Silnik na biogaz do Minecrafta. Wykorzystanie biogazu

I. Trokhin

W artykule omówiono właściwości techniczne gazowych silników tłokowych i bazujących na nich zespołów elektrycznych dla mini-elektrociepłowni zasilanych gazem ziemnym lub alternatywnym odnawialnym paliwem gazowym - biogazem. Przy zastosowaniu gazu ziemnego jako paliwa sprawność elektryczna takich jednostek sięga 48,7%, a sprawność ciepła spalania dla mini-CHP to 96%.

Nowoczesne agregaty gazowo-tłokowe, odpowiadające technologiom kogeneracyjnym i trigeneracyjnym, dają konsumentom możliwość zapewnienia nie tylko opłacalnej technicznie i ekonomicznie produkcji energii elektrycznej, cieplnej i chłodu, ale także osiągnięcia tego przy aktualnie akceptowalnych wskaźnikach środowiskowych w zakresie emisji spalin do środowiska. Ta ostatnia okoliczność objawia się szczególnie pozytywnie, gdy silnik tłokowy na gaz działa na biogaz. Ciepło właściwe spalania biogazu wynosi około 23 MJ / m 3, dla porównania dla gazu ziemnego - 33-35 MJ / m 3.

Biotechnologiczny proces produkcji biogazu polega na beztlenowym (bez dostępu tlenu) niszczeniu (używa się również terminów „fermentacja”, „fermentacja”, „fermentacja”) odpadów organicznych będących surowcami pierwotnymi ( patka. 1), powstający w wyniku biomateriału gazowego (biogazu) oraz wysokiej jakości nawozów organicznych. Produkcja biogazu w takim procesie jest bardzo efektywnym sposobem wytwarzania biopaliwa z biomasy, a produktem ubocznym są nawozy organiczne, których zastosowanie może zmniejszyć udział nawozów mineralnych stosowanych w rolnictwie. Techniczne wdrożenie produkcji biogazu odbywa się w biogazowniach. Aby utrzymać ich procesy robocze, część energii uzyskanej z biogazu w gazowych elektrowniach tłokowych jest zużywana. „Powiązane” nawozy organiczne można przechowywać w magazynach sezonowych. Biogazownia i elektrownia gazowo-tłokowa (na przykład mini-CHP, czyli o mocy elektrycznej do 10 MW) są zwykle zlokalizowane w bliskim sąsiedztwie jako jeden kompleks do produkcji biogazu z surowców organicznych, a następnie do wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej

Tabela 1

Produkcja biogazu i energii elektrycznej z surowców organicznych

Uwaga. Na podstawie materiałów informacyjnych GE Jenbacher (Austria).

W skład biogazu wchodzą następujące składniki: metan (CH 4) jako paliwo, dwutlenek węgla (CO 2) oraz stosunkowo niewielka ilość zanieczyszczeń związanych z produkcją biogazu (azot, wodór, związki aromatyczne i węglowodory halogenowe). W zależności od bazy surowcowej wydajność biogazu w procesie destrukcji beztlenowej może być różna. W patka. 1 Podano pewne szacunkowe wartości dla tego wskaźnika, a także dla jednostkowej produkcji energii na jednostkę pierwotnych surowców organicznych w systemie „biogazownia - biogazownia tłokowa”.

Bezpośrednio technologie kogeneracji i trigeneracji w elektrowniach gazowo-tłokowych opierają się na wykorzystaniu ciepłowodnych kotłów odzysknicowych oraz chłodnic absorpcyjnych. Te ostatnie dają możliwość użytecznego wykorzystania ciepła spalin z gazowego silnika tłokowego, obniżając ich temperaturę przy odprowadzaniu do atmosfery. Dodatkowo konstrukcje nowoczesnych silników gazowo-tłokowych pozwalają na korzystne wykorzystanie niskiej jakości ciepła z układów chłodzenia i smarowania. Agregaty prądotwórcze z silnikiem gazowo-tłokowym, w tym dla jednostek kogeneracyjnych, są projektowane, produkowane i wspierane serwisowo przez wiele firm znanych za granicą oraz w Rosji, np. MWM GmbH (Niemcy), GE Jenbacher (Austria), MTU Onsite Energy GmbH (Niemcy). Poniżej omówiono wybrane cechy konstrukcyjne, charakterystyki i realizowane projekty z wykorzystaniem takiej energetyki gazowo-tłokowej.

Biogaz czy gaz ziemny?

Niemiecka firma MWM GmbH jest jednym z wiodących na świecie projektantów i producentów gazowych systemów tłokowych do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła z biogazu. Stały spadek rezerw nieodnawialnych węglowodorowych źródeł energii oraz wzrost zużycia energii w skali globalnej prowadzi do wzrostu zapotrzebowania konsumentów na paliwa alternatywne (np. Biogaz) pozyskiwane z odnawialnych źródeł energii, w tym z odpadów. Dlatego sprzęt, za pomocą którego można efektywnie wytwarzać biogaz i energię, nie pozostaje bez uwagi klientów zdecentralizowanych instalacji energetycznych.

Zespoły prądotwórcze tłokowo gazowe firmy MWM GmbH, z których jeden pokazano na figa. 1, z generatorami synchronicznymi z powodzeniem eksploatuje się w szczególności w Europie i pracują m.in.w mini-CHP nie tylko na gazie ziemnym, ale również na biogazie. Wytworzona energia elektryczna może zostać przekazana do scentralizowanych systemów elektroenergetycznych. Realizacja procesu produkcji biogazu w ramach jednego lokalnego kompleksu wytwórczego odbywa się na własnym zasilaniu. Na przykład w Niemczech mini-kogenerator biogazowo-tłokowy firmy Nawaro Kletkamp GmbH & Co. KG (Elektrociepłownia na biogaz Kletkamp - ang.) Z silnikiem TCG 2016 B V12 firmy MWM GmbH o mocy elektrycznej 568 kW. Każdego dnia zużywa około 20 ton kiszonki zbożowej (kiszonka z kukurydzy - ang.), A energia cieplna jest dostarczana do niektórych odbiorców w sąsiednim niemieckim mieście Lütjenburg (Niemcy). Ta energia cieplna jest również wykorzystywana do suszenia ziarna, a także jest przechowywana w magazynie ciepła. Produktem ubocznym powstającym w procesie beztlenowej fermentacji surowca do produkcji biogazu jest pozostałość substratu i jest stosowany jako nawóz organiczny wytwarzany tą metodą w ilości ok. 7 tys. Ton rocznie.

Figa. 1. Zespół prądotwórczo-gazowo-tłokowy firmy MWM GmbH (Niemcy)

Części i zespoły odpowiednich silników tłokowych gazowych firmy MWM GmbH zostały specjalnie przystosowane i zaprojektowane do pracy z biogazem. Na przykład konstrukcja tłoka jest przystosowana do pracy ze zwiększonym stopniem sprężania. Aby zapewnić wysoką żywotność części i zespołów silnika, w szczególności stosuje się powłoki galwaniczne. Wysokie parametry energetyczne zespołów prądotwórczych tłokowych na biogaz tej firmy (Tabela 2) uzyskuje się między innymi poprzez wyeliminowanie procesu wstępnego sprężania biogazu.

Tabela 2

Parametry znamionowe zespołu prądotwórczego firmy MWM GmbH z silnikiem TCG 2016 V08 C do mini-CHP

Uwaga. Zgodnie z broszurami informacyjnymi firmy MWM GmbH (Niemcy).

Starszą gamę modeli w linii gazowych silników tłokowych firmy MWM GmbH reprezentuje seria TCG 2016. Silniki te mogą pracować z bardzo wysokimi wartościami sprawności, jak widać na patka. 2, co osiągnięto również dzięki zastosowaniu zoptymalizowanej konstrukcji wałka rozrządu, komory spalania i świec zapłonowych. Zastrzeżony „totalny elektroniczny system zarządzania” pod zastrzeżonym znakiem towarowym TEM  (Total Electronic Management) zapewnia koordynację i działanie całego zespołu silnik-prądnica. Monitorowanie temperatury jest zapewnione dla każdego z cylindrów. Istnieje również system, dzięki któremu silnik może efektywnie pracować przy wahaniach i zmianach składu gazowego mieszanki paliwowo-powietrznej. Jest to szczególnie ważne, gdy planowane jest wykorzystanie jako paliwa takich „problematycznych” gazów jak np. Węgiel czy odpady organiczne.

Rewolucyjna konfiguracja

Innowacyjne, znane na całym świecie silniki gazowo-tłokowe marki Jen-bacher ( figa. 2) jest projektowany i produkowany przez austriacką firmę GE Jenbacher, część działu GE Energy firmy General Electric. Zdecentralizowane instalacje zasilania oparte na takich silnikach przystosowane są do pracy zarówno na gaz ziemny, jak i inne paliwa gazowe, w tym biogaz. Szczególnie pozytywny efekt ekonomiczny wprowadzenia takich instalacji uzyskuje się, gdy pracują one w cyklu kogeneracyjnym lub trigeneracyjnym. W wielu krajach rozwiniętych, na przykład w Austrii i Niemczech, z powodzeniem eksploatowane są elektrownie gazowo-tłokowe z agregatami silnikowo-prądnicowymi Jenbacher w połączeniu z biogazowniami, w szczególności o mocy elektrycznej i cieplnej od około trzystu do półtora do dwóch tysięcy kilowatów.

Figa. 2. Gazowy silnik tłokowy Jenbacher jako część jednostki elektrycznej

Rewolucyjna, jak nazywają to sami programiści, trójmodułowa konfiguracja nowoczesnych zespołów prądotwórczych Jenbacher oraz koncepcja inżynierska osiągnięcia celu polegającego na zwiększeniu sprawności pracy silników poprzez zwiększenie ich sprawności, niezawodności działania oraz zmniejszenie emisji szkodliwych emisji do atmosfery doprowadziły do \u200b\u200bpowstania nowego silnika gazowo-tłokowego J920 z dwustopniowym turbodoładowaniem. oraz najwyższą sprawność elektryczną w klasie gazowych silników tłokowych ( patka. 3). Trójmodułowy układ zespołu elektrycznego z tym silnikiem obejmuje następujące kolejno umieszczone elementy: moduł z synchronicznym generatorem elektrycznym wyposażonym w chłodzenie powietrzem i cyfrowy układ sterowania; dwudziestocylindrowy moduł mocy z tłokiem gazowym oparty na samym silniku J920; moduł pomocniczy z dwustopniową turbodmuchawą. Dzięki takiemu rozmieszczeniu poszczególne elementy można wymieniać bez demontażu całego zespołu prądotwórczego.

Silnik J920 ma dzielony wałek rozrządu, który umożliwia łatwą wymianę przez okienko serwisowe umieszczone w górnej części skrzyni korbowej. Inne podstawowe części i zespoły silnika są również łatwo dostępne. Bogate, zgromadzone doświadczenie w opracowaniu i praktyce obsługi układu spalania paliwa do silników gazowo-tłokowych Jenbacher typu 6 pozwoliło na wyposażenie tego silnika w zaawansowany system spalania z zapłonem iskrowym komory wstępnej, pozwalający na długotrwałą eksploatację. Dodatkowo istnieje operacyjna kontrola działania układu za pomocą specjalnych czujników dla każdego z cylindrów, co umożliwia uzyskanie optymalnych charakterystyk podczas spalania paliwa. Układ zapłonowy jest elektroniczny, co zapewnia dobór kąta wyprzedzenia zapłonu z dostosowaniem do składu i (lub) rodzaju stosowanego paliwa gazowego.

Tabela 3

Ocena agregatu Jenbacher J920 na gaz ziemny mini-CHP (liczba metanowa MN\u003e 80)

Uwaga. Według informacji firmy GE Energy (www.ge-energy.com).

Z kolektora wydechowego część spalin w gazowym silniku tłokowym jest wykorzystywana do napędzania jednostki z turbosprężarką (turbodoładowaniem). Ten ostatni w trakcie swojej pracy zapewnia wzrost mocy właściwej silnika, a tym samym na końcu sprawności elektrycznej zespołu silnikowo-prądnicowego. Zastosowanie w silniku autorskiej, opatentowanej technologii pod zastrzeżonym znakiem towarowym LEANOX  (Lean mixer burning) pozwoliło na wdrożenie procesu efektywnej kontroli proporcji zawartości składników „powietrze / paliwo gazowe” w mieszance paliwowo-powietrznej w celu zminimalizowania emisji szkodliwych ekologia spalin przedostających się do atmosfery. Taki efekt ekologiczny uzyskuje się dzięki pracy silnika na ubogiej mieszance paliwowej (stosunek paliwo gazowo-powietrzne reguluje się poniżej granicy wszystkich wartości eksploatacyjnych), o ile pracuje stabilnie.

Opatentowana technologia dwustopniowego turbodoładowania pozwala zapewnić silnikowi bardziej znaczący wzrost gęstości mocy niż ma to miejsce przy jednostopniowym doładowaniu. Ponadto, jeśli mówimy o elektrociepłowniach, to wraz z wdrożeniem tej technologii turbodoładowania wzrasta również ogólna sprawność jednostki elektrycznej, sięgająca 90%, czyli prawie 3% wyższa niż w przypadku jednostek elektrycznych tłokowych gazowych z jednostopniowym turbodoładowaniem.

System zarządzania silnikiem J920 firmy General Electric jest kompleksowo dopracowany i wyposażony między innymi w programowalny blok logiczny, panel sterowania i wyświetlacz informacyjny. Oprócz tego silniki J920 są projektowane z uwzględnieniem dopuszczalnej możliwości ich pracy w ramach wielosilnikowych jednostek elektrycznych, w tym w elektrociepłowniach. Wielosilnikowa konstrukcja elektrowni sprawia, że \u200b\u200bsą one bardziej przystosowane do obciążeń - od podstawowych po cykliczne i szczytowe. Czas do uruchomienia silnika przed osiągnięciem trybu nominalnego wynosi 5 minut.

Rekordowa efektywność energetyczna

Niemiecka firma MTU Onsite Energy GmbH zajmuje się również rozwojem i produkcją wysokowydajnych, nowoczesnych zespołów gazowo-tłokowych ( figa. 3), w tym przeznaczone do pracy w ramach mini-CHP. Jest bardzo interesujące, że jego specjaliści stworzyli zespół napędowy tłokowy gazowy, taki jak GC 849 N5 ( patka. 4), dzięki której w Niemczech w mini-CHPP Fauban (Vauban HKW) udało się osiągnąć naprawdę rekordową liczbę konwersji energii pierwotnej spalania paliwa (gazu ziemnego) na energię elektryczną i cieplną użytkową: współczynnik użytecznego wykorzystania ciepła spalania paliwa wyniósł około 96%! Tak wysoki wskaźnik zapewnia zastosowanie w mini-CHPP, oprócz samego zespołu gazowo-tłokowego, a także wyposażenie do głębokiego wykorzystania ciepła spalin oraz układów smarowania i chłodzenia silnika. Dodatkowo ciepło z silnika, a także z generatora synchronicznego jest odzyskiwane za pomocą elektrycznej pompy ciepła, która zapewnia co najmniej chłodzenie przestrzeni wokół jednostki kogeneracyjnej. Uwzględniając wszystkie stopnie i obiegi odzysku ciepła, przy nominalnych trybach pracy dla obciążeń elektrycznych i cieplnych mini-CHP odnotowany współczynnik osiąga rekordową wartość - do 96%.

Wartość

Moc elektryczna, kW

Zmienna, trójfazowa

Napięcie, V.

Częstotliwość prądu, Hz

Głównym sposobem wykorzystania biogazu jest przekształcenie go w źródło energii cieplnej, mechanicznej i elektrycznej. Jednak duże biogazownie mogą być wykorzystywane do tworzenia przemysłów do produkcji cennych dla gospodarki narodowej produktów chemicznych.

Biogaz może obsługiwać urządzenia spalające gaz, które wytwarzają energię, która jest wykorzystywana do ogrzewania, oświetlenia, zasilania wytwórni pasz, do pracy podgrzewaczy wody, kuchenek gazowych, promienników podczerwieni i silników spalinowych.

Najprostszą metodą jest spalanie biogazu w palnikach gazowych, ponieważ gaz może być do nich doprowadzany z kotłów pod niskim ciśnieniem, ale korzystniejsze jest użycie biogazu w celu uzyskania energii mechanicznej i elektrycznej. Doprowadzi to do stworzenia własnej bazy energetycznej na potrzeby operacyjne gospodarstw.

Tabela 18. Składniki biogazu

Palniki gazowe

Ryc.34. Działa kuchenka gazowa
na biogaz we wsi. Petrovka

Sercem większości urządzeń gospodarstwa domowego, w których można wykorzystać biogaz, jest palnik. W większości przypadków preferowane są palniki atmosferyczne działające na biogaz wstępnie zmieszany z powietrzem. Zużycie gazu przez palniki jest trudne do obliczenia z góry, dlatego projekt i ustawienie palników należy określić eksperymentalnie dla każdego indywidualnego przypadku.

W porównaniu z innymi gazami biogaz wymaga mniej powietrza do spalania. W konsekwencji konwencjonalne urządzenia gazowe wymagają szerszych dysz do przepuszczania biogazu. Do całkowitego spalenia 1 litra biogazu potrzeba około 5,7 litra powietrza, natomiast na butan - 30,9 litra, a na propan - 23,8 litra .

Modyfikacja i adaptacja standardowych palników to kwestia eksperymentu. W odniesieniu do najpopularniejszych sprzętów AGD przystosowanych do stosowania butanu i propanu można zauważyć, że butan i propan mają prawie 3-krotnie wyższą wartość opałową niż biogaz i dają 2-krotnie większy płomień.

Przekształcenie palników na biogaz zawsze skutkuje niższymi stopniami pracy urządzeń. Praktyczne środki do modyfikacji palnika obejmują:
zwiększenie strumieni 2-4 razy w celu przejścia gazu;
zmiana objętości dopływu powietrza.

Kuchenki gazowe
Przed użyciem kuchenki gazowej palniki należy dokładnie wyregulować, aby uzyskać:
zwarty, niebieskawy płomień;
płomień powinien samoczynnie się stabilizować, tj. niezapalne obszary palnika powinny samoczynnie zapalić się w ciągu 2-3 sekund.

Ryc.35. Kocioł wodny
do ogrzewania domu we wsi promiennikami ceramicznymi. Petrovka

Promienniki ciepła
Promienniki są używane w rolnictwie do uzyskiwania odpowiednich temperatur do hodowli młodych zwierząt, takich jak prosięta i kury, w ograniczonych przestrzeniach. Temperatura wymagana dla prosiąt zaczyna się od 30-35 ° C w pierwszym tygodniu, a następnie powoli spada do 18-23 ° C po 4 i 5 tygodniach.

Zazwyczaj regulacja temperatury polega na podnoszeniu lub opuszczaniu grzejnika. Dobra wentylacja jest niezbędna, aby zapobiec stężeniu CO lub CO2. W związku z tym zwierzęta muszą być pod stałym nadzorem, a temperatura jest sprawdzana w regularnych odstępach czasu. Podgrzewacze dla prosiąt lub kurczaków zużywają około 0,2 - 0,3 m3 biogazu na godzinę.

Promieniowanie cieplne z grzejników

Ryc.36. Regulator ciśnienia gazu

Zdjęcie: Vedenev A.G., PF "Fluid"

Promienniki emitują promieniowanie cieplne w podczerwieni przez ceramiczny korpus, który jest podgrzewany do jasnoczerwonego płomienia w temperaturze 900-1000 ° C. Wydajność grzewcza promiennika jest określana przez pomnożenie objętości gazu przez wartość opałową netto, ponieważ 95% energii biogazu jest zamieniane na ciepło. Wydajność energii cieplnej z małych grzejników wynosi
od 1,5 do 10 kW energii cieplnej 8.

Bezpiecznik i filtr powietrza
Promienniki na biogaz zawsze muszą być wyposażone w bezpiecznik, który zatrzymuje przepływ gazu w przypadku spadku temperatury, czyli gdy gaz nie jest spalony.

Zużycie biogazu
Domowe palniki gazowe zużywają 0,2 - 0,45 m3 biogazu na godzinę, a przemysłowe - od 1 do 3 m3 biogazu na godzinę. Ilość biogazu potrzebnego do gotowania można określić na podstawie czasu codziennego przygotowywania posiłków.

Tabela 19. Zużycie biogazu na potrzeby gospodarstw domowych

Silniki na biogaz
Biogaz można wykorzystać jako paliwo do silników samochodowych, a jego sprawność w tym przypadku zależy od zawartości metanu i obecności zanieczyszczeń. Zarówno silniki gaźnikowe, jak i wysokoprężne mogą być zasilane metanem. Ponieważ jednak biogaz jest paliwem wysokooktanowym, bardziej wydajne jest jego wykorzystanie w silnikach wysokoprężnych.
Silniki wymagają dużej ilości biogazu oraz instalacji dodatkowych urządzeń na silnikach spalinowych, które pozwalają na ich pracę zarówno na benzynie, jak i na metanie.

Ryc.37. Gazowy generator prądu we wsi. Petrovka

Zdjęcie: Vedenev A.G., PF "Fluid"

Gazowe generatory elektryczne
Doświadczenie pokazuje, że wykorzystanie biogazu w generatorach gazowo-elektrycznych jest opłacalne ekonomicznie, a spalanie 1 m3 biogazu pozwala na wytworzenie od 1,6 do 2,3 kW energii elektrycznej. Efektywność tego wykorzystania biogazu jest zwiększona dzięki wykorzystaniu energii cieplnej generowanej przez chłodzenie silnika generatora elektrycznego do ogrzewania reaktora biogazowni.

Oczyszczanie biogazu

Aby użyć biogazu jako paliwa do silników spalinowych, wymagane jest wstępne oczyszczenie biogazu z wody, siarkowodoru i dwutlenku węgla.

Zmniejszenie zawartości wilgoci

Biogaz jest nasycony wilgocią. Oczyszczanie biogazu z wilgoci polega na jego schłodzeniu. Osiąga się to poprzez przepuszczanie biogazu podziemną rurą w celu skroplenia wilgoci w niższych temperaturach. Gdy gaz jest ponownie podgrzewany, jego zawartość wilgoci jest znacznie zmniejszona. To suszenie biogazu jest szczególnie przydatne w przypadku gazomierzy suchych, które są używane, ponieważ z czasem są one koniecznie wypełnione wilgocią.

Zmniejszenie zawartości siarkowodoru

Ryc.38. Filtr i absorber siarkowodoru do separacji dwutlenku węgla we wsi. Petrovka
Zdjęcie: Vedenev A.G., PF "Fluid"
Siarkowodór, zmieszany z wodą w biogazie, tworzy kwas, który powoduje korozję metalu. Jest to poważne ograniczenie stosowania biogazu w podgrzewaczach wody i silnikach.
Najprostszym i najbardziej ekonomicznym sposobem usunięcia siarkowodoru z biogazu jest czyszczenie na sucho w specjalnym filtrze. Jako pochłaniacz stosuje się metalową „gąbkę” składającą się z mieszaniny tlenku żelaza i wiórów drzewnych. Za pomocą metalowej gąbki o pojemności 0,035 m3 można odzyskać 3,7 kg siarki z biogazu. Jeżeli zawartość siarkowodoru w biogazie wynosi 0,2%, to taką objętość metalowej gąbki można wykorzystać do usunięcia siarkowodoru z około 2500 m3 gazu. Aby zregenerować gąbkę, należy ją przez jakiś czas trzymać w powietrzu.
Minimalny koszt materiałów, łatwość obsługi filtra oraz regeneracja absorbera sprawiają, że metoda ta jest niezawodnym środkiem ochrony zbiornika gazu, sprężarek i silników spalinowych przed korozją spowodowaną długotrwałym działaniem siarkowodoru zawartego w biogazie. Tlenek cynku jest również skutecznym absorbentem siarkowodoru, a substancja ta ma dodatkowe zalety: pochłania również organiczne związki siarki (karbonyl, merkaptan itp.) 18

Zmniejszenie zawartości dwutlenku węgla
Redukcja dwutlenku węgla to złożony i kosztowny proces. Zasadniczo dwutlenek węgla można oddzielić przez zanurzenie w mleku wapiennym, ale praktyka ta prowadzi do dużych ilości wapna i nie jest odpowiednia do stosowania w układach o dużej objętości. Sam dwutlenek węgla jest cennym produktem, który można wykorzystać w różnych gałęziach przemysłu.

Ryc.39. UAZ zasilany biogazem
w z. Petrovka
Zdjęcie: Vedenev A.G., PF "Fluid"

Wykorzystanie metanu
Nowoczesne badania chemików otwierają ogromne możliwości wykorzystania gazu - metanu do produkcji sadzy (barwnika i surowca dla przemysłu gumowego), acetylenu, formaldehydu, alkoholu metylowego i etylowego, metylenu, chloroformu, benzenu i innych cennych produktów chemicznych na bazie dużych biogazowni18.

Zużycie biogazu przez silniki
W z. Petrovka, obwód Chui Republiki Kirgiskiej, biogazownia Stowarzyszenia Rolników o pojemności 150 m3 dostarcza biogaz na potrzeby domowe dla 7 gospodarstw chłopskich, eksploatację generatora gazowo-elektrycznego oraz 2 samochody - UAZ i ZIL. Do pracy na biogazie silniki zostały doposażone w specjalne urządzenia, a samochody - w stalowe cylindry do wtrysku gazu.
Średnie wartości zużycia biogazu do produkcji 1 kW energii elektrycznej przez silniki KZR wynoszą około 0,6 m3 na godzinę.

Tabela 20. Wykorzystanie biogazu jako paliwa samochodowego na wsi. Petrovka

Ryc.40. Palnik pochodni do spalania nadmiaru biogazu we wsi. Petrovka
Zdjęcie: Vedenev A.G., PF "Fluid"

Wydajność biogazu
Wydajność biogazu wynosi 55% dla pieców gazowych, 24% dla silników spalinowych. Najbardziej efektywnym sposobem wykorzystania biogazu jest połączenie ciepła i energii, które może osiągnąć 88% sprawności8. Wykorzystanie biogazu do obsługi palników gazowych w piecach gazowych, kotłach grzewczych, parownikach paszowych i szklarniach to najlepszy sposób wykorzystania biogazu dla gospodarstw w Kirgistanie.

Nadwyżka biogazu
W przypadku nadmiaru biogazu wytwarzanego przez instalację zaleca się nie wypuszczać go do atmosfery - doprowadzi to do niekorzystnego wpływu na klimat, a jedynie spalenie. W tym celu urządzenie pochodni jest instalowane w systemie dystrybucji gazu, który musi znajdować się w bezpiecznej odległości od budynków.

Jednym z głównych trendów w projektowaniu nowoczesnych silników samochodowych jest poprawa ich ekologiczności. Pod tym względem jedną z najlepszych opcji jest silnik na biopaliwo, którego najpopularniejszym rodzajem jest bioetanol.

Bioetanol to alkohol etylowy otrzymywany w wyniku przetwarzania surowców roślinnych. Głównym źródłem jego produkcji są rośliny paszowe bogate w skrobię.

Cechy silnika na biopaliwo

Należy zauważyć, że w tej chwili praktycznie nie mówi się o silniku, który pracowałby w całości na bioetanolu. Tłumaczy się to szeregiem obiektywnych ograniczeń, dla których nie znaleziono jeszcze skutecznych rozwiązań.

Dziś bioteanol jest używany do tankowania samochodów, głównie w mieszance z tradycyjnymi paliwami - benzyną i olejem napędowym. Na takim paliwie mogą pracować tylko pojazdy z silnikiem FFV (pojazd na paliwo elastyczne).

Silnik typu FFV to silnik spalinowy, który różni się od tradycyjnych silników. Tak więc główne cechy wyróżniające to:

• obecność specjalnego czujnika tlenu;
• użycie specjalnego materiału do produkcji wielu uszczelek;
• oprogramowanie ECU pozwalające określić procentową zawartość alkoholu w paliwie i odpowiednio dostosować pracę silnika;
• pewne zmiany w projekcie mające na celu zwiększenie stopnia sprężania, co jest konieczne ze względu na wyższą liczbę oktanową etanolu w porównaniu z benzyną.

Obecnie paliwa samochodowe zawierające bioetanol są dość popularne w wielu krajach. Tutaj liderami są Stany Zjednoczone i Brazylia. Obecnie w Brazylii kupowanie benzyny, w której zawartość bioetanolu byłaby mniejsza niż 20%, jest prawie niemożliwe. Technologia ta jest popularna w wielu krajach europejskich, zwłaszcza w krajach skandynawskich.

Zalety i wady

Bioetanol jako paliwo ma zarówno istotne zalety, jak i wady. Główne zalety biopaliw dotyczą przede wszystkim efektywności środowiskowej.

Bioetanol to nietoksyczne paliwo, które całkowicie rozpuszcza się w wodzie. Jego spalanie nie tworzy związków niebezpiecznych dla środowiska i zdrowia ludzi. Dodanie bioetanolu do benzyny może zmniejszyć szkodliwe emisje nawet o 30% lub więcej. Ponadto bioetanol produkowany jest z naturalnych, odnawialnych surowców. Często jest produktem ubocznym bezodpadowej produkcji innych rodzajów produktów.

Dodatkowo, ze względu na wysoką liczbę oktanową, zastosowanie bioetanolu poprawia niektóre właściwości silnika spalinowego. W tym zwiększa się jego wydajność.

Jedną z głównych wad biopaliw jest ich niestabilność w niskich temperaturach. W przypadku mrozu może rozwarstwiać się tworząc na powierzchni warstwę parafiny. Utrudnia to rozpoczęcie zimą. Aby przezwyciężyć tę wadę, konieczne jest wyposażenie samochodów w podgrzewacz paliwa lub mały zbiornik gazu zaprojektowany specjalnie do zimnego rozruchu.

Kolejną ważną wadą jest niska wartość opałowa. Podczas spalania bioetanolu uwalnia się o 37-40% mniej energii cieplnej w porównaniu z tradycyjnymi rodzajami paliw silnikowych. To znacznie ogranicza charakterystykę mocy silnika.

Silniki na biopaliwa mają znaczące zalety, ale mają pole do rozwoju.

Doświadczenie w eksploatacji biogazowych agregatów tłokowych

1. Wstęp

Wyzwaniem dla nowoczesnej energii jest zapewnienie niezawodnych i długoterminowych dostaw energii przy jednoczesnym zachowaniu zasobów paliw kopalnych i ochronie środowiska. Wymaga to ekonomicznego podejścia do wykorzystania istniejących zasobów energii i przejścia na źródła odnawialne. Badanie przeprowadzone przez Komisję Europejską dowiodło, że jest to możliwe.

W badaniu uwzględniono jedynie technologie dostępne obecnie na rynku i założono, że poziom życia w krajach europejskich zostanie wyrównany. Zatem do 2050 r. 90% energii konsumowanej w krajach europejskich może być wytwarzane przy użyciu odnawialnych źródeł energii (rys. 1). Jednocześnie cena energii elektrycznej podwoi się, ale jednocześnie zużycie nośników energii zmniejszy się o połowę. Prawie jedna trzecia energii będzie pochodzić z biomasy.

Rysunek 1 - Zużycie energii w Europie (badanie przeprowadzone przez Komisję Europejską)

Biomasa to ogólne określenie produktów i odpadów organicznych (gnojowica, pozostałości zbóż, nasion oleistych i roślin cukrowych), odpadów przemysłowych i domowych, drewna, odpadów przemysłu spożywczego itp. Sucha biomasa może być wykorzystana od razu jako paliwo, w innych przypadkach można przekształcić w biogaz poprzez „fermentację”, zgazowanie lub odparowanie (rys. 2).

Rysunek 2 - Wykorzystanie biomasy

2. Wytwarzanie biogazu

W naturze biogaz powstaje w wyniku rozkładu związków organicznych w warunkach beztlenowych, na przykład na bagnach, na brzegach zbiorników wodnych oraz w przewodzie pokarmowym niektórych zwierząt. W ten sposób fizyka procesów naturalnych wskazuje nam sposoby pozyskiwania biogazu.

Produkcja przemysłowa wymaga opracowania zintegrowanej technologii, w skład której wchodzą takie elementy jak zbiornik magazynowy biomasy, reaktor biogazowy (fermentor), w którym zachodzi fermentacja oraz zbiornik biogazu z układem oczyszczania (rys. 3).

Rysunek 3 - Produkcja energii elektrycznej z biogazu

Prawie cała materia organiczna ulega rozkładowi w wyniku fermentacji. W warunkach beztlenowych mikroorganizmy biorące udział w procesie fermentacji lub rozkładu dostosowują się do pierwotnego podłoża. Z uwagi na to, że fermentacja odbywa się w wilgotnym środowisku, biosubstrat powinien zawierać około 50% wody. Biodegradację przeprowadza się w temperaturach od 35 ° C do 40 ° C. Podczas fermentacji beztlenowej zachodzi wieloetapowy proces zamiany substancji organicznych ze związków wielkocząsteczkowych na niskocząsteczkowe, które można rozpuścić w wodzie. W jednym etapie substancje rozpuszczone rozkładają się, tworząc kwasy organiczne, alkohol niskiego stopnia, wodór, amoniak, siarkowodór i dwutlenek węgla. Z drugiej strony bakterie przekształcają substancje w kwas octowy i mrówkowy, aw procesie metanogenezy rozkładają je na metan.

4 НCOO H → CH 4 + 3 CO 2 + 2 H 2 O

Równocześnie wodór obniża zawartość CO 2, co powoduje również powstawanie metanu.

CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O

Jako surowiec do produkcji biogazu często stosuje się gnojowicę. W celu zwiększenia uzysku gazu można dodać tzw. Koenzymy, dzięki którym homogenizuje się produkcję biogazu, którego objętość zależy od zastosowanego substratu (tab.1).

Tabela 1 - Uzysk biogazu dla różnych rodzajów biomasy

3. Jakość i przygotowanie biogazu do użycia

Jakość biogazu i sposób przygotowania paliwa gazowego nie zależy od zastosowanego surowca i szybkości procesu. Stół. 2 porównuje skład różnych rodzajów gazu

Tabela 2 - Przybliżony porównawczy skład gazów palnych

Ponieważ biogaz zawiera takie szkodliwe składniki jak siarka, amoniak, czasem krzem, a także ich związki, możliwości jego wykorzystania są ograniczone. Elementy te mogą powodować zużycie i korozję w silnikach spalinowych, dlatego ich zawartość w gazie nie może przekraczać norm MWM. Ponadto spaliny nie mogą być schładzane do temperatur poniżej 140 ... 150 ° C, w przeciwnym razie w wymiennikach ciepła oraz w dolnej części przewodu spalinowego gromadzi się kwaśny kondensat.

Istnieje kilka sposobów usuwania siarki z paliwa gazowego. W przypadku oczyszczania biologicznego powietrze jest dostarczane do strefy gazowej w fermentorze. W wyniku utleniania siarkowodoru przez bakterie następuje oddzielenie siarki i siarczanu, które są usuwane wraz ze składnikami ciekłymi. Inną metodą jest osadzanie chemiczne. W takim przypadku do roztworu w fermentorze dodaje się trichlorek żelaza. Metody te sprawdziły się w oczyszczalniach ścieków.

Najbardziej optymalne wyniki uzyskuje się przy oczyszczaniu gazu węglem aktywnym, z którego usuwa się nie tylko siarkę, ale również krzem. W tym przypadku jakość biogazu odpowiada jakości gazu ziemnego, a zastosowanie utleniającego katalitycznego neutralizatora gazu dodatkowo obniża poziom emisji spalin.

4. Zastosowanie biogazu w elektrociepłowniach opartych na gazowych silnikach tłokowych

MWM GmbH (dawniej Deutz Power Systems) produkuje turbodoładowane gazowe agregaty tłokowe na ubogą mieszankę o mocy znamionowej od 400 do 4300 kW (rys. 4). Silniki te są przystosowane do wahań składu biogazu i zoptymalizowane do pracy z gazami o złożonym składzie.

Rysunek 4 - Zakres mocy silników gazowych MWM GmbH (dawniej DEUTZ Power Systems)

Oceny są zgodne z ISO 3046. Specyfikacje mają jedynie charakter informacyjny i nie są wartościami wiążącymi.

MWM GmbH posiada bogate doświadczenie w eksploatacji silników tłokowych na gaz wysypiskowy i ściekowy (pierwsze takie modele zaczęły działać prawie 100 lat temu na gazie ze ścieków) i wykorzystuje je do dalszego doskonalenia gamy modeli i zwiększania niezawodności produkowanych układów kogeneracyjnych. (rys. 5)

Rysunek 5 - Rozwój gazowych silników tłokowych (w latach 1988-2002)

Głównym zadaniem jest uodpornienie silników na szkodliwe substancje zawarte w gazie. Różne zanieczyszczenia tworzą kwasy, które mają negatywny wpływ na elementy silnika, głównie łożyska. Taki negatywny wpływ można z jednej strony wyeliminować optymalizując tryb pracy, az drugiej zmieniając technologię wytwarzania łożysk.

Używając agregatu przy temperaturze oleju smarującego około 95 ° C (na wlocie silnika) i unikając częstych zatrzymań i uruchomień, można zmniejszyć ryzyko tworzenia się kwasu z powodu kondensacji w skrzyni korbowej podczas fazy chłodzenia. W związku z powyższym w miarę możliwości silnik powinien pracować bez przerwy. Wystarczające nagromadzenie gazu w magazynie gazu zapewni ciągłe zasilanie paliwem, które jest niezbędne do sprawnej pracy silnika gazowego.

Doświadczenie zdobyte przy silnikach na biogaz pokazało, że łożyska muszą być wykonane ze specjalnych materiałów. Wraz ze wzrostem sprawności silnika i zwiększeniem ciśnienia roboczego potrzebne są łożyska o wyższym obciążeniu znamionowym. Łożyska napylane są obecnie szeroko stosowane, aby spełnić wszystkie wymagania dotyczące niezawodności. Dzięki solidnej, solidnej powierzchni są bardziej odporne na substancje korozyjne zawarte w gazie i oleju smarowym niż tradycyjne łożyska kulkowe zwykłe (ilustr. 6).

Rysunek 5 - Porównanie szczytowego ciśnienia filmu smarnego

Jakość oleju smarowego ma znaczący wpływ na żywotność i zużycie silnika. Dlatego podczas eksploatacji należy stosować tylko te gatunki oleju, które producent silnika gazowego zatwierdził dla tego rodzaju gazu. Okresy wymiany oleju są określane podczas rozruchu elektrowni na podstawie analiz jakości oleju. Podczas pracy silnika stale monitorowana jest jakość oleju smarowego, po czym podejmuje się decyzję o jego wymianie. Pierwsza analiza oleju wykonywana jest po 100 godzinach pracy, niezależnie od rodzaju paliwa gazowego. W ten sam sposób określa się okresy konserwacji zaworów.

Aby wydłużyć okresy wymiany oleju smarnego, należy zwiększyć jego ilość w ramie podstawy silnika. W tym celu MWM oferuje swoim klientom agregaty ze zwiększoną ilością oleju w ramie silnika. Olej jest stale dostarczany do obwodu smarowania, przechodząc ukośnie przez ramę podstawy (rys.10):

Rysunek 6 - Dopływ oleju smarnego

Oprócz cech konstrukcyjnych samych silników, system monitorowania i sterowania TEM (Total Electronic Management company MWM) odgrywa ważną rolę w zapewnianiu bezpiecznej i niezawodnej pracy biogazowni. Wykrywa wszystkie warunki pracy, temperatury, ciśnienia itp. I na podstawie uzyskanych danych ustawia optymalną moc silnika przy maksymalnej wydajności, bez przekraczania określonych limitów emisji. System TEM posiada możliwość sporządzania analitycznych wykresów zmian parametrów pracy stacji - pozwala to na czasową identyfikację zakłóceń w pracy i szybką reakcję na nie.

Firma dostarcza kompletne elektrownie biogazowe. Obejmują one zespół tłokowy gazowy, kocioł odzysknicowy, tłumik, katalityczne neutralizatory gazów, układ oczyszczania gazów z węgla aktywnego oraz, w razie potrzeby, dodatkowy układ oczyszczania spalin. (rys. 7).

Rysunek 7 - Przykład układu mini CHP ( kliknij obraz, aby powiększyć)

Na rys. 8 przedstawia konkretne inwestycje kapitałowe i średnie koszty utrzymania biogazowni. Dane podsumowują doświadczenia eksploatacyjne jednostek serii TBG 616 i TBG 620. Obejmują one koszty zespołu gazowo-tłokowego, wymienników ciepła chłodziwa i spalin, tłumików oraz koszty systemu dystrybucji, w tym instalacji i orurowania. Od 2005 roku jednostki TBG zostały zaktualizowane odpowiednio do serii TCG 2016 C i TCG 2020.

Rysunek 8 - Koszty inwestycji i utrzymania

W 2009 roku, po kolejnej modernizacji gamy modelowej, dla serii TCG 2020 udało się uzyskać sprawność elektryczną na poziomie 43,7% dla jednostki kogeneracyjnej TCG 2020 V20, a moc elektryczną 12 i 16 cylindrowych silników gazowych odpowiednio 1200 i 1560. kW. TCG 2016 V08 jest również mocno zmodernizowany. Moc elektryczna tego urządzenia została zwiększona do 400 kW, a sprawność elektryczna wzrosła do 42,2%. Ponadto sprawność elektryczna i moc wyjściowa są takie same dla gazu ziemnego i biogazu.

5. Praktyczne wykorzystanie różnych rodzajów surowców do wytwarzania energii

Wg. Brandenburgia (Niemcy) zainstalowano elektrownię produkującą biogaz z żywności i odpadów z gospodarstw domowych (zdjęcie 1). Rocznie zużywa się około 86 000 ton bioodpadów.

Zdjęcie 1 - Biogazownia w Alteno

Proces produkcji biogazu przebiega w określonej kolejności. Po usunięciu składników nie nadających się do wykorzystania, bioodpady są kruszone i mieszane, a uzyskana masa jest podgrzewana do 70 ° C w celu zabicia organizmów chorobotwórczych. Następnie odpady trafiają do dwóch fermentorów, z których każdy zawiera 3300 m3 biomasy. Mikroorganizmy rozkładają biomasę (w ciągu około 20 dni), w wyniku czego powstaje biogaz i pozostała ciecz, która jest następnie wyciskana, a sucha pozostałość jest ponownie przetwarzana biologicznie jako kompost.

Biogaz jest zasilany dwoma gazowymi silnikami tłokowymi TBG 616 V16K firmy Deutz Power Systems, każdy o mocy elektrycznej 626 kW i termicznym 834 kW. Wytworzona energia elektryczna trafia do sieci, a ciepło jest wykorzystywane do produkcji gazu. Poziomy emisji są poniżej wartości granicznych określonych w niemieckiej normie TA-Luft.

Bioagse działa również w Aichigte w gospodarstwie hodowlanym firmy Agrofarm 2000 GmbH. Firma uprawia 2200 hektarów gruntów ornych i 1100 hektarów pastwisk w Eichigt / Vogtland. Część wyprodukowanych plonów służy jako pasza dla 1550 krów, z czego 10 650 000 kg mleka rocznie produkuje. Jednocześnie dziennie powstaje od 110 do 120 m 3 gnojowicy - jest ona „fermentowana” w fermentorze, w wyniku czego powstaje 4000 ... 4400 m 3 biogazu. Do obornika dodaje się resztki paszy (do 4 ton / dobę), dzięki czemu produkcja gazu wzrasta o 20%.

Mini-CHP jest zainstalowany w kontenerze (zdjęcie 2), jako napęd używany jest silnik TBG 616 V16 K, którego moc elektryczna wynosi 459 kW, a moc cieplna 225 kW. Energia elektryczna jest dostarczana do sieci, a ciepło jest wykorzystywane na potrzeby gospodarstwa domowego. Jako surowiec do produkcji biogazu stosuje się gnojowicę.

Zdjęcie 2 - Blok kogeneracyjny MWM (dawniej DEUTZ Power Systems) w konstrukcji kontenerowej z silnikiem TBG 616 V16

Cykl utylizacji biomasy jest praktycznie bezodpadowy. Pozostałości z procesu „fermentacji” beztlenowej są bezwonne i mogą być wykorzystywane na polach jako nawóz przez cały rok.

wnioski

• Wykorzystanie odpadów rolniczych jako biopaliwa pozwala na zamknięty cykl produkcji rolniczej. Pozostałości po fermentacji beztlenowej są bezwonne i mogą być transportowane na pola jako nawóz. Ten rodzaj nawozu jest natychmiast wchłaniany przez rośliny bez zanieczyszczania gleby lub wód gruntowych.
• Produkcja energii z biogazu, w świetle regularnych kryzysów energetycznych, zaliczana jest do obiecujących odnawialnych źródeł energii. Biogazownie przetwarzają energię słoneczną zmagazynowaną w instalacjach na biogaz w procesie biodegradacji. Proces ten jest neutralny z punktu widzenia bilansu CO2, ponieważ do atmosfery uwalniana jest tylko taka ilość dwutlenku węgla, która została wcześniej zaabsorbowana przez rośliny podczas fotosyntezy.
• Wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w biogazowniach to obiecująca technologia, która pomaga ludzkości uniezależnić się od ograniczonych zasobów paliw kopalnych, a także chroni środowisko.
• MWM GmbH oferuje swoim klientom instalacje do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w oparciu o nowoczesne, bezpieczne i niezawodne silniki gazowe.

Oryginalny artykuł został wydrukowany na: VI Międzynarodowa Konferencja Naukowa SILNIKI GAZOWE 2003 w Polsce, 02 - 06 czerwca 2003