CC BY
58Биогаз - альтернативное топливо для дизелей
С.Н. Девянин,
профессор МГАУ им. В.П. Горячкина, д.т.н., В.Л. Чумаков,
профессор МГАУ им. В.П. Горячкина, к.т.н., В.А. Марков,
профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н.
Представлена технологическая схема биогазовой установки. Проведены экспериментальные исследования дизеля типа 1Ч 8/11, работающего на нефтяном дизельном топливе и по газодизельному циклу с подачей в камеру сгорания запальной дозы дизельного топлива и биогаза с содержанием метана 60,0; 72,8; 77,8 и 84,8 %.
Ключевые слова: дизельный двигатель, дизельное топливо (ДТ), биогаз, метан, токсичность отработавших газов (ОГ).
Biogas as alternative Fuel for Diesel Engines
S.N. Devyanin, V.L. Chumakov, V.A. Markov
The technological plan of a biogas installation is presented. Experimental investigation of a type 1Ч 8/11 diesel engine running on fossil diesel fuel has been carried out. Diesel fuel and biogas containing 60,0; 72,8; 77,8 и 84,8% methane are introduced into the combustion chamber.
Keywords: diesel engine, diesel fuel, biogas, methane, exhaust gases toxicity.
Снижение цены на биотоплива и повышение их конкурентоспособности могут быть достигнуты лишь при комплексном использовании сельскохозяйственной продукции. Одной из технологий, обеспечивающих максимальную утилизацию продукции животноводства и растениеводства, считается биогазовая технология [1-3], которая может быть использована для переработки навоза, сточных вод, отходов растениеводства и т.д.
Эффективным путем утилизации навоза и других отходов является анаэробное сбраживание, при котором навоз сохраняет свои свойства как органическое удобрение и при этом выделяется биогаз. Отходы перерабатываются целым технологическим комплексом, основным элементом которого является биореактор (рис. 1). С животноводческой фермы или хранилища навоз и органические отходы по трубопроводу 1 откачиваются фекальным насосом 2 и подаются в биореактор 3 с приемником 4 жидких
удобрений. В биореакторе происходит анаэробное сбраживание отходов и выделяется биогаз, который по трубопроводу 5 через сепаратор 6 (система для удаления из биогаза влаги и частично углекислого газа СО2) поступает в газгольдер 7. Он представляет собой большой резервуар для хранения газа при давлении, близком к атмосферному, и температуре окружающей среды. Газгольдер изготавливается из железобетона, стали и др. Из газгольдера 7 биогаз через ряд вспомогательных устройств подается к потребителю, в частности, в двигатель внутреннего сгорания. В этом случае биогаз обычно компримируется в устройстве 8 подачи биогаза, имеющем криогенную систему 9, обеспечивающую охлаждение сжатого биогаза. Двигатель внутреннего сгорания - дизель 11 - приводит во вращение электрогенератор 10, вырабатывающий электрический ток.
Анаэробное сбраживание отходов и выделение биогаза происходят при нагреве навоза до определенной температуры и поддержании теплового режима в биореакторе 3, в который подают горячую воду или устанавливают теплообменник. Через него протекает горячая вода, нагреваемая теплотой охлаждающей жидкости и отработавших газов двигателя. Сброженный навоз через приемник 4 и трубопровод 12 для отвода жидких удобрений поступает в специальное хранилище, а жидкая фракция через трубопровод 13 для отвода удобрений направляется на поля.
Практика показывает, что биогаз экономически целесообразно использовать в дизельных установках, работающих на двух топливах - биогазе с небольшой (10-15 %) запальной дозой дизельного топлива [4-6]. При этом сгорание 1 м3 биогаза позволяет выработать 1,25...1,40 кВт-ч электроэнергии. Эффективность использования биогаза зависит от концентрации метана в нем и запальной дозы дизельного топлива. Биореактор объемом 1 м3 позволяет обеспечить тепловой и электроэнергией среднюю семью из четырех человек [1].
Биогаз - это смесь газов, представленных, в основном, метаном СН4 и углекислым газом СО2. В нем также могут присутствовать сероводород Н2Б, азот К,, кислород О2, водород Н2 и прочие газы, получаемые при разложении органических отходов. Биогаз может быть получен из различных отходов (отходы сельскохозяйственного производства, бытовые стоки, индустриальные отходы) [7-9]. Его конечный состав в значительной степени зависит от исходного сырья (табл. 1).
lijitii
''"Сацл***
Переоборудование двигателя внутреннего сгорания в газодизель целесообразно проводить на базе дизельных двигателей с высокой степенью сжатия. При этом изменение показателей работы газодизеля вызвано различиями в физико-химических свойствах исследуемых топлив (табл. 2) [4, 5, 7].
Показатели двигателя при его работе на биогазе оценивались с использованием результатов экспериментальных исследований дизеля 1Ч8/11 серии DELTA фирмы Lister-Peter (табл. 4), который широко используется для привода насосных и электросиловых установок.
Экспериментальные исследования дизеля 1Ч8/11 проводились в лаборатории МГАУ им. В.П. Горячкина на стенде, оборудованном необходимой измерительной аппаратурой. В качестве тормозного устройства использовался гидравлический динамометр, позволяющий регулировать скоростной и нагрузочный режимы. Крутящий момент дизеля (мощность) определялся с помощью аппаратуры тест-коммандера, входящего в комплектацию экспериментального стенда для тестирования двигателей. Частота вращения измерялась электронным частотомером, входящим в комплектацию тормозной установки. Погрешность измерений частоты вращения составляла ± 1 мин-1. Массовый расход ДТ определялся расходомером. Температура ОГ измерялась на расстоянии 200 мм от выхода из выпускного коллектора двигателя термопарой и милливольтметром Ш4500 с пределом измерений от 0 до 600 °С. Для замера температуры воздуха на входе в расходомер и выходе
Выход биогаза, получаемого из различного
из системы охлаждения цилиндров использовались термометры, установленные соответственно перед входом в расходомер и на выходе воздуха из цилиндров. Давление воздуха во впускном и ОГ в выпускном коллекторах, а также картерных газов измерялось водяными пьезометрами с точностью 2 %. Данные о параметрах дизеля в цифровом виде выводились на пульт управления.
Дизель исследовался на режимах регуляторной ветви с установочным углом опережения впрыскивания топлива 0 =31° поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки (п.к.в. до ВМТ). Данные режимы соответствуют работе дизеля, приводящего в действие генератор или насосную станцию. Доля биогаза в топливе устанавливалась максимально возможной при условии сохранения устойчивости работы двигателя. Исследования проводились на биогазе, содержание метана и низшая теплота сгорания которого приведены ниже.
Содержание метана
в биогазе, %....................60,0 72,8 77,4 84,8
Низшая теплота
сгорания, МДж/кг.........18,52 22,47 24,01 26,17
Биогаз с указанным содержанием метана хранился в четырех стальных резервуарах.
Основная модернизация дизеля состояла в оборудовании смесителя, встроенного во впускной коллектор двигателя. Это позволило использовать двигатель как в базовом варианте, так и в газодизельной модификации. Детали и конструкция двигателя оставались неизменными.
Таблица 1
сырья, при оптимальных условиях брожения
Сырье Содержание метана в биогазе, % Выход биогаза, м3/кг (в пересчете на сухое вещество)
Навоз крупного рогатого скота 60...79 0,28
Птичий помет 60...80 0,36
Канализационные стоки 60 0,2.0,25
Индустриальные отходы 65 0,2
Таблица 2
Физико-химические свойства дизельного топлива, биогаза и природного газа
Физико-химические свойства Топливо
ДТ Биогаз (объемная доля, %) Природный газ (объемная доля, %)
Формула состава C16,2H28,5 (Условная) СН4 (60-80) СО2 (15.35) H22(до 1) H2S (до 1) Примеси (3) СН4 (95) СО2 (1) N2 (до 1,5) Примеси (2,5)
Плотность при 20 °С, кг/м3 830 1,16* 0,809
Теплота сгорания, МДж/кг 42,5 20,2* 48,4
Цетановое число 45 1* 3
Температура самовоспламенения, °С 250 700* 540
Количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг вещества, кг 14,3 12* 17,2
Метановое число - 123* 100
* Усредненные значения
Таблица 3
Параметры дизеля 1Ч8/11
Параметры Значение
Тип двигателя Четырехтактный, дизельный
Число цилиндров 1
Диаметр цилиндра, мм 80
Ход поршня, мм 110
Рабочий объем цилиндра, л 0,553
Степень сжатия 16,5
Номинальная частота вращения, мин-1 1380
Номинальная мощность, кВт 4,5
Тип камеры сгорания Полуразделенная камера сгорания в поршне
Механизм газораспределения Клапанного типа с верхним расположением клапанов
Системы охлаждения смазки питания Водяная, принудительная Принудительная, с разбрызгиванием Топливный насос высокого давления с центробежным регулятором
Масса, кг 150
Испытания двигателя проводились на характерных нагрузочных и скоростных режимах его работы.
При обработке результатов экспериментальных исследований расчет эффективного КПД г|е дизеля проводился с учетом различной теплотворной способности используемых топлив:
Че =
3,6 N.
Ниш (Сдт +Сг)
где Ые - эффективная мощность двигателя, кВт; Нисм лота сгорания условной смеси подаваемого топлива, МДж/кг; бД1, Gr - расход дизельного топлива и газа.
Теплота сгорания смеси подаваемых в КС топлив определялась по следующей формуле
_ ^ДГ тт , ^Г тт
"и см — „ п и ДГ т „ п и г ,
где Нидт , Ни г - теплота сгорания соответственно дизельного топлива и биогаза, МДж/кг; Gz - суммарный расход топлива, кг/ч.
Результаты обработки данных исследования представлены в виде графиков. На режиме максимальной нагрузки (при п =1380 мин-1) наибольшая мощность = 4,2 кВт) достигается при использовании ДТ (рис. 2). При переходе на биогаз ССН4 = 60,0 % отмечается снижение мощности до 3,62 кВт. При снижении нагрузки до 70 % разброс мощности при использовании биогаза с различным содержанием метана резко уменьшается и далее не превышает 3 %. Мощность, получаемая при работе дизеля на ДТ в интервале нагрузок от 70 до 35 %, в среднем на 12,5 % выше, чем при работе на биогазе. При использовании всех исследуемых топлив на режимах с низкой нагрузкой отличие в значениях мощности не превышает 3 %. Причинами снижения мощности при работе двигателя по газодизельному циклу являются более низкая по сравнению с ДТ теплота сгорания биогаза, а также снижение наполнения
цилиндра свежим зарядом из-за внесения изменений во впускную систему (установка смесителя) и замещения части воздуха на впуске подаваемым биогазом.
Таким образом, увеличение концентрации метана СН4 в биогазе обеспечивает большую выходную мощность газодизеля. Наиболее ощутимо влияние концентрации метана на выходную мощность происходит при высоких нагрузках (рис. 3а). Так, на режиме максимальной нагрузки при частоте вращения п =1380 мин-1 увеличение концентрации ме-теп- тана в биогазе ССН4 с 60,0 до 84,8 % приводит к увеличению
максимальной мощности с 3,62 до 4,34 кВт. На режиме с частотой вращения п =1420 мин-1 и нагрузкой около 90% от полной нагрузки рост концентрации метана в биогазе ССН4 с 60,0 до 84,8 % приводит к увеличению мощности с 3,5 до 3,84 кВт. При малых нагрузках изменение концентрации
Рис. 2. Зависимость эффективной мощности Ыв двигателя от его скоростного режима (частота вращения коленчатого вала п) при работе на ДТ и биогазе с различным содержанием метана:
1 - ДТ; 2 - Сси4 = 60,0 %; 3 - Ссн4 = 72,8 %; 4 - Ссн4 = 77,8 %; 5 - Ссн4 = 84,8 %
N2 кВт 4
3 2 1 О
--- 1
—А----- Л 2
(
< 1- - - - -с- - -в 4
Ле. %
40 30 20 10 о
< --- 2 1
( " "V - - 3
- — - — а
60
70
80 С
СН4
%
60
70
80
'СН4
%
а
б
Рис. 3. Зависимость эффективной мощности Ыв (а) и эффективного КПД (б) дизеля от концентрации метана в биогазе ССи4 на режимах регуляторной характеристики при различных частотах вращения п: 1 - п = 1380 мин1; 2 - п = 1420 мин1; 3 - п = 1500 мин1; 4 - п = 1620 мин1
метана в биогазе не оказывает существенного влияния на эффективные показатели дизеля.
Основным параметром, характеризующим экономичность работы дизеля, является эффективный КПД г|е , показывающий, насколько полно теплота, полученная при сгорании топлива, преобразована в механическую работу, отдаваемую потребителю. В отличие от удельного эффективного расхода топлива эффективный КПД позволяет сравнивать параметры двигателей, работающих на
различных топливах (см. рис. 36). Повышение концентрации метана в биогазе ССН4 приводит к снижению эффективного КПД пе при высоких нагрузках и не оказывает заметного влияния при низких. Так, на режиме с п=1380 мин-1 и максимальной нагрузкой увеличение концентрации метана в биогазе ССН4 с 60,0 до 84,8 % приводит к уменьшению Пе с 41,2 до 35,4 %. На режиме п=1420 мин-1 и нагрузкой около 90 % от полной увеличение концентрации метана ССН4 с 60,0 до 84,8 % приводит к снижению Г| с 40,1 до 36,7 %.
Рис. 5. Зоны устойчивой и неустойчивой работы газодизеля при различных частотах вращения: 1 - п = 1380 мин1; 2 - п = 1420 мин1; 3 - п = 1500 мин1; 4 - п = 1620 мин1
При частоте вращения п=1620 мин-1 и нагрузке около 15 % от полной рост концентрации метана ССН4 с 60,0 до 84,8 %, напротив, приводит к увеличению г|е с 15,6 до 16,0 %. Максимальные значения эффективного КПД отмечены на режимах с высокими и средними нагрузками при п<1500 мин-1.
Подача в камеру сгорания (КС) биогаза с ССН4 =60,0 % позволяет поднять максимальный КПД г|е с 27,9 до 41,2 % (рис. 4, кривые 7 и 2). Но удельный эффективный расход топлива при работе на дизельном топливе был ниже на 50 г/(кВт^ч), что объясняется низкой теплотворностью биогаза из-за наличия в нем 40 % негорючих газов (в частности, СО2) и только 60 % метана. Значительное увеличение КПД при использовании биогаза вместо дизельного топлива, вероятно, связано с существенным
улучшением смесеобразования, что характерно для малоразмерных дизелей с низким давлением впрыскивания. Подача в КС биогаза с ССН4 = 72,8 % позволяет поднять максимальный КПД с 27,9 до 40,1 % (см. рис. 4, кривые 7 и 3), при ССН4 = 77,8 % КПД вырос до 37,8 % (см. рис. 4, кривые 7 и 4), а при ССН4 = 84,8 % - до 37,8 % (см. рис. 4, кривые 7 и 5).
Проведенные исследования показали, что подача в КС биогаза и увеличение концентрации метана в нем приводят к небольшому снижению коэффициента наполнения по сравнению с подачей чистого дизельного топлива: от 81,6 до 84,5 % при использовании ДТ и от 68,9 до 72,8 % - биогаза с исследуемыми концентрациями метана. Уменьшение коэффициента наполнения объясняется замещением некоторого количества воздуха соответствующим объемом биогаза, подаваемого в течение такта впуска. При этом коэффициент наполнения двигателя изменялся незначительно при любом содержании метана в биогазе и на всех режимах работы двигателя.
Более выражена зависимость коэффициента избытка воздуха а от концентрации метана в биогазе ССН4. В частности, на режиме максимальной мощности при п = 1380 мин-1 коэффициент избыта воздуха уменьшается от а = 1,97 при ССН4 =60,0 % до а = 1,37 при ССН4=84,8 %. Однако по мере увеличения концентрации метана в биогазе от 60,0 до 84,8 % вследствие его очистки количество воздуха, необходимого для сгорания, уменьшалось на всех исследованных режимах работы двигателя.
При работе дизеля на биогазе необходимо максимальное замещение дизельного топлива при устойчивой работе двигателя. Указанная цель достигалась путем постепенного изменения расхода биогаза (увеличение его доли) при снижении подачи дизельного топлива по регулятор-ной ветви на каждом режиме работы дизеля. Результаты такого исследования (рис. 5) показали зоны устойчивой
а б
Рис. 6. Зависимость температуры отработавших газов ТОГ от содержания метана в биогазе ССн4 на режимах регуляторной характеристики при различных частотах вращения п (а) и от эффективного КПД дизеля при постоянных концентрациях
метана в биогазе Ссн4 и изменении скоростного режима (б). а: 1 - п=1380 мин1; 2 - п=1420 мин1; 3 - п=1500 мин1; 4 - п=1620 мин1; б: 1 - Ссн4 =60,0 %; 2 - Ссн4 = 72,8 %; 3- Ссн4 =77,8 %; 4- Ссн4 =84,8 %
и неустойчивой работы газодизеля при различных концентрациях метана в биогазе ССН4 и изменении доли замещенного дизельного топлива Gr при работе двигателя на биогазе. Приведенные кривые являются предельными по максимальной доли биогаза в подаваемом топливе. Следует отметить, что режим дизеля (частота вращения и нагрузка) не оказывает существенного влияния на долю замещаемого ДТ, обеспечивающую устойчивую работу дизеля. Все кривые для различных режимов работы укладываются в зону разброса данных в 5 %.
В зоне устойчивой работы двигателя увеличение концентрации метана в биогазе ССН4 позволяет увеличить его долю в подаваемом топливе Gr и, следовательно, уменьшить количество подаваемого ДТ. При увеличении ССН4 с 60 до 70 % количество подаваемого запального ДТ уменьшается в среднем с 30 до 20 %, то есть в 1,3 раза. Дальнейшее увеличение ССН4 приводит к меньшему эффекту от замещения дизельного топлива, что, вероятно, связано с особенностями воспламенения и сгорания запальной дозы ДТ. Ее
значение не может быть ниже 10___15 % при подаче только
метана в дизель при газодизельном процессе.
Результаты исследований подтверждают зависимость показателей дизеля от концентрации метана в биогазе, поэтому возникает необходимость оптимизации его состава. При этом следует учитывать основные показатели двигателя, не допуская перехода за их предельные значения. К основным показателям относятся эффективный КПД дизеля и температура отработавших газов ТОГ . Последний показатель является очень важным, поскольку при переводе дизеля на биогаз температура ОГ может заметно увеличиваться. При росте нагрузки (уменьшение частоты вращения п на режимах регуляторной характеристики) температура ОГ существенно увеличивается до ТОГ = 897 К (рис. 6а, кривая 7).
Таким образом, при оптимизации состава биогаза исследуемого дизеля необходимо обеспечить максимальную эффективность работы двигателя (максимальный эффективный КПД) при ограничениях, накладываемых на температуру отработавших газов ТОГ . Следует отметить, что с ростом нагрузки (уменьшение частоты вращения п на режимах регуляторной характеристики) эффективность сгорания повышается, что сопровождается одновременным увеличением эффективного КПД дизеля и температуры ОГ ТОГ (см. рис. 66). Причем, если при работе исследуемого двигателя по дизельному циклу (только на дизельном топливе) предельная температура ОГ достигает уровня ТОГ=800 К, то, как отмечено выше, при работе двигателя по газодизельному циклу (на биогазе с запальной дозой ДТ) максимальная температура ОГ возрастает до ТОГ=897 К. Это может привести к перегреву деталей КС дизеля, в первую очередь, его выпускных клапанов, и выходу двигателя из строя. Поэтому возникает противоречие между стремлением к повышению эффективного КПД дизеля и необходимостью ограничения температуры ОГ. Анализ данных (см. рис. 6) показывает, что ограничение температуры ОГ на уровне ТОГ = 800 К, характерном для базового дизеля, достигается только при использовании биогаза с содержанием метана ССН4 =60,0 %. При использовании биогаза
с содержанием метана ССН4 =72,8; 77,8 и 84,8 % это ограничение не обеспечивается.
Таким образом, проведенный комплекс экспериментальных исследований подтвердил возможность использования биогаза в качестве альтернативного топлива для дизельных двигателей. Размещение установок по производству биогаза наиболее эффективно непосредственно в местах образования органических отходов, то есть на предприятиях сельского хозяйства и пищевой промышленности, очистных сооружениях, полигонах твердых бытовых отходов и т.д.
Представленная технология использования биогаза позволяет не только частично решить вопрос получения энергоресурсов для их локального использования, но и решить ряд проблем, стоящих перед энергетикой в целом:
• частично или полностью заменить традиционные нефтяные топлива, сэкономить нефтяные ресурсы и сократить импорт нефтепродуктов;
• удовлетворить потребности населения в электроэнергии и бытовом газе, значительно уменьшив отрицательное воздействие двигателей внутреннего сгорания на окружающую среду;
• использовать альтернативные топлива в существующих двигателях внутреннего сгорания без существенного изменения их конструкции;
• создать энергоавтономные сельскохозяйственные предприятия;
• перерабатывать (сжигать в двигателе) поступающие в атмосферу парниковые газы (метан) при утилизации бытовых и сельскохозяйственных отходов.
Литература
1. Девянин С., Чумаков В., Белаль И. Газ и удобрение из биоотходов // Сельский механизатор. - 2007. - № 9. - С. 12-13.
2. Сидоренко О.Д. Биологические технологии утилизации отходов животноводства. - М.: Изд-во МСХА, 2001. - 74 с.
3. Гелатуха Г.Г., Кобзарь С.Г. Современные технологии анаэробного сбраживания биомассы: Обзор // Экология и ресурсосбережение. - 2002. - № 4. - С. 3-7.
4. Марков В.А., Гайворонский А.И., Грехов Л.В., Иващен-ко Н.А. Работа дизелей на нетрадиционных топливах: Учебное пособие. - М.: Изд-во «Легион-Автодата», 2008. - 464 с.
5. Ерохов В.И., Карунин А.Л. Газодизельные автомобили (конструкция, расчет, эксплуатация): Учебное пособие. - М.: Изд-во «Граф-Пресс», 2005. - 560 с.
6. Васильев Ю.Н., Золотаревский Л.С., Ксенофонтов С.И. Газовые и газодизельные двигатели. - М: РАО «Газпром». 1992. - 127 с.
7. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: Теория и практика. - Пер. с нем. - М.: Колос, 1982. - 140 с.
8. Захарченко А.Н., Захарченко А.А., Сатьянов С.В. Источники получения биогаза // Сельский механизатор. - 2011. - № 2. - С. 30-31.
9. Кириллов Н.Г. Альтернативные виды моторного топлива из биосырья для сельскохозяйственной автотракторной техники // Достижения науки и техники в АПК. - 2002. - № 2. - С. 11-15.
