Біогазовий двигун у майнкрафт 1.7 10. Основні типи двигунів: на біопаливі

Однією з головних тенденцій у конструюванні сучасних автомобільних двигунів є покращення їх екологічних характеристик. У цьому плані одним із найкращих варіантів є двигун, що працює на біопаливінайбільш популярним видом якого є біоетанол.

Біоетанол є етиловим спиртом, який отримують шляхом переробки рослинної сировини. Основним джерелом для його виробництва стають багаті на крохмаль кормові культури.

Особливості двигуна на біопаливі

На даний момент практично не йдеться про двигун, який би повністю працював на біоетанолі. Це цілою низкою об'єктивних обмежень, подолання яких ще знайдено ефективних рішень.

На сьогоднішній день біотеанол застосовується для заправки автомобілів, головним чином, у суміші із традиційними видами палива – бензином та соляркою. Працювати на такому паливі можуть лише транспортні засоби із двигуном типу FFV (Flexible-fuel vehicle – гнучкий вибір палива).

Мотор типу FFV є двигуном внутрішнього згоряння, який має деякі відмінності від традиційних двигунів. Так, основними відмінними рисами є:

• наявність спеціального датчика кисню;
• застосування особливого матеріалу виготовлення низки прокладок;
• програмне забезпечення ЕБУ, що дозволяє визначати відсоток вмісту спирту в паливі та відповідним чином коригувати роботу двигуна;
• деякі зміни в конструкції для збільшення ступеня стиснення, що необхідно у зв'язку з більш високим октановим числом етанолу порівняно з бензином.

Сьогодні автомобільне паливо із вмістом біоетанолу користується досить високою популярністю в низці країн. Лідерами тут виступають США та Бразилія. У Бразилії сьогодні практично неможливо купити бензин, у якому вміст біоетанолу було б менше ніж 20 %. Популярна дана технологія і в низці країн Європи, особливо в скандинавських країнах.

Переваги і недоліки

Біоетанол як паливо має як суттєві переваги, так і суттєві недоліки. Основні плюси біопалива відносяться насамперед до екологічних показників.

Біоетанол – це нетоксичний вид палива, що повністю розчиняється у воді. При його згорянні не утворюється небезпечних для довкілля та здоров'я людей з'єднань. Додавання біоетанолу в бензин дозволяє скоротити кількість шкідливих викидів до 30% і більше. Крім того, біоетанол виробляється з натуральної відновлюваної сировини. Найчастіше він є побічним продуктом безвідходного виробництва інших видів продукції.

Крім того, завдяки високому октановому числу застосування біоетанолу дозволяє покращити деякі характеристики двигуна внутрішнього згоряння. У тому числі зростає його ККД.

Одним із основних недоліків біопалива є його нестійкість до низьких температур. На морозі він може розшаровуватися з утворенням плівки парафінів на поверхні. Це зумовлює утруднений запуск у зимовий період. Для подолання цього недоліку доводиться оснащувати автомобілі підігрівачем палива або невеликим бензобаком, спеціально призначеним для холодного пуску.

Ще один важливий недолік полягає у слабкій теплотворній здатності. При згорянні біоетанолу виділяється на 37-40% менше теплової енергії порівняно з традиційними видами автомобільного палива. Це відчутно обмежує потужнісні характеристики двигуна.

Двигуни на біопаливі мають суттєві переваги, але їм є кудись розвиватися.

І. Трохін

У статті розглядаються технічні особливості газопоршневих двигунів і електроагрегатів на їх основі для міні-ТЕЦ, що працюють на природному газі або альтернативному поновлюваному газоподібному паливі - біогазу. При використанні в якості палива природного газу електричний ККД таких агрегатів досягає 48,7%, а коефіцієнт корисного використання теплоти згоряння палива для міні-ТЕЦ - 96%.

Сучасні газопоршневі електроагрегати, відповідні технології когенерації та тригенерації надають споживачам можливість забезпечувати не тільки техніко-економічно вигідне виробництво електричної, теплової енергії та холоду, а й досягати цього з прийнятними в даний час екологічними показниками з емісії вихлопних газів у навколишнє середовище. Остання обставина особливо позитивно проявляється при роботі газопоршневого двигуна на біогазі. Питома теплота згоряння біогазу становить близько 23 МДж/м 3 для порівняння, у природного газу - 33-35 МДж/м 3 .

Біотехнологічний процес отримання біогазу полягає в анаеробній (без доступу кисню) деструкції (також використовуються терміни «ферментація», «бродіння», «зброджування») органічних відходів, що служать первинною сировиною ( табл. 1), з утворенням внаслідок газоподібного біоречовини (біогазу) та якісних органічних добрив. Отримання біогазу в такому процесі є дуже ефективним способом вироблення біопалива з біомаси, а органічні добрива виявляються побічним продуктом, використання якого дозволяє знизити частку мінеральних добрив, що застосовуються в сільському господарстві. Технічна реалізація виробництва біогазу здійснюється в біогазових установках. На підтримку їх робочих процесів витрачається частина енергії, що отримується з біогазу на газопоршневих електростанціях. «Попутні» органічні добрива можуть запасатися у сезонних сховищах. Біогазова установка і газопоршнева електростанція (наприклад, міні-ТЕЦ, тобто електричною потужністю до 10 МВт) розміщуються зазвичай у безпосередній близькості як єдиний комплекс з виробництва біогазу з органічної сировини та подальшого вироблення електричної та теплової енергії

Таблиця 1

Вихід біогазу та електроенергії з органічної сировини

Найменування	Об'єм біогазу, м 3 , на тонну сировини		Вироблення електроенергії на тонну вологої сировини, кВт× год
		вологого
рогатої худоби
Зернові культури
Листя картоплі
трав'яний зерновий
біологічні

Примітка. За інформаційними матеріалами компанії Ge Jenbacher (Австрія).

До складу біогазу входять такі компоненти: метан (СН 4) як горюча основа, углекислий газ (СО 2) і порівняно мала кількість супутніх при отриманні біогазу домішок (азот, водень, ароматичні та галогенні вуглеводневі сполуки). Залежно від сировинної бази, вихід біогазу в процесі анаеробної деструкції може варіюватися. У табл. 1наведено деякі оціночні величини за цим показником, а також по питомому виробленню електроенергії з розрахунку на одиницю первинної органічної сировини в системі «біогазова установка-біогазопоршнева електростанція».

Безпосередньо технології когенерації та тригенерації на газопоршневих електростанціях базуються на використанні водогрійних котлів-утилізаторів та абсорбційних холодильних установок. Останні забезпечують можливість корисної утилізації теплоти вихлопних газів від газопоршневого двигуна, знижуючи їхню температуру при скиданні в атмосферу. Крім цього, конструкції сучасних газопоршневих двигунів допускають можливість корисного використання низькопотенційної теплоти від систем охолодження та мастила. Газопоршневі двигуно-електрогенераторні агрегати, в тому числі для когенераційних установок, розробляють, випускають і надають їм сервісну підтримку багато відомих за кордоном і в Росії компанії, наприклад, MWM GmbH (Німеччина), GE Jenbacher (Австрія), MTU Onsite Energy GmbH (Німеччина). Нижче розглянуті деякі особливості конструкцій, характеристики та реалізовані проекти із застосуванням такої газопоршневої енергетичної техніки.

Біогаз чи природний газ?

Німецька компанія MWM GmbH є одним із лідируючих світових розробників та виробників газопоршневих систем для вироблення електричної та теплової енергії з біогазу. Постійне скорочення запасів невідновлюваних вуглеводневих джерел енергії та зростання енергоспоживання в загальносвітовому масштабі веде до збільшення з боку споживачів попиту на альтернативні палива (наприклад, біогаз), що отримуються з відновлюваних енергетичних ресурсів, у тому числі відходів. Тому обладнання, за допомогою якого можна ефективно виробляти біогаз та енергію, не залишається без уваги замовників установок децентралізованого енергопостачання.

Газопоршневі електроагрегати компанії MWM GmbH, один з яких показаний на Мал. 1, З синхронними генераторами успішно експлуатуються, зокрема, в Європі, причому працюють вони, в тому числі на міні-ТЕЦ, не тільки на природному газі, але і біогазу. Вироблювана електроенергія може передаватися в централізовані електроенергетичні системи. Реалізація процесу отримання біогазу у складі єдиного локального генеруючого комплексу здійснюється на власному енергозабезпеченні. Наприклад, у Німеччині успішно працює біогазопоршнева міні-ТЕЦ фірми Nawaro Kletkamp GmbH & Co. KG (Kletkamp biogas CHP plant – англ.) з двигуном TCG 2016 B V12 компанії MWM GmbH, що має електричну потужність 568 кВт. На ній щодня утилізується близько 20 т зернового силосу (corn silage – англ.), а тепловою енергією забезпечується частина споживачів сусіднього німецького міста Лютенбург (Lütjenburg – нім.). Використовується ця теплова енергія і для сушіння зерна, а також запасається в теплоакумулюючій споруді. Побічний продукт, що утворюється в процесі анаеробної ферментації вихідної для отримання біогазу сировини, є залишками субстрату і використовується як органічне добриво, що виробляється таким методом у річній кількості близько 7 тис. т.

Мал. 1. Газопоршневий двигун-генераторний агрегат компанії MWM GmbH (Німеччина)

Спеціально для роботи на біогазі адаптовані та розраховані деталі та вузли відповідних газопоршневих двигунів компанії MWM GmbH. Наприклад, конструкція поршня пристосована для роботи з підвищеним ступенем стиснення. Для забезпечення високих ресурсних показників деталей і вузлів двигунів використовуються, зокрема, гальванічні покриття. Високі енергетичні параметри біогазопоршневих генераторних установок цієї компанії (Табл. 2)досягаються, у тому числі за рахунок виключення процесу попереднього стиснення біогазу.

Таблиця 2

Номінальні параметри електроагрегату компанії MWM GmbH з двигуном типу TCG 2016 V08 C для міні-ТЕЦ

Найменування, одиниця виміру	Значення при роботі на паливі
	(60 % СН 4 , 32 % СО 2)	Природний
Електрична потужність, кВт
	Змінний, трифазний
Напруга, В
Частота струму, Гц
Середній ефективний тиск, бар
Теплова потужність, кВт
електричний тепловий
Суха маса, кг

Примітка. За інформаційними проспектами компанії MWM GmbH (Німеччина).

Старший модельний ряд у лінійці газопоршневих двигунів компанії MWM GmbH представлений серією TCG 2016. Ці двигуни можуть працювати з дуже високими значеннями ККД, як видно з табл. 2, Що досягається і за рахунок застосування оптимізованих конструкцій розподільного валу, камери згоряння і свічок запалювання. Фірменна «загальна електронна система управління» під зареєстрованим товарним знаком TEM  (Total Electronic Management - англ.) забезпечує координацію і роботу всієї двигун-генераторної установки. Передбачено температурний моніторинг для кожного з циліндрів. Функціонує також система, завдяки якій двигун може ефективно працювати при коливаннях та змінах газового складу паливоповітряної суміші. Це особливо важливо, коли як паливо передбачається використовувати такі «проблематичні» гази, як, наприклад, кам'яновугільні або з відходів органічного походження.

Революційна конфігурація

Інноваційні газопоршневі двигуни зі світовою популярністю під маркою Jen-bacher ( Мал. 2) розробляє та випускає австрійська компанія GE Jenbacher, що входить до складу підрозділу GE Energy компанії General Electric. Установки децентралізованого енергопостачання з урахуванням таких двигунів пристосовані до роботи як у природному газі, і інших газоподібних паливах, у яких входить і біогаз. Особливо позитивний економічний ефект від впровадження таких установок досягається при їх роботі з когенераційного або тригенераційного циклу. У багатьох розвинених країнах, наприклад, Австрії та Німеччини успішно експлуатуються газопоршневі електростанції з двигуно-генераторними агрегатами Jenbacher у комплексі з біогазовими установками, зокрема, при електричних та теплових потужностях від близько трьох сотень до півтори-двох тисяч кіловат.

Мал. 2. Газопоршневий двигун Jenbacher у складі електроагрегату

Революційна, як називають її самі розробники, тримодульна конфігурація сучасних електроагрегатів Jenbacher і інженерна концепція досягнення мети підвищення ефективності функціонування двигунів через підвищення їх ККД, надійності роботи та зниження емісії шкідливих викидів в атмосферу привели до створення нового га-з9 і найвищим у класі га-зопоршневих двигунів електричним ККД ( табл. 3). Тримодульне компонування електроагрегату з цим двигуном включає наступні послідовно розташовані елементи: модуль з синхронним електрогенератором, оснащеним повітряним охолодженням і цифровою системою управління; двадцятициліндровий газопоршневий силовий модуль на базі двигуна J920; допоміжний модуль з двоступінчастим турбонаддувним агрегатом. Завдяки такому компонування окремі елементи можуть бути замінені без розбирання електроагрегату в цілому.

Двигун J920 має секційований розподільний вал, що дозволяє зручну його заміну через експлуатаційне вікно, розташоване у верхній частині картера. До інших базових деталей та вузлів двигуна також передбачений зручний доступ. Великий накопичений досвід розробки та практики експлуатації системи спалювання палива для газопоршневих двигунів Jenbacher типу 6 дозволили обладнати аналізований двигун передовою форкамерною системою згоряння з іскровим запалюванням, що допускає тривалу експлуатацію. Крім цього, передбачений оперативний контроль функціонування системи з використанням спеціальних датчиків для кожного з циліндрів, що дозволяє домагатися оптимальних характеристик при згорянні палива. Система запалення - електронна, що забезпечує підбір моменту часу запалення з адаптацією до складу та (або) різновиду газоподібного палива, що використовується.

Таблиця 3

Номінальні параметри електроагрегату з двигуном Jenbacher J920 для міні-ТЕЦ на природному газі (метанове число MN > 80)

Найменування, одиниця виміру	Значення
Електрична потужність, кВт
	Змінний, трифазний
Частота струму, Гц
Частота обертання валу двигуна та генератора, об/хв
Теплова потужність, кВт
ККД за нижчою теплотою згоряння, %: електричний
Габаритні розміри (орієнтовно), мм:
Суха маса (орієнтовно), кг

Примітка. За інформацією компанії Ge Energy (www.ge-energy.com).

З вихлопного колектора частина газів, що відпрацювали в газопоршневому двигуні, використовується для приводу турбокомпресорного (турбонаддувного) агрегату. Останній при своїй роботі забезпечує приріст питомої потужності двигуна, а, отже, в кінцевому підсумку, та електричного ККД двигуно-генераторного агрегату. Застосування в двигуні фірмової запатентованої технології під зареєстрованим товарним знаком LEANOX  (Lean mixture combustion - англ.) дало можливість реалізувати процес ефективного управління співвідношенням вмісту компонентів «повітря/газове паливо» в паливно-повітряній суміші з метою мінімізації емісії шкідливих для екології вихлопних газів в атмосферу. Такий екологічний ефект досягається за рахунок функціонування двигуна на збідненій паливній суміші (співвідношення «повітря/газове паливо» коригується нижче межі всіх робочих величин) до тих пір, поки він працює стійко.

Фірмова двоступенева технологія турбонаддува дає можливість забезпечувати двигуну більш значний приріст питомої потужності, ніж це реалізується при одноступінчастому турбонаддуві. Крім цього, якщо йдеться про когенераційні установки, то при реалізації даної технології турбонаддува підвищується і загальний ККД електроагре-гата, досягаючи величини 90%, що практично на 3% вище, ніж у газопоршневих електроагрегатів з одноступеневим турбонаддувом.

Система управління двигуном J920 від компанії General Electric всебічно налагоджена та обладнана, зокрема, програмованим логічним блоком, панеллю управління та відображення інформації. Крім того, двигуни J920 розроблені з урахуванням можливостей їх експлуатації в складі багаторухових електроагрегатів, в тому числі, на ТЕЦ. Багаторухова структура електростанцій робить їх більш адаптивними до навантажень - від базових до циклічних та пікових. Час пуску двигуна до виходу на номінальний режим становить 5 хв.

Рекордна енергоефективність

Німецька компанія MTU Onsite Energy GmbH також займається розробкою та виробництвом високоефективних сучасних газопоршневих агрегатів ( Мал. 3), зокрема призначених до роботи у складі міні-ТЕЦ. Цікаво, що її фахівці створили газопоршневий енергетичний агрегат типу GC 849 N5 ( табл. 4), з використанням якого в Німеччині на Фаубанській міні-ТЕЦ (Vauban HKW) вдалося досягти дійсно рекордного показника з перетворення первинної енергії згоряння палива (природного газу) в електричну та корисно утилізовану теплову енергію: коефіцієнт корисного використання теплоти згоряння палива близько 96%! Такий високий показник забезпечується за рахунок використання на міні-ТЕЦ, крім самого газо-поршневого агрегату, та обладнання для глибокої утилізації теплоти від вихлопних газів та мастильно-охолоджувальних систем двигуна. Крім цього, теплота від двигуна і ще синхронного генератора утилізується за допомогою електричного теплового насоса, що забезпечує, принаймні, охолодження простору навколо когенераційного агрегату. З урахуванням усіх ступенів і контурів теплоутилізації, при номінальних режимах роботи з електричного та теплового навантажень міні-ТЕЦ, зазначений коефіцієнт і досягає рекордного значення - аж до 96%.

Значення

Електрична потужність, кВт

Змінний, трифазний

Напруга, В

Частота струму, Гц

Основним способом застосування біогазу є перетворення його на джерело теплової, механічної та електричної енергії. Проте великі біогазові установки можна використовуватиме створення виробництв отримання цінних хімічних продуктів народного господарства.

На біогазі можуть працювати газоспалюючі пристрої, що виробляють енергію, яка використовується для опалення, освітлення, постачання кормоприготувальних цехів, для роботи водонагрівачів, газових плит, інфрачервоних випромінювачів та двигунів внутрішнього згоряння.

Найбільш простим способом є спалювання біогазу в газових пальниках, так як газ можна підводити до них з газгольдерів під низьким тиском, але більш переважно використання біогазу для отримання механічної та електричної енергії. Це спричинить створення власної енергетичної бази, що забезпечує експлуатаційні потреби господарств.

Таблиця 18. Компоненти біогазу

Газові горілки

Рис.34. Газова плита, що працює
на біогазі у с. Петрівка

Основою більшості побутових приладів, у яких можна використовувати біогаз, є пальник. У більшості випадків, кращі пальники атмосферного типу, що працюють на попередньо змішаному з повітрям біогазу. Споживання газу пальниками складно підрахувати заздалегідь, тому конструкція та налаштування пальників повинні визначатись для кожного індивідуального випадку експериментально.

У порівнянні з іншими газами, біогазу потрібно менше повітря для загоряння. Отже, звичайні газові прилади потребують ширших жиклерів для проходження біогазу. Для повного згоряння 1 літра біогазу необхідно близько 5,7 літрів повітря, тоді як для бутану – 30,9 літрів та для пропану – 23,8 літрів. .

Модифікація та адаптація стандартних пальників є справою експерименту. По відношенню до найбільш поширених побутових приладів, пристосованих для використання бутану і пропану можна відзначити, що бутан і пропан мають теплотворну здатність майже в 3 рази вище, ніж біогаз і дають у 2 рази більше полум'я.

Переведення пальників на роботу на біогазі завжди призводить до нижчих рівнів роботи приладів. Практичні заходи для модифікації пальників включають:
збільшення жиклерів у 2-4 рази для проходження газу;
зміна обсягу подачі повітря.

Газові плити
Перед використанням газової плити пальники повинні бути ретельно відрегульовані для досягнення:
компактного, блакитнуватого полум'я;
полум'я має спонтанно стабілізуватися, тобто. ділянки пальника, що не горять, повинні самостійно загорятися протягом 2-3 секунд.

Рис.35. Водонагрівальний котел
для опалення будинку з випромінюючими керамічними нагрівачами в с. Петрівка

Випромінювальні нагрівачі
Випромінювальні нагрівачі використовуються в сільському господарстві для отримання потрібних температур для вирощування молодняку, наприклад, поросят і курчат в обмеженому просторі. Необхідна поросятам температура починається від 30-35 ° C в перший тиждень і потім повільно падає до температури 18-23 ° C в 4 і 5 тижнів.

Як правило, регулювання температури полягає у піднятті або опусканні обігрівача. Хороша вентиляція є необхідністю для запобігання концентрації CO або CO2. Отже, тварини повинні бути під постійним наглядом, і температура перевіряється через регулярні інтервали. Обігрівачі для поросят чи курчат споживають близько 0,2 – 0,3 м3 біогазу на годину.

Теплове випромінювання обігрівачів

Рис.36. Регулятор тиску газу

Фото: Вєдєнєв А.Г.., ОФ «Флюїд»

Випромінювачі реалізують інфрачервоне теплове випромінювання через керамічне тіло, яке нагрівається до яскраво-червоного стану при температурах 900-1000°C полум'ям. Обігріваюча можливість випромінюючого обігрівача визначається множенням обсягу газу на чисту теплотворну здатність, так як 95% енергії біогазу перетворюється на тепло. Вихід теплової енергії від маленьких нагрівачів складає
від 1.5 до 10 кВт теплової енергії8.

Запобіжник та повітряний фільтр
Випромінювальні нагрівачі, що використовують біогаз, повинні завжди бути обладнані запобіжником, який припиняє подачу газу у разі зниження температури, тобто у випадку, коли газ не спалюється.

Споживання біогазу
Побутові газові пальники споживають 0,2 – 0,45 м3 біогазу на годину, а промислові – від 1 до 3 м3 біогазу на годину. Необхідний обсяг біогазу для приготування їжі може бути визначений на підставі часу, який щодня витрачається на приготування їжі.

Таблиця 19. Витрата біогазу для побутових потреб

Двигуни, що працюють на біогазі
Біогаз можна застосовувати як паливо для автомобільних двигунів, причому ефективність його в цьому випадку залежить від вмісту метану та наявності домішок. На метані можуть працювати як карбюраторні, і дизельні двигуни. Однак, оскільки біогаз є високооктановим паливом, ефективніше його використання в дизельних двигунах.
Для роботи двигунів потрібна велика кількість біогазу та встановлення на двигуни внутрішнього згоряння додаткових пристроїв, які дозволяють їм працювати як на бензині, так і на метані.

Рис.37. Газоелектрогенератор у с. Петрівка

Фото: Вєдєнєв А.Г.., ОФ «Флюїд»

Газоелектрогенератори
Досвід показує, що біогаз економічно доцільно використовувати в газоелектрогенераторах, при цьому спалювання 1 м3 біогазу дозволяє виробляти від 16 до 23 кВт електроенергії. Ефективність такого використання біогазу підвищується за рахунок використання теплової енергії, що утворюється при охолодженні двигуна електрогенератора для обігріву реактора біогазової установки.

Очищення біогазу

Для використання біогазу як паливо для двигунів внутрішнього згоряння необхідно попереднє очищення біогазу від води, сірководню та вуглекислоти.

Зменшення вмісту вологи

Біогаз насичений вологою. Очищення біогазу від вологи полягає у його охолодженні. Це досягається при пропущенні біогазу підземною трубою для конденсації вологи при нижчих температурах. Коли газ знову підігрівається, вміст вологи у ньому суттєво зменшується. Таке висушування біогазу особливо корисне для використовуваних лічильників сухого газу, оскільки вони згодом обов'язково заповнюються вологою.

Зменшення вмісту сірководню

Рис.38. Сірководневий фільтр та абсорбер для відділення вуглекислоти у с. Петрівка
Фото: Вєдєнєв А.Г.., ОФ «Флюїд»
Сірководень, що змішується в біогазі з водою, утворює кислоту, що викликає корозію металу. Це є серйозним обмеженням використання біогазу у водяних обігрівачах та двигунах.
Найбільш простим та економічним способом очищення біогазу від сірководню є сухе очищення у спеціальному фільтрі. Як абсорбер застосовується металева «губка», що складається з суміші окису заліза та дерев'яної стружки. За допомогою 0,035 м3 металевої губки з біогазу можна витягти 3,7 кг сірки. Якщо вміст сірководню в біогазі становить 0,2%, то цим обсягом металевої губки можна очистити від сірководню близько 2500 м3 газу. Для регенерації її необхідно потримати деякий час на повітрі.
Мінімальна вартість матеріалів, простота експлуатації фільтра та регенерація абсорбера роблять цей метод надійним засобом захисту газгольдера, компресорів та двигунів внутрішнього згоряння від корозії, викликаної тривалим впливом сірководню, що міститься в біогазі. Окис цинку також є ефективним абсорбентом сірководню, причому ця речовина має додаткові переваги: ​​вона абсорбує також органічні сполуки сірки (карбоніл, меркаптан тощо).

Зменшення вмісту вуглекислоти
Зменшення вмісту вуглекислоти – складний та дорогий процес. В принципі, вуглекислота може бути відокремлена шляхом вбирання у вапняне молоко, але така практика призводить до утворення великих обсягів вапна, і не підходить для використання у системах великого обсягу. Вуглекислота сама по собі є цінним продуктом, який можна використовувати у різних виробництвах.

Рис.39. УАЗ, що працює на біогазі
у с. Петрівка
Фото: Вєдєнєв А.Г.., ОФ «Флюїд»

Використання метану
Сучасні дослідження хіміків відкривають великі можливості використання газу – метану, для виробництва сажі (фарбувальну речовину та сировину для гумової промисловості), ацетилену, формальдегіду, метилового та етилового спирту, метилену, хлороформу, бензолу та інших цінних хімічних продуктів на базі великих біогазових установок18.

Споживання біогазу двигунами
У с. Петрівка Чуйської області КР біогазова установка Асоціації «Фермер» об'ємом 150 м3 забезпечує біогазом для побутових потреб 7 селянських господарств, роботу газоелектрогенератора та 2-х автомашин – УАЗу та ЗІЛу. Для роботи на біогазі двигуни були дообладнані спеціальними пристроями, а машини - сталевими балонами для закачування газу.
Середні значення споживання біогазу для виробництва 1 кВт електроенергії двигунами Асоціації «Фермер» – близько 0,6 м3 на годину.

Таблиця 20. Використання біогазу як моторне паливо в с. Петрівка

Рис.40. Смолоскипний пальник для спалювання надлишків біогазу в с. Петрівка
Фото: Вєдєнєв А.Г.., ОФ «Флюїд»

Ефективність використання біогазу
Ефективність використання біогазу становить 55% для газових плит, 24% для двигунів внутрішнього згоряння. Найбільш ефективний шлях використання біогазу – як комбінація тепла та енергії, при якому можна досягти 88% ефективності8. Використання біогазу для роботи газових пальників у газових плитах, опалювальних котлах, кормозапарниках та теплицях – найкращий вид використання біогазу для фермерських господарств Киргизстану.

Надлишки біогазу
У разі надлишку біогазу, що виробляється установкою, рекомендується не викидати його в атмосферу - це призведе до несприятливого впливу на клімат, а спалювати. Для цього в газорозподільну систему встановлюється факельний пристрій, який повинен знаходитись на безпечній відстані від будівель.

Досвід експлуатації газопоршневих агрегатів на біогазі

1. Введення

Завдання сучасної енергетики - забезпечувати надійне та довгострокове енергопостачання за одночасного збереження копалин паливних ресурсів та захисту навколишнього середовища. Для цього необхідний економний підхід до використання існуючих енергоресурсів та перехід на відновлювані джерела. Дослідження, проведене Єврокомісією, довело, що це можливо.

При проведенні дослідження приймали до уваги лише існуючі сьогодні на ринку технології, і передбачалося, що рівень життя в європейських країнах зрівнюватиметься. Так, до 2050 року 90% енергії, що споживається європейськими країнами, цілком може бути вироблена з використанням відновлюваних енергоресурсів (рис. 1). При цьому ціна на електроенергію збільшиться вдвічі, але водночас і споживання енергоносіїв зменшиться вдвічі. Майже третина енергії буде вироблятися з біомаси.

Малюнок 1 - Споживання енергоносіїв у Європі (дослідження Єврокомісії)

Біомаса - це загальний термін для позначення органічних продуктів і відходів (рідкий гній, зернові залишки, олійні та цукрозмісні культури), промислових та побутових відходів, деревини, відходів харчової промисловості та ін. Суху біомасу можна відразу використовувати як паливо, в інших випадках її можна перетворити на біогаз шляхом «зброджування», газифікації або випарювання (рис. 2).

Малюнок 2 - Використання біомаси

2. Утворення біогазу

У природі біогаз утворюється при розкладанні органічних сполук в анаеробних умовах, наприклад у болотах, на берегах водойм та травному тракті деяких тварин. Таким чином, фізика природних процесів показує нам шляхи отримання біогазу.

Для промислового виробництва потрібна розробка комплексної технології, що включає такі компоненти, як накопичувач біомаси, біогазовий реактор (ферментатор), в якому відбувається зброджування, і резервуар для біогазу з системою очищення (рис. 3).

Рисунок 3 — Виробництво електричної енергії під час використання біогазу

Майже всі органічні речовини розкладаються шляхом ферментації. В анаеробних умовах мікроорганізми, що беруть участь у процесі зброджування або розкладання, адаптуються до вихідного субстрату. У зв'язку з тим, що бродіння відбувається у вологому середовищі, біосубстрат повинен містити приблизно 50% води. Біологічне розкладання здійснюється за температури від 35 °С до 40 °С. При анаеробному бродінні відбувається багатоступінчастий процес перетворення органічних речовин з високомолекулярних сполук низькомолекулярні, які можна розчинити у воді. На одному етапі розчинені речовини розкладаються, утворюючи органічні кислоти, низькоградусний алкоголь, водень, аміак, сірководень та вуглекислий газ. На іншому - бактерії перетворюють речовини на оцтову та мурашину кислоти і в процесі метаногенезу розщеплюють їх, утворюючи метан.

4 НCOO H → CH 4 + 3 CO 2 + 2 H 2 O

Одночасно вміст CO2 зменшується за рахунок водню, внаслідок чого також утворюється метан.

CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O

Як сировина для біогазу часто використовується рідкий гній. Для збільшення виходу газу можна додати так звані коферменти, за рахунок яких гомогенізується виробництво біогазу, обсяг якого залежить від субстрату, що використовується (Таблиця 1).

Таблиця 1 - Вихід біогазу для різних видів біомаси

Сировина для біогазу	Кількість біомаси	Кількість біогазу
Рідкий гній (велика рогата худоба)	1 м 3	20 м 3
Рідкий гній (свині)	1 м 3	30 м 3
Послід птиці	1 м 3	40 м 3
Осад стічних вод	1 м 3	5 м 3
Біовідходи	1 тонна	100 м 3
Відпрацьовані жири	1 тонна	650 м 3
Трава	1 тонна	125 м 3

3. Якість біогазу та його підготовка до використання

Якість біогазу та підготовка паливного газу не залежить від використовуваної вихідної сировини та від швидкості процесу. У Табл. 2 представлено порівняння складу різних видів газу.

Таблиця 2 - Зразковий порівняльний склад паливних газів

		Біогаз	Газ стічних вод	Газ сміттєвих звалищ	Природний газ
CH 4	%	50...75	65	50	88
CO 2	%	20...50	35	27	—
N 2	%	0...5	—	23	5
густина	кг/нм 3	1,2	1,158	1,274	0,798
Теплотворна здатність	кВт·год/нм 3	5,0...7,5	6,5	4,8	10,1
Метанове число	од.	124...150	134	136	80...90

Оскільки біогаз містить такі шкідливі компоненти як сірка, аміак, іноді кремній, а також їх сполуки, можливості його використання обмежені. Дані компоненти можуть стати причиною зносу та корозії двигунів внутрішнього згоряння, тому їх вміст у газі не повинен перевищувати встановлених MWM норм. Крім того, гази, що відпрацювали, не можна охолоджувати до температури менше 140...150 °С, в іншому випадку, в теплообмінниках і в нижній частині системи каналів для відпрацьованого газу накопичуватиметься кислотний конденсат.

Існує кілька способів видалення сірки із паливного газу. При біологічному очищенні в зону газу ферментаторі подається повітря. В результаті окислення бактеріями сірководню відокремлюються сірка та сульфат, які видаляються з рідкими компонентами. Інший спосіб – це хімічне осадження. У цьому випадку розчин у ферментаторі додається трихлорид заліза. Ці методи добре зарекомендували себе в установках для очищення стічних вод.

Найбільш оптимальні результати досягаються при очищенні газу з використанням активованого вугілля, причому з газу видаляється не тільки сірка, а й кремній. В цьому випадку якість біогазу відповідає якості природного газу, а використання окисного каталітичного газонейтралізатора забезпечує додаткове зниження рівня емісії вихлопних газів.

4. Використання біогазу для ТЕЦ на базі газопоршневих двигунів

Компанія MWM GmbH (в минулому Deutz Power Systems) виготовляє газопоршневі агрегати з турбонаддувом, що працюють на збідненій суміші в діапазоні номінальної потужності від 400 до 4300 кВт (рис. 4). Ці двигуни адаптовані до коливань компонентного складу біогазу і оптимізовані для роботи на газах складних складів.

Рисунок 4 – Діапазон потужності газових двигунів MWM GmbH (колишній DEUTZ Power Systems)

Номінальні параметри вказані відповідно до ISO 3046. Характеристики дані лише для інформації та не є обов'язковими значеннями.

Компанія MWM GmbH має багатий досвід експлуатації газопоршневих двигунів на газі сміттєзвалищ і стічних вод (перші такі моделі почали працювати майже 100 років тому на газі стічних вод) і використовує накопичений досвід для подальшого вдосконалення модельного ряду та підвищення надійності когенераційних систем, що випускаються. (рис. 5)

Рисунок 5 - Розвиток газопоршневих двигунів (за період 1988 - 2002 рр.)

Основне завдання при цьому - зробити двигуни більш стійкими до дії шкідливих речовин, що містяться у газі. Різні домішки утворюють кислоти, що негативно впливають на компоненти двигунів, насамперед на підшипники. Подібний негативний вплив може бути усунений, з одного боку, оптимізацією режиму роботи та змінами технології виготовлення підшипників, з іншого.

Якщо експлуатувати установку з температурою мастила близько 95 °С (на вході двигуна) та уникати частих зупинок та пусків, то можна зменшити ризик кислотоутворення через виникнення в картері конденсату під час фази охолодження. У зв'язку з вищесказаним, по можливості двигун повинен працювати без зупинок. Накопичення газу в достатньому обсязі газосховища забезпечить безперервну подачу палива, що необхідно для безперебійної роботи газового двигуна.

Досвід, отриманий в ході експлуатації двигунів, що працюють на біогаз, показав, що для підшипників необхідно використовувати особливі матеріали. Оскільки ККД двигуна та робочий тиск збільшуються, потрібні підшипники з вищим номінальним навантаженням. В даний час широко використовуються підшипники з напиленням, які забезпечують усі вимоги щодо надійності. Завдяки суцільній твердій поверхні вони більш стійкі до впливу агресивних речовин, що містяться в газі та мастилі, ніж традиційні кулькові підшипники з канавкою (рис. 6).

Рисунок 5 — Порівняння пікового тиску мастильної плівки

Якість мастила має істотний вплив на термін служби та знос двигуна. Отже, в процесі експлуатації повинні використовуватися ті марки олії, які виробник газового двигуна затвердив для даного виду газу. Інтервали заміни олії визначаються під час введення електростанції в експлуатацію за результатами аналізу якості олії. У процесі експлуатації двигуна проводиться постійний моніторинг якості мастила, після чого приймається рішення про його заміну. Перший аналіз олії виконується через 100 годин експлуатації незалежно від виду паливного газу. Інтервали технічного обслуговування клапанів визначається аналогічно.

Щоб продовжити інтервали заміни мастила, його кількість у рамі-основі двигунів повинна бути збільшена. Для цієї мети компанія MWM пропонує своїм клієнтам агрегати зі збільшеним об'ємом олії у рамі двигуна. Олія постійно подається в мастильний контур, проходячи через раму-основу по діагоналі (рис. 10):

Малюнок 6 - Подача мастила

Крім конструкційних особливостей самих моторів, не останню роль у забезпеченні безпечної та надійної експлуатації біогазових агрегатів відіграє система контролю та управління TEM (Total Electronic Management компанії MWM). Вона визначає всі робочі стани, показники температури, тиску і т. д. і на підставі отриманих даних задає оптимальну вихідну потужність двигуна при максимальному ККД, не виходячи за встановлені межі викидів. У системі TEM є опція складання аналітичних графіків зміни експлуатаційних параметрів станції – це дозволяє своєчасно виявляти порушення у роботі та швидко на них реагувати.

Компанія постачає комплектні енергетичні установки, що працюють на біогазі. До їх складу входять газопоршневий агрегат, котел-утилізатор, шумоглушник, каталітичні газонейтралізатори, система очищення газу активованим вугіллям і, якщо потрібно, додаткова система подальшого очищення газів, що відпрацювали. (Мал. 7).

Малюнок 7 - Приклад компонування міні ТЕЦ ( клікнути на зображення для збільшення)

На рис. 8 показані питомі капіталовкладення та середні витрати на техобслуговування установок, що працюють на біогазі. Дані узагальнюють досвід експлуатації установок серії TBG 616 та TBG 620. Вони включають витрати на газопоршневий агрегат, теплообмінники для охолоджуючої рідини та відпрацьованих газів, шумоглушники, а також витрати на розподільчу установку, включаючи монтаж та систему трубопроводів. З 2005 року установки серії TBG були модернізовані у серію TCG 2016 C та TCG 2020 відповідно.

Рисунок 8 - Капіталовкладення та витрати на техобслуговування

У 2009 році, після проведення чергової модернізації модельного ряду, для серії TCG 2020 вдалося досягти електричного ККД рівного 43,7% для когенераційного агрегату TCG 2020 V20, а електричну потужність 12-ти і 16-ти циліндрових газових двигунів 60 довести відповідно до 1 кВт. Серйозна модернізація зачепила також агрегат TCG 2016 V08. Електрична потужність даного агрегату збільшена до 400 кВт, а електричний ККД зріс до 42,2%. Причому електричний ККД і потужність, що видається, однакові як при використанні природного газу, так і для біогазів.

5. Практичне використання різних видів сировини для вироблення енергії

У м. Бранденбург(Німеччина) встановлено електростанцію, що виробляє біогаз із харчових та побутових відходів (фото 1). За рік утилізується близько 86 000 тонн біовідходів.

Фото 1 - Біогазова установка в Альтено.

Процес отримання біогазу здійснюється у певній послідовності. Після видалення компонентів, що не утилізуються, біовідходи подрібнюються і перемішуються, отримана маса нагрівається до 70 °С, щоб убити патогенні організми. Потім відходи направляються у два ферментатори, кожен з яких вміщує 3300 м3 біомаси. Мікроорганізми розщеплюють біомасу (приблизно за 20 днів), внаслідок чого утворюється біогаз та залишкова кількість рідини, яка потім віджимається, і сухий залишок знову проходить біологічну переробку як компост.

На біогазі працюють два газопоршневі двигуни TBG 616 V16K виробництва Deutz Power Systems, електрична потужність кожного з них становить 626 кВт, теплова - 834 кВт. Електрична енергія, що виробляється, подається в енергомережу, а тепло використовується для вироблення газу. Рівні викидів шкідливих речовин нижче граничних значень, вказаних німецьким стандартом TA-Luft.

Установка на біоагзі працює також у Айгігтена тваринницькому господарстві компанії Agrofarm 2000 GmbH. Компанія обробляє 2200 гектарів орної землі та 1100 га пасовищ у Eichigt/Vogtland. Частина врожаю сільськогосподарських культурур, що вирощуються, використовується як корм для 1550 корів, від яких отримують 10 650 000 кг молока на рік. При цьому щодня утворюється від 110 до 120 м 3 рідкого гною - він зброджується в ферментаторі, в результаті чого виробляється 4000 ... 4400 м 3 біогазу. До гною додаються залишки кормів (до 4 т/сут), рахунок чого виробництво газу збільшується на 20%.

Міні-ТЕЦ встановлена ​​в контейнері (фото 2), як привод використовується двигун TBG 616 V16 K, електрична потужність якого становить 459 кВт, теплова - 225 кВт. Електроенергія подається до енергомережі, а тепло використовується для потреб господарства. Як сировина для біогазу використовується рідкий гній.

Фото 2 — Когенераційний агрегат MWM (колишній DEUTZ Power Systems) у контейнерному виконанні з двигуном TBG 616 V16

Цикл утилізації біомаси практично безвідходний. Залишки, що утворюються в процесі анаеробного зброджування, не мають запаху, і їх можна використовувати на полях як добрива протягом усього року.

Висновки

• Використання сільськогосподарських відходів як біопаливо дозволяє забезпечити замкнутий цикл сільськогосподарського виробництва. Залишок від анаеробного зброджування не має запаху та може бути вивезений на поля у вигляді добрива. Такий вид добрива відразу поглинається рослинами без забруднення ґрунту чи ґрунтових вод.
• Вироблення енергії з біогазу, у світлі регулярних енергетичних криз, відносять до перспективних відновлюваних джерел енергії. Біогазові установки перетворюють сонячну енергію, накопичену рослинами, на біогаз в ході процесу біологічного розкладання. Цей процес є нейтральним щодо баллансу CO 2 , оскільки в атмосферу вивільняється тільки та кількість діоксиду вуглецю, яка раніше була поглинена рослинами у процесі фотосинтезу.
• Вироблення електричної та теплової енергії у біогазових установках є перспективною технологією, яка допомагає людству стати незалежним від обмежених запасів викопного палива, а також захищає навколишнє середовище.
• Компанія MWM GmbH пропонує своїм клієнтам установки для вироблення електроенергії та тепла на базі сучасних, безпечних та надійних газових двигунів.

Оригінал статті було надруковано для: VIth International Scientific Conference GAS ENGINES 2003 in Poland, 02 - 06 June 2003