Как сделать биогазовый двигатель в minecraft. Основные типы двигателей: на биотопливе. Биогаз или природный газ

И. Трохин

В статье рассматриваются технические особенности газопоршневых двигателей и электроагрегатов на их основе для мини-ТЭЦ, работающих на природном газе или альтер-нативном возобновляемом газообразном топливе - биогазе. При использовании в качестве топлива природного газа, электрический КПД таких агрегатов достигает 48,7 %, а коэффициент полезного использования теплоты сгорания топлива для мини-ТЭЦ - 96 %.

Современные газопоршневые электроагрегаты, соответствующие технологии когене-рации и тригенерации предоставляют потребителям возможность обеспечивать не только технико-экономически выгодное производство электрической, тепловой энергии и холода, но и достигать этого с приемлемыми в настоящее время экологическими показателями по эмиссии выхлопных газов в окружающую среду. Последнее обстоятельство особенно поло-жительно проявляется при работе газопоршневого двигателя на биогазе. Удельная теплота сгорания биогаза составляет порядка 23 МДж/м 3 , для сравнения, у природного газа - 33-35 МДж/м 3 .

Биотехнологический процесс получения биогаза состоит в анаэробной (без доступа кислорода) деструкции (также используются термины «ферментация», «брожение», «сбра-живание») органических отходов, служащих первичным сырьем (табл. 1 ), с образованием в результате газообразного биовещества (биогаза) и качественных органических удобрений. Получение биогаза в таком процессе является весьма эффективным способом выработки биотоплива из биомассы, а органические удобрения оказываются побочным продуктом, ис-пользование которого позволяет снизить долю минеральных удобрений, применяемых в сельском хозяйстве. Техническая реализация производства биогаза осуществляется в биога-зовых установках. На поддержание их рабочих процессов расходуется часть энергии, полу-чаемой из биогаза на газопоршневых электростанциях. «Попутные» органические удобрения могут запасаться в сезонных хранилищах. Биогазовая установка и газопоршневая электро-станция (например, мини-ТЭЦ, т. е. электрической мощностью до 10 МВт) размещаются обычно в непосредственной близости как единый комплекс по производству биогаза из орга-нического сырья и последующей выработки электрической и тепловой энергии

Таблица 1

Выход биогаза и электроэнергии из органического сырья

Примечание. По информационным материалам компании GE Jenbacher (Австрия).

В состав биогаза входят следующие компоненты: метан (СН 4) как горючая основа, уг-лекислый газ (СО 2) и сравнительно малое количество сопутствующих при получении биогаза примесей (азот, водород, ароматические и галогенные углеводородные соединения). В зави-симости от сырьевой базы, выход биогаза в процессе анаэробной деструкции может варьиро-ваться. В табл. 1 приведены некоторые оценочные величины по этому показателю, а также по удельной выработке электроэнергии из расчета на единицу первичного органического сырья в системе «биогазовая установка-биогазопоршневая электростанция».

Непосредственно технологии когенерации и тригенерации на газопоршневых элек-тростанциях базируются на использовании водогрейных котлов-утилизаторов и абсорбцион-ных холодильных установок. Последние обеспечивают возможность полезной утилизации теплоты выхлопных газов от газопоршневого двигателя, снижая их температуру при сбросе в атмосферу. Кроме этого, конструкции современных газопоршневых двигателей допускают возможность полезного использования низкопотенциальной теплоты от систем охлаждения и смазки. Газопоршневые двигатель-электрогенераторные агрегаты, в том числе для когене-рационных установок, разрабатывают, выпускают и предоставляют им сервисную поддерж-ку многие известные за рубежом и в России компании, например, MWM GmbH (Германия), GE Jenbacher (Австрия), MTU Onsite Energy GmbH (Германия). Ниже рассмотрены некото-рые особенности конструкций, характеристики и реализованные проекты с применением та-кой газопоршневой энергетической техники.

Биогаз или природный газ?

Германская компания MWM GmbH является одним из лидирующих мировых разра-ботчиков и производителей газопоршневых систем для выработки электрической и тепловой энергии из биогаза. Постоянное сокращение запасов невозобновляемых углеводородных ис-точников энергии и рост энергопотребления в общемировом масштабе ведет к увеличению со стороны потребителей спроса на альтернативные топлива (например, биогаз), получаемые из возобновляемых энергетических ресурсов, в том числе, отходов. Поэтому оборудование, с помощью которого можно эффективно производить биогаз и энергию, не остается без вни-мания заказчиков установок децентрализованного энергоснабжения.

Газопоршневые электроагрегаты компании MWM GmbH, один из которых показан на рис. 1 , с синхронными генераторами успешно эксплуатируются, в частности, в Европе, при-чем работают они, в том числе на мини-ТЭЦ, не только на природном газе, но и биогазе. Вы-рабатываемая электроэнергия может передаваться в централизованные электроэнергетиче-ские системы. Реализация процесса получения биогаза в составе единого локального генери-рующего комплекса осуществляется на собственном энергообеспечении. Например, в Гер-мании успешно работает биогазопоршневая мини-ТЭЦ фирмы Nawaro Kletkamp GmbH & Co. KG (Kletkamp biogas CHP plant - англ.) с двигателем TCG 2016 B V12 компании MWM GmbH, имеющая электрическую мощность 568 кВт. На ней ежедневно утилизируется около 20 т зернового силоса (corn silage - англ.), а тепловой энергией обеспечивается часть потре-бителей соседнего германского города Лютьенбург (Lütjenburg - нем.). Используется эта те-пловая энергия и для сушки зерна, а также запасается в теплоаккумулирующем сооружении. Побочный продукт, образуемый в процессе анаэробной ферментации исходного для получе-ния биогаза сырья, представляет собой остатки субстрата и используется как органическое удобрение, вырабатываемое таким методом в годовом количестве около 7 тыс. т.

Рис. 1. Газопоршневой двигатель-генераторный агрегат компании MWM GmbH (Германия)

Специально для работы на биогазе адаптированы и рассчитаны детали и узлы соот-ветствующих газопоршневых двигателей компании MWM GmbH. Например, конструкция поршня приспособлена для работы с повышенной степенью сжатия. Для обеспечения высо-ких ресурсных показателей деталей и узлов двигателей используются, в частности, гальвани-ческие покрытия. Высокие энергетические параметры биогазопоршневых генераторных ус-тановок этой компании (табл. 2) достигаются, в том числе за счет исключения процесса предварительного сжатия биогаза.

Таблица 2

Номинальные параметры электроагрегата компании MWM GmbH с двигателем типа TCG 2016 V08 C для мини-ТЭЦ

Примечание. По информационным проспектам компании MWM GmbH (Германия).

Старший модельный ряд в линейке газопоршневых двигателей компании MWM GmbH представлен серией TCG 2016. Данные двигатели могут работать с весьма высокими значениями КПД, как видно из табл. 2 , что достигается и за счет применения оптимизиро-ванных конструкций распределительного вала, камеры сгорания и свечей зажигания. Фир-менная «общая электронная система управления» под зарегистрированным товарным знаком TEM  (Total Electronic Management - англ.) обеспечивает координацию и работу всей двига-тель-генераторной установки. Предусмотрен температурный мониторинг для каждого из ци-линдров. Функционирует также система, благодаря которой двигатель может эффективно работать при колебаниях и изменениях газового состава топливовоздушной смеси. Это осо-бенно важно, когда в качестве топлива предполагается использовать такие «проблематич-ные» газы, как, например, каменноугольные или из отходов органического происхождения.

Революционная конфигурация

Инновационные газопоршневые двигатели с мировой известностью под маркой Jen-bacher (рис. 2 ) разрабатывает и выпускает австрийская компания GE Jenbacher, входящая в состав подразделения GE Energy компании General Electric. Установки децентрализованного энергоснабжения на базе таких двигателей приспособлены для работы как на природном га-зе, так и других газообразных топливах, в число которых входит и биогаз. Особенно положи-тельный экономический эффект от внедрения таких установок достигается при их работе по когенерационному или тригенерационному циклу. Во многих развитых странах, например, Австрии и Германии успешно эксплуатируются газопоршневые электростанции с двигатель-генераторными агрегатами Jenbacher в комплексе с биогазовыми установками, в частности, при электрических и тепловых мощностях от порядка трех сотен до полутора-двух тысяч ки-ловатт.

Рис. 2. Газопоршневой двигатель Jenbacher в составе электроагрегата

Революционная, как называют ее сами разработчики, трехмодульная конфигурация современных электроагрегатов Jenbacher и инженерная концепция достижения цели повы-шения эффективности функционирования двигателей через повышение их КПД, надежности работы и снижение эмиссии вредных выбросов в атмосферу привели к созданию нового га-зопоршневого двигателя J920 с двухступенчатым турбонаддувом и наивысшим в классе га-зопоршневых двигателей электрическим КПД (табл. 3 ). Трехмодульная компоновка элек-троагрегата с этим двигателем включает в себя следующие последовательно расположенные элементы: модуль с синхронным электрогенератором, оснащенным воздушным охлаждени-ем и цифровой системой управления; двадцатицилиндровый газопоршневой силовой модуль собственно на базе двигателя J920; вспомогательный модуль с двухступенчатым турбонад-дувным агрегатом. Благодаря такой компоновке отдельные элементы могут быть заменены без разборки электроагрегата в целом.

Двигатель J920 имеет секционированный распределительный вал, что допускает удобную его замену через эксплуатационное окно, расположенное в верхней части картера. К другим базовым деталям и узлам двигателя тоже предусмотрен удобный доступ. Обшир-ный накопленный опыт разработки и практики эксплуатации системы сжигания топлива для газопоршневых двигателей Jenbacher типа 6 позволили оборудовать рассматриваемый двига-тель передовой форкамерной системой сгорания с искровым зажиганием, допускающей дли-тельную эксплуатацию. Кроме этого, предусмотрен оперативный контроль функционирова-ния системы с использованием специальных датчиков для каждого из цилиндров, что позво-ляет добиваться оптимальных характеристик при сгорании топлива. Система зажигания - электронная, обеспечивающая подбор момента времени зажигания с адаптацией к составу и (или) разновидности используемого газообразного топлива.

Таблица 3

Номинальные параметры электроагрегата с двигателем Jenbacher J920 для мини-ТЭЦ на природном газе (метановое число MN > 80)

Примечание. По информации компании GE Energy (www.ge-energy.com).

Из выхлопного коллектора часть отработавших в газопоршневом двигателе газов ис-пользуется для привода турбокомпрессорного (турбонаддувного) агрегата. Последний при своей работе обеспечивает прирост удельной мощности двигателя, а, следовательно, в ко-нечном итоге, и электрического КПД двигатель-генераторного агрегата. Применение в дви-гателе фирменной запатентованной технологии под зарегистрированным товарным знаком LEANOX  (Lean mixture combustion - англ.) дало возможность реализовать процесс эффек-тивного управления соотношением содержания компонентов «воздух/газовое топливо» в то-пливовоздушной смеси с целью минимизации эмиссии вредных для экологии выхлопных га-зов в атмосферу. Такой экологический эффект достигается за счет функционирования двига-теля на обедненной топливной смеси (соотношение «воздух/газовое топливо» корректирует-ся ниже границы всех рабочих величин) до тех пор, пока он работает устойчиво.

Фирменная двухступенчатая технология турбонаддува дает возможность обеспечи-вать двигателю более значительный прирост удельной мощности, чем это реализуется при одноступенчатом турбонаддуве. Кроме этого, если речь идет о когенерационных установках, то при реализации данной технологии турбонаддува повышается и общий КПД электроагре-гата, достигая величины 90 %, что практически на 3 % выше, чем у газопоршневых электро-агрегатов с одноступенчатым турбонаддувом.

Система управления двигателем J920 от компании General Electric всесторонне отла-жена и оборудована, в частности, программируемым логическим блоком, панелью управле-ния и отображения информации. Помимо всего этого, двигатели J920 разработаны с учетом допускаемой возможности их эксплуатации в составе многодвигательных электроагрегатов, в том числе, на ТЭЦ. Многодвигательная структура электростанций делает их более адап-тивными к нагрузкам - от базовых до циклических и пиковых. Время пуска двигателя до вы-хода на номинальный режим составляет 5 мин.

Рекордная энергоэффективность

Германская компания MTU Onsite Energy GmbH тоже занимается разработкой и про-изводством высокоэффективных современных газопоршневых агрегатов (рис. 3 ), в том числе предназначенных для работы в составе мини-ТЭЦ. Весьма интересно, что ее специалисты создали газопоршневой энергетический агрегат типа GC 849 N5 (табл. 4 ), с использованием которого в Германии на Фаубанской мини-ТЭЦ (Vauban HKW) удалось достичь действи-тельно рекордного показателя по преобразованию первичной энергии сгорания топлива (природного газа) в электрическую и полезно утилизируемую тепловую энергию: коэффици-ент полезного использования теплоты сгорания топлива составил около 96 %! Такой высо-кий показатель обеспечивается за счет использования на мини-ТЭЦ, помимо самого газо-поршневого агрегата, и оборудования для глубокой утилизации теплоты от выхлопных газов и смазочно-охлаждающих систем двигателя. Кроме этого, теплота от двигателя и еще син-хронного генератора утилизируется с помощью электрического теплового насоса, обеспечи-вающего, по крайней мере, охлаждение пространства вокруг когенерационного агрегата. С учетом всех ступеней и контуров теплоутилизации, при номинальных режимах работы по электрической и тепловой нагрузкам мини-ТЭЦ, отмеченный коэффициент и достигает ре-кордного значения - вплоть до 96 %.

Значение

Электрическая мощность, кВт

Переменный, трехфазный

Напряжение, В

Частота тока, Гц

Основным способом применения биогаза является превращение его в источник тепловой, механической и электрической энергии. Однако крупные биогазовые установки можно использовать для создания производств по получению ценных химических продуктов для народного хозяйства.

На биогазе могут работать газосжигающие устройства, вырабатывающие энергию, которая используется для отопления, освещения, снабжения кормоприготовительных цехов, для работы водонагревателей, газовых плит, инфракрасных излучателей и двигателей внутреннего сгорания.

Наиболее простым способом является сжигание биогаза в газовых горелках, так как газ можно подводить к ним из газгольдеров под низким давлением, но более предпочтительно использование биогаза для получения механической и электрической энергии. Это приведет к созданию собственной энергетической базы, обеспечивающей эксплуатационные нужды хозяйств.

Таблица 18. Компоненты биогаза

Газовые горелки

Рис.34. Газовая плита, работающая
на биогазе в с. Петровка

Основой большинства бытовых приборов, в которых можно использовать биогаз, является горелка. В большинстве случаев, предпочтительны горелки атмосферного типа, работающие на предварительно смешанном с воздухом биогазе. Потребление газа горелками сложно подсчитать заранее, поэтому конструкция и настройка горелок должны определяться для каждого индивидуального случая экспериментально.

По сравнению с другими газами, биогазу нужно меньше воздуха для возгорания. Следовательно, обычные газовые приборы нуждаются в более широких жиклерах для прохождения биогаза. Для полного сгорания 1 литра биогаза необходимо около 5,7 литров воздуха, в то время, как для бутана – 30,9 литров и для пропана – 23,8 литров.

Модификация и адаптация стандартных горелок является делом эксперимента. По отношению к наиболее распространенным бытовым приборам, приспособленным для использования бутана и пропана можно отметить, что бутан и пропан обладают теплотворной способностью почти в 3 раза выше, чем биогаз и дают в 2 раза большее пламя.

Перевод горелок на работу на биогазе всегда приводит к более низким уровням работы приборов. Практические меры для модификации горелок включают:
увеличение жиклеров в 2-4 раза для прохождения газа;
изменение объема подачи воздуха.

Газовые плиты
Перед использованием газовой плиты, горелки должны быть тщательно отрегулированы для достижения:
компактного, голубоватого пламени;
пламя должно самопроизвольно стабилизироваться, т.е. не горящие участки горелки должны самостоятельно загораться в течение 2-3 секунд.

Рис.35. Водонагревательный котел
для отопления дома с излучающими керамическими нагревателями в с. Петровка

Излучающие нагреватели
Излучающие нагреватели используются в сельском хозяйстве для получения нужных температур для выращивания молодняка, например поросят и цыплят в ограниченном пространстве. Необходимая поросятам температура начинается от 30-35°C в первую неделю и затем медленно падает до температуры 18-23°C в 4 и 5 недели.

Как правило, регулировка температуры состоит в поднятии или опускании обогревателя. Хорошая вентиляция является необходимостью для предотвращения концентрации CO или CO2. Следовательно, животные должны находиться под постоянным присмотром, и температура проверяется через регулярные интервалы. Обогреватели для поросят или цыплят потребляют около 0,2 – 0,3 м3 биогаза в час.

Тепловое излучение обогревателей

Рис.36. Регулятор давления газа

Фото: Веденев А.Г.., ОФ «Флюид»

Излучающие нагреватели реализуют инфракрасное тепловое излучение через керамическое тело, которое нагревается до ярко-красного состояния при температурах 900-1000°C пламенем. Обогревающая возможность излучающего обогревателя определяется умножением объема газа на чистую теплотворную способность, так как 95 % энергии биогаза превращается в тепло. Выход тепловой энергии от маленьких нагревателей составляет
от 1.5 до 10 кВт тепловой энергии8.

Предохранитель и воздушный фильтр
Использующие биогаз излучающие нагреватели должны всегда быть оборудованы предохранителем, который прекращает подачу газа в случае снижения температуры, то есть в случае, когда газ не сжигается.

Потребление биогаза
Бытовые газовые горелки потребляют 0,2 – 0,45 м3 биогаза в час, а промышленные – от 1 до 3 м3 биогаза в час. Необходимый объем биогаза для приготовления пищи может быть определен на основании времени, ежедневно затрачиваемого на приготовление пищи.

Таблица 19. Расход биогаза для бытовых нужд

Двигатели, работающие на биогазе
Биогаз можно применять в качестве топлива для автомобильных двигателей, причем эффективность его в этом случае зависит от содержания метана и наличия примесей. На метане могут работать как карбюраторные, так и дизельные двигатели. Однако, так как биогаз является высокооктановым топливом, более эффективно его использование в дизельных двигателях.
Для работы двигателей необходимо большое количество биогаза и установка на двигатели внутреннего сгорания дополнительных устройств, которые позволяют им работать как на бензине, так и на метане.

Рис.37. Газоэлектрогенератор в с. Петровка

Фото: Веденев А.Г.., ОФ «Флюид»

Газоэлектрогенераторы
Опыт показывает, что биогаз экономически целесообразно использовать в газоэлектрогенераторах, при этом сжигание 1 м3 биогаза позволяет вырабатывать от 1,6 до 2,3 кВт электроэнергии. Эффективность такого использования биогаза повышается за счет использования тепловой энергии, образующейся при охлаждении мотора электрогенератора, для обогрева реактора биогазовой установки.

Очистка биогаза

Для использования биогаза в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания необходимо предварительная очистка биогаза от воды, сероводорода и углекислоты.

Уменьшение содержания влаги

Биогаз насыщен влагой. Очистка биогаза от влаги состоит в его охлаждении. Это достигается при пропускании биогаза по подземной трубе для конденсации влаги при более низких температурах. Когда газ вновь подогревается, содержание влаги в нем существенно уменьшается. Такое высушивание биогаза особенно полезно для используемых счетчиков сухого газа, так как они со временем обязательно заполняются влагой.

Уменьшение содержания сероводорода

Рис.38. Сероводородный фильтр и абсорбер для отделения углекислоты в с. Петровка
Фото: Веденев А.Г.., ОФ «Флюид»
Сероводород, смешивающийся в биогазе с водой, образует кислоту, вызывающую коррозию металла. Это является серьезным ограничением использования биогаза в водных обогревателях и двигателях.
Наиболее простым и экономичным способом очистки биогаза от сероводорода является сухая очистка в специальном фильтре. В качестве абсорбера применяется металлическая «губка», состоящая из смеси окиси железа и деревянной стружки. С помощью 0,035 м3 металлической губки из биогаза можно извлечь 3,7 кг серы. Если содержание сероводорода в биогазе составляет 0,2%, то этим объемом металлической губки можно очистить от сероводорода около 2500 м3 газа. Для регенерации губки ее необходимо подержать некоторое время на воздухе.
Минимальная стоимость материалов, простота эксплуатации фильтра и регенерация абсорбера делают этот метод надежным средством защиты газгольдера, компрессоров и двигателей внутреннего сгорания от коррозии, вызванной продолжительным воздействием сероводорода, содержащегося в биогазе. Окись цинка также является эффективным абсорбентом сероводорода, причем это вещество имеет дополнительные преимущества: оно абсорбирует также органические соединения серы (карбонил, меркаптан и т.д.) 18

Уменьшение содержания углекислоты
Уменьшение содержания углекислоты – сложный и дорогой процесс. В принципе, углекислота может быть отделена путем впитывания в известковое молоко, но такая практика приводит к образованию больших объемов извести, и не подходит для использования в системах большого объема. Углекислота сама по себе является ценным продуктом, который можно использовать в различных производствах.

Рис.39. УАЗ, работающий на биогазе
в с. Петровка
Фото: Веденев А.Г.., ОФ «Флюид»

Использование метана
Современные исследования химиков открывают большие возможности использования газа – метана, для производства сажи (красящее вещество и сырье для резиновой промышленности), ацетилена, формальдегида, метилового и этилового спирта, метилена, хлороформа, бензола и других ценных химических продуктов на базе больших биогазовых установок18.

Потребление биогаза двигателями
В с. Петровка Чуйской области КР биогазовая установка Ассоциации «Фермер» объемом 150 м3 обеспечивает биогазом для бытовых нужд 7 крестьянских хозяйств, работу газоэлектрогенератора и 2-х автомашин – УАЗа и ЗИЛа. Для работы на биогазе двигатели были дооборудованы специальными устройствами, а автомашины – стальными баллонами для закачки газа.
Средние значения потребления биогаза для производства 1 кВт электроэнергии двигателями Ассоциации «Фермер», – около 0,6 м3 в час.

Таблица 20. Использование биогаза в качестве моторного топлива в с. Петровка

Рис.40. Факельная горелка для сжигания излишков биогаза в с. Петровка
Фото: Веденев А.Г.., ОФ «Флюид»

Эффективность использования биогаза
Эффективность использования биогаза составляет 55% для газовых плит, 24% для двигателей внутреннего сгорания. Наиболее эффективный путь использования биогаза – в качестве комбинации тепла и энергии, при котором можно достичь 88% эффективности8. Использование биогаза для работы газовых горелок в газовых плитах, отопительных котлах, кормозапарниках и теплицах – лучший вид использования биогаза для фермерских хозяйств Кыргызстана.

Излишки биогаза
В случае излишка вырабатываемого установкой биогаза, рекомендуется не выбрасывать его в атмосферу – это приведет к неблагоприятному влиянию на климат, а сжигать. Для этого в газораспределительную систему устанавливается факельное устройство, которое должно находиться на безопасном расстоянии от строений.

Опыт эксплуатации газопоршневых агрегатов на биогазе

1. Введение

Задача современной энергетики - обеспечивать надежное и долгосрочное энергоснабжение при одновременном сохранении ископаемых топливных ресурсов и защите окружающей среды. Для этого необходим экономный подход к использованию существующих энергоресурсов и переход на возобновляемые источники. Исследование проведенное Еврокомиссией доказало, что это возможно.

При проведении исследования принимали во внимане только имеющиеся сегодня на рынке технологии, и предполагалось, что уровень жизни в европейских странах будет уравниваться. Так, к 2050 году 90% энергии, потребляемой европейскими странами, вполне может быть произведена с использованием возобновляемых энергоресурсов (рис. 1). При этом цена на электроэнергию увеличится в два раза, но в то же время и потребление энергоносителей уменьшится вдвое. Практически треть энергии будет производиться из биомассы.

Рисунок 1 — Потребление энергоносителей в Европе (исследование Еврокомиссии)

Биомасса — это общий термин для обозначения органических продуктов и отходов (жидкий навоз, зерновые остатки, масличные и сахаросодержащие культуры), промышленных и бытовых отходов, древесины, отходов пищевой промышленности и др. Сухую биомассу можно сразу использовать в качестве топлива, в других случаях ее можно преобразовать в биогаз путем «сбраживания», газификации или выпаривания (рис. 2).

Рисунок 2 — Использование биомассы

2. Образование биогаза

В природе биогаз образуется при разложении органических соединений в анаэробных условиях, например в болотах, на берегах водоемов и в пищеварительном тракте некоторых животных. Таким образом, физика естественных природных процессов показывает нам пути получения биогаза.

Для промышленного производства требуется разработка комплексной технологии, включающей в себя такие компоненты, как накопитель биомассы, биогазовый реактор (ферментатор), в котором происходит сбраживание, и резервуар для биогаза с системой очистки (рис. 3).

Рисунок 3 — Производство электрической энергии при использовании биогаза

Практически все органические вещества разлагаются путем ферментации. В анаэробных условиях микроорганизмы, участвующие процессе сбраживания или разложения, адаптируются к исходному субстрату. В связи с тем что брожение происходит во влажной среде, биосубстрат должен содержать примерно 50% воды. Биологическое разложение осуществляется при температуре от 35 °С до 40 °С. При анаэробном брожении происходит многоступенчатый процесс преобразования органических веществ из высокомолекулярных соединений в низкомолекулярные, которые можно растворить в воде. На одном этапе растворенные вещества разлагаются, образуя органические кислоты, низкоградусный алкоголь, водород, аммиак, сероводород и углекислый газ. На другом - бактерии преобразуют вещества в уксусную и муравьиную кислоты и в процессе метаногенеза расщепляют их, образуя метан.

4 НCOO H → CH 4 + 3 CO 2 + 2 H 2 O

Одновременно содержание CO 2 уменьшается за счет водорода, в результате чего также образуется метан.

CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O

В качестве сырья для производства биогаза часто используется жидкий навоз. Для увеличения выхода газа можно добавить так называемые коферменты, за счет которых гомогенизируется производство биогаза, объем которого зависит от используемого субстрата (Таблица 1).

Таблица 1 — Выход биогаза для различных видов биомассы

3. Качество биогаза и его подготовка к использованию

Качество биогаза и подготовка топливного газа ни зависит от используемого исходного сырья и от скорости процесса. В Табл. 2 представлено сравнение состава различных видов газа.

Таблица 2 — Примерный сравнительный состав топливных газов

Поскольку биогаз содержит такие вредные компоненты, как сера, аммиак, иногда кремний, а также их соединения, возможности его использования ограничены. Данные компоненты могут стать причиной износа и коррозии двигателей внутреннего сгорания, поэтому их содержание в газе не должно превышать установленных MWM норм . Кроме того, отработавшие газы нельзя охлаждать до температуры менее 140…150 °С, в противном случае, в теплообменниках и в нижней части системы каналов для отработавшего газа будет накапливаться кислотный конденсат.

Существует несколько способов удаления серы из топливного газа. При биологической очистке в зону газа в ферментаторе подается воздух. В результате окисления бактериями сероводорода отделяются сера и сульфат, которые удаляются с жидкими компонентами. Другой способ — это химическое осаждение. В этом случае в раствор в ферментаторе добавляется трихлорид железа. Эти методы хорошо зарекомендовали себя в установках очистки сточных вод.

Наиболее оптимальные результаты достигаются при очистке газа с использованием активированного угля, причем из газа удаляется не только сера, но и кремний. В этом случае качество биогаза соответствует качеству природного газа, а использование окислительного каталитического газонейтрализатора обеспечивает дополнительное снижение уровня эмиссии выхлопных газов.

4. Использование биогаза для ТЭЦ на базе газопоршневых двигателей

Компания MWM GmbH (в прошлом Deutz Power Systems) производит газопоршневые агрегаты с турбонаддувом, работающие на обедненной смеси в диапазоне номинальной мощности от 400 до 4300 кВт (рис. 4). Эти двигатели адаптированы к колебаниям в компонентном составе биогаза и оптимизированы для работы на газах сложных составов.

Рисунок 4 — Диапазон мощности газовых двигателей MWM GmbH (бывший DEUTZ Power Systems)

Номинальные параметры указаны в соответствии с ISO 3046. Характеристики даны только для информации и не являются обязательными значениями.

Компания MWM GmbH имеет богатый опыт эксплуатации газопоршневых двигателей на газе мусорных свалок и сточных вод (первые такие модели начали работать почти 100 лет назад на газе сточных вод) и использует накопленный опыт для дальнейего усовершенствования модельного ряда и повышения надежности выпускаемых когенерационных систем. (рис. 5)

Рисунок 5 — Развитие газопоршневых двигателей (за период 1988 - 2002 гг.)

Основная задача при этом — сделать двигатели более устойчивыми к воздействию вредных веществ, содержащихся в газе. Различные примеси образуют кислоты, негативно воздействующие на компоненты двигателей, в первую очередь на подшипники. Подобное негативное воздействие может быть устранено, с одной стороны, оптимизацией режима работы и изменениеми в технологии изготовления подшипников, с другой.

Если эксплуатировать установку с температурой смазочного масла около 95 °С (на входе двигателя) и избегать частых остановов и пусков, то можно уменьшить риск кислотообразования из-за возникновения в картере конденсата во время фазы охлаждения. В связи с вышесказанным, по мере возможности двигатель должен работать без остановов. Накопление газа в достаточном объеме в газохранилище обеспечит непрерывную подачу топлива, что необходимо для бесперебойной работы газового двигателя.

Опыт, полученный в ходе эксплуатации двигателей, работающих на биогазе, показал, что для подшипников необходимо использовать особые материалы. Поскольку КПД двигателя и рабочее давление увеличиваются, нужны подшипники с более высокой номинальной нагрузкой. В настоящее время широко используются подшипники с напылением, которые обеспечивают все требования по надежности. Благодаря сплошной твердой поверхности они более устойчивы к воздействию агрессивных веществ, содержащихся в газе и смазочном масле, чем традиционные шариковые подшипники с канавкой (рис. 6).

Рисунок 5 — Сравнение пикового давления смазочной плёнки

Качество смазочного масла имеет существенное влияние на срок службы и износ двигателя. Следовательно, в процессе эксплуатации должны использоваться только те марки масла, которые производитель газового двигателя утвердил для данного вида газа. Интервалы замены масла определяются при вводе электростанции в эксплуатацию по результатам анализа качества масла. В процессе эксплуатации двигателя проводится постоянный мониторинг качества смазочного масла, после чего принимается решение о его замене. Первый анализ масла выполняется через 100 часов эксплуатации независимо от вида топливного газа. Интервалы технического обслуживания для клапанов определяется аналогично.

Чтобы продлить интервалы замены смазочного масла, его количество в раме-основании двигателей должно быть увеличено. Для этой цели компания MWM предлагает своим клиентам агрегаты с увеличенным объемом масла в раме двигателя. Масло постоянно подается в смазочный контур, проходя через раму-основание по диагонали (рис. 10):

Рисунок 6 — Подача смазочного масла

Кроме конструкционный особенностей самих моторов, не последнюю роль в обеспечении безопасной и надёжной эксплуатации биогазовых агрегатов играет система контроля и управления TEM (Total Electronic Management компании MWM). Она определяет все рабочие состояния, показатели температуры, давления и т. д. и на основании полученных данных задает оптимальную выходную мощность двигателя при максимальном КПД, не выходя при этом за установленные пределы выбросов. В системе TEM есть опция составления аналитических графиков изменения эксплуатационных параметров станции - это позволяет своевременно выявлять нарушения в работе и быстро на них реагировать.

Компания поставляет комплектные энергетические установки, работающие на биогазе. В их состав входят газопоршневой агрегат, котел-утилизатор, шумоглушитель, каталитические газонейтрализаторы, система очистки газа активированным углем и, если требуется, дополнительная система последующей очистки отработавших газов. (рис. 7).

Рисунок 7 — Пример компоновки мини ТЭЦ (кликнуть на изображение для увеличения )

На рис. 8 показаны удельные капиталовложения и средние расходы на техобслуживание установок, работающих на биогазе. Данные обобщают опыт эксплуатации установок серии TBG 616 и TBG 620. Они включают затраты на газопоршневой агрегат, теплообменники для охлаждающей жидкости и отработавших газов, шумоглушители, а также расходы на распределительную установку, включая монтаж и систему трубопроводов. С 2005 года установки серии TBG были модернизированы в серию TCG 2016 C и TCG 2020, соответственно.

Рисунок 8 — Капиталовложения и затраты на техобслуживание

В 2009 году, после проведения очередной модернизации модельного ряда, для серии TCG 2020 удалось достичь электрического КПД равного 43,7% для когенерационного агрегата TCG 2020 V20, а электрическую мощность 12-ти и 16-ти циллиндровых газовых двигателей довести соответственно до 1200 и 1560 кВт. Серьезная модернизация коснулась также и агрегата TCG 2016 V08. Электрическая мощность данного агрегата увеличена до 400 кВт, а элекрический КПД вырос до 42,2%. Причем электрический КПД и выдаваемая мощность одинаковы как при использовании природного газа, так и для биогазов.

5. Практическое использование различных видов сырья для выработки энергии

В г. Бранденбург (Германия) установлена электростанция, вырабатывающая биогаз из пищевых и бытовых отходов (фото 1). В год утилизируется около 86 000 тонн биоотходов.

Фото 1 — Биогазовая установка в Альтено

Процесс получения биогаза осуществляется в определенной последовательности. После удаления неутилизируемых компонентов биоотходы измельчаются и перемешиваются, полученная масса нагревается до 70 °С, чтобы убить патогенные организмы. Затем отходы направляются в два ферментатора, каждый из которых вмещает 3300 м3 биомассы. Микроорганизмы расщепляют биомассу (примерно за 20 дней), в результате чего образуется биогаз и остаточное количество жидкости, которое затем отжимается, и сухой остаток снова проходит биологическую переработку в качестве компоста.

На биогазе работают два газопоршневых двигателя TBG 616 V16K производства Deutz Power Systems, электрическая мощность каждого из них составляет 626 кВт, тепловая - 834 кВт. Вырабатываемая электрическая энергия подается в энергосеть, а тепло используется для выработки газа. Уровни выбросов вредных веществ ниже граничных значений, указанных немецким стандартом TA-Luft.

Установка на биоагзе работает также в Айхигте на животноводческом хозяйстве компании Agrofarm 2000 GmbH. Компания обрабатывает 2200 гектаров пахотной земли и 1100 га пастбищ в Eichigt/Vogtland. Часть урожая выращиваемых сельскохозяйственных культурур используеться в качестве корма для 1550 коров, от которых получают 10 650 000 кг молока в год. При этом ежедневно образуется от 110 до 120 м 3 жидкого навоза — он «сбраживается» в ферментаторе, в результате чего вырабатывается 4000…4400 м 3 биогаза. К навозу добавляются остатки кормов (до 4 т/сут), за счет чего производство газа увеличивается на 20%.

Мини-ТЭЦ установлена в контейнере (фото 2), в качестве привода используется двигатель TBG 616 V16 K, электрическая мощность которого составляет 459 кВт, тепловая - 225 кВт. Электроэнергия подается в энергосеть, а тепло используется для нужд хозяйства. В качестве сырья для биогаза используется жидкий навоз.

Фото 2 — Когенерационный агрегат MWM (бывший DEUTZ Power Systems) в контейнерном исполнении с двигателем TBG 616 V16

Цикл утилизации биомассы практически безотходный. Остатки, образующиеся в процессе анаэробного «сбраживания», не имеют запаха, и их можно использовать на полях в качестве удобрения в течение всего года.

Выводы

• Использование сельскохозяйственных отходов в качестве биотоплива позволяет обеспечить замкнутый цикл сельскохозяйственного производства. Остаток от анаэробного сбраживания не имеет запаха и может быть вывезен на поля в виде удобрения. Такой вид удобрения сразу поглощается растениями без загрязнения почвы или грунтовых вод.
• Выработку энергии из биогаза, в свете регулярных энергетических кризисов, относят к перспективным возобновляемым источникам энергии. Биогазовые установки превращают солнечную энергию, накопленную растениями, в биогаз в ходе процесса биологического разложения. Этот процесс является нейтральным в отношении балланса CO 2 , поскольку в атмосферу высвобождается только то количество диоксида углерода, которое ранее был поглощено растениями в процессе фотосинтеза.
• Выработка электрической и тепловой энергии в биогазовых установках является перспективной технологией, которая помогает человечеству стать независимым от ограниченных запасов ископаемого топлива, а также защищает окружающую среду.
• Компания MWM GmbH предлагает своим клиентам установки для выработки электроэнергии и тепла на базе современных, безопасных и надежных газовых двигателей.

Оригинал статьи был напечатан для: VIth International Scientific Conference GAS ENGINES 2003 in Poland, 02 - 06 June 2003

Главная » Салон » Как сделать биогазовый двигатель в minecraft. Основные типы двигателей: на биотопливе. Биогаз или природный газ