3% по-високо от това на газобуталните електрически агрегати агрегати с едностепенно турбокомпресор.

Системата за управление на двигателя J920 от General Electric е напълно отстранена и оборудвана, по-специално, с програмируема логическа единица, контролен панел и информационен дисплей. В допълнение към всичко това, двигателите J920 са проектирани, като се вземе предвид допустимата възможност за тяхната работа като част от многомоторни електрически агрегати, включително в топлоелектрически централи. Многодвигателната структура на електроцентралите ги прави по-адаптивни към натоварвания - от основни до циклични и пикови натоварвания. Времето за стартиране на двигателя преди достигане на номинален режим е 5 минути.

Рекордна енергийна ефективност

Германската компания MTU Onsite Energy GmbH също се занимава с разработването и производството на високоефективни модерни газови бутални агрегати ( ориз. 3), включително тези, предназначени за работа като част от мини-CHP. Много интересно е, че неговите специалисти създадоха газобутален захранващ агрегат от типа GC 849 N5 ( раздел. 4), с използването на който в Германия в мини-CHP Vauban (Vauban HKW) беше възможно да се постигне наистина рекорден показател за преобразуване на първичната енергия от изгаряне на гориво (природен газ) в електрическа и полезно използвана топлинна енергия: ефективността на калоричността на изгаряне на горивото беше около 96%! Такава висока цифра се осигурява от използването на мини-CHP, в допълнение към самия газобутален агрегат, и оборудване за дълбоко възстановяване на топлината от отработените газове и системи за смазване и охлаждане на двигателя. Освен това топлината от двигателя и синхронния генератор се оползотворява с помощта на електрическа термопомпа, която най-малко охлажда пространството около когенерационния агрегат. Като се вземат предвид всички етапи и вериги на възстановяване на топлината, при номинални режими на работа за електрически и топлинни натоварвания на мини-CHP, отбелязаният коефициент достига рекордна стойност - до 96%.

Значение

Електрическа мощност, kW

Променлива, трифазна

Напрежение, V

Текуща честота, Hz

Основният начин за използване на биогаза е превръщането му в източник на топлинна, механична и електрическа енергия. Големите инсталации за биогаз обаче могат да се използват за създаване на производствени мощности за производство на ценни химически продукти за националната икономика.

Биогазът може да се използва в устройства за изгаряне на газ, които генерират енергия, която се използва за отопление, осветление, захранване на инсталации за приготвяне на фураж, за работа на бойлери, газови печки, инфрачервени излъчватели и двигатели с вътрешно горене.

Най-простият начин е изгарянето на биогаз в газови горелки, тъй като газът може да се доставя към тях от газови резервоари под ниско налягане, но е по-предпочитано биогазът да се използва за производство на механична и електрическа енергия. Това ще доведе до създаването на собствена енергийна база, която да осигурява оперативните нужди на фермите.

Таблица 18 Компоненти на биогаз

Газови горелки

Фиг.34. Газова печка работеща
на биогаз в Петровка

Основата на повечето домакински уреди, в които може да се използва биогаз, е горелка. В повечето случаи се предпочитат горелки от атмосферен тип, работещи с биогаз, предварително смесен с въздух. Потреблението на газ от горелките е трудно да се изчисли предварително, така че дизайнът и настройката на горелките трябва да се определят експериментално за всеки отделен случай.

В сравнение с други газове, биогазът изисква по-малко въздух за запалване. Следователно, конвенционалните газови уреди се нуждаят от по-широки дюзи за преминаване на биогаз. За пълното изгаряне на 1 литър биогаз са необходими около 5,7 литра въздух, докато за бутан - 30,9 литра и за пропан - 23,8 литра .

Модифицирането и адаптирането на стандартните горелки е въпрос на експериментиране. Във връзка с най-разпространените домакински уреди, адаптирани за използване на бутан и пропан, може да се отбележи, че бутанът и пропанът имат калоричност почти 3 пъти по-висока от биогаза и дават 2 пъти повече пламък.

Преобразуването на горелките на биогаз винаги води до по-ниски нива на работа на уреда. Практическите мерки за модификации на горелката включват:
увеличаване на струите 2-4 пъти за преминаване на газ;
промяна в обема на подавания въздух.

газови печки
Преди да използвате газова печка, горелките трябва да бъдат внимателно регулирани, за да се постигне:
компактен, синкав пламък;
пламъкът трябва спонтанно да се стабилизира, т.е. Негоримите части на горелката трябва да светнат сами в рамките на 2-3 секунди.

Фиг.35. Котел за отопление на вода
за отопление на дома с лъчисти керамични нагреватели на село. Петровка

Лъчисти нагреватели
Лъчистите нагреватели се използват в селското стопанство за постигане на точните температури за отглеждане на млади животни като прасенца и пилета в затворени пространства. Необходимата температура за прасенцата започва от 30-35°C през първата седмица и след това бавно пада до 18-23°C на 4 и 5 седмици.

По правило контролът на температурата се състои в повишаване или понижаване на нагревателя. Добрата вентилация е от съществено значение за предотвратяване на концентрации на CO или CO2. Следователно животните трябва да бъдат наблюдавани през цялото време и температурата да се проверява на редовни интервали. Нагревателите за прасенца или пилета консумират около 0,2 - 0,3 m3 биогаз на час.

Топлинно излъчване на нагреватели

Фиг.36. Регулатор на налягането на газта

Снимка: Веденев А.Г., ПФ "Флуид"

Лъчистите нагреватели реализират инфрачервено топлинно излъчване през керамично тяло, което се нагрява до ярко червено състояние при температури 900-1000°C от пламък. Отоплителният капацитет на лъчистия нагревател се определя чрез умножаване на обема на газа по нетната калоричност, тъй като 95% от енергията на биогаза се преобразува в топлина. Изходът на топлинна енергия от малки нагреватели е
от 1,5 до 10 kW топлинна енергия8.

Предпазител и въздушен филтър
Лъчистите нагреватели, използващи биогаз, трябва винаги да бъдат оборудвани с предпазител, който прекъсва подаването на газ в случай на спад на температурата, т.е. когато газът не е изгорен.

Консумация на биогаз
Битовите газови горелки консумират 0,2 - 0,45 m3 биогаз на час, а индустриалните - от 1 до 3 m3 биогаз на час. Необходимото количество биогаз за готвене може да се определи въз основа на времето, прекарано ежедневно за готвене.

Таблица 19. Консумация на биогаз за битови нужди

Двигатели на биогаз
Биогазът може да се използва като гориво за автомобилни двигатели, като неговата ефективност в този случай зависи от съдържанието на метан и наличието на примеси. Както карбураторните, така и дизеловите двигатели могат да работят на метан. Въпреки това, тъй като биогазът е високооктаново гориво, е по-ефективно да се използва в дизелови двигатели.
За работата на двигателите е необходимо голямо количество биогаз и инсталирането на допълнителни устройства на двигателите с вътрешно горене, които им позволяват да работят както на бензин, така и на метан.

Фиг.37. Генератор на газ в селото. Петровка

Снимка: Веденев А.Г., ПФ "Флуид"

Газо-електрически генератори
Опитът показва, че е икономически целесъобразно използването на биогаз в газови електрогенератори, докато изгарянето на 1 m3 биогаз дава възможност да се генерират от 1,6 до 2,3 kW електроенергия. Ефективността на това използване на биогаз се повишава чрез използване на топлинната енергия, генерирана по време на охлаждането на двигателя на електрическия генератор, за отопление на реактора на инсталацията за биогаз.

Почистване на биогаз

За да се използва биогаз като гориво за двигатели с вътрешно горене, е необходимо биогазът да бъде предварително пречистен от вода, сероводород и въглероден диоксид.

Намаляване на влажността

Биогазът е наситен с влага. Пречистването на биогаза от влага се състои в неговото охлаждане. Това се постига чрез преминаване на биогаз през подземна тръба за кондензиране на влага при по-ниски температури. При повторно нагряване на газа съдържанието на влага в него намалява значително. Това изсушаване на биогаза е особено полезно за използваните измервателни уреди за сух газ, тъй като те са длъжни да се напълнят с влага с времето.

Намаляване на съдържанието на сероводород

Фиг.38. Сероводороден филтър и абсорбер за отделяне на въглероден диоксид в с. Петровка
Снимка: Веденев А.Г., ПФ "Флуид"
Сероводородът, смесен в биогаз с вода, образува киселина, която причинява корозия на метала. Това е сериозно ограничение за използването на биогаз във водни нагреватели и двигатели.
Най-простият и икономичен начин за отстраняване на сероводород от биогаз е химическото почистване в специален филтър. Като абсорбатор се използва метална "гъба", състояща се от смес от железен оксид и дървени стърготини. С помощта на 0,035 m3 метална гъба могат да се извлекат 3,7 kg сяра от биогаз. Ако съдържанието на сероводород в биогаза е 0,2%, тогава с този обем метална гъба около 2500 m3 газ може да се пречисти от сероводород. За да регенерирате гъбата, тя трябва да се държи известно време във въздуха.
Минималната цена на материалите, лекотата на работа на филтъра и регенерацията на абсорбера правят този метод надеждно средство за защита на резервоара за газ, компресорите и двигателите с вътрешно горене от корозия, причинена от продължително излагане на сероводород, съдържащ се в биогаза. Цинковият оксид също е ефективен абсорбент на сероводород и това вещество има допълнителни предимства: той също така абсорбира органични серни съединения (карбонил, меркаптан и др.) 18

Намаляване на съдържанието на въглероден диоксид
Намаляването на съдържанието на въглероден диоксид е сложен и скъп процес. По принцип въглеродният диоксид може да бъде отделен чрез абсорбиране във варовото мляко, но тази практика произвежда големи обеми вар и не е подходяща за използване в системи с голям обем. Самият въглероден диоксид е ценен продукт, който може да се използва в различни индустрии.

Фиг.39. УАЗ, задвижван от биогаз
в с. Петровка
Снимка: Веденев А.Г., ПФ "Флуид"

Използване на метан
Съвременните изследвания на химиците разкриват големи възможности за използването на газ - метан, за производството на сажди (багрило и суровина за каучуковата промишленост), ацетилен, формалдехид, метилов и етилов алкохол, метилен, хлороформ, бензол и други ценни химикали продукти на базата на големи инсталации за биогаз18.

Консумация на биогаз от двигатели
В с. В Петровка, Чуйска област на Киргизката република, биогазовата инсталация на Асоциация "Фермер" с обем 150 m3 осигурява биогаз за битови нужди на 7 селски стопанства, работата на газо-електрически генератор и 2 автомобила - УАЗ и ЗИЛ . За да работят на биогаз, двигателите са оборудвани със специални устройства, а превозните средства са оборудвани със стоманени бутилки за газов инжекцион.
Средните стойности на разхода на биогаз за производството на 1 kW електроенергия от двигателите на Асоциация Фермер са около 0,6 m3 на час.

Таблица 20. Използване на биогаз като моторно гориво в селото Петровка

Фиг.40. Факелна горелка за изгаряне на излишния биогаз в селото. Петровка
Снимка: Веденев А.Г., ПФ "Флуид"

Ефективност на биогаз
Ефективността на биогаза е 55% за газовите печки, 24% за двигателите с вътрешно горене. Най-ефективният начин за използване на биогаз е като комбинация от топлина и енергия, където може да се постигне 88% ефективност8. Използването на биогаз за работата на газови горелки в газови печки, отоплителни котли, котли за фураж и оранжерии е най-доброто използване на биогаз за фермите в Киргизстан.

Излишък от биогаз
В случай на излишък на биогаз, произведен от централата, се препоръчва да не се изпуска в атмосферата - това ще доведе до неблагоприятно въздействие върху климата, а да се изгаря. За да направите това, в газоразпределителната система е монтирано факелно устройство, което трябва да бъде разположено на безопасно разстояние от сградите.

Опит в експлоатацията на газобутални агрегати на биогаз

1. Въведение

Задачата на съвременната енергетика е да осигури надеждно и дългосрочно енергоснабдяване, като същевременно пести ресурсите от изкопаеми горива и опазва околната среда. Това изисква икономичен подход към използването на съществуващите енергийни ресурси и преминаване към възобновяеми източници. Проучване на Европейската комисия показа, че това е възможно.

При провеждането на изследването са взети предвид само технологиите, налични на пазара днес, като се предполага, че стандартът на живот в европейските страни ще бъде изравнен. По този начин до 2050 г. 90% от енергията, консумирана от европейските страни, може да бъде произведена с помощта на възобновяеми енергийни ресурси (фиг. 1). В същото време цената на електроенергията ще се удвои, но в същото време и консумацията на енергия ще намалее наполовина. Почти една трета от енергията ще се произвежда от биомаса.

Фигура 1 - Потребление на енергия в Европа (проучване на Европейската комисия)

Биомасата е общ термин за органични продукти и отпадъци (тор, зърнени остатъци, маслодайни и захарни култури), промишлени и битови отпадъци, дървесина, отпадъци от хранително-вкусовата промишленост и др. Сухата биомаса може да се използва веднага като гориво, в други случаи може да бъде преобразувани в биогаз чрез „смилане“, газификация или изпаряване (Фигура 2).

Фигура 2 - Използване на биомаса

2. Образуване на биогаз

В природата биогазът се образува от разлагането на органични съединения при анаеробни условия, като например в блатата, по бреговете на водни тела и в храносмилателния тракт на някои животни. Така физиката на природните процеси ни показва начините за получаване на биогаз.

Индустриалното производство изисква разработването на интегрирана технология, която включва компоненти като резервоар за съхранение на биомаса, реактор за биогаз (ферментатор), в който се извършва смилането, и резервоар за биогаз с почистваща система (фиг. 3).

Фигура 3 - Производство на електрическа енергия с помощта на биогаз

Почти всички органични вещества се разлагат чрез ферментация. При анаеробни условия микроорганизмите, участващи в процеса на ферментация или разлагане, се адаптират към оригиналния субстрат. Поради факта, че ферментацията протича във влажна среда, биосубстратът трябва да съдържа приблизително 50% вода. Биологичното разграждане се извършва при температура от 35 °C до 40 °C. По време на анаеробната ферментация протича многоетапен процес на превръщане на органични вещества от високомолекулни съединения в нискомолекулни съединения, които могат да бъдат разтворени във вода. На един етап разтворените вещества се разлагат, образувайки органични киселини, нисък алкохол, водород, амоняк, сероводород и въглероден диоксид. От друга страна, бактериите превръщат веществата в оцетна и мравчена киселина и в процеса на метаногенеза ги разграждат, образувайки метан.

4 HCOO H → CH 4 + 3 CO 2 + 2 H 2 O

В същото време съдържанието на CO 2 се намалява от водород, в резултат на което се образува и метан.

CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O

Течният оборски тор често се използва като суровина за производство на биогаз. За увеличаване на добива на газ могат да се добавят така наречените коензими, които хомогенизират производството на биогаз, чийто обем зависи от използвания субстрат (Таблица 1).

Таблица 1 - Добив на биогаз за различни видове биомаса

Суровини за биогаз	Количество биомаса	Количество биогаз
Течен тор (говеда)	1 м 3	20 м 3
Течен тор (свине)	1 м 3	30 м 3
птичи тор	1 м 3	40 м 3
утайки от отпадъчни води	1 м 3	5 m 3
Биоотпадъци	1 тон	100 м 3
Отпадъчни мазнини	1 тон	650 м3
Трева	1 тон	125 м 3

3. Качество на биогаза и неговата подготовка за използване

Качеството на биогаза и подготовката на горивния газ не зависи от използваната суровина и от скоростта на процеса. В табл. 2 показва сравнение на състава на различни видове газ.

Таблица 2 - Приблизителен сравнителен състав на горивните газове

		Биогаз	Газ Отпадъчни води	Газ от боклук сметища	Естествено газ
CH 4	%	50...75	65	50	88
CO2	%	20...50	35	27	—
N 2	%	0...5	—	23	5
Плътност	kg/nm 3	1,2	1,158	1,274	0,798
Калорична стойност способност	kWh/Nm 3	5,0...7,5	6,5	4,8	10,1
метан номер	единици	124...150	134	136	80...90

Тъй като биогазът съдържа вредни компоненти като сяра, амоняк, понякога силиций, както и техните съединения, възможностите за неговото използване са ограничени. Тези компоненти могат да причинят износване и корозия на двигателите с вътрешно горене, така че тяхното съдържание в газа не трябва да превишава установени норми за MWM. Освен това отработените газове не трябва да се охлаждат до температури под 140...150 °C, в противен случай ще се натрупа киселинен кондензат в топлообменниците и в долната част на системата за отвеждане на отработените газове.

Има няколко начина за отстраняване на сярата от горивния газ. По време на биологичното третиране в газовата зона във ферментатора се подава въздух. В резултат на окисляване на сероводород от бактерии се отделят сяра и сулфат, които се отстраняват с течни компоненти. Друг начин е химическото утаяване. В този случай към разтвора във ферментатора се добавя железен трихлорид. Тези методи са се доказали добре в пречиствателните станции за отпадъчни води.

Най-оптималните резултати се постигат, когато газът се почиства с активен въглен, като от газа се отстранява не само сярата, но и силицийът. В този случай качеството на биогаза съответства на качеството на природния газ, а използването на окислителен каталитичен газов неутрализатор осигурява допълнително намаляване на емисиите на отработени газове.

4. Използване на биогаз за когенерация на базата на газобутални двигатели

MWM GmbH (бивш Deutz Power Systems) произвежда газови бутални агрегати с турбокомпресор с бедно изгаряне в номинален диапазон на мощност от 400 до 4300 kW (фиг. 4). Тези двигатели са адаптирани към колебанията в състава на биогаза и са оптимизирани за работа с газове със сложен състав.

Фигура 4 - Обхват на мощността на газовите двигатели MWM GmbH (бивш DEUTZ Power Systems)

Оценките са в съответствие с ISO 3046. Спецификациите са само за информация и не са обвързващи стойности.

MWM GmbH има богат опит в работата на газови бутални двигатели с газ от сметища и отпадъчни води (първите такива модели започнаха да работят преди почти 100 години с отпадъчни газове) и използва този опит за по-нататъшно подобряване на моделната гама и повишаване на надеждността на произведените когенерационни системи. (фиг. 5)

Фигура 5 - Развитие на газобутални двигатели (за периода 1988 - 2002 г.)

Основната задача в този случай е да се направят двигателите по-устойчиви на въздействието на вредните вещества, съдържащи се в газа. Различни примеси образуват киселини, които влияят неблагоприятно на компонентите на двигателя, предимно на лагерите. Подобно отрицателно въздействие може да бъде елиминирано, от една страна, чрез оптимизиране на режима на работа и промени в технологията за производство на лагери, от друга.

Ако уредът работи с температура на смазочното масло от около 95°C (вход на двигателя) и се избягват честите спирания и стартирания, рискът от образуване на киселина поради кондензация в картера по време на фазата на охлаждане може да бъде намален. Във връзка с горното, доколкото е възможно, двигателят трябва да работи без спиране. Натрупването на газ в достатъчен обем в газохранилището ще осигури непрекъснато снабдяване с гориво, което е необходимо за безпроблемната работа на газовия двигател.

Опитът, натрупан при експлоатацията на двигатели на биогаз, показва, че за лагерите трябва да се използват специални материали. Тъй като ефективността на двигателя и работното налягане се увеличават, са необходими лагери с по-високи стойности на натоварване. Лагерите с покритие сега се използват широко, за да отговорят на всички изисквания за надеждност. Благодарение на непрекъснатата си твърда повърхност, те са по-устойчиви на агресивен газ и смазочни масла от традиционните набраздени сачмени лагери (фиг. 6).

Фигура 5 — Сравнение на пиковото налягане на филма

Качеството на смазочното масло оказва значително влияние върху живота и износването на двигателя. Следователно по време на работа трябва да се използват само онези марки масло, които производителят на газовия двигател е одобрил за този вид газ. Интервалите за смяна на маслото се определят при пускане в експлоатация на електроцентралата въз основа на резултатите от анализ на качеството на маслото. По време на работа на двигателя непрекъснато се следи качеството на смазочното масло, след което се взема решение за подмяната му. Първият анализ на маслото се извършва след 100 часа работа, независимо от вида на горивния газ. Интервалите за поддръжка на клапаните се определят по същия начин.

За да се удължат интервалите за смяна на смазочното масло, количеството масло в основната рама на двигателите трябва да се увеличи. За тази цел MWM предлага на своите клиенти агрегати с увеличен обем масло в рамата на двигателя. Маслото непрекъснато се подава към веригата за смазване, минавайки диагонално през основната рамка (фиг. 10):

Фигура 6 - Подаване на смазочно масло

В допълнение към конструктивните характеристики на самите двигатели, системата за контрол и управление TEM (Total Electronic Management by MWM) играе важна роля за осигуряване на безопасна и надеждна работа на биогаз агрегатите. Той открива всички работни условия, температури, налягания и т.н. и въз основа на получените данни задава оптималната изходна мощност на двигателя при максимална ефективност, като същевременно не надвишава установените граници на емисиите. Системата TEM има възможност за изготвяне на аналитични графики на промените в работните параметри на станцията - това ви позволява своевременно да откривате нарушения в работата и бързо да реагирате на тях.

Фирмата доставя комплектни електроцентрали, работещи на биогаз. Те включват газов бутален блок, котел за отработена топлина, шумозаглушител, каталитични газови конвертори, система за пречистване на газ с активен въглен и, ако е необходимо, допълнителна система за последваща обработка на отработените газове. (фиг. 7).

Фигура 7 - Пример за оформление на мини CHP ( щракнете върху изображението за уголемяване)

На фиг. 8 показва специфичните инвестиции и средните разходи за поддръжка на инсталации за биогаз. Данните обобщават експлоатационния опит на агрегатите от сериите TBG 616 и TBG 620. Те включват разходите за газовия двигател, топлообменниците на охлаждащата течност и отработените газове, шумозаглушителите и разходите за разпределителната инсталация, включително монтаж и тръбопроводи. От 2005 г. устройствата от серията TBG са модернизирани съответно до сериите TCG 2016 C и TCG 2020.

Фигура 8 - Капиталови инвестиции и разходи за поддръжка

През 2009 г., след следващата модернизация на моделната гама, за серията TCG 2020 беше възможно да се постигне електрическа ефективност, равна на 43,7% за когенерационния агрегат TCG 2020 V20, и да се донесе електрическата мощност на 12 и 16 цилиндъра газови двигатели съответно до 1200 и 1560 kW. Сериозна модернизация засегна и агрегата TCG 2016 V08. Електрическата мощност на този агрегат е увеличена до 400 kW, а електрическата ефективност е увеличена до 42,2%. Освен това електрическата ефективност и изходната мощност са еднакви както при използване на природен газ, така и при биогаз.

5. Практическо използване на различни суровини за производство на енергия

В града Бранденбург(Германия) инсталира електроцентрала, която произвежда биогаз от хранителни и битови отпадъци (снимка 1). Годишно се депонират около 86 000 тона биоотпадъци.

Снимка 1 - Инсталация за биогаз в Алтено

Процесът на получаване на биогаз се извършва в определена последователност. След като компонентите за еднократна употреба се отстранят, биоотпадъците се раздробяват и смесват, получената маса се нагрява до 70 ° C, за да се убият патогенните организми. След това отпадъците се изпращат в два ферментатора, всеки от които съдържа 3300 m3 биомаса. Микроорганизмите разграждат биомасата (за около 20 дни), в резултат на което се образува биогаз и остатъчно количество течност, която след това се изцежда, а сухият остатък отново се преработва биологично като компост.

На биогаз работят два газобутални двигателя TBG 616 V16K производство на Deutz Power Systems, електрическата мощност на всеки от тях е 626 kW, топлинната мощност е 834 kW. Генерираната електрическа енергия се подава в електрическата мрежа, а топлината се използва за генериране на газ. Нивата на емисии на вредни вещества са под граничните стойности, определени от немския стандарт TA-Luft.

Инсталацията за биогаз работи и в Eichigteв животновъдната ферма на Agrofarm 2000 GmbH. Компанията обработва 2200 хектара обработваема земя и 1100 хектара пасища в Eichigt/Vogtland. Част от реколтата от отглежданите култури се използва за храна на 1550 крави, от които се произвеждат 10 650 000 кг мляко годишно. В същото време дневно се образува от 110 до 120 m 3 течен тор - той се „ферментира“ във ферментатора, в резултат на което се произвеждат 4000 ... 4400 m 3 биогаз. Към оборския тор се добавят фуражни остатъци (до 4 t/ден), поради което производството на газ се увеличава с 20%.

Мини-CHP е инсталиран в контейнер (снимка 2), като задвижване се използва двигател TBG 616 V16 K, чиято електрическа мощност е 459 kW, топлинната мощност е 225 kW. Електрическата енергия се доставя в електрическата мрежа, а топлинната енергия се използва за нуждите на икономиката. Течният тор се използва като суровина за биогаз.

Снимка 2 - Когенерационен агрегат MWM (бивш DEUTZ Power Systems) в контейнерна версия с двигател TBG 616 V16

Цикълът на рециклиране на биомаса е практически безотпаден. Остатъците, генерирани от процеса на анаеробно "храносмилане", са без мирис и могат да се използват в полетата като тор през цялата година.

заключения

• Използването на селскостопански отпадъци като биогориво позволява затворен цикъл на селскостопанско производство. Остатъкът от анаеробното разграждане е без мирис и може да се отнесе на полето като тор. Този вид тор веднага се усвоява от растенията, без да замърсява почвата или подземните води.
• Генерирането на енергия от биогаз, в светлината на редовните енергийни кризи, се счита за обещаващ възобновяем енергиен източник. Инсталациите за биогаз преобразуват слънчевата енергия, съхранявана от растенията, в биогаз чрез процес на биоразграждане. Този процес е неутрален по отношение на CO 2 баланса, тъй като само количеството въглероден диоксид, което преди това е било абсорбирано от растенията по време на фотосинтезата, се освобождава в атмосферата.
• Генерирането на електрическа и топлинна енергия в инсталациите за биогаз е обещаваща технология, която помага на човечеството да стане независимо от ограничените запаси от изкопаеми горива, а също така защитава околната среда.
• MWM GmbH предлага на своите клиенти системи за производство на енергия и топлина, базирани на модерни, безопасни и надеждни газови двигатели.

Оригиналната статия е отпечатана за: VI-та международна научна конференция GAS ENGINES 2003 в Полша, 02 - 06 юни 2003 г.