ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ: РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ ОБЗОР, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ДЕЛ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

Копытов Вадим Валерьевич

ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ

ENERGY OF BIOMASS

Статья поступила в редакцию 20.05.11. Ред. рег. № 1024 The article has entered in publishing office 20.05.11. Ed. reg. No. 1024

УДК 622.76

ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ: РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ ОБЗОР, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ДЕЛ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

В.В. Копытов

ООО «БиоРЕКС» 107014 Москва, Ростокинский проезд, д. 3, стр. 3 Тел.: +7 (495) 661-62-51, e-mail: [email protected]

Заключение совета рецензентов: 30.05.11 Заключение совета экспертов: 10.06.11 Принято к публикации: 15.06.11

В настоящей статье представлен иллюстрированный исторический путь зарождения, становления, расцвета, временного забвения и перспектив технологий и оборудования газификации твердых топлив.

Ключевые слова: технологии и оборудование газификации твердых топлив, генераторный газ, пиролиз, отходы, экология, распределенное энергоснабжение, фитомасса, биотопливо, возобновляемые источники энергии.

SOLID FUELS GASIFICATION: RETROSPECTIVE, CURRENT STATUS AND DEVELOPMENT PROSPECTS

V.V. Kopytov

«BioREX» Ltd. 3/3 Rostokinskiy proezd, Moscow, 107014, Russia Tel.: +7 (495) 661-62-51, e-mail: [email protected]

Referred: 30.05.11 Expertise: 10.06.11 Accepted: 15.06.11

This article provides an illustrated historical path generation, heyday, temporary oblivion and prospects for technology and equipment of solid fuels gasification.

Keywords: technologies and equipment for solid fuel gasification, generating gas, pyrolysis, waste, ecology, distributed power generation, phytoweight, biofuel, renewed energy sources.

ШЖ

Вадим Валерьевич Копытов

Сведения об авторе: главный конструктор оборудования газификации твердых топлив ФГУП «НПЦ газотурбостроения «Салют» / ФГУП «ММПП «Салют» (Москва), заместитель главного конструктора ООО «БиоРЕКС» (Москва). Канд. техн. наук.

Образование: Курганский машиностроительный институт, автотракторный факультет. Аспирантура МАДИ (ТУ) (Москва), конструкторско-механический факультет.

Основной круг научных интересов: технологические и энергогенерирующие комплексы на базе оборудования газификации твердых топлив. Публикации: 6.

Газификацией твердых топлив (ГТТ) называется термохимический процесс преобразования (конверсии) органической части твердого топлива (ТТ) в генераторный газ (ГГ), удобный для последующего сжигания как в горелках котлов различного назначения, так и в камерах сгорания (внешних и внутренних) двигателей различных типов.

Главным преимуществом технологии ГТТ (по крайней мере, с экологической точки зрения) является низкий уровень негативного воздействия на окружающую среду.

Это, в первую очередь, обусловлено достаточно продолжительным (более 3 секунд) нахождением газообразных продуктов ГТТ сначала в зоне окисления (горения) при температурах 1000-1200 °С, а затем в восстановительной (бескислородной) зоне формирования ГГ. При таких условиях происходит термическое разложение и восстановительное дехлорирование наиболее опасных веществ - диоксинов, фуранов, полихлорбифенилов, бенз(а)пиренов и других полициклических ароматических углеводородов.

Еще одним преимуществом газификации в сравнении с прямым сжиганием ТТ является образование гораздо меньших объемов газов, подлежащих очистке. Кроме того, в результате более полного (в сравнении с прямым сжиганием ТТ) сгорания газообразного топлива образуется значительно меньшее (в разы, а по некоторым позициям и на порядки) количество вредных для окружающей среды химических соединений (как в дымовых газах, так и в зольном остатке).

Все это позволяет существенно сэкономить на дорогостоящем оборудовании очистки дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу (стоимость такого оборудования, например, в составе мусоросжигаю-щих заводов составляет более 50%), и оборудовании обеззараживания твердых вторичных отходов.

Наконец, при газификации недожог топлива в сравнении с прямым сжиганием существенно ниже, т. к. происходит почти 100%-я конверсия углерода при переходе его из твердого в газообразное состояние, а в ГГ/зольном остатке практически отсутствует сажа/непрореагировавший углерод.

В качестве сырья для газификации могут выступать практически все углеродсодержащие материалы природного и техногенного происхождения, в частности:

- горючие ископаемые (каустобиолиты);

- биомасса, в т.ч. специально выращенная, например, в фотобиореакторах и «энергетических лесах»;

- углеродсодержащие отходы производства и потребления, включая бытовые и коммунальные отходы, в т.ч. иловые осадки канализационных и сточных вод.

Газифицируемое топливо может обладать широким диапазоном энергетической плотности (так, содержание углерода может быть 25% и ниже), гранулометрического состава (от долей до сотен миллиметров), влажности и зольности (50% и выше), может быть использовано по отдельности и в самых

разнообразных смесях, в жидком и твердом (конденсированном) виде.

При этом можно получить ГГ с заданным химическим составом / теплотой сгорания, т. к. это определяется выбранной схемой газификации, температурой, давлением и составом применяемых газифицирующих агентов.

Примерно полтора века (в течение почти всего XIX и более половины XX века) ГГ уже был в числе основных энергоносителей нашей цивилизации.

Археологические раскопки свидетельствуют о том, что еще пещерные люди знали древесный уголь - твердый продукт неполной газификации древесины. Его собирали на пожарищах или делали специально, засыпая золой тлеющие головни, и, укрываясь в пещерах от непогоды, использовали затем как высококалорийное и практически бездымное топливо, не вызывающее угара.

Газообразное топливо (природный газ) впервые в истории нашей цивилизации (не позднее IV века до нашей эры) научились использовать в целях отопления и освещения древние китайцы.

Технологиями же получения искусственных горючих газов, к которым относится и ГГ, как принято считать, человечество овладело в конце XVII (по другим данным в начале XVIII) века, когда в Англии в результате нагрева угля без доступа кислорода получили газ, способный гореть на воздухе.

Вместе с тем существует предание, что еще в XПI-м веке некий парижанин по имени Езекииль получал подобным образом горючий газ и использовал его для освещения и обогрева собственного жилища.

Рис. 1. Углежоги за работой. Средневековая гравюра Fig. 1. Charcoal burners at work. Medieval engraving

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

А многие тысячелетия назад последователи пророка Заратушры (Зороастра), а также несколько позднее ремесленники-углежоги уже использовали похожие на газификацию технологии, сжигая ТТ при недостатке кислорода. Правда, целью «огнепоклонников» было увеличение продолжительности процесса горения, а углежогам (рис. 1) нужны были твердые (древесный уголь и каменноугольный кокс), реже жидкие (деготь и т.п.) продукты термического разложения топлива. А горючий газ, неизбежно выделяющийся при этом, являлся лишь побочным продуктом и, как правило, никак не использовался.

В 1773-74 гг. французский химик Антуан Лавуазье, основоположник современной химии, провел удачные опыты по термическому разложению водяного пара с целью получения водорода или, как его называли тогда, «горючего воздуха».

В 1782 г. итальянский профессор Феличе Фонтана впервые исследовал процесс разложения водяного пара над раскаленным углем и обнаружил образование горючего газа (смеси водорода и монооксида углерода), названного позднее «водяным газом».

Тогда же, в конце XVIII века, горючий газ, получаемый из каменного угля и других топлив (главным образом древесины и в последующем нефти), научились использовать. Так, первая в мире газовая турбина, точнее - газотурбинный двигатель, запатентованный в 1791 г. англичанином Джоном Барбером, работал именно на таком газе (рис. 2).

Рис. 2. Схема первого газотурбинного двигателя Дж. Барбера Fig. 2. John BARBER first gas turbine engine scheme

Горючий газ и воздух поршневыми компресссо-рами подавались в камеру сгорания. Продукты сгорания поступали в осевую активную газовую турбину, которая через механическую передачу из цепей и балансиров приводила в движение упомянутые компрессоры. Была даже предусмотрена система водяного охлаждения турбины. Таким образом, двигатель Барбера содержал все основные элементы газотурбинного двигателя. Двигатель был разработан для приведения в действие безлошадной повозки.

Создателем первого газогенератора считается французский инженер, профессор механики Парижской школы мостов и дорог Филипп Лебон. Однажды в 1788 г. он бросил горсть сухих древесных опилок в стоявший на огне сосуд. Через некоторое время из сосуда поднялся густой дым, который вспыхнул на огне и дал яркое светящееся пламя. Ученый понял, что случай помог ему сделать открытие чрезвычайной значимости.

В 1794 г. Ф. Лебон получил патент на аппарат перегонки древесины и угля, в 1799 г. - на постройку газового завода, а еще через два года, в 1801 г., - на проект газопоршневого двигателя, работающего по принципу парового двигателя, только вместо пара в двигатель подавался ГГ, зажигаемый поочередно по ту и другую стороны поршня (рис. 3).

Рис. 3. Схема газопоршневого двигателя Филиппа Лебона Fig. 3. Philippe LEBON gas piston engine scheme

В это же время Лебон за свой счет оборудовал систему газового освещения в одной из парижских гостиниц.

Параллельно и независимо от Ф. Лебона вопросами получения горючего газа из твердого топлива, прежде всего из каменного угля, в Англии занимался Уильям Мердок. Кроме того, начиная с 1798 г. он разрабатывал различные конструкции газовых горелок, в которых сжигал полученный газ, а также исследовал формы реторт, где, собственно, и осуществлялся процесс газификации. По проекту У. Мердока были освещены прядильные фабрики в графстве Ланкашир и мануфактуры в Сохо, а они, в свою очередь, привлекли внимание других ученых и инженеров, в частности, механика и химика Сэмюэля Клег-га, которому принадлежит, например, идея применения извести для очистки газа.

С. Клегг предложил также особую систему приемников, в которых могла сгущаться смола, прибор для регулирования давления, ретортные печи со сводом (т.н. «печи Клегга») и изобрел газометр-счетчик. Наконец именно под руководством Клегга 13 декабря 1813 г. впервые осветили газом Вестминстерский мост.

В 1809-1811 гг. заводчик и инженер Оберто (Франция) попробовал использовать колошниковый (доменный) газ для цементации железа, обжига кирпича, выжигания извести и т.п. термических процессов.

Среди основоположников технологий газификации можно также отметить С. Мипкедереома (Бельгия) и инженера Бернардуса (Нидерланды).

Генераторный газ первоначально был назван «светильным» газом (в английской терминологии «outdoor lighting»). Такое название объясняется тем, что главным его предназначением в течение почти всего XIX века (в Лондоне с 1812 г., в Санкт-Петербурге с 1819 г., в Париже с 1820 г.) и до начала XX века включительно было освещение улиц и площадей городов Европы, США, Канады и Австралии (рис. 4).

Рис. 4. Ночь, улица, фонарь... (аптека - за углом) Fig. 4. Night, street, lantern, ... (pharmacy - behind corner)

Так, в США к 1868 г. насчитывалось более 970 газовых обществ, в Канаде - 47.

В Англии к началу 1890-х годов было 594 газовых завода, 460 тыс. уличных фонарей, протяженность газопроводов - 35 150 км. В 1908 г. в Англии для получения 1 285 млн м3 «светильного» газа было израсходовано 17 млн тонн угля (в это время данный газ стали использовать не только в целях освещения и отопления, но и как моторное топливо).

Широко использовался светильный газ также для освещения и отопления общественных зданий и частных домовладений, получения горячей воды, приготовления пищи (так, например, в той же Англии в 1891 г. было 2,3 млн, а в 1927 г. - 8,7 млн потребителей искусственного горючего газа).

В 1823 г. англичанин Самуэль Браун построил первый в истории газовый двигатель внутреннего сгорания на светильном газе и получил на него два патента.

В 1838 г. в Англии был выдан патент В. Бартнеру, согласно которому газ и воздух предварительно сжимают в отдельных цилиндрах, а смесь перед воспламенением дожимают в рабочем цилиндре.

В 1841 г. изобретатель Джеймс Джонстон получил в Англии патент на двигатель, работающий на смеси водорода с кислородом.

В 1842 г. также в Англии Дрейк запатентовал свой газовый двигатель с калильным зажиганием (патент № 562). Позднее этот двигатель удалось приспособить для работы на керосине.

В 1830 г. инженеру Доновану удалось использовать карбюрированный нафталином водяной газ, полученный при продувании водяного пара через слой раскаленного кокса в реторте, для осветительных целей в Дублине (Ирландия). Однако производство газа в ретортах с внешним обогревом было очень дорогим и невыгодным. Водяной газ в газогенераторе с переменным вдуванием воздуха и пара впервые получил инженер Киркгамами (Англия) в 1854 г.

В 1832-1837 г. француз Фабер дю Фор применил на одном из металлургических заводов в Германии доменный газ для отопления сварочных и пудлинговых печей. В 1840 г. на смеси доменного и генераторного газа уже работала томильная печь. Генераторный газ дю Фор добывал в отдельной печи - «газогенераторе» - из дешевого и непригодного для других нужд каменного угля. Газогенератор был шахтным, как доменная печь, без колосниковой решетки. Работал он с выпуском жидкого шлака.

В конце 30-х годов XIX века во Франции газогенераторы создали также инженеры Лоранс и Тома.

К первым промышленным образцам можно также отнести газогенераторы, построенные инженерами Э. Бишофом (1839, Германия), Эбельманом (1840, Австрия) и Экмоном (1845, Швеция).

Бишоф пытался создать пламенную печь с полугазовой топкой и добиться экономии в расходовании кокса и угля. Для этой цели он использовал малоценное необогащенное ТТ, в первую очередь торф, и обращал его в ГГ для последующего использования в плавильном процессе. Усовершенствованный газогенератор Бишофа применялся им в местечке Магдеш-прунге до 1844 г.

Эбельман же впервые построил газогенератор, работающий по принципу обращенного процесса газификации, когда ТТ, газифицирующий агент и ГГ перемещаются в одном направлении. Этот принцип получил впоследствии широкое распространение в газогенераторных установках транспортного типа, т.к. чрезвычайно удачно разрешал проблему разложения паров воды и сжигания смолистых веществ, получающихся при газификации древесного топлива.

В 1849 г. инженер Петенкрофер (Германия) сконструировал газогенератор, на котором впервые получил ГГ, пригодный для освещения улиц, из древесины. В 1851 г. он осветил этим газом вокзал и улицы Мюнхена.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

Однако впервые серийного производства удостоилось регенеративная печь (рис. 5), изобретенная в 1856 г. Фридрихом Сименсом в сотрудничестве со своим братом Вильгельмом Сименсом (Германия).

Газогенераторы Сименсов были с естественной тягой и со ступенчатой колосниковой решеткой. Использование естественной тяги позволило отказаться от двигателей, установка которых в то время была затруднительна. Пар в процесс вводили, просто заливая воду в поддувало.

Фпг, в. Вертикальный продольный psiptji газовой печи, оп-пдннаеиой генераторныйь гаэомъ, сгирающкиъ я» сэегь во>-ду-xa, предварительно нагр-Ьв&еидго продуктами ropbHi«^ А. торты, В—геяераторъ. Виерху вндяа гпдршлмка.

Рис. 5. Схема регенеративной печи Сименсов (рисунок из энциклопедического словаря Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона, изданного в 1890-1907 годах) Fig. 5. SIMENS regenerative furnace scheme (picture of encyclopedic glossary of F. Brockhaus and I. Efron, published in 1890-1907)

Производимое Сименсами оборудование ГТТ на многие десятки лет стало важнейшим и незаменимым элементом стеклоплавильных, пудлинговых, сталеплавильных (т.н. «сименс-мартеновских»), сварочных и нагревательных печей, работающих по регенеративному принципу.

Что касается России, то существует небезосновательное мнение (изложенное, например, А.А. Самы-линым и М.Г. Яшиным в работе под названием «История развития транспортных газогенераторов», публикация которой началась в журнале «Леспро-минформ» № 7 (73) за 2010 г.), что и в области получения и использования искусственных горючих газов мы были «впереди планеты всей».

Дело в том, что отечественные металлурги на построенных по указу Петра I на Урале «железоделательных» казенных заводах еще в самом начале XVIII века освоили плавку руды в т.н. «домницах».

А в качестве топлива при этом использовали горючий газ (впоследствии названный «доменным»), получаемый путем «томления» ТТ. Эту точку зрения, видимо, разделял и великий русский ученый Д.И. Менделеев. Так, он, в частности, писал: «...История введения в практику воздушного или генераторного газа очень сложна и тесно связана с доменным производством чугуна, потому что при нем из верхнего отверстия горна, куда засыпается смесь угля и руды, выделяется горючий газ вместо воздуха, что вдувается снизу, который содержит преимущественно азот и окись углерода.».

Устроителем же первого российского аппарата для получения светильного газа был переводчик Министерства коммерции, впоследствии ученый-металлург, полковник Корпуса горных инженеров и (с 1830 г.) член-корреспондент Петербургской Академии наук Петр Григорьевич Соболевский (рис. 6).

Рис. 6. Соболевский Петр Григорьевич (1782-1841) Fig. 6. Peter SOBOLEWSKI (1782-1841)

Начиная с 1804 г. он вел работы по созданию промышленной газовой установки, альтернативной конструкции Ф. Лебона, т.к. патент во Франции приобрести не удалось. К ноябрю 1811 г. все оригинальные технические решения им совместно с Д'Оррером были успешно реализованы, «... терпением они преодолели все трудности и, наконец, имели счастье достигнуть совершенного успеха.».

2 декабря 1811 г. газета «Северная почта» опубликовала статью «О пользе термолампа, устроенного в Санкт-Петербурге гг. Соболевским и Д'Оррером», в которой были и такие слова: «.Многие любители наук, любопытствовавшие несколько раз видеть сии опыты, удостоверились, что свет, сожиганием водо-творного газа производимый, весьма ясен, не издает чувствительного запаха и не производит дыму, следовательно, не имеет копоти. Польза сего изобретения . и выгоды, оным доставляемая, суть столь обширны и многоразличны, что даже при самом точ-

нейшем исследовании кажутся они почти невероятными, и потому самому изобретению оне можно почесть одним из важнейших открытий...».

«Северная почта» достаточно подробно описывала как устройство «термолампа», так и технологический процесс получения искусственного газа (рис. 7).

Чугунный цилиндр, вделанный в печь, наполнялся дровами, затем отверстие плотно замазывалось, а весь цилиндр сильно подогревался горящими дровами.

«. Подогревание цилиндра продолжается до тех пор, пока отделяется газ, когда же отделение опять прекратится, то сие служит знаком, что дрова, положенные в цилиндр, превратились в уголь совершенно...».

Дрова в цилиндре от сильного жара превращались в древесный уголь с одновременным образованием паров угольной кислоты и дегтя, а также горючего газа.

Газообразные продукты затем поступали в холодильник, где они охлаждались.

При этом кислота и деготь, превращаясь в капли, стекали в приемный сосуд, а газ, проходя через воду, очищался и поступал в хранилище. Из этого хранилища газ подводился через трубки разной величины к лампам, установленным в помещении или на улице.

Трубки были снабжены на концах кранами, и если к открытому крану поднести зажженную бумагу или спичку, то выходящий из трубки газ загорался, и огонь продолжал гореть у отверстия трубки «.доколе газ выходить не перестает.». Таким образом, его можно употребить или на освещение улиц, или на отопление и освещение помещений.

Наиболее подробное и обстоятельное описание устройства «термолампа» Соболевского хранится в деле № 553 в фонде Российского государственного исторического архива.

Рис. 7. Схема получения светильного газа в установке Соболевского Fig. 7. SOBOLEWSKI gas lights installation scheme

26 декабря 1811 г. в Санкт-Петербурге на заседании Всероссийского общества любителей словесности, наук и художеств с обстоятельным докладом об изобретении «термолампа» выступил его создатель П.Г. Соболевский. В дальнейшем, стремясь познакомить со своим изобретением как можно более широкие слои публики, автор написал «Руководства к устроению термолампов, содержащие в себе подробное описание употребления их для публичного, так и домашнего освещения, применения оных к отапливанию покоев, к деланию угля и дегтя и показание способа очищать пригорело-древесную смолу, дабы дать ей качества настоящего уксуса».

24 января 1812 г. согласно указу императора Александра I титулярный советник Соболевский был удостоен высокой награды, ордена Св. Владимира 4-й

степени «. за попечения и труды, с коими произвел в действие устроение термолампа, доселе в России не существовавшего...».

В начале 1812 г. были утверждены проекты газового освещения Монетного двора и других важных правительственных зданий Санкт-Петербурга, а также намечены конкретные меры по внедрению газового освещения улиц, площадей и бульваров российской столицы.

Так, в февральском номере «Санкт-Петербургского вестника» за 1812 г. был опубликован «Проект освещения водотворным газом Адмиралтейского булевара и некоторые примечания об устройстве термолампов». Адмиралтейский бульвар должны были освещать сто газовых фонарей, расставленных на равном расстоянии друг от друга. Проект был

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

представлен на рассмотрение Александра I, однако его реализация, как и воплощение в жизнь других аналогичных проектов, была отложена в связи с вторжением в Россию войск Наполеона и начавшейся Отечественной войной.

В 1816 г. П.Г. Соболевский соорудил мощную газовую установку для освещения и отопления производственных помещений Пожвинского завода, расположенного в 150 верстах от г. Перми (рис. 8).

II. М. Кшнцсв

Рис. 8. В исторической хронике Пожвинского завода одна из глав носит название «Термоламп Соболевского» Fig. 8. In a historical chronicle Pozhvinskiy plant one chapter is called "Termolamp SOBOlEWsKI"

После чего заводовладелец В. А. Всеволожский (в его загородном имении Рябово, что в 11 км от Санкт-Петербурга, также зажглись яркие и жаркие огни газовых ламп) приказал: «.Термоламп ... исправить непременно, дабы освещением его мастерские пользовались в полном виде, не имея нужды в свечах, которых на оное и не покупать.».

Есть сведения, что несколько позднее газовое освещение и отопление получило распространение и в производственных помещениях ряда оружейных заводов Златоустовского горного округа.

Осенью 1819 г. благодаря активной поддержке столичного генерал-губернатора графа М.А. Милора-довича в Санкт-Петербурге наконец зажглись и первые уличные газовые фонари (всего на семь лет позже, чем в Лондоне, и на год раньше, чем в Париже!).

Газета «Санкт-Петербургские ведомости» (№ 87 за 1819 г.) свидетельствовала: «.Года 1819, 28 октября, на Аптекарском острове Санкт-Петербурга прошли испытания фонаря, питаемого водотворным газом. Сие событие станет образцом достижений русской науки.

Толпа, собравшаяся поглядеть на оную демонстрацию, с восторгом и одобрением следила за тем, как происходило действие. Думается, данный вид освещения имеет дальние перспективы в России.».

В 1823-1824 гг. русский изобретатель-самоучка Иван Иванович Овцын близ Охты (под Санкт-Петербургом) создал на базе термолампа Соболевского установку сухой перегонки древесины. Отличительной чертой данной установки было то, что в ней впервые удалось использовать все продукты пиролиза: и твердые (древесный уголь), и жидкие (деготь, смолу и уксусную кислоту), и газообразные (светильный газ).

По-видимому, именно после этих удачных опытов И.И. Овцына в России началось изготовление скипидара непосредственной сухой перегонкой древесины.

Газовое освещение системы П.Г. Соболевского в 20-х годах XIX века было устроено в помещениях Главного штаба и Адмиралтейской части, а также в домашнем театре генерал-губернатора. А затем постепенно все основные здания и улицы Петербурга стали освещаться газовыми фонарями.

И если в Михайловском А.С. Пушкин писал свои стихи еще при свечах, то по Летнему саду он гулял уже в газовом свете (рис. 9).

Рис. 9. Вид от Летнего сада на Пантелеймоновскую церковь.

На переднем плане - фонарь газового освещения Fig. 9. View from the summer garden at Panteleymonovskaya Church. In the foreground - Lantern gas lighting

27 февраля 1835 г. был утвержден устав первой российской акционерной газовой компании, получившей название «Общество для освещения Санкт-Петербурга газом».

В том же году в районе Обводного канала был построен первый крупный газовый завод и создана инфраструктура централизованного газового освещения города, пришедшая на смену индивидуальным установкам.

Вскоре светильный газ пришел и в другие города России, в частности, в Тифлис (1848 г.), Одессу (1850 г.), Москву (с 1850-х годов - для индивидуального освещения и отопления зданий, с 1865 г. - для централизованного освещения улиц и площадей). А затем в Тверь, Кронштадт, Таганрог, Харьков, Казань, Киев, Ростов-на-Дону и другие города.

Всего в Российской империи (включая Польшу, Прибалтику и Финляндию) газовое освещение и отопление было в 24 городах.

Освещал газ также здания (одновременно обогревая их) и прилегающие территории государственных организаций, фабрик и заводов (всего в России их было 157), железнодорожных станций (в России -23) и т.п.

К концу 1868 г. в нашей стране действовало 310 газовых заводов. В качестве топлива они использовали преимущественно каменный уголь, а также древесину (в частности,

для освещения городов Вильно (Вильнюс) и Гельсингфорс (Хельсинки)), нефть и отходы нефтепереработки (Казань и Ялта). Киев освещался смешанным - древесно-нефтяным - светильным газом.

В конце XIX века российский инженер и ученый-металлург, впоследствии член-корреспондент АН СССР В.Е. Грум-Гржимайло сконструировал и внедрил на десятках предприятий Урала промышленные газогенераторные установки, превращавшие торф, щепки, пни и сучья в ГГ, используемый затем в металлургических процессах.

В последние десятилетия XIX века газогенераторные технологии, уже широко использовавшиеся в металлургии и стекольном производстве, выделились в отдельную отрасль промышленности.

Во второй половине XIX века активизировались также работы по использованию искусственных горючих газов в качестве топлива двигателей внешнего и внутреннего сгорания.

В 1854 г. Барзани и Матеукки получили английский, а затем и французский патент на атмосферный двигатель со свободным поршнем.

Смесь светильного газа с воздухом воспламенялась под поршнем электрической искрой, и давление продуктов сгорания поднимало свободный поршень вверх.

В 1858 г. Дегеран получил французский патент на газовый двигатель со сжатием горючей смеси в рабочем цилиндре.

В 1860 г. бельгийский официант и по совместительству инженер-любитель Этьен Ленуар запатентовал свой двигатель внутреннего сгорания, работающий на светильном газе (рис. 10).

В 1862-1863 гг. газогенераторная силовая установка Ленуара мощностью до 4 л.с. была установлена на восьмиместный открытый омнибус - первый в мире прототип автомобиля (рис. 11).

Этот прототип больше походил на большую деревянную трехколесную телегу, но для движения уже не нуждался в живой тягловой силе. В связи с

тем, что все самодвижущиеся повозки тех лет (и газогенераторные, и паровые) питались углем и / или дровами, то кроме водителя в таком экипаже в обязательном порядке был еще и шофер, т.е. кочегар по-французски.

Рис. 10. Первый газовый двигатель Ленуара 1860 года Fig. 10. LENOIR first gas engine year 1860

Рис. 11. Омнибус Ленуара с газогенераторным двигателем Fig. 11. LENOIR gasgenerator engine omnibus

В 1872 г. газогенераторный двигатель Ленуара установили на дирижабле, и он хорошо показал себя во время летных испытаний.

Однако КПД двухтактного двигателя Ленуара достигал всего 5%, и когда на Парижской всемирной выставке 1878 г. публике был продемонстрирован четырехтактный газовый двигатель немецкого инженера Николаса Отто с КПД 16%, слава пионера газогенераторного двигателестроения, к сожалению, быстро померкла.

Газогенераторы конструкции инженеров Незе (1878 г.) и Ольшевского (1880 г.) использовали принцип обращенного процесса газификации, впервые примененный Эбельманом. Но они были гораздо более совершенны и позволяли практически полностью разлагать дистилляционные составляющие ГГ, что позволяло его использовать в качестве моторного топлива газовых двигателей.

Газовые двигатели нуждались в чистом газе. Воздушный газ не соответствовал этим требованиям, поэтому пришлось искать другие решения. Наиболее успешной оказалась работа английского инженера Эмеля Даусона, который в 1879-1883 гг., основыва-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

ясь на исследованиях Эбельмана, впервые применил так называемый «силовой газ» - воздушный газ, смешанный с водяным (иногда его называли «полуводяным газом»). Для получения такого газа Даусон сконструировал очень практичную и экономичную установку, представлявшую собой совершенную на то время концепцию сочетания газогенератора и двигателя внутреннего сгорания в едином блоке, который целиком мог быть установлен на транспортной или иной машине. Значение этой работы было настолько велико, что в течение некоторого времени полуводяной ГГ повсеместно назывался «газом Дау-сона».

Интересно, что с момента появления газогенераторов их разработка велась в двух направлениях -газификация твердых и жидких топлив. Так, один из патентов, полученных в 1883 г. Г. Даймлером, распространялся на мотор для «экипажа без лошади», в состав которого входил прибор в виде «трубки для зажигания горючей смеси». Прибор был назван карбюратором и впоследствии (в усовершенствованном виде) получил широчайшее распространение и продолжает использоваться до сих пор, являясь, по своей сути, не чем иным, как газогенератором жидких топлив.

Воспользовавшись наработками Даусона, начиная с 1889 г. завод «Крослей Бразерс» в Англии, а вскоре за ним и германская фирма «Отто Дейц» взялись за практическую разработку и последующий серийный выпуск силовых агрегатов, сочетающих газогенератор и газовый двигатель. Эти компании и стали пионерами газомоторостроения.

Успех нового двигателя Дизеля в 1892 г. на выставке в Париже привел к попыткам непосредственного сжигания ТТ в мелкодисперсном состоянии в двигателях внутреннего сгорания. Апологетам этой технологии удалось путем тщательного измельчения превратить уголь в столь тонкую пыль, что скорость ее сгорания стала весьма высокой, а стоимость получения приемлемой. Но неразрешимой задачей стало удаление зольного остатка из цилиндров двигателей. Наличие же золы в цилиндре приводило к быстрому износу наиболее ответственных деталей, после чего работа двигателя становится невозможной. В результате это направление было признано тупиковым, а применение ТТ в качестве моторного топлива возможным только после его газификации.

Первый классический газогенераторный автомобиль, использующий в качестве топлива древесные чурки и древесный уголь, был построен французским инженером Тейлором в 1900 г. Патент в России выдан в 1901 г. В этом патенте, помимо прочего, для автомобильного газогенератора была предусмотрена особая система регулирования присадки водяного пара к воздуху. Воздух и пар поступали снизу, из-под колосниковой решетки, в снабженную огнеупорной керамической футеровкой шахту.

Газогенератор Тейлора работал по прямому процессу газификации. При этом ГГ отбирался по трубе

g (рис. 12) и направлялся через охладители И и Ь и скруббер т к автомобильному двигателю. Охладитель И одновременно служил и парообразователем. Вследствие разрежения, создаваемого двигателем в реакторе а газогенератора, воздух поступал под колосниковую решетку из атмосферы в трубу р через отверстие 8, регулируемое краном 1, и подсасывал пар из парообразователя И через трубку ) в смеси с вторичным воздухом, поступающим через отверстие г.

Рис. 12. Схема работы газогенератора Тейлора Fig. 12. TAYLOR gasgenerator operation scheme

При полностью закрытом кране 1 весь вырабатываемый в парообразователе И пар увлекался в реакторе а воздухом, заходящим снаружи через отверстие г. При полностью открытом кране 1 воздух поступал через отверстие 8 в реактор а, а весь пар выходил наружу через трубку) и отверстие г.

В 1905 г. Торникрофтом в Англии была построена первая газогенераторная моторная лодка.

В 1908 г. во Франции был построен первый газогенераторный трактор.

За первые полтора десятилетия XX века в мире было построено несколько десятков газогенераторных автомашин. В этот период газогенераторные автомобили эксплуатировались главным образом лишь в тех странах, где разница в цене между жидким и твердым топливом была велика. Это были в первую очередь тропические страны, где в качестве топлива применяли древесину или древесный уголь. Кроме автомобилей, в этих странах в начале прошлого века газогенераторными установками были оборудованы более 100 локомотивов.

Начало развития и широкого применения, можно даже сказать - первого бума транспортных газогенераторов совпало с началом Первой мировой войны.

Совпадение это, конечно же, не было случайным.

Рост мирового автотракторного парка в начале прошлого века привел к сильному увеличению потребления жидкого моторного топлива, производимого из нефти. Неравномерность распределения нефти в недрах земли поставила ряд стран перед необходимостью найти замену этому природному ископаемому. Военная обстановка и сопутствующие транспортно-экономические предпосылки, приводящие к перебоям в поставке нефти и нефте-

продуктов, усугубили ситуацию и вызвали к жизни новое направление транспортной техники - газогенераторное.

В особо тяжелом положении оказалась Франция, располагавшая в то время меньшими энергетическими ресурсами, чем другие страны Европы. Успешное применение газогенераторов в металлургии натолкнуло французских инженеров и ученых на мысль использовать установки подобного рода для обеспечения автомобильного транспорта дешевым и доступным газообразным топливом.

Переход с жидкого на газообразное моторное топливо предполагался на следующих условиях. Первое - новое горючее в экономическом отношении должно было быть в состоянии конкурировать с бензином, и второе - переход на новый вид топлива не должен был повлечь за собой серьезные переделки в конструкциях существующих автомобильных двигателей.

Исследования, направленные на достижение первого условия, показали, что лишь ГГ, получаемый из древесины и древесного угля, может дать необходимый экономический эффект.

Что касается второго требования, то оно было вызвано тем обстоятельством, что во Франции на тот момент уже существовал большой автотракторный парк, и масштабная переделка их моторов была просто нереальна.

Промышленная апробация транспортных газогенераторов сначала прошла в Касабланке, экономической столице Марокко, являющейся тогда частью Франции. Местный автоклуб провел ряд соревнований, в которых принимали участие первые пять газогенераторных тракторов и пять газогенераторных грузовых автомобилей.

Первый пробег грузового автомобиля с газогенераторной установкой на европейской территории Франции состоялся в 1914 г. по маршруту Париж -Руан (протяженность маршрута по разным данным составляла от 125 до 140 км).

Во Франции был создан и первый газогенераторный автобус, который в 1916 г. начал регулярные рейсы также между городами Париж и Руан.

В 1919 г. французский инженер Георг Имберт создал транспортный газогенератор прямоточного (обращенного) типа, в котором топливо, газифицирующий агент и ГГ движутся в одном направлении (рис. 13).

Это произвело настоящий переворот в транспортном газогенераторостроении и позволило настолько улучшить качество ГГ, что двигатели, работающие на нем, снова стали реальными конкурентами двигателей, использующих жидкие моторные топлива.

В 1921 г. Г. Имберт лично приехал на автомобиле, оборудованном газогенератором собственной конструкции, в Париж, преодолев расстояние 500 км.

Рис. 13. Схема работы газогенератора Имберта Fig. 13. IMBERT gasgenerator operation scheme

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

Это событие привлекло большое внимание деловых кругов и общественности. Особый интерес к новинке проявило военное ведомство Франции, которое и профинансировало дальнейшее развитие этой технологии.

Базируясь на ранних работах Имберта, посвященных созданию газогенератора горизонтального процесса газификации, южноафриканский инженер Макдональд запатентовал газогенератор, схема которого показана на рис. 14.

Рис. 14. Схема газогенератора Макдональда Fig. 14. MACDONALD gasgenerator scheme

Газогенератор Макдональда работал на антраците с присадкой водяных паров к воздуху. Воздух поступал в сопло, имеющее канал и для подвода воды. Вода захватывалась воздухом, испарялась и образовывала с ним паровоздушную смесь. Отбор ГГ производился через патрубок, расположенный напротив сопла.

Внизу топливника в этой установке имелась качающаяся колосниковая решетка. Кожух топливника был снабжен специальным отверстием с обратным клапаном для шуровки топливника. Газогенератор хорошо работал на антраците при размере зерен 510 мм, зольности топлива не выше 8-10% и малом содержании серы.

Разработки Имберта и Макдональда оказали огромное влияние на развитие транспортных газогенераторов, получив мировое признание и широкое распространение.

С 1922 г. в Европе стали регулярно проводиться конкурсные испытания и автопробеги газогенераторных автомобилей, целью которых была, во-первых, проверка новых технических решений в этой области, а во-вторых, популяризация данного вида транспорта. Только правительством Франции в период до 1939 г. было организовано 10 автопробегов газогенераторных автомобилей.

К 1923 г. во Франции были доступны для покупателей 25 различных типов автомобильных газогенераторов.

В этом же году французским изобретателем Фа-жолем был создан первый газогенератор автомотрис -ного типа (от фр. «аи1ото1псе» - «самодвижущаяся», автономный железнодорожный вагон с двигателем внутреннего сгорания). А через год американский конструктор Смит построил первый автомотрисный газогенератор автоматического действия.

В 1924 г. оборонное министерство Франции успешно испытало газогенераторные автомобили на военных маневрах и через пять лет две трети из почти 2 тысяч газогенераторных транспортных средств, колесящих по местным дорогам, принадлежали французской армии.

В 1928 г. французским изобретателем Гоеном был сделан следующий крупный шаг в области развития технологии автотракторных газогенераторов. По его схеме с горизонтальным процессом газификации до сих пор проектируют газогенераторы для грузовых автомобилей и сельхозтехники во всем мире. Конструкция газогенератора Гоена позволяла создать условия, при которых углерод, содержащийся в топливе, окислялся непосредственно в окись углерода, минуя углекислотную фазу.

В 1932 г. французскими инженерами была разработана первая удачная газогенераторная установка для мотоцикла, которая работала на древесном угле по горизонтальному принципу газификации. Эта установка отличалась наличием системы подачи масла в ГГ для смазки двигателя. Мощность двигателя при этом падала не более чем на 40% по сравнению с работой двигателя на жидком топливе нефтяного происхождения.

В 20-30 годы прошлого века власти многих стран на законодательном и правительственном уровнях способствовали развитию автотранспорта на ГГ.

Во всех европейских странах, владеющих достаточными ресурсами биомассы и других видов ТТ, газогенераторная технология активно развивалась благодаря правительственным субсидиям и льготам.

Великобритания, Франция и Италия инициировали широкое использование транспортных газогенераторов в своих колониях.

Франция и ряд других стран поощряли производство газогенераторных автомобилей правительственными постановлениями, способствующими переводу работающих на бензине машин на местное топливо.

Правительство Японии для поощрения внедрения газогенераторных автомобилей выдавало по 300 иен

их покупателям, а в 1939 г. издало декрет, запрещающий регистрацию новых автомобилей, не приспособленных к работе на древесных чурках или древесном угле.

В Италии в 1932 г. был издан закон о переводе в течение 5 лет всего автотранспорта на «национальное горючее» - ГГ. Этот закон, в частности, предусматривал освобождение владельцев таких автомобилей от соответствующего государственного налога сроком на 5 лет. Позже для покупателей газогенераторных автомобилей были установлены государственные субсидии до 9000 лир.

В довоенной Германии «национальным топливом» также был объявлен ГГ. При этом были назначены государственные субсидии в размере 1000 марок при покупке нового газогенераторного автомобиля и 300 марок при переоборудовании бензиновых автомобилей в газогенераторные. Кроме того, счастливым владельцам таких машин выдавалась целая тонна сухого ТТ и предоставлялись льготы по уплате налогов.

Вскоре перевод транспортных средств на газогенераторное топливо стал составной частью немецкой национальной политики. Уже к 1935 г. на генераторное топливо было переведено более 10 тыс. автомобилей (рис. 15) и несколько сотен тракторов (рис. 16), барж и дрезин.

Рис. 15. Газогенераторный немецкий грузовой автомобиль Busing NAG-500 Fig. 15. Busing NAG-500 gasgenerator German truck

Рис. 16. Газогенераторный немецкий колесный трактор Fig. 16. Gasgenerator German wheel tractor

В Германии, как и в некоторых других странах, увлечение газогенераторными решениями распространялось и на легковые автомобили.

В качестве примеров можно привести автомобили марок «Mercedes-Benz 170 VG» 1935 г. (рис. 17), детище Ф. Порше «Кюбельваген» (рис. 18), газогенераторную модификацию всем известного «Жука» (рис. 19), а также «Вандерер^23» 1939 г. (рис. 20).

Рис. 17. Газогенераторный немецкий легковой автомобиль Mercedes-Benz 170 VG Fig. 17. Mercedes-Benz 170 VG gasgenerator German passenger car

Рис. 18. Газогенераторный немецкий автомобиль «Кюбельваген» Fig. 18. «Kübelwagen» gasgenerator German car

Рис. 19. Заправка газогенераторного «Жука» твердым топливом Fig. 19. Refilling solid fuel the "Beetle"gasgenerator passenger car

Рис. 20. Газогенератор в кормовой части автомобиля

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Вандерер^23 Fig. 20. Gasgenerator aft passenger car Vanderer-W23

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

Схема установки газогенератора в носовой части автомобиля показана на рис. 21.

Для обслуживания газогенераторных автомобилей во Франции и Германии были построены оригинальные автозаправочные станции, продававшие вместо бензина дрова и угольные брикеты.

Рис. 21. Схема установки газогенератора

в носовой части автомобиля Fig. 21. Gasgenerator in fore part car scheme

В соответствии с духом времени немцами были созданы газогенераторные образцы и военной техники: гусеничное шасси Р7-1 (рис. 22) и танк (рис. 23). К сожалению (а может, и к счастью!), отсутствуют сведения об их боевых качествах и ратных успехах.

Рис. 23. Газогенераторный немецкий танк Fig. 23. Gasgenerator German tank

К 1938 г. Франция имела 7800 газогенераторных грузовиков, что составляло приблизительно 2% ее автомобильного парка. Но уже через два года Франция предприняла массовый перевод коммерческих и военных транспортных средств на твердотопливную биомассу (древесное топливо).

К концу 40-го года во Франции были введены в эксплуатацию 50 тысяч газогенераторных автомобилей. Кроме того, на твердое топливо во Франции были переведены 30 тысяч тракторов, 150 речных барж и 50 железнодорожных дрезин.

Одновременно с газогенераторами Имберта на французские транспортные средства устанавливались газогенераторы и других типов.

Среди них можно отметить газогенераторы Со-мюа (с горизонтальным типом процесса газификации, был предназначен для работы на древесном угле, имел достаточно большую мощность - до 100 кВт), Берлие (с обращенным процессом газификации, имел особую форму реактора из жароупорной стали), Панар-Левассора (с обращенным процессом газификации, реактор имел шамотную футеровку и щелевую подачу воздуха), Сабатье (работал на древесном угле, отличался устройством двух зон горения - одна действовала тогда, когда двигатель работал с небольшой нагрузкой, а другая - при полной нагрузке двигателя), Гоен-Пулена (с горизонтальным процессом газификации, реактор не имел футеровки), Малбея (работал на буром угле), Рено (с центральным верхним подводом воздуха через сопло, реактор имел форму опрокинутого усеченного конуса), Панара (с обращенным процессом газификации, работал на древесном угле), Брандта (был двухзон-ным, работал на древесине и древесном угле), Роукса (с горизонтальным процессом газификации, был спроектирован для установки на легковые автомобили и работал на брикетированном древесном угле) и Барбье (с обращенным процессом газификации).

Газогенератор Барбье был снабжен коническим футерованным реактором 1 (рис. 24).

В его нижней части располагалась подвижная колосниковая решетка 4. В верхней же части был помещен кольцевой воздухораспределительный канал 5 с радиальными фурмами. Они соединялись с вентилятором 6, используемым для розжига. Бункер 2 был снабжен загрузочным люком 3. Кожух 7, а также кожух 14 очистителя 12 имели водяную «рубашку». Эти водяные «рубашки» были соединены с системой циркуляционного охлаждения двигателя и служили для охлаждения ГГ, выходящего из газогенератора в очиститель по трубе 9. Кроме того, они предотвращали перегрев газогенераторного кожуха. В нижней части этого кожуха имелся люк 8 для удаления золы. Распределительная камера 11 в нижней части очистителя 12 служила приемником для ГГ, выпускаемого затем из очистителя к двигателю по трубе 13. Вода же из системы охлаждения двигателя помпой (не показана на рис. 24) нагнеталась через патрубок 15 в нижнюю часть рубашки очистителя 12. Затем из

верхней части этой рубашки вода трубкой 16 подводилась к баку 17, соединенному трубками 18 и 19 с «рубашкой» генераторного кожуха. Трубка 19 ответвлением 20 соединялась с системой охлаждения двигателя.

Начиная с 1907 г. в стенах Московского высшего технического училища (ныне - МГТУ им. Баумана) усилиями профессора В.И. Гриновецкого, а позднее и его учеников Н.Р. Брилинга и Е.К. Мазинга были заложены основы отечественной науки в области газогенераторных транспортных двигателей.

Стационарное электроэнергетическое оборудование ГТТ появилось в России также в первое десятилетие XX века. К началу Первой мировой войны его суммарная мощность достигла 95 МВт. Из них только 8 МВт генерировалось с использованием оборудования ГТТ отечественного производства, главным образом Харьковского паровозостроительного и Коломенского машиностроительного заводов, остальное - с использованием импортного оборудования, в основном из Германии и Англии.

К 1905 г. в Москве протяженность газовых сетей достигла 229 км, на улицах горело 8735 газовых фонарей, имелось 3720 частных потребителей газа. На рис. 25 приведена фотография (сделанная в начале прошлого века) московского газового завода, расположенного позади Курского вокзала, в Нижнем Сусальном переулке.

В Санкт-Петербурге к 1914 г. протяженность газовых магистралей составила около 500 км, четыре газовых завода вырабатывали примерно 82 тыс. кубометров газа в сутки и обеспечивали работу 8813 газовых фонарей.

Рис. 24. Схема газогенератора Барбье Fig. 24. BARBIER gasgenerator scheme

В 1939 г. в Австралии было коммерчески доступно 34 типа газогенераторов, а в Великобритании по дорогам одновременно бегали более 1500 автомобилей, оснащенных газогенераторными установками.

Однако вплоть до начала Второй мировой войны удобство и доступность жидких видов топлива, имеющих нефтяное происхождение, а также относительная сложность обслуживания автомобильных газогенераторов делали их применение недостаточно популярным у потребителей.

В Российской империи первые газовые двигатели зарубежного производства появились в последней четверти XIX века. А в 1891 г. отставной флотский офицер Е. Яковлев построил в Санкт-Петербурге первый русский завод газовых двигателей.

С началом XX века в России также активизировалось транспортное направление технологий ГТТ. Так, полковник А. И. Одинцов в своем докладе, сделанном 27 октября 1905 г. в УШ-м отделе Императорского русского технического общества, указывал на возможность применения газогенераторных двигателей в качестве силовых агрегатов железнодорожного подвижного состава.

Рис. 25. Московский газовый завод начала XX века Fig. 25. Moscow gas plant early 20th century

Рис. 26. Санкт-Петербургский газовый завод начала XX века Fig. 26. St. Petersburg gas plant early 20th century

Петербургские газовые заводы (рис. 26) кроме зарубежного оборудования использовали и импортное твердое топливо (главным образом английский ан-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

трацит), доставляемое морским путем. И когда во время Первой мировой войны эти поставки были нарушены, то в начале 1916 г. была создана Тепловая комиссия под руководством профессора Петроградского технологического института А.С. Ломшакова.

Этой комиссией была разработана специальная программа по изучению возможностей использования в промышленных целях местных видов топлива - олонецкого угля (шунгита), торфа и прибалтийских горючих сланцев.

В мае 1916 г. в Прибалтийскую губернию, в район деревни Кукерс (современный эстонский город Кохтла-Ярве), выехал геолог Геологического комитета Н.Ф. Погребов, который уже в июне установил промышленное значение прибалтийских сланцевых месторождений. В это же время первая партия кукерсита (так стали называть кукерские сланцы) была отправлена в 1-й Петроградский политехнический институт (где уже работал завод газификации угля) для их опытной газификации и перегонки, которая и была осуществлена в период с декабря 1916 г. по сентябрь 1917 г.

Довести все работы по получению светильного и генераторного газа до конца помешали известные события осени 1917 г. Но поскольку после октябрьского переворота топливный кризис лишь усилился, исследования в этом направлении вскоре продолжились.

Наибольших успехов добился коллектив техников 1-го Петроградского политехнического института, руководимый В.К. Вальгисом. Его опыты по производству светильного газа, начатые еще в 1916 г., были завершены через три года. Полученный продукт по теплотворности не уступал традиционному для петербургских газовых заводов каменноугольному газу, а технология позволяла осуществлять перегонку сланцев без серьезных переделок уже существующего оборудования. Правда, она требовала большего расхода топлива и предъявляла повышенные требования к качеству сырья (не более 15% влаги).

Эта технология была в то время новой не только для России, но и для традиционного лидера сланце-переработки Шотландии.

После получения Эстонией независимости кукер-ские сланцы оказались недоступными, но под ст. Веймарн Ямбургского уезда Петроградской губернии (в настоящее время - Кингисеппский район Ленинградской области) были обнаружены и введены в разработку новые сланцевые залежи, которые оказались аналогичными кукерситу. Кроме того, горючие сланцы были найдены в Тверской, Казанской и Самарской губерниях.

Для организации их добычи и переработки при Главном топливном управлении ВСНХ был создан Главный сланцевый комитет («Главсланец»), который в 1919 г. возглавил И.М. Губкин. Будущий главный «нефтяной академик» был тогда очень увлечен сланцами и технологиями их газификации.

За развитием этой отрасли пристально следил и «вождь мирового пролетариата» В. И. Ленин. Именно он поручил создать специальный технический журнал, посвященный нефтяному и сланцевому хозяйству (рис. 27).

Рис. 27. Обложка первого номера журнала

«Нефтяное и сланцевое хозяйство» Fig. 27. Cover of the first issue of the journal "Oil and shale economy"

Успех сланцевого дела во многом был связан с тем, что вокруг него объединились тогда многие из ведущих российских ученых и инженеров - П. А. Пальчинский, Н.Д. Зелинский, М.М. Тихвинский и др. Оборудованием и технологиями переработки сланцев занимался и великий русский инженер В. Г. Шухов.

Всего в 1918-1925 гг. в РСФСР / СССР было добыто и затем газифицировано более 73 тыс. тонн горючих сланцев.

Первый опыт российского газогенераторного автомобилестроения относится также к временам Первой мировой войны, когда оборудование ГТТ было установлено на автомобиль «Руссо-Балт С24-40» (1915 г.).

Пионером разработки советских транспортных газогенераторов был ленинградский профессор В.С. Наумов, создавший и запатентовавший в 1923 г. газогенераторную установку «У-1». В 1928 г. усовершенствованная установка «У-2» прошла испытание в составе автомобиля «ФИАТ-15-Тер», который совершил пробег из Ленинграда в Москву и обратно. В дальнейшем она была подвергнута еще нескольким улучшениям и получила в конце концов обозначение «У-5» (рис. 28).

Рис. 28. Схема газогенераторной установки «У-5» профессора В.С. Наумова Fig. 28. Professor V. NAUMOV gasgenerator "U-5" scheme

В 1926 г. под руководством П.В. Якобсона, главного инженера Люблинской тепловозной базы НКПС, был разработан проект перевода тепловоза «Ээл-2» на ГГ.

В 1929 г. в СССР была построена первая крупная газогенераторная энергетическая станция, работающая на торфе, а в последующие годы - ряд других таких же станций, главным образом на крупных промышленных предприятиях.

Начиная с конца 20-х годов газогенераторной техникой в нашей стране стало заниматься сразу несколько научно-исследовательских и проектно-кон-структорских учреждений. Появилось специальное КБ «Газогенераторстрой», работали над этой тематикой в Научно-исследовательском автотракторном институте (НАТИ), Научно-исследовательском автомобильном и автомоторном институте (НАМИ), Всесоюзном научно-исследовательском институте сельскохозяйственного машиностроения (ВИСХОМ), Военной академии моторизации и механизации (ВАММ) Красной Армии, Центральном научно-исследовательском институте механизации и энергетики лесной промышленности (ЦНИИМЭ), Ленинградском индустриальном институте (ЛИИ), Лесотехнической академии (ЛТА), тресте «Лесосудмаш-строй», Центральном научно-исследовательском институте водного транспорта (ЦНИИВТ), Всесоюзном научно-техническом обществе энергетиков (ВНИТОЭ), Ленинградском институте инженеров железнодорожного транспорта (ЛИИЖТ), Всесоюзном научно-исследовательском институте железно-

дорожного транспорта (ВНИИЖТ), КБ многих автомобильных и тракторных заводов, а также в различных ОКБ ГУЛАГ ОГПУ / НКВД (а куда же в серьезном деле и без «государствообразующей» организации!).

Советскими специалистами в области газификации и создания газогенераторной техники того времени (20-50-х годов прошлого века) являлись В.С. Наумов, Семенов-Жуков, В.П. Карпов, Н.А. Михайловский, В.М. Володин, С.И. Декаленков, А.А. Введенский, Е.В. Фролов, И.С. Мезин, С.Л. Седов, Б.М. Черномордик, Н.Т. Юдушкин, С.Г. Коссов, А.И. Пельтцер, А.Н. Понизовкин, Н.Д. Титов, А.И. Скерджиев, М.Д. Артамонов, В.С. Альтшуллер, Ю.А. Клейнерман, А.П. Караган, Д.Б. Гинсбург, А.Б. Генин, Д.А. Биберган, М.Д. Попов, Н.П. Вознесенский, В.Ф. Копытов, А.Б. Чернышев, Н.В. Шишаков, Г.Г. Токарев, А.В. Кавалеров, М.В. Канторов и многие другие ученые-теоретики и инженеры-практики.

Первым из отечественных промышленных предприятий серийный выпуск транспортных газогенераторов в середине 30-х годов освоил харьковский завод «Свет шахтера», специализирующийся до этого на изготовлении шахтерских ламп.

Серийное производство стационарных газогенераторов диаметром 3 м и высотой до 11,1 м было организовано на Одесском заводе «Красная гвардия», специально для этого созданном на базе местной кроватной фабрики.

1 мая 1931 г. в праздничной колонне демонстрантов по Красной площади столицы прошел первый

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

опытный образец колесного трактора СТЗ-15/30, газогенераторный двигатель которого разработал инженер ВИСХОМа Семенов-Жуков.

В этом же году энтузиасты-автомобилисты на «газгене», работающем на дровах, «ударили автопробегом по бездорожью и разгильдяйству» на маршруте Ленинград - Череповец (рис. 29), и был объявлен первый всесоюзный конкурс на тракторную газогенераторную установку.

Рис. 29. Газогенераторный автомобиль на маршруте Ленинград - Череповец, 1931 г. Fig. 29. Gasgenerator car on route Leningrad-Cherepovets, 1931

Рис. 30. Газогенераторный гусеничный трактор «Клетрак-40»

с газогенератором «Пионер» С.И. Декаленкова Fig. 30. Crawler tractor "Kletrak-40" with gasgenerator "Pioneer" S. Dekalyonkov

Рис. 31. Газогенераторный гусеничный трактор ЧТЗ СГ-65 «Сталинец» Fig. 31. "STALINEC" CHTZ CR-60 gasgenerator crawler tractor

Победителем стал дровяной газогенератор «Пионер» конструкции руководителя газогенераторной лаборатории ЦНИИМЭ С.И. Декаленкова, впоследствии устанавливаемый на гусеничных тракторах «Клетрак-40» (рис. 30), «Коммунар-50» (под маркой Д-7) и под маркой Д-8 на ЧТЗ С-60 «Сталинец» (всего их было выпущено 264 шт.).

Когда С-60 сняли с производства, то на более современную модификацию трактора С-65 установили и более совершенный газогенератор «НАТИ Г-25», который давал лучше очищенный и охлажденный газ. Всего из ворот ЧТЗ вышло 7365 газогенераторных тракторов СГ-65 (рис. 31).

Первый директор ЦНИИМЭ проф. Н.С. Ветчин-кин в начале 1932 г. писал: «.Для механизации лесозаготовок, лесотранспорта, сплава и лесокультур-ных работ общая потребность в автотракторных двигателях к концу второй пятилетки (1932-1937 гг.) выразится в 80 тыс. единиц с общей мощностью 2,6 млн л. с. Это количество машин потребует при работе до 2 тыс. часов в год 1,84 млн т жидкого топлива. Удаленность лесозаготовок от железнодорожного полотна и источников добычи нефтепродуктов обязывает к всесторонней проработке вопроса замены жидкого горючего твердым.».

В том же 1932 г. Первая всесоюзная конференция комсомольцев в Архангельске вынесла специальную резолюцию о шефстве комсомола над газогенераторами в лесу, требуя внедрения газогенераторов на транспортных работах, а ЦК ВКП(б) принял специальное постановление, которым Наркомлесу предлагалось ускорить внедрение в практику лесного хозяйства газогенераторных тракторов.

Заместитель председателя ОГПУ И.А. Акулов в своей справке о работе ОКБ при этом ведомстве, адресованной секретарю ЦК ВКП(б) Л.М. Кагановичу (справка от 07.09.31 г. № 40689), отмечал, что заключенными специалистами (по совместительству, разумеется, «шпионами», «диверсантами» и «активными членами контрреволюционных организаций») проделаны следующие работы:

«.- Разработан новый химико-энергетический метод получения из низкосортного топлива торф, бурые угли и т.д., синтетический аммиак, для промышленных и азотистых соединений и высококалорийный газ, обеспечивающий снабжение силовых установок. В осуществление данного метода строится газогенератор.

- Разработан способ фракционировки коксового газа. Технические показатели способа: портативность установки, максимальная экономия в металле, увеличение ассортимента полезных продуктов и выхода их, полное использование коксика сжиганием в генераторах и получение, таким образом, водорода для синтеза аммиака.

- Спроектирован и находится в изготовлении газогенератор непрерывного действия для газификации торфа и низкосортных углей. Детали генератора изготовлены на 70%, окончание работ к 1 ноября 1931 г.

- Спроектирован газогенератор легкого типа для тяжелого автотранспорта и тракторов в целях перевода их на твердое топливо. Проект сдан в завод на изготовление. Окончание 1 декабря 1931 г.».

Научно-исследовательский сектор ЛИИЖТ при участии «Газогенераторстроя» и конструкторов ленинградских заводов разработал, начиная с 1932 г., несколько проектов газогенераторных тепловозов.

Один из проектов, законченный в 1936 г., предусматривал создание тепловоза типа 2-6-1 с гидромеханической передачей и горизонтальным четырехцилиндровым четырехтактным двигателем двойного действия типа «тандем» мощностью 1860 л.с. Пять антрацитовых газогенераторов намечено было поместить на шестиосном тендере, прицепляемом к тепловозу.

Рис. 32. Газогенераторный газоход-буксир, построенный на Новосибирской верфи Fig. 32. Gasgenerator FGR-tug, built at shipyard of Novosibirsk

К 1934 г. ученые ЦНИИВТ совместно с инженерами Московской судостроительной верфи, располагавшейся в те годы на месте нынешнего Олимпийского спортивного комплекса «Лужники», создали газогенераторную установку для нового вида водного транспорта - газоходов. Уже в следующем году несколько газоходов, построенных в столице, совершили испытательные пробеги сначала до Горького, а затем и до Ленинграда.

Следом за столичными корабелами за газоходы разного назначения взялись судостроители других городов страны, в частности Новосибирска, Красноярска и Горького. Так, газогенераторные буксиры (рис. 32) безотказно водили по Оби и ее притокам железные баржи вместимостью 700 т и деревянные лихтеры грузоподъемностью 350 т, эксплуатировались газоходы и на лесосплавах.

Одним из ведущих отечественных специалистов, имеющим ряд научных трудов в области транспортных газогенераторов, являлся доцент НАТИ Сергей Седов (рис. 33), сын одного из вождей революции 1917 г., создателя Красной Армии Л.Б. Троцкого.

Рис. 33. С.Л. Седов (1908-1937). Фото из уголовного дела Fig. 33. S. Sedov (1908-1937). Photo from criminal case

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

В период с 1935 г., когда он был арестован и выслан в г. Красноярск, и до 1937 г., когда он был как «враг народа» расстрелян, ему удалось около 9 месяцев весьма плодотворно поработать на местном машиностроительном заводе.

Под его руководством совместно со специалистами ЦНИИВТ и Московской судоверфи было создано и установлено на речные суда, ходившие по Енисею, несколько газогенераторных силовых установок.

В 1935 г. партийно-политическим руководством советского государства было принято два важных решения. 19 января вышло постановление Совнаркома СССР № 1674 «О переводе занятого на лесовы-возке автомобильно-тракторного парка на древесное топливо», предусматривающее, в частности, проведение работ по созданию газогенераторного двигателя, работающего на соломе, для привода сельскохозяйственной техники (рис. 34).

организована специальная Комиссия по проблеме газа под председательством академика Г.М. Кржижановского.

В 1939 г. в г. Харькове, в лаборатории под руководством профессора В.М. Маковского был создан газотурбинный двигатель мощностью 736 кВт (1000 л. с.), который в качестве топлива использовал газ, получаемый при подземной газификации угля.

Но наиболее широкое применение в СССР, как и в других странах мира, газогенераторная техника во второй четверти XX века получила в автомобилестроении.

Начиная с 1935 г. работы по установке газогенераторов на автомобили активизировались. Газогенераторными модификациями обзавелись легковые автомобили ГАЗ-А (1935 г.) и ГАЗ-М1 (1938 г.), а также грузовые автомобили ГАЗ-АА, ГАЗ-42, ЗИС-5, ЗИС-8, ЗИС-13 и ЯГ-4 (все в 1936 г.).

В сентябре-октябре 1935 г. на автомобилях ГАЗ-М1-Г (рис. 36) был совершен безостановочный пробег по маршруту Москва - Киев - Москва общей протяженностью 5000 км.

Рис. 34. Выдержка из постановления Совета Народных Комиссаров Союза ССР № 1674 Fig. 34. Extract from decision of Council of people's commissars of USSR No. 1674

27 июня вышло постановление Совета Труда и Обороны «О внедрении газогенераторных установок».

В 1935-1936 гг. по заказу автобронетанкового управления (АБТУ) Красной Армии в рамках программы освоения Сибири изобретатель Беглецов создал газогенераторный мотоцикл (рис. 35).

Рис. 35. Газогенераторный мотоцикл Беглецова Fig. 35. BEGLECOV gasgenerator motorbike

Ввиду большого значения газификации для социалистического хозяйства в середине 30-х годов в составе Отделения технических наук АН СССР была

Рис. 36. Газогенераторный легковой автомобиль ГАЗ-М1-Г Fig. 36. Gaz-M1-g gasgenerator Soviet passenger car

При этом была достигнута средняя скорость (61 км/ч), значительно превышающая мировой рекорд того времени для газогенераторных автомобилей. Максимальная скорость ГАЗ-М1-Г, зафиксированная во время данного автопробега, составила 87 км/ч.

В июле-августе 1938 г. был проведен еще более представительный автопробег по весьма сложному маршруту Москва - Пенза - Куйбышев - Казань -Уфа - Магнитогорск - Челябинск - Омск - Петропавловск - Свердловск - Пермь - Киров - Горький -Ярославль - Вологда - Ленинград - Псков - Витебск

- Минск - Гомель - Чернигов - Киев - Курск - Орел

- Тула - Москва.

В пробеге участвовало 17 автомобилей отечественного производства, из них 12 газогенераторных, в т.ч. шесть ЗИС-5, пять ГАЗ-АА и один ЗИС-8, а остальные пять (для сравнения) были с бензиновыми моторами. «Газгены» в качестве топлива потребляли дрова и древесный уголь (при этом в степных районах в качестве топлива использовались даже соломенные брикеты). Проведение этого автопробега было поручено коллективу из 57 специалистов, работников заводов ЗИС и ГАЗ, а также института НАТИ.

За 53 ходовых дня автоколонна, пройдя 10 897 км, дважды пересекла Уральские горы, на ее пути встречались разнообразные дорожные и климатические условия. Среднесуточный пробег составил 205 км, техническая скорость на грунтовых дорогах достигала 20-30 км/ч, на улучшенных гравийных - до 40 км/ч, а на отдельных участках шоссе - до 60 км/ч. Все автомобили, в том числе 12 газогенераторных, дошли до финиша без аварий и серьезных поломок.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В отчете руководителей автопробега было отмечено, что цель пробега, состоявшая в том, чтобы доказать, что газ, получаемый из древесного топлива, вполне может конкурировать с бензином, была достигнута. За успешные испытания все участники пробега получили правительственные награды из рук «всесоюзного старосты» М.И. Калинина.

В период с 1936 г. по 1938 г. из ворот Московского завода им. Сталина в общей сложности вышло около 900 газогенераторных грузовиков ЗИС-13 (рис. 37). По некоторым данным, один из таких ЗИС-13 до сих пор сохранился на «Мосфильме».

Среди опытных разработок предвоенного периода можно отметить газогенераторные модификации грузовиков ГАЗ-43 и ЗИС-31 (номинальным топливом для которых служил каменный уголь), городских автобусов НИИГТ-П, ЗИС-8 (рис. 39) и ЗИС-16, армейского полугусеничного вездехода ГАЗ-60 (рис. 40).

Рис. 39. Автобус ЗИС-8 с газогенератором на прицепной тележке Fig. 39. ZIS-8 Soviet bus with gasgenerator on trailer bogie

Рис. 37. Газогенераторный грузовой автомобиль ЗИС-13 Fig. 37. ZIS-13 gasgenerator Soviet truck

На смену им в конце 1938 г. пришли газогенераторные грузовые машины ЗИС-21, послужившие впоследствии базовой моделью для послевоенных «газгенов», выпускаемых Уральским автомобильным заводом (см. рис. 56).

В марте 1939 г. XVII съезд ВКП(б) поставил перед машиностроителями задачу «.перевести на газогенератор все машины на лесозаготовках, а также значительную часть тракторного парка сельского хозяйства и автомобильного парка.».

Выполняя эту задачу, Горьковский автомобильный завод, в частности, с 1939 по 1946 г. выпустил 33 840 серийных грузовиков ГАЗ-42 - газогенераторных модификаций знаменитой «полуторки» (рис. 38).

Рис. 38. Газогенераторный грузовой автомобиль ГАЗ-42 Fig. 38. GAS-42 gasgenerator Soviet truck

Рис. 40. Газогенераторный армейский полугусеничный

вездеход ГАЗ-60 Fig. 40. GAS-60 gasgenerator Soviet army all-terrain vehicle

В 1936-1937 гг. трест «Лесосудмашстрой» организовал серийный выпуск передвижных электростанций на базе трактора С-60 с газогенератором типа ЛС-1-3 (разработки конструктора И.П. Щетинина), работавшей на древесных чурках. К октябрю 1937 г. автотракторный парк лесной промышленности уже насчитывал около 2500 автомобилей и тракторов с газогенераторными двигателями.

Газогенераторные трактора с конца 30-х годов серийно выпускались на Челябинском и Харьковском тракторных заводах. Наиболее удачными считались трактора СГ-65 (на ЧТЗ их было выпущено 7365 шт., см. рис. 26) и ХТЗ-Т2Г (общий выпуск составил около 16 000 шт., рис. 41).

Всего в СССР численность парка газогенераторных автомобилей к 1940 году составляла 5 тыс. штук, что соответствовало примерно 5% всего парка грузовых автомобилей страны, кроме того, имелось 16 тысяч газогенераторных тракторов.

Только в леспромхозах по состоянию на 1940 г. работало более 4000 единиц газогенераторной техники, в дальнейшем вплоть до 1956 г. ее количество только росло.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

Рис. 41. Газогенераторный трактор ХТЗ-Т2Г (годы выпуска - с 1938 по 1941) Fig. 41. KHTW-T2G gasgenerator Soviet tractor (years of manufacture - from 1938 to 1941)

Большое распространение на отечественном речном флоте получили газогенераторные суда (газоходы): на 1 января 1941 г. во всех пароходствах страны числилось 469 газоходов разного назначения. Общая мощность их силовых установок составляла 38118 л.с.

Заметную роль технологии и оборудование ГТТ сыграли и во время Второй мировой войны, достигнув к ее завершению своего исторического расцвета.

В Германии во время войны все тыловые транспортные средства были переведены на генераторное топливо. Только в период с 1940 по 1945 г. в Германии было произведено примерно 500 тысяч транспортных газогенераторных установок.

Во Франции во время гитлеровской оккупации можно было увидеть как мирные газогенераторные фургончики фирмы «Рено» (рис. 42), так и бронеавтомобили, используемые бойцами Сопротивления (рис. 43).

Рис. 42. Газогенераторный фургон фирмы «Рено», Франция, 1940-е годы

Fig. 42. Renault gasgenerator estate car, France, 1940s

Рис. 43. Газогенераторный бронеавтомобиль

французского Сопротивления Fig. 43. French resistance gasgenerator armored

В Дании в 1940 г. имелось примерно 100 газогенераторных автомобилей. Немецкая оккупация Дании в апреле 1940 г. оставила гражданское население без нефтепродуктов. В течение 48 часов были раску-

плены продовольственные запасы, соответствующие обычной двухмесячной норме.

Тем, кто не успел запастись продовольствием, угрожала голодная смерть, так как из-за отсутствия бензина не было возможности транспортировать продовольствие из пригородных зон. В течение последующих 6 месяцев Дания повысила парк газогенераторных автомобилей до 6000 штук. В результате удалось избежать голода среди населения - были восстановлены транспортные перевозки между фермами и городами.

Интересно, что в Дании были разработаны газогенераторы, работающие на морских водорослях, брикетах из опилок и различных видов торфа. Эти твердые виды топлива обслуживали транспортные средства датского сельского хозяйства и промышленности вплоть до 1945 г.

Швеция к сентябрю 1939 г. имела приблизительно 1500 газогенераторных грузовых автомобилей и один газогенераторный автобус. Но уже в первый год войны только компания «Volvo» изготовила для нужд национальной обороны 7000 «газгенов». А к марту 1942 г. автомобильный парк Швеции насчитывал более 67 тысяч газогенераторных транспортных средств (35 тысяч легковых автомобилей, 28 500 грузовиков, 3 400 автобусов и 400 тракторов).

Кроме того, к лету 1942 г. были переведены на твердое топливо еще 15 тысяч тракторов и 800 дре-

зин разного типа. К 1 мая 1943 г. эта скандинавская страна увеличила свой транспортный парк до 73 650 газогенераторных автомобилей, что составило 91% от всех транспортных средств этого времени и приблизительно 33% от общего довоенного парка автомобилей.

Швейцария, имевшая в 1938 г. 500 газогенераторных автомобилей, к 1943 г. довела их количество до 15 тысяч штук.

В Италии правительственным декретом все 68 500 автомобилей в 1942 г. были переведены на твердое топливо. При этом все четыре типа существовавших тогда в Италии газогенераторных установок: «Италия», «Нострум», «Рома» и «Дукс» - представляли собой копии французских моделей.

В Норвегии и Голландии к 1943 г. на газогенераторное топливо были переведены все рыболовецкие и часть буксирных судов.

На рис. 44 приведено схематическое изображение голландско-немецкого буксирного газохода типа «447» 1942 г. выпуска. Примечательно, что после войны несколько судов такого типа было передано в качестве трофеев в Московское речное пароходство и использовались для буксировки и толкания барж в канале им. Москвы. В качестве топлива при этом использовался швель-кокс (твердый продукт коксования бурого угля).

Рис. 44. Газогенераторный газоход-буксир типа «447» 1942 года выпуска, Голландия-Германия Fig. 44. "447" type gasgenerator FGR-tug 1942 Edition, Holland-Germany

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

В Австралии к 1942 г. около 1500 автотранспортных средств и 700 тракторов были переведены на твердое топливо. К 1943 г. парк газогенераторных автомобилей Австралии вырос уже до 40 тысяч штук.

Новая Зеландия, не имевшая до Второй мировой войны газогенераторных автомобилей, к 1943 г. оснастила ими 1773 транспортных средства (507 грузовиков, 700 тракторов, 10 автобусов и 556 легковых автомобилей).

В Бразилии к 1942 г. было изготовлено 22 000 единиц газогенераторной техники, из которых 11 000 грузовых, 10 000 тракторов и 1 000 автобусов.

В начале 1940-х годов появились газогенераторные автомобили в Индии, Китае и других азиатских странах.

В США в 1943 г. было всего 6 экспериментальных образцов газогенераторных автомобилей, но при этом только для экспорта в Китай в Мичигане была изготовлена тысяча транспортных газогенераторов.

В СССР газогенераторные автомобили и трактора во время войны также не были редкостью. В частности, половина транспортных автомобилей блокадного Ленинграда, Ленинградского фронта и Краснознаменного Балтийского флота была оснащена газогенераторными установками.

Но еще более газогенераторная техника распространена была в тылу, где она стала основным видом механизированного транспорта, особенно в сельском хозяйстве и на лесозаготовках. В 1941 г. было уже более 100 тысяч отечественных автомобилей, оснащенных транспортными газогенераторами 12 различных типов.

Стал еще более активно развиваться и водный газогенераторный транспорт. Так, в 1941 г. на Московской судоверфи был спущен на воду служебно-буксирный газоход типа «МСВ-30» (рис. 45).

Рис. 45. Газогенераторный газоход-буксир «МСВ-30» 1941 г. выпуска, СССР Fig. 45. "VMF-30" gasgenerator FGR-tug 1941 Edition, USSR

Судно предназначалось для перевозки спецперсонала и выполнения буксировочных операций.

В качестве силового агрегата использовался двигатель ЧТЗ С-60, переоборудованный для работы на ГГ, вырабатываемом газогенератором «МСВ-84» конструкции В. С. Наумова. Исходным топливом служили древесные (сосновые) чурки.

Особую актуальность проблемы искусственных моторных топлив после начала войны может иллюстрировать распоряжение заместителя председателя СНК

СССР А.И. Микояна № 8581 от 31 августа 1941 г., обязывавшее все наркоматы, ведомства и совнаркомы союзных республик «.отремонтировать в течение месяца все неисправные газогенераторные автомобили, имеющиеся в их автохозяйствах, и организовать бесперебойную их работу; ... обеспечить газогенераторные автомобили запасными частями и автомобильными шинами в первую очередь.».

В октябре 1942 г. было издано распоряжение за подписью другого заместителя председателя СНК СССР В.М. Молотова, обязывающее провести «... перепись всех заводских стационарных газогенераторов как действующих, так и бездействующих (независимо от состояния и степени годности), находящихся на промышленных предприятиях, стройках, складах и базах снабов и сбытов.». Через месяц, в ноябре 1942 г. Совнарком выделил технику и запчасти «.для переоборудования автомобилей с жидкого на твердое топливо.». В это время появились газосиловые установки, в которых перерабатывались древесина, уголь и даже солома.

В Москве с 1942 г. (экспериментальные рейсы начались еще в 1939 г.) по 1945 г. на линии одновременно выходили до 50 газогенераторных модификаций автобусов ЗИС-16 (к сожалению, найти фото этого отечественного автобуса не удалось, немецкие аналоги показаны на рис. 46 и 47).

Рис. 46. Газогенераторный немецкий автобус производства 1940-х годов Fig. 46. Gasgenerator German bus production 1940s

Рис. 47. Заправка газогенераторного автобуса твердым топливом Fig. 47. Refilling gasgenerator bus solid fuel

На некоторых образцах ЗИС-16 газогенераторная установка размещалась на прицепной тележке, а в некоторых - прямо в пассажирском салоне. Кондуктор таких автобусов по совместительству работал еще и кочегаром (или по-французски - «шофером»). Зато зимой пассажирам было не холодно.

К концу войны в СССР эксплуатировалось до 200 тыс. газогенераторных автомобилей, тракторов, передвижных электростанций, катеров, мотовозов и других твердотопливных установок.

В мире к осени 1945 г. (по другим данным - к началу 1946 г.) количество автотранспортных средств, оснащенных газогенераторными установками, превысило 1 млн штук (рекордный максимум за всю историю), что составило почти 75% всего мирового автомобильного парка того времени.

Велик был в то время и удельный вес искусственных топлив, произведенных с использованием технологий газификации.

Начиная еще с 30-х годов XX века сначала в Германии и США, а затем и в других промышленно развитых странах мира получили широкое распространение технологии ГТТ с целью последующего синтеза из компонентов ГГ (монооксида углерода и водорода) различных химических соединений, в т.ч. искусственных жидких топлив.

Считается, что первым синтетическое жидкое топливо (бензин) из естественного твердого топлива (каменного угля) в 1911 г. получил немецкий химик Ф. Бергиус.

Французский химик Поль Сабатье изобрел способ получения метана, названный его именем. В 1912 г. он получил за это Нобелевскую премию в области химии. Этот процесс представляет собой реакцию водорода с диоксидом углерода при повышенной температуре и давлении в присутствии никелевого катализатора для производства метана. В качестве более эффективного катализатора может применяться рутений с оксидом алюминия. Процесс описывается следующей химической реакцией: С02 + 4Н2 = = СН4 + 2Н20.

Так как обе реакции сильно экзотермические, без принятия особых мер для охлаждения реакторов или рециркуляции при нагреве до 600 °С происходило бы разрушение катализатора. Кроме того, при высокой температуре сдвигается термодинамическое равновесие, так что достаточно высокого выхода метана можно достичь только при температуре ниже 300 °С.

Использовать процесс газификации угля для производства синтетических химических веществ и топ-лив в промышленных масштабах начали с 1920-х годов в Институте Кайзера Вильгельма (Германия) немецкие химики Франц Фишер и Ганс Тропш. Метод, получивший их имена, был описан авторами в 1926 г. в работе «О прямом синтезе нефтяных углеводородов при обыкновенном давлении».

Синтез углеводородов в этом случае идет по реакциям: пСО + 2пН2 = СпН2п + пН20 (в присутствии никелевых и кобальтовых катализаторов) либо

2пС0 + пН2 = СпН2п + пС02 (в присутствии катализаторов на основе железа). При необходимости осуществляют дальнейшее гидрирование синтезированных углеводородов (СпН2п + Н2 = СпН2п+2).

В связи с активным использованием в химической промышленности ГГ получил даже новые имена - «синтез-газ» (или «сингаз») и «продукт-газ».

Из 1 т условного ТТ можно получить, например, 0,71 т аммиака, или 0,67 т метанола, или 1,14 т спиртов и альдегидов, или 0,26 т жидких углеводородов.

К 1941 г. только Германия синтезировала до 4 млн тонн синтетических моторных топлив, масел и смазок в год.

Посетив в 1940 г. выставку тяжелых грузовиков компании Мерседес-Бенц, оборудованных газогенераторами на древесном угле (рис. 48), Адольф Гитлер заявил: «. Автомобили данного типа сохранят свое особое значение и после войны, поскольку при нынешнем курсе на повышенную механизацию у нас никогда не будет излишков жидкого топлива, и мы будем всегда зависеть от импорта. Таким образом, дополнительное . топливо приносит пользу нашей национальной экономике .».

Рис. 48. Гитлер знакомится с газогенераторным грузовиком Мерседес-Бенц Fig. 48. Hitler meets with Mercedes-Benz gazgenerator truck

Уже к осени 1941 г. в Германии и на контролируемых ею территориях имелось в употреблении около 150 тысяч газогенераторных автомобилей. Целью тогда было «... сберечь каждую каплю топлива для Вермахта.». Газогенераторный транспорт, ежемесячно экономя около 45 миллионов литров жидкого топлива вносил весомый вклад в достижение этой цели.

30 мая 1942 г. рейхсмаршал Геринг подписал декрет об открытии Центральной генераторной канцелярии. Задачи, стоящие перед ней, заключались в «. увеличении производства генераторов, определении новых типов на основе нынешней ситуации с топливом, развитии новых видов твердого топлива для использования в генераторах и для развития подходящих процессов . низкотемпературной карбонизации и т.д. .». При этом Геринг сказал своим ближайшим соратникам: «.Я говорю . в моем вышеупомянутом декрете относительно необходимости как можно скорее сделать Германию, а также оккупированные территории и подчиненные земли, в

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

значительной степени независящими от жидкого топлива. Я попросил бы вас энергично поддержать усилия Центральной конторы путем повышенного применения газогенераторов...».

22 сентября 1942 г. рейхсминистр вооружений и военной промышленности Шпеер подписал приказ о переоборудовании всех средних и тяжелых автомобилей, в том числе автобусов, на всех оккупированных Германией территориях.

Год спустя, 13 сентября 1943 г., это же ведомство внесло поправку к своей резолюции, согласно которой становилось обязательным и переоборудование всех даже самых малых гражданских автомобилей.

Более полугода (с осени 1944 г., когда Красная Армия заняла нефтяные верфи Плоешты (Румыния) - единственного природного источника моторного топлива фашистской Германии - до мая 1945 г.) функцию моторных топлив в немецкой армии и экономике в целом выполняли ГГ и искусственные жидкие топлива, произведенные из этого газа. К концу войны немцы поставили на службу свыше 500 тысяч газогенераторных автомобилей. После войны в отчете о немецкой нефтяной отрасли Службой стратегических бомбардировок США было заявлено, что даже некоторые из лучших немецких танков, а именно 50 штук «Королевских тигров», перед самым концом войны работали на генераторном газе.

Германия военного времени была империей, построенной на угле (в меньшей степени на древесине и другом углеродсодержащем сырье), воздухе и воде. 85% моторного топлива, 99% каучука и метанола, 100% обогащенной азотной кислоты (основного вещества для всех военных взрывчатых веществ) синтезировались из этих сырьевых материалов.

Заводы газификации угля (на которых уголь при взаимодействии с паровоздушной смесью сначала превращался в генераторный газ, а потом в вышеперечисленные ценные ресурсы) были основой немецкой экономики этого периода.

В частности, синтетическое авиационное топливо, получаемое из ГГ по методу Фишера - Тропша, на 84,5% покрывало потребности Luftwaffe в течение всей войны.

Во время Второй мировой войны в Германии синтез Фишера - Тропша был использован на восьми заводах для производства синтетического дизельного топлива (около 600 тыс. т в год). Проект полностью финансировался государством.

После окончания войны в Германии все эти заводы были закрыты и частично вместе с технологией вывезены в счет репараций в США и СССР.

К 1945 г. в мире (главным образом, в Германии, США, Китае и Японии) насчитывалось 15 заводов, предназначенных для синтеза жидких углеводородов по методу Фишера - Тропша.

В нашей стране еще до войны в Москве работал Всесоюзный научно-исследовательский институт газа и искусственного жидкого топлива, где и после эвакуации осенью 1941 г. в г. Кемерово продолжа-

лись работы по гидрированию и газификации угля, производству синтетического газа, пиролизу смол и тяжелых нефтепродуктов, синтезу церезина и т.д.

В начале 1942 г. специалисты АН СССР предложили построить ряд довольно крупных заводов по изготовлению искусственного горючего из угля, сланцев, сапропелитов, различных газов.

В Госплане подсчитали, что если бы эти предложения были приняты, то затраты составили бы не менее 1,1 млрд рублей, в то время как на всю нефтяную промышленность в 1942 г. намечалось выделить примерно 1 млрд рублей. Тем не менее, в 1942 г. уже работало небольшое предприятие по производству жидкого топлива на базе сланцев из Кашпира (в 12 км от г. Сызрань). В этом же году был возведен также небольшой Усольский завод (Иркутская область), перерабатывавший сапропелиты и дававший 5 т моторного топлива в сутки.

В соответствии с Постановлением Совнаркома СССР № 670 от 19.06.43 г. было создано специальное Главное управление искусственного жидкого топлива и газа - Главгазтоппром (рис. 49).

' /НярйЯвкх°КомисйярО^С nisA СПР ИЛ^ИГИН.

lr"V.v г о-1^етаравмийй Лелаяг Совета Сл | ^цнааца Ч^^рйдрв'/К омис е аров СССР Я. ЧАДА ED,

Рис. 49. Подпись Сталина под Постановлением Совнаркома СССР № 670 от 19.06.43 г.

Fig. 49. Under Decree signed by STALIN's USSR No. 670, from 19.06.43

Многие отечественные историки именно с этим Постановлением связывают зарождение новой самостоятельной отрасли Советского Союза - газовой промышленности. Но первоначально на Главгазтоп-пром - предшественника Мингазпрома СССР и ОАО «Газпром» - возлагалась, прежде всего, организация научно-исследовательских, проектных, строительно-монтажных и других работ в области получения синтетических моторных топлив, масел и смазок. А «. разведка газовых месторождений, выявление и опробование месторождений битуминозных углей, сланцев, сапропелитов и торфа.» предусматривались только «. для использования в промышленности искусственного жидкого топлива и газа.».

В июле 1943 г. в Госплане СССР был организован сектор искусственного топлива и газа (в составе отдела топливной промышленности).

Еще до окончания войны, 9 марта 1945 г., Государственный комитет обороны принял постановление о вывозе (в счет репараций) оборудования и аппаратуры с немецкого завода гидрирования угля в г. Блехгаммер и с предприятия синтез-бензина в г. Одерталь. Из г. Пелитц также отправлен в СССР завод по выпуску искусственного жидкого топлива, построенный в 1938-1940 гг. Он был рассчитан на

производство 350-400 тыс. тонн бензина в год путем гидрирования силезского угля.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

На основе этого трофейного оборудования в г. Салавате (Башкирия) было создано новое хим-предприятие, получившее название Комбинат № 18.

Оборудование еще одного германского завода гидрирования - Магдебургского - было перевезено в г. Щекино Тульской области. Там после войны построили предприятие, которое вырабатывало искусственный газ из местного угля.

Оборудованием, поступившим из немецкого г. Оверталь, оснастили вновь построенный завод № 17 в Новочеркасске.

В 1947 г. зампредом Совмина СССР Л.Б. Берией был подписан приказ о создании Комбината № 16 в Иркутской области, который должен быть стать самым крупным отечественным предприятием по выпуску искусственного жидкого топлива.

Участок для строительства комбината был выделен между городами Иркутск и Усолье-Сибирское, недалеко от места, где река Китой впадает в Ангару. Впоследствии там вырос г. Ангарск. Основное оборудование для этого химкомбината поступило также из Германии, из г. Блехгаммер. Ангарский химкомбинат № 16 вступил в строй в 1949 г. Но его вскоре пришлось частично перепрофилировать на переработку нефти, хотя все 1950-е годы он производил горюче-смазочные материалы и из угля.

Сегодня ОАО «Ангарская нефтехимическая компания» - одно из крупнейших предприятий в России (рис. 50).

Рис. 50. Ангарская нефтехимическая компания Fig. 50. Angarsk petrochemical company

После войны велось строительство и других предприятий, продукция которых была призвана заменить привычное жидкое топливо, получаемое из нефти. В их число входили пять сланцеперерабатывающих заводов стоимостью около 1 млрд руб., в т. ч. в городах Кохтла-Ярве и в Ахтмэ Эстонской ССР, а также в г. Сланцы Ленинградской обл.

На Южном Сахалине работали два завода по производству искусственных жидких топлив, построенных японцами в 1935 и 1942 гг.

В 1947 г. журнал «Плановое хозяйство» призывал: «.Надо максимально форсировать работу по массовому переводу автотракторного парка с бензина, керосина и лигроина на местные виды топлива

(на дрова, угли и торф) в первую очередь в районах Урала, Европейского Севера, Сибири и Казахстана.».

27 декабря 1948 г. председатель Госплана СССР академик Н. А. Вознесенский в приказе № 1767 предписывает: «.Обязать Совет технико-экономической экспертизы рассмотреть вопрос о технической возможности перевода дизелей и других стационарных двигателей внутреннего сгорания на газовое топливо и вопросы выбора для этой цели газогенераторов и топливной аппаратуры.».

Для Ленинграда сланцевый газ оставался реальной альтернативой природному вплоть до конца 1950-х годов, когда в Северную столицу по магистральному газопроводу Серпухов - Ленинград стал поступать природный газ Поволжья.

В послевоенное время дальнейшее свое развитие транспортное направление ГТТ получило, прежде всего, во Франции, ФРГ, ГДР и Швеции (рис. 51, 52, 53, 54 и 55).

Эти страны не имели своих запасов нефти и после Второй мировой войны испытывали острую нехватку жидкого топлива, зато имели многолетний успешный опыт в создании транспортных средств с газогенераторными двигателями в качестве силовых агрегатов.

Рис. 51. Газогенераторный немецкий самоходный кран на гусеничном шасси Fig. 51. Gazgenerator German self-propelled crane based on track-type chassis

Рис. 52. Газогенераторный трактор производства ГДР (1949 г.)

Fig. 52. Gasgenerator tractor production in GDR (1949)

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

Рис. 53. Газогенераторный немецкий мотоцикл Fig. 53. Gasgenerator German motorcycle

Рис. 54. Газогенераторный карьерный самосвал

фирмы «Scania», Швеция Fig. 54. Gasgenerator mining truck manufactured by Scania, Sweden

На смену ему пришел последний серийно выпускаемый газогенераторный грузовик Урал-ЗИС-352, выпускаемый до конца 50-х годов XX века. Газогенератор этого автомобиля схематично показан на рис. 57.

Рис. 55. Газогенераторный шведский экскаватор Fig. 55. Gasgenerator Swedish excavator

Но и Советский Союз пока не торопился сворачивать свои программы создания новых образцов автотракторной газогенераторной техники.

Так, на базе автомобиля ЗИС-21 (наиболее удачной среди довоенных отечественных газогенераторных грузовых машин) был создан модернизированный вариант Урал-ЗИС-21А (рис. 56), который изготавливался Уральским автомобильным заводом в 1946-1952 годах.

Рис. 56. Газогенераторный грузовик Урал-ЗИС-21А Fig. 56. Ural-VMS-21A gasgenerator Soviet truck

Рис. 57. Схема газогенератора грузового автомобиля

Урал-ЗИС-352 Fig. 57. Ural-VMS-352 gasgenerator Soviet truck schema

В первой половине 50-х годов были разработаны, изготовлены и испытаны опытные образцы последних в СССР «газгенов» - Урал-ЗИС-354 и Урал-ЗИС-356.

Первый в мире трелевочный трактор-тягач КТ-12, разработанный в 1949 г., тоже работал на ГГ (рис. 58).

К 1956 г. на лесозаготовках в нашей стране работало более 20 тысяч таких тягачей.

Рис. 58. Газогенераторный трелевочный трактор-тягач КТ-12 Fig. 58. CT-12 gasgenerator Soviet skidding tractor

И когда создавали почетный знак для передовиков лесоповала, то в центре этого знака поместили изображение как раз этого трактора-трелевочника (рис. 59).

Рис. 59. Почетный знак работника леса Fig. 59. Soviet insignia of timber industry

В 1953 г. Сталинградский и Минский тракторные заводы приступили к производству последних (на сегодняшний день) отечественных газогенераторных тракторов - ГБ-58 (рис. 60) и трелевочника КТ-352Т соответственно.

В конце 40-х годов появилась газогенераторная модификация мотовоза Муз-4 (рис. 61), серийно выпускаемая Онежским тракторным заводом (с силовыми установками от газогенераторных грузовиков ЗИС-21 и Урал-ЗИС-352).

В начале 1950-х годов по проекту института ВНИИЖТ Улан-Удэнским локомотиворемонтным заводом была изготовлена партия газогенераторных тепловозов марки ТЭ1Г, а на Харьковском заводе транспортного машиностроения был сконструирован, изготовлен и испытан опытный газогенераторный магистральный тепловоз ТЭ4 (рис. 62).

Рис. 61. Газогенераторный мотовоз Муз-4 Fig. 61. Muz-4 gasgenerator Soviet switcher

Рис. 62. Газогенераторный магистральный трехсекционный тепловоз ТЭ4 Fig. 62. TE4 gasgenerator Soviet mainline locomotive

В отличие от своего прототипа - двухсекционного тепловоза ТЭ2 - он был сконструирован трехсек-ционным (в средней секции была размещена газогенераторная установка). Фотография этого тепловоза была помещена на первой странице в газете «ПРАВДА» за 11 января 1953 г., а под ней был помещен следующий комментарий: «Социалистическая промышленность оснащает наш транспорт первоклассной техникой.

В директивах 19 съезда партии по пятому пятилетнему плану намечено «.приступить к производству новых мощных паровозов, электровозов и тепловозов, в том числе газогенераторных...». На снимке - опытный магистральный газогенераторный тепловоз, выпущенный Харьковским заводом транспортного машиностроения. Он оборудован газогенераторной установкой и двигателями мощностью в 2 000 л.с. Двигатели работают на антраците с добавлением небольшого количества жидкого топлива. На обычных

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

тепловозах применяется только жидкое топливо. Новый локомотив способен покрывать большие расстояния без набора топлива и воды. Газогенераторный тепловоз прошел первые испытания».

К 1958 г. в Советском Союзе работало 350 газогенераторных станций мощностью от 200 кВт до 3 МВт, работающих на биомассе и торфе, и 47 газогенераторных станций мощностью от 1 до 5 МВт, использовавших в качестве топлива каменный уголь и горючие сланцы. На них было установлено около 2 500 газогенераторов различных конструкций и производительности.

На этих станциях ежегодно вырабатывали до 35 (по другим данным - более 400) млрд нм3 ГГ, что тогда полностью удовлетворяло потребности отече-

ственной промышленности в газообразном топливе и технологических газах.

Кроме того, в народном хозяйстве работало более 250 тыс. газогенераторных установок транспортного типа мощностью от 1 до 200 кВт; они активно применялись в автомобильной, сельско- и лесохозяйст-венной отраслях, на железной дороге и в судоходстве, что позволило стране сэкономить миллионы тонн нефти.

В качестве иллюстрации разнообразности и степени проработки конструкций отечественных стационарных газогенераторов можно привести одну из страниц главы IX 11-го тома энциклопедического справочника «Машиностроение», изданного в Москве в 1948 г., где схематически показаны два типовых решения того времени (рис. 63).

Рис. 63. Одна из страниц энциклопедического справочника «Машиностроение», 1948 г. Fig. 63. One of the pages of encyclopedic repertoire of "Mechanical engineering", 1948

Газификаторам в этом справочнике посвящено 60 страниц, на которых весьма подробно описано и проиллюстрировано около 80 различных конструктивных исполнений данных изделий и их основных составных частей.

К концу 50-х годов прошлого века в мире были созданы разнообразные газогенераторные двигатели мощностью от 1 до 5 400 л.с. Эти двигатели использовались в энергетике, в качестве силовых агрегатов наземных (легковые и грузовые автомобили, трактора, тепловозы, мотовозы, дрезины, мотоциклы и др.)

и водных (теплоходы, катера и другие самоходные плавсредства) транспортных средств, для привода сельскохозяйственных орудий и других агрегатов (мельниц, пилорам и т.п.), в коммунальных и в иных целях.

Для полноты картины можно вспомнить о дирижабле с газогенераторным двигателем Ленуара. Жаль только, дальнейшая экспансия оборудования ГТТ в воздушное пространство не развилась и изящный летательный аппарат, показанный на рис. 64, является лишь экспериментальным самолетом с вер-

тикальным взлетом американской фирмы «Bell», совершившим свой первый полет в январе 1954 г. (а так посмотришь - ну вылитый «газогенераторный самолет»!).

80-х годов XX века доля ГГ, произведенного для данных целей, достигала почти 50% от всего объема этого газа в мире (в дальнейшем она стала снижаться в связи с увеличением использования газа для генерации тепловой и электрической энергии).

С 1978 г. по 2003 г. были построены 72 предприятия газификации угля, в т. ч. крупные электростанции (мощностью 250-950 МВт), из которых 26 находятся в Азии (из них 14 - в Китае), а по 23 расположены в США и Европе (рис. 66).

Рис. 64. Американский самолет Bell Model 65 ATV Fig. 64. Bell Model 65 ATV American plane

В начале 60-х годов XX века активное развитие технологий и оборудования ГТТ в целом приостановилось. Это было связано, прежде всего, с повсеместным распространением доступных и удобных в применении топлив, произведенных из жидкого (нефть) и газообразного (природный газ) ископаемого сырья.

Для энергетического применения ГГ сыграла свою роль и выбранная концепция централизованного производства развитых, в т.ч. межрегиональных и международных, сетей доставки электрической энергии потребителям. Аналогичная ситуация, хоть и в меньших масштабах, сложилась и в сфере тепловой энергетики.

Вывезя на своих плечах наше Отечество и многие другие страны мира из периода военных бедствий и послевоенной разрухи, газогенераторная техника тихо и незаметно сошла с большой сцены (но, думается, не навсегда).

В 1964 г. Советский Союз последним из стран мира объявил о полном снятии с эксплуатации газогенераторных транспортных средств.

В мире в целом в это время также наблюдался спад интереса к технологиям ГТТ (за исключением ЮАР, где действовало международное эмбарго на поставку нефти и нефтепродуктов, а местная компания «South African Synthetic Oil Ltd.» (SASOL) перерабатывала до 47 млн тонн угля в год и получала примерно 7 млн тонн в год жидких углеводородов).

Однако в странах с рыночной экономикой, во многом зависящей от колебаний цен на энергоносители, этот интерес периодически (правда, в основном во время нефтяных и энергетических кризисов) вновь оживал. Так, кроме ЮАР, активизировалось «химическое» направление газификации (главным образом для производства синтетических жидких топлив) в США, Великобритании, Новой Зеландии, Малайзии и некоторых других странах.

На рис. 65 в качестве примера показан завод в Австрии, занимающийся пиролизом биомассы и последующим синтезом различных биотоплив. К концу

Рис. 65. Завод пиролиза биомассы и синтеза биотоплива, Австрия

Fig. 65. Plant biomass and bioenergy pyrolysis synthesis, Austria

Рис. 66. Электростанция с внутрицикловой газификацией

угля в Пуэртольяно, Испания Fig. 66. Integrated Gasification Combined Cycle power plant in Puertollano, Spain

В 1984 г. в США был запущен завод по метани-рованию бурого угля «Great Plains Synfuels Plant» (Dakotagas Company), который до сегодняшнего дня производит синтетический природный газ (в английской терминологии: Substitute Natural Gas - SNG), подаваемый в сеть, по которой транспортируется природный газ.

Суточная производительность этого завода - 3,9 млн нм3 SNG.

Приложили свои руки к воскрешению технологий ГТТ и американские военные, по заказу которых, начиная с середины 80-х годов XX века, ведутся работы по созданию газогенераторных установок для получения энергии в условиях ядерной войны и после ее завершения, когда привычные сегодня виды топлив станут труднодоступны.

При этом общепризнано, что доля твердых топ-лив составляет около 95%, а на нефть и газ приходится порядка 5% от общего объема каустобиолитов.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

Причем эта пропорция с каждым годом изменяется, и не в пользу жидких и газообразных видов ископаемых топлив (рис. 67).

Рис. 67. Нерациональное сжигание попутного нефтяного газа только приближает время заката нефтегазовой эры Fig. 67. Waste incineration associated petroleum gas only brings time sunset oil era

Запасов твердого ископаемого сырья (угля, горючих сланцев, торфа, сапропелитов и т.п.) человечеству должно хватить не менее чем на тысячу лет. Объемы сырья, относящегося к возобновляемым источникам энергии (фитомасса, в т.ч. специально выращиваемая, углеродсодержащие отходы и т.п.), вообще представляются неограниченными (в рамках существования нашей цивилизации).

Запасов же нефти и газа на Земле, по разным оценкам, осталось на 40-70 лет (по крайней мере, разведанных и легко добываемых с использованием существующих технологий).

Снижение мирового потребления нефти и газа, а вместе с этим уменьшение зависимости человечества от «нефтегазовой иглы» (а эйфория от нее уже закончилась!) ожидается после 2020 г. И это объясняется не только тающими запасами жидкого и газообразного ископаемого сырья.

Как однажды сказал бывший министр нефтяной промышленности Саудовской Аравии шейх Ямани: «. Каменный век закончился не потому, что у человечества не осталось подходящего сырья для производства инструментов и оружия. Это произошло оттого, что люди нашли хорошую альтернативу. Точно так же нефтяная эра закончится не тогда, когда из земли добудут последнюю каплю нефти.».

Таким образом, можно с большой долей уверенности предположить, что уже в среднесрочной перспективе, после завершения нефтегазового периода в истории человечества (начавшегося на рубеже XIX-XX веков и завершающегося в середине-конце XXI века), технологии и оборудование ГТТ (наряду с другими видами альтернативной энергетики) из раритетов прошлого неизбежно вновь превратятся в спутники настоящего и предвестники будущего.

Здесь можно вспомнить известную кинотрилогию «Назад в будущее» и заправку автомобиля бытовыми отходами (рис. 68).

Любопытно, что почти тем же, только в жизни, а не в кино, в первой половине прошлого века были заняты водители газогенераторного транспорта (см. рис. 19, 29 и 47).

Рис. 68. Заправка автомобиля «DeLorean DMC-12»

бытовыми отходами Fig. 68. Refilling DeLorean Car 12 household waste

В завершение транспортной темы на рис. 69 приведена подборка фотографий газогенераторной мобильной техники второй половины XX - начала XXI века.

Рис. 69. Газогенераторная мобильная техника второй половины XX - начала XXI века Fig. 69. Gasgenerator mobile machinery second half of XXth - early 21st century

Предположение о хороших перспективах газификации, хоть и косвенно, подтверждает динамика инвестиций в альтернативную энергетику (с $ 10 млрд в 1998 г. до $ 66 млрд в 2007 г. и, по прогнозам экспертов, почти до $ 350 млрд к 2020 г.), а также анализ количества патентов, заявленных на оборудование ГТТ (рис. 70).

Тут можно отметить, что после периодических пиков в 20-е, 30-е и 40-е годы прошлого века и провала в 50-70-е годы имел место краткий по времени всплеск интереса к этой тематике в начале 80-х годов, потом снова затишье на протяжении 90-х годов (с небольшим подъемом в середине). И, наконец, ярко выраженный взлет в середине первого десятилетия XXI века, лишь немного не дотянувший до

рекордных показателей 60-летней давности (информация о количестве более поздних патентов, к сожалению, отсутствует).

В период с середины XIX до середины XX века в мире проводилось множество исследований, направ-

ленных на коммерциализацию технологии газификации твердого топлива для энергетических целей (как для транспорта, так и для электро- и теплоэнергетики). Число книг, статей и патентов в тот период превысило 10 000 (без учета СССР).

Рис. 70. Динамика оформления патентов в области ГТТ Fig. 70. Trends in patenting in field of solid fuel gasification

В СССР исследования в области газогенераторо-строения активно велись с 1923 до 1965 г. и были освещены в более чем 5 000 публикациях. Примечательно, что выход книг по данной тематике не прекращался даже в самые тяжелые военные годы. Так, в 1942 г. в блокадном Ленинграде была издана книга, посвященная газогенераторным автомобилям (рис. 71), а в 1943 там же - брошюра, рассматривающая различные виды топлив для газогенераторных двигателей.

^---ч

™

ж к ьиырган ,« д попов

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ГАЗОГКН КРЛТОРЙ UB АВТОМОБИЛИ

(КОНСПЕКТ)

Рис. 71. Биберган Д.А., Попов М.Д. Газогенераторные автомобили. Лениздат, 1942 г. Fig. 71. Bibergan D., Popov M. Gasgenerator cars. Lenizdat, 1942

Осажденному городу катастрофически не хватало нефтяных моторных топлив, и эти публикации были не менее актуальны, чем, например, выпущенная тем

же Лениздатом в том же 1942 г. брошюра «Использование в пищу ботвы огородных растений и заготовка ее впрок».

Вместе с тем и сегодня существуют области, где применение технологий и оборудования ГТТ не только оправдано, в т.ч. с экологической точки зрения, но и экономически целесообразно.

Для России это, прежде всего, децентрализованное распределенное (с созданием локальных сетей энергоснабжения либо без этого) производство тепловой и / или электрической энергии в отдаленных труднодоступных районах. При этом необходимо произвести смену «рациона» электрогенерирующего оборудования и перейти с привозного жидкого топлива на местные углеводородные ТТ.

В Российской Федерации на регионы с децентрализованным энергоснабжением приходится почти 2/3 территории, где проживает около 10% населения страны и сосредоточено до 15% основных производственных фондов государства. Здесь, в частности, заготавливается более 50% древесины, добывается 75% нефти, более 90% газа, алмазов, пушнины, драгоценных металлов, радиоактивных и редкоземельных элементов.

В настоящее время основу энергетики в этих регионах составляют более 50 тыс. электростанций на базе двигателей внутреннего сгорания (в основном дизельных) с суммарной годовой выработкой более 50 млрд кВтч, годовым потреблением более 25 млн т у.т. и средней выработкой ресурса более 80%.

Удаленность и труднодоступность данных регионов (и, как следствие, исключительно сложная логистика доставки туда моторного топлива и других расходных материалов), а также физический и моральный износ используемого в настоящее время энергогенерирующего оборудования приводит к серьезному повышению эксплуатационных затрат.

Так, по данным ОАО АК «Якутскэнерго», соотношение затрат на содержание автономных дизель-

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

электростанций к объему выработанной ими электроэнергии составляет примерно в 6 раз больше, чем в среднем по Якутии (и, думается, на порядки - в сравнении с центральными районами России, а с европейскими странами лучше и не сравнивать).

Экономия на завозе бензина и дизтоплива может быть еще существенней, если часть (а в идеале и все 100%) наземного и водного транспорта в этих отдаленных регионах перевести на местные виды твердых топлив, желательно в пеллетированном виде.

К местным ТТ обычно относят древесину и другие топлива, произведенные из первичной биомассы растительного происхождения (фитомассы), каменные и бурые угли, торф, горючие сланцы, сапропе-литы и т. п.

Еще одной (пока, правда, только потенциальной) сферой применения технологий и оборудования ГТТ может быть переработка (использование, утилизация) отходов различного происхождения, в т. ч. в рамках концепции «индустриального метаболизма» и реутилизационных технологий.

Это применение становится все более и более актуальным в условиях, когда пророческие слова выдающегося физика Нильса Бора «Человечество не

погибнет в атомном кошмаре - оно задохнется в собственных отходах», произнесенные им в начале 50-х годов прошлого века, уверенно ложатся в основу одного из самых реалистичных из апокалипсических сценариев будущего (рис. 72).

В настоящее время на каждого жителя планеты ежегодно из природных кладовых Земли изымается порядка 50 т сырья, из которого, в конечном счете, получают 2 т полезной продукции и 48 т отходов.

Рис. 72. Улицы итальянского Неаполя. Наши дни Fig. 72. Italian Naples streets. Nowadays

Рис. 73. Структура лесо- и деревопереработки Fig. 73. Forest and timber structure

Россия также располагает огромными объемами отходов, в т.ч. биоресурсами в виде органических отходов. При пересчете на абсолютно сухое состояние эти ресурсы ежегодно составляют до 1500 млн т, из них:

- отходы промышленного происхождения - 1100 млн т, в т.ч. отходы лесо- и деревопереработки - 700 млн т;

- отходы сельскохозяйственного происхождения - 250 млн т, в т.ч. отходы животноводства и птицеводства - 150 млн т. Остальное - отходы растениеводства;

- отходы потребления - 100 млн т, в т. ч. твердые бытовые отходы (ТБО) - 60 млн т. Остальное - коммунальные стоки и другие отходы потребления, образующиеся в населенных пунктах в результате жизнедеятельности людей.

На рис. 73 приведена структура лесо- и деревопе-реработки, из которой видно, что в разряд пиломатериалов удается перевести только 32% исходного древесного сырья. Соответственно, оставшиеся 68% могут быть использованы в качестве экологически чистого возобновляемого источника энергии, в т.ч. с применением технологий ГТТ.

Учитывая, что из древесных и сельскохозяйственных отходов можно получать не только газообразные, но и жидкие виды синтетических топлив, последние могут быть серьезной альтернативой био-топливам, получаемым в настоящее время из пищевых сельхозкультур.

Особенное значение этот выбор приобретает, если учитывать этическую составляющую вопроса.

Технологии превращения пищи в топливо приводят к росту мировых цен на продовольствие в условиях массового голода во многих развивающихся странах. По данным Всемирной организации здравоохранения, сейчас голодает каждый шестой житель Земли и каждые шесть секунд один человек умирает от голода. При этом объема пищевых сельхозкультур, которое необходимо переработать, чтобы один раз заполнить бак автомашины, достаточно, чтобы прокормить одного человека в течение года (например, для производства 100 л этанола требуется 240 кг кукурузы).

Особенно привлекательно использование газогенераторной техники в сельском хозяйстве, т. к. переход на горючее в виде сельскохозяйственных отходов сделал бы цены на сельскохозяйственную продукцию независимыми от цен на топливо нефтяного происхождения (государственная программа на эту тему принята, в частности, в Швеции).

Можно также отдельно отметить проблему утилизации деревянных железнодорожных шпал, выводимых из эксплуатации ОАО «РЖД» до 10 миллионов штук ежегодно. К настоящему времени в местах временного хранения накоплено более 500 тыс. тонн отработанных (старогодных) шпал (рис. 74), пропитанных антисептическими средствами (каменноугольным креозотовым маслом, термокаталитической жидкостью ЖКТ и т.п.).

Рис. 74. Железнодорожные деревянные шпалы,

выведенные из эксплуатации Fig. 74. Wooden railway sleepers, decommissioned

Согласно федеральному класссификатору отходов пропитанные антисептиками железнодорожные шпалы относятся к III классу опасности, и их хранение сопряжено с существенными экологическими издержками, в т.ч. с соответствующими выплатами.

Основной же трудностью при утилизации (особенно термическими способами) данных отходов является обеспечение допустимых уровней выбросов бенз(а)пирена и других полициклических ароматических углеводородов, из которых большей частью и состоят используемые для пропитки шпал антисептические средства.

Газификация позволяет эффективно и экологически безопасно решить задачу утилизации шпал, что подтверждено, в частности, специалистами химико-аналитической лаборатории Научно-производственного центра по охране окружающей среды ОАО «РЖД».

Но если в случаях промышленных и сельскохозяйственных отходов можно рассчитывать на рыночные механизмы, то в случае с ТБО и другими отходами потребления необходимо деятельное участие государственных органов власти РФ.

В качестве ориентира можно привести систему преференций, предоставляемых «зеленой» энергетике в странах ЕС (рис. 75).

Рис. 75. «Зеленой» энергетике в странах Европейского Союза дан «зеленый свет» Fig. 75. "Green" energy in European Union gave green light

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

Среди мер такой поддержки в этих странах можно отметить «зеленые сертификаты», возмещение стоимости технологического оборудования, специальные тарифы на подключение, «систему чистого измерения» и др.

В результате уже на начало 2006 г. в Европе работало свыше 300 достаточно крупных предприятий, вырабатывающих энергию из отходов (средней производительностью 177 тыс. тонн в год).

Во всем мире на данный момент таких предприятий насчитывалось около 700.

Наконец, в условиях постоянно растущих цен на жидкие моторные топлива и в России может стать перспективным использование технологий ГТТ для получения искусственных жидких топлив.

По некоторым расчетам себестоимость литра усредненного синтетического моторного топлива, полученного путем газификации древесных отходов и последующего синтеза по методу Фишера - Тропша, составляет в ценах 2010 г. 4,52 рубля.

Для развитых и развивающихся стран, не относящих себя к «энергетическим сверхдержавам», актуальным останется (и с течением времени эта актуальность будет только повышаться) газификация различных видов ТТ, в т.ч. произведенных из отходов, с целью перевода их из категории «неудобных» топлив («solid fuels - bad fuels» в английской терминологии) на одну ступень (в технологическом смысле) с природным газом и продуктами нефтепереработки.

Свои проекты в области синтеза жидких углеводородов по методу Фишера - Тропша разной степени проработки имеют такие компании, как Shell, Sasol, Chevron, CWT, Conoro, BP, ENI, Statoil, Rentech, Syntroleum и другие.

Кроме того, в этих странах разрабатываются и новые технологии ГТТ. Так, в качестве участка принципиального прорыва на фронте новых технологических разработок в энергетической сфере компания «Siemens» выбрала модернизацию газовых турбин для работы на ГГ, полученном в процессе газификации ТТ. Эффективное решение этой задачи, по мнению ряда экспертов, позволит технологии комбинированного технологического цикла энергогенерации с внутрицикловой газификацией (в английской терминологии: Integrated Gasification Combined Cycle - IGCC) в среднесрочной перспективе стать ведущей в мире среди всех тепло- и электроэнергетических технологий. Ввиду больших запасов углей, горючих сланцев и других видов ТТ эта технология способна обеспечить стабильное развитие энергетического сектора на длительный период времени. Данная технология предусматривает также снижение выбросов диоксида углерода (СО2) в атмосферу.

На рис. 76 показана электростанция в Лимбурге (район вблизи границы Нидерландов и Бельгии), где компания «Siemens» уже реализовала технологии IGCC.

Рис. 76. Электростанция компании «Сименс» на основе технологий IGCC Fig. 76. Powerhouse Siemens IGCC technology based

В настоящее время «Siemens» разрабатывает документацию на электростанцию, использующую газификатор от «Conoco Phillips», для строительства в США двух энергоблоков мощностью 600 МВт с внутрицикловой газификацией. «Siemens», купившая в 2006 г. технологию газификации «Gas Schwarze Pumpe» (GSP), планирует поставить оборудование для этих двух электростанций, в т. ч. свои газовые турбины. По заявлению представителей компании, процесс газификации GSP, использующий кислородное дутье, позволяет подавать топливо пневматически либо в виде водной суспензии.

Разрабатываемая «Siemens» электростанция, работающая на основе GSP-процесса, будет рассчитана на использование различных видов топлива, включая антрациты, отходы НПЗ и лигниты.

«General Electric» совместно с компанией «Bechtel» на создающейся опытно-промышленной установке с газификатором компании «Texaco» прогнозируют уровень выбросов, существенно меньший, чем на энергоблоках с пылеугольными котлами на суперкритических параметрах. По заявлению производителя, уровень выбросов приблизится к ПГУ, работающим на природном газе. Проектная мощность электростанции составляет 630 МВт, используется газовая турбина 7FB. Планируемый коэффициент использования установленной мощности составит 85% при работе только на угле и 93% с использованием резервного топлива. При сжигании битуминозных и коксующихся углей электростанция обеспечит КПД «нетто» около 39%. Под КПД «нетто» подразумевается итоговая эффективность работы электростанции с учетом всего энергопотребления на собственные нужды.

Другой всемирно известный холдинг «Mitsubishi», в т. ч. в области альтернативных источников энергии, уже несколько лет ведет активные работы в области создания современного оборудования газификации угля.

«Mitsubishi», построившая в Японии в начале 90-х годов прошлого века пилотную установку газификации с воздушным дутьем, сейчас разрабатывает очередную ПГУ с газификацией. Эта компания, в

отличие от «GE» и «Siemens», сделала выбор в пользу газификации с воздушным дутьем. Такая технология не требует создания мощных сепараторов, необходимых для получения кислорода и потребляющих значительное количество электроэнергии. Этот факт, а также отказ от использования водоугольных суспензий в качестве метода подачи топлива, подразумевающих в дальнейшем испарение воды, повышает общую эффективность энергоустановки. Используя газовую турбину M501F в своих ПГУ с газификацией, «Mitsubishi» планирует достигнуть КПД «нетто» на уровне 45%, а в дальнейшем, при использовании пароохлаждаемой турбины M501G - 48%.

Немецкая энергетическая компания «RWE Power» выделила на разработку подобных технологий 1 млрд евро. Первая твердотопливная электростанция данной компании мощностью 450 МВт, газифицирующая рейнские бурые и каменные угли, будет введена в эксплуатацию в 2014 г.

Примером государства с серьезным отношением к технологиям газификации твердых топлив, прежде всего каустобиолитов, может служить Великобритания. Так, в электронных СМИ прошло сообщение о том, что в ноябре 2010 г. фирма «Rentech», специализирующаяся на производстве синтетических топ-лив, подписала соглашение о намерениях с американской биоэнергетической группой «Solena», которое подразумевает использование технологии Фишера - Тропша на заводе по производству синтетического топлива в восточной части Лондона.

Завод под названием «GreenSky» ежегодно будет перерабатывать около 500 тысяч тонн биомассы в синтетический газ. Впоследствии этот газ будет перерабатываться в 60,6 млн литров синтетического авиационного турбореактивного топлива. Ранее в этом же году авиакомпания «British Airways» подписала соглашение о намерениях, подразумевающее покупку всего топлива, производимого на данном заводе.

Компания «Power Fuels Ltd.» сообщила о своем намерении использовать газо- и паротурбинные технологии компании «GE Energy» при строительстве электростанции комбинированного цикла с газификацией угля (технология IGCC) и практически нулевой токсичностью рядом с существующей угольной шахтой в местечке Хэтфилд, Южный Йоркшир, Великобритания. Ожидается, что электростанция мощностью 900 МВт будет запущена в эксплуатацию в конце 2011 г., а к 2013 г. она будет переведена на синтетический горючий газ. Такой подход обеспечивает возможность поэтапного внедрения газовых турбин комбинированного цикла и оборудования «Gasification Island».

Установка производства немецкой фирмы «Spanner RE GmbH» (рис. 77), отличается высоким КПД и надежностью за счет автоматизации рабочих процессов, подачи топлива и золоудаления. Производимый ГГ может использоваться как для силовых, так и для тепловых целей. Установка работает на

древесных пеллетах, соответствующих европейским нормам качества, и потребляет их в количестве до 60 кг в час.

Процесс контролируется системами ЭВМ и не требует постоянного наблюдения оператора.

Рис. 77. Немецкая электрогенерирующая газогенераторная установка фирмы Spanner RE GmbH Fig. 77. German electric generating gasgenerator installation companies Spanner RE GmbH

К недостаткам немецкой установки можно отнести сравнительно высокую стоимость и необходимость специального помещения.

Интересны также мощные немецкие установки с нисходящим движением газа, разработанные по принципу обращенного процесса газификации, и тепловой мощностью от 600 кВт до 11 МВт, спроектированные компанией «Wamsler Umwelttechnik GmbH».

В них кроме древесной биомассы в качестве сырья могут использоваться пластмассы и текстиль, а для очистки ГГ, предварительно прошедшего через пылеотделитель, применяются водяные скрубберы. ГГ может использоваться в двигателях внутреннего сгорания.

В Австрии фирма «Solarfocus» выпускает оборудование для водяного отопления помещений, основными тепловыми элементами которого являются газогенераторы различной конструкции. Выпускаемая компанией установка «Pellet top» работает в автоматическом режиме. Топливные гранулы подаются со склада вакуум-компрессором в промежуточную емкость, из которой загрузочным шнеком через лопастной затвор, предохраняющий от обратного распространения пламени, они поступают в реактор, сделанный из высококачественной стали. В зоне окисления реактора температура достигает 1200 °С. Скорость окисления и газификации гранул контролируется микропроцессором путем изменения числа оборотов вытяжного вентилятора. Для стабилизации техпроцесса применяется кислородный датчик, который измеряет остаточное содержание кислорода в отходящих дымовых газах. Датчик способствует экономии топлива и обеспечивает выполнение экологических требований. Установка также снабжена спиральным устройством для автоматической очистки газохода, что положительно сказывается на КПД газогенератора, который достигает 96% при номинальной нагрузке.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

Там же в Австрии, в окрестностях города Гюс-синг построен экспериментальный комплекс газификации древесины (рис. 78).

Электрогенерирующая газогенераторная установка ENEA производства Италии (рис. 79) работает на древесном топливе влажностью до 25-30%, производит 120 нм3 в час ГГ, из которого генерируется 80 кВт в час электрической энергии. В номинальном режиме установка потребляет 50-55 кг в час древесных чурок размером 200x80x80 мм.

Рис. 78. Экспериментальный комплекс газификации

древесины в Гюссинге, Австрия Fig. 78. Wood gasification pilot set in Gussing, Austria

хорошей скоростью розжига (в течение 10-15 мин.), удобством в работе (одной заправки топлива хватает на 1-1,5 часа) и неприхотливостью к виду топлива. В качестве топлива можно использовать опавшую листву, мелкие веточки, шишки, другую измельченную травянистую или древесную биомассу влажностью до 40%.

Рис. 80. Походная газогенераторная установка, США Fig. 80. Camping gasgenerator installation, United States

Рис. 79. Итальянская электрогенерирующая газогенераторная установка ENEA Fig. 79. ENEA Italian electric generating gasgenerator installation

Данная модель предназначена для обеспечения нужд фермерских хозяйств или маленьких предприятий в электрической и тепловой энергии. Обслуживание сводится к периодическому наблюдению за приборами и подаче ТТ. Правильная эксплуатация установки исключает возможность утечки ГГ или возникновения пожара. Монтироваться установка может как в специальном помещении, так и на открытом воздухе (под навесом).

Особо малые газогенераторные установки тепловой мощностью 2-5 кВт нашли применение в туризме и успешно конкурируют с жидкотопливным и газовым оборудованием для кемпинга.

Показанная на рис. 80 установка производства США, разработанная профессором Т. Ридом в 2005 г., предназначена для приготовления пищи в походных условиях.

Она отличается небольшим весом (0,65 кг), компактностью (диаметр 130 мм, высота 160 мм) и высоким КПД (примерно 85% при мощности 3 кВт),

Во время работы не выделяется дым и не перегревается корпус, что положительно характеризует установку с точки зрения экологической и пожарной безопасности. Такая походная газогенераторная печь обладает высоким ресурсом непрерывной работы (до 10 часов), который ограничивается ресурсом пальчикового элемента питания, входящего в комплект.

Также на рынке присутствуют польские автоматические газогенераторные установки А^О, предназначенные для газификации раздробленных древесных отходов с грануляцией до 30 мм и относительной влажностью 30-50%. Типовой ряд установок обеспечивает тепловую мощность от 25 до 500 кВт. Топливо из бункера подается шнеком в предтопок, где происходит процесс его газификации с частичным сжиганием в вентилируемой реакционной камере. Зола ссыпается в зольник и удаляется через дверцы, расположенные в нижней части корпуса пред-топка. В соответствии с заданной программой сжигания командоконтроллер управляет работой всей системы. Установка может работать и с теплообменником и применяется для отопления жилых домов, мастерских, теплиц и т.п.

В современных установках с большой тепловой мощностью (до 40 МВт) газификация биомассы происходит в кипящем (циркулирующем) слое, где образуется горячий неочищенный ГГ, зачастую пригодный для сжигания в котлах. В качестве флюиди-зирующего инертного материала, необходимого для образования кипящего слоя биомассы и предотвращения его спекания, обычно используют силикатный песок, оксид алюминия или другие огнеупорные материалы.

Так, например, пилотная установка с газификатором циркулирующего кипящего слоя Татре11а (г. Тампере, Финляндия) в рабочем состоянии находит-

ся под давлением с тепловой мощностью от 10 до 15 МВт. Предварительно подвергающимся измельчению и просушке сырьем для газификации в данном случае служит смесь кокса, угля и биомассы, представляющей собой отходы лесозаготовительного производства. Процесс газификации идет при температуре 850°С и давлении 2 МПа. После выхода из газификатора ГГ проходит очистку в двух циклонах, устройстве по удалению серы и фильтре горячей очистки.

После этого часть газа возвращается в газификатор для создания тяги, а остальной ГГ поступает в котел для выработки тепла. В конечном итоге продукты сгорания попадают в дымовую трубу через электростатический фильтр.

Схема газогенератора Novel другой финской фирмы Condens OY приведен на рис. 81.

Рис. 81. Схема газогенератора Novel фирмы Condens OY, Финляндия

Fig. 81. Novel gasgenerator scheme firm Condens OY, Finland

Рис. 82. Газогенераторная энергетическая установка, работающая на биоотходах, компании «Ankur», Индия Fig. 82. Gasgenerator power plant running on bio waste, Ankur, India

Среди промышленно развитых стран, в которых явно прослеживается интерес к развитию технологий и созданию новых образцов оборудования ГТТ, можно также выделить Швецию, Данию, Нидерланды, Канаду и Японию.

Несомненными лидерами в плане газификации фитомассы для децентрализованного электроснабжения являются Индия, Китай и Бразилия.

В Индии, например, реализацией соответствующих государственных программ занимается специальное Министерство нетрадиционных источников энергии.

По состоянию на середину 2003 г. в этой стране эксплуатировалось около 2 000 газогенераторных энергетических установок малой мощностью (от 5 до 500 кВт), работающих в основном на ТТ растительного происхождения (рис. 82).

Ляонинским институтом энергетических ресурсов (КНР) разработаны несколько газогенераторных установок различной мощности. Так, установка тепловой мощностью 200 кВт предназначена для работы на сельскохозяйственных отходах влажностью до 30%. Растительные отходы шнековым питателем подаются из бункера в газогенератор в количестве 80-120 кг в час. Производимый ГГ закачивается в газгольдер (накопитель), откуда далее поставляется потребителю - для удовлетворения его бытовых нужд в тепловой энергии.

На рис. 83 показана также разработанная Ляонин-ским институтом газогенераторная установка номинальной тепловой мощностью 300 кВт, газопроизводительностью до 600 нм3 в час, работающая на сельскохозяйственных отходах влажностью до 40% (схема установки показана на рис. 84). Она потребляет 100-300 кг в час топлива и отличается от описанной выше более высоким КПД за счет автоматизации технологических процессов газификации, а также механизации рабочих процессов подачи топлива (рис. 85) и удаления золы.

Получаемый ГГ нагнетается в газгольдер, откуда он подается населению для удовлетворения бытовых нужд - приготовления пищи и отопления.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Используют в Китае газогенераторные установки и для получения электроэнергии. Так, в городе Бей-ши, провинция Ляонин, расположена газогенераторная станция электрической мощностью 160 кВт.

Станция предназначена для производства электроэнергии путем газификации 250-300 кг / ч растительной биомассы и выработки ГГ в объеме 550

нм3/ч.

Среди развивающихся стран можно также отметить Филиппины, Таиланд, Бангладеш, Малайзию, Индонезию, Кубу, Мали, Кению, Бурунди и Мадагаскар. Там развитие технологий ГТТ, как и в Индии, закреплено государственными программами.

В Северной Корее с середины прошлого века и по настоящее время значительная часть автопарка оснащена транспортными газогенераторами.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

Рис. 83. Китайская газогенераторная установка тепловой мощностью 300 кВт Fig. 83. China gasgenerator installations with heat output of 300 kW

Рис. 84. Схема китайской газогенераторной установки тепловой мощностью 300 кВт Fig. 84. China gasinstallations with heat output of 300 kW schema

Рис. 85. Загрузка топлива в шнековый питатель китайской газогенераторной установки (на правой части рисунка шнек выходит из стены) Fig. 85. Fuel loading in Auger feeder of gas installation (on right side of Fig. 83 this screw goes from wall)

Прогнозируется, что к 2040 г. топливо, произведенное из биомассы термо- и биохимическими способами (биотопливо), займет до 25% в общемировой структуре источников энергии всех видов.

В странах - бывших республиках СССР технологии ГТТ в последние десятилетия в промышленном масштабе не применялись. Пожалуй, единственным исключением являлась Эстония. В г. Кохтла-Ярве работает завод газификации местных горючих сланцев, ГГ по 400-километровому газопроводу доставля-

ется в г. Таллинн, на нем в столице этой прибалтийской республики работают все городские котельные.

При этом технологии газификации горючих сланцев были разработаны еще при «советской власти» (как и основные капитальные вложения в эту отрасль были сделаны тогда же). Хотя сама история газификации сланцев в Эстонии ведется еще с царских времен (с 1916 г.).

Но в последнее время и здесь наметился некоторый прогресс. Так, на предприятии «Алюминий Казахстана» в газогенераторах Лурги под давлением газифицируется Шубаркольский длиннопламенный каменный уголь марки Д (рис. 86).

В Беларуси под патронатом ПРООН / ГЭФ осуществляется проект № BYE / 03 / G31 «Энергия биомассы для отопления и горячего водоснабжения в Республике Беларусь», который реализуется государственным аграрным техническим университетом БАТУ.

На Украине пользуются спросом бытовые газогенераторные установки для отопления жилых и производственных помещений (мировой лидер в производстве таких установок канадская фирма «Bullerjahn» даже открыла в 2003 г. свое представительство в Киеве).

уголь

ЩИ

Рис. 86. Схема газогенераторов Лурги АО «Алюминий Казахстана», г. Павлодар Fig. 86. Lurgi gasgenerator scheme JSC "Aluminium Kazakhstan", Pavlodar

Особняком стоят технологии подземной газификации углей и горючих сланцев, о возможности которой российский химик Д.И. Менделеев писал еще в 1888 г.

В его статье, опубликованной в журнале «Северный вестник», есть слова: «.Настанет, вероятно, со временем даже такая эпоха, что угля из земли вынимать не будут, а там, в земле, его сумеют превращать в горючие газы, и их по трубам будут распределять на далекие расстояния».

Первый в мире проект подземной газификации углей был разработан в СССР еще в 1928 г.

Первая опытно-промышленная Южно-Абинская станция подземной газификации углей «Подземгаз» была построена в 1930-1941 годах в Кузбассе (в окрестностях г. Ленинск-Кузнецкий). На ней впервые в СССР были проведены экспериментальные работы

по получению генераторного газа в результате подземной газификации каменного угля.

В августе 1948 г. в Главгазтоппроме была создана комиссия для выбора на угольных залежах под Тулой площадки для строительства новой станции «Подзем-газ». Полученный методом подземной газификации местных углей энергетический ГГ предполагалось использовать в качестве топлива в газовых электротурбинах. Вырабатываемую электроэнергию планировалось передавать в единую государственную энергосистему.

17 июня 1949 г. вышло постановление Совмина СССР «О мероприятиях по развитию подземной газификации углей», в соответствии с которым в том же году началось строительство Шатской станции «Подземгаз» с электростанцией мощностью 24 МВт и жилого поселка.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

В 60-е годы настала эра природного газа. В 1964 г. было решено прекратить работы по проектированию и строительству новых станций «Подземгаза» и свернуть научно-исследовательские работы в этой области. Окончательно производство газа методом подземной газификации было прекращено на Шат-ской станции в 1974 г., когда был закрыт (затушен) последний подземный газогенератор.

Кузбасская станция «Подземгаз» проработала гораздо дольше и была закрыта в 1996 г. по причине физического износа технологического оборудования.

В настоящее время технология подземной (как, впрочем, и наземной) газификации угля развивается на Дальнем Востоке (Дальневосточный государственный технический университет и КГУП «Примте-плоэнерго» совместно с китайскими партнерами).

На постсоветском пространстве методом подземной газификации вырабатывается газ из бурого угля на Ангренском месторождении (Узбекистан).

Для реализации этой идеи было создано специальное оборудование, в т.ч. наклонного и горизонтального бурения, поскольку в этом случае газификация горючих ископаемых происходит прямо на месте их залегания. Схема подземной газификации приведена на рис. 87.

Рис. 87. Схема подземной газификации Fig. 87. Underground gasification scheme

Сущность технологии заключается в бурении скважин до угольного пласта с последующим их соединением по пласту. После этого в толще угольного пласта создается управляемый очаг горения, в котором протекает процесс газификации. Во входную скважину происходит дутье (воздушное или пароки-слородное), из выходной скважины выходит генераторный газ. На поверхности газ очищается и служит топливом для парогазовых установок либо используется другим образом. Особенности технологии позволяют использовать даже те месторождения, разработка которых традиционными способами неэффективна.

Практическое применение технологии подземной газификации, кроме СССР, получили в США, ФРГ, Франции и некоторых других странах.

Новое звучание подземная газификация получила в последнее время применительно к газификации

горючих сланцев. В ряде стран Европы сланцевый газ рассматривается как серьезная альтернатива природному газу.

Интенсивные работы исследовательского и практического характера проводятся в Китае, где в последние годы построено 10 промышленных станций подземной газификации угля, в Австралии, где в 2003 г. построено крупное предприятие данного профиля. Проявляется активный интерес к этой технологии в таких странах, как Индия, КНДР, Южная Корея и многие другие.

Нужно отметить, что в США и Западной Европе в 1980-е гг. проводились масштабные опытно-промышленные исследования по выявлению эффективности советской технологии подземной газификации угля. Результатом этих исследований явилось заключение о том, что данная технология является работоспособной и весьма эффективной и будет неминуемо востребована в период сокращения мировых запасов природного газа и нефти (и сопутствующего данному процессу увеличения рыночных цен на последние). Сегодня можно утверждать, что такое время уже наступило, поэтому развитие подземной газификации угля и других кау-стобиолитов рассматривается в мире как возможность получения дефицитного и недорогого газообразного топлива, а также полуфабриката для дальнейшего получения жидких синтетических горюче-смазочных материалов.

В настоящее время специалистами ИУУ СО РАН разработан инвестиционный проект с использованием технологий подземной газификации угля по созданию шести добывающих энергетических комплексов общей электрической мощностью 850 МВт. По оценкам авторов проекта, необходимые инвестиции составляют 15,5 млрд рублей, срок окупаемости составит около 3 лет.

Возможно также использование оборудования ГТТ в теплофикационных и технологических целях. Например, в системах лучистого обогрева, обжиговых печах и сушильных камерах. При этом физическое тепло ГГ может быть использовано для термообработки стеновых панелей и изделий из полимер-бетона, сушки и обжига концентратов цветных металлов, осуществления других технологических процессов в строительстве и металлургии, а также для сушки сырья, полуфабрикатов и готовой продукции в иных отраслях промышленности и сельском хозяйстве.

В качестве одного из последних примеров такого применения можно привести запуск в эксплуатацию 12.11.10 г. в п. Балахта Красноярского края комплекса сушки зерна на базе газогенераторного блока, работающего на калиброванном буром угле Больше-сырского месторождения (рис. 88).

На Несветайской ГРЭС в Ростовской области на рубеже тысячелетий были начаты работы по созданию не имеющей в мире аналогов установки с газификацией угля в шлаковом расплаве.

Рис. 88. Газогенераторный блок из состава комплекса сушки зерна Fig. 88. Gasgenerator block of whole complex of drying grain

Эта технология, в отличие от пылеугольной газификации, позволяет использовать любые сорта углей без предварительного обогащения и размола. Кроме того, в процессе горения происходит непрерывное образование шлакового расплава, который может быть разделен на тяжелую и легкую фракции.

Тяжелая фракция может быть переработана для последующего использования при изготовлении чугуна, легкая - в экологически чистые строительные материалы. Низкий температурный режим в такой установке позволяет с сохранением низкого уровня вредных выбросов утилизировать в активной зоне различные горючие и негорючие отходы. При одновременном производстве из шлакового расплава строительных материалов суммарный экономический эффект от использования такой установки будет выше, чем у современных парогазовых установок (ПГУ). По заявлению разработчиков, на 2001 г. степень готовности проекта составляла 20%, однако финансирование было остановлено и работа по созданию этой установки прекращена. По оценкам, для завершения работ и пуска опытно-промышленной установки требовалось порядка 700 млн рублей (в ценах 2001 г.).

Другой перспективной российской разработкой является созданный в КАТЭКНИИуголь (г. Красноярск) пылеугольный газификатор. В зарубежных газификаторах для нормального жидкого шлакоудале-ния необходимо поддерживать высокую температуру порядка 1500-1600 °С. При этом шлак расплавляется и не оседает на стенках реактора. Такая высокая температура требует применения жаропрочных материалов для футеровки реактора, и срок службы реактора в большинстве случаев определяется именно состоянием футеровки.

Кроме того, по ряду причин столь высокая рабочая температура приводит к снижению эффективности газификации. Основное отличие отечественной разработки от зарубежных аналогов заключается в

том, что для охлаждения стенок реактора используется пристенная испаряющаяся водяная завеса. Такая испаряющаяся завеса позволяет поддерживать нужный температурный режим без шлакования стенок реактора. По заявлению разработчиков, технические решения, апробированные на опытной установке производительностью 0,5 т/ч по углю, позволяют на 16-25% сократить удельный расход кислорода и на 7-8% увеличить КПД газификации.

Также утверждается, что использование таких газогенераторов для ПГУ с внутрицикловой газификацией позволит обеспечить электрический КПД выше 50%.

В последнее время в периодических изданиях стали появляться отдельные сообщения об интересе к технологиям ГТТ и со стороны отечественных предприятий, в т.ч. двигателестроителей (в частности ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь), крупных инжиниринговых (например, ОАО «ЭМАльянс», г. Москва) и научных центров (таких как Институт проблем химической физики (в г. Черноголовке) РАН и Новосибирский институт биоорганической химии СО РАН). Ученые Иркутского института физиологии и биохимии растений СО РАН создают новые виды быстрорастущих тополей, которые могут быть сырьем для газификации и при необходимости последующего синтеза искусственных моторных топлив, масел и смазок.

При организации неполной газификации ТТ (пиролиза) возможно получение дополнительного ценного продукта - газогенераторного среднетемпера-турного кокса, способного служить заменителем классическому коксу в металлургической промышленности.

Наибольшее распространение в нашей стране и в мире получили технологии ГТТ в плотном слое, в потоке и в кипящем слое. По данным сотрудников ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, г. Екатеринбург, эти технологии в зависимости от видов ТТ соотносятся между собой в пропорциях, приведенных на рис. 89.

Известны также технологии ГТТ под высоким давлением (например, газогенераторы Лурги), с использованием тепла атомных и термоядерных реакторов, с встроенными плазмотронами и множество других.

В нашей стране также получили известность топки-генераторы системы ЦКТИ (топки В.В. Померанцева) с частичной газификацией (пиролизом, термолизом) древесного топлива.

Среди последних можно отметить технологию плазменной газификации «BioSynGas», разработанную американской фирмой «Solena», технологию «PGM», продвигаемую на территории России и стран СНГ ООО «Эко Прогресс Энерджи» («дочкой» российско-израильской компании «Environmental Energy Resources Ltd»), технологии плазменной газификации твердых отходов Московского радиотехнического института РАН и Института электрофизики и электроэнергетики РАН.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

abe

Рис. 89. Соотношение основных технологий газификации (1 - поток, 2 - плотный слой, 3 - кипящий слой) для твердых топлив: а - каустобиолитов, b - биомассы, c - отходов Fig. 89. Ratio of basic technology of gasification (1 - stream; 2 - thick layer; 3 - fluidized bed) for solid fuels:

a - kaustobiolits; b - biomass; c - waste

1 3 5 6 7

Рис. 90. Схема плазменной установки ИЭЭ РАН Fig. 90. Plasma install IEE RAS schema

Схема плазменной установки приведена на рис. 90. На рис. 90 цифрами обозначены: 1 - реактор-газификатор (рис. 91); 2 - генератор плазмы основной (мощностью до 50 кВт); 3 - дожигатель; 4 - генератор плазмы дополнительный (мощностью до 6 кВт); 5 - скруббер распылительный; 6 - скруббер насадочный; 7 - вентилятор вытяжной.

На рис. 91 цифрами обозначены: 1 - узел загрузки; 2 - бункер накопительный; 3 - генератор плазмы; 4 - шахта реактора; 5 - отверстия ввода дополнительного дутья; 6 - датчики температуры; 7 - выход продукт-газа (плазмогенераторного газа); 8 - вращающийся колосник; 9 - водяной затвор.

В настоящее время в России и в мире в целом ведутся работы по созданию оборудования ГТТ параллельно по двум направлениям:

I. Создание крупногабаритного оборудования ГТТ с противоточным «вертикальным» либо с прямоточным «горизонтальным» процессами газификации.

Основной характеризующий признак, отличающий это оборудование, - сравнительно большая единичная электрическая (как правило, 1,0-1,5 МВт) и тепловая (как правило, 2,0-3,0 Гкал/час) мощность. «Платой» за это является необходимость проведения строительно-монтажных работ, в т. ч. работ по устройству фундаментов, при вводе оборудования в эксплуатацию (средняя трудоемкость не менее 3 000 чел./часов).

Наиболее рациональное применение данного оборудования - переработка твердых бытовых, промышленных и сельскохозяйственных отходов с получением некоторого количества тепловой и / или

электрической энергии (как правило, путем подмешивания к природному газу или иному топливу и, в первую очередь, для собственных нужд организаций, эксплуатирующих оборудование ГТТ).

Рис. 91. Схема реактора-газификатора плазменной установки ИЭЭ РАН Fig. 91. Design reactor-Gasifier plasma installation IEE RAS

Предполагаемые места эксплуатации - крупные населенные пункты (или их окрестности) с развитой инфраструктурой, в т. ч. с централизованными системами тепло- и электроснабжения, не в полной мере удовлетворяющими имеющиеся потребности по приемлемым ценам, поблизости от источников образования отходов различного происхождения.

В случае применения оборудования ГТТ для переработки ТБО (отходов потребления; коммуналь-

ных и муниципальных отходов) нужно иметь в виду, что отходы, которые допустимо и целесообразно направлять на газификацию (либо сжигание), обычно составляют от 25 до 65% от общего объема ТБО.

Часть отходов из состава ТБО подвергать газификации технологически недопустимо (например, металлы и стекло), часть - недопустимо по экологическим соображениям (например, химические источники электрического тока (аккумуляторы, батарейки), энергосберегающие ртутные лампы, термометры, другие ртутьсодержащие отходы, электронный скрап, некоторые виды пластмасс и др. синтетических материалов, предметы бытовой химии, лаки, краски и т.п.), часть - экономически нецелесообразно (например, бумагу, ткани, пищевые и другие биоразлагаемые отходы) и, наконец, часть - просто бессмысленно (например, керамику, минералы, строительные и другие отходы, не содержащие углерода).

В ведущих странах Европейского союза (ЕС) наиболее значительную часть ТБО (~ 30-50%) подвергают рециклингу (возвращению в промышленность в качестве вторичных материальных ресурсов), вторую по величине горючую часть отходов (~ 2030%) отправляют на сжигание и / или газификацию с получением тепловой и / или электрической энергии, биоразлагаемую часть ТБО (~ 15-25%) - на анаэробное (метанирование) и / или аэробное (компостирование) сбраживание с получением биогаза и / или компоста и, наконец, оставшуюся часть отходов (~ 10-20%), не подлежащих рециклингу, переработке и утилизации, - на полигоны захоронения (рис. 92).

Однако если при утилизации ТБО взять в качестве приоритета энергетическую составляющую, то долю отходов, подвергаемую термохимическими способами переработки (методами газификации, пиролиза или сжигания), можно повысить до 55-75% за счет частичного отказа от рециклинга и биологических методов.

Последнее может оказаться весьма целесообразным, т. к. по некоторым данным эффективность преобразования органических веществ в топливо путем метанирования и компостирования уступает аналогичному процессу путем газификации и пиролиза в несколько раз.

Вместе с тем нужно понимать, что оборудование ГТТ предназначено для газификации не отходов, а твердого топлива, произведенного из отходов (в английской терминологии: refuse derived fuel - RDF) путем сортировки и сепарации (с деферризацией, удалением стекла и других, в т.ч. экологически вредных компонентов, не подлежащих газификации), сушки, размельчения и брикетирования или пелле-тирования.

А в случае с ТБО и другими низкокалорийными отходами - желательно и после смешивания с более калорийными компонентами (например, коксом, углем, древесиной и т.п., а также, возможно, с некоторыми видами утилизируемых взрывчатых и горючих веществ).

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

□ Рециклинговая часть ТБО, подвергаемая возвращению в промышленность в качестве вторичных материальных ресурсов (30%.,.50%);

□ Горючая часть ТБО, подвергаемая газификации / сжиганию с получением тепловой и / или электрической энергии (20%...30%);

□ Биоразлагаемая часть ТБО, подвергаемая анаэробному (метанированию) и/или аэробному (компостированию) сбраживанию с получением биогаза и/или компоста (15%,„25%);

□ Неперерабатываемая часть ТБО, подвергаемая захоронению на попигонах твёрдых отходов (10%. „20%)

Рис. 92. Распределение потоков твердых бытовых отходов при их переработке (утилизации) в ведущих странах ЕС Fig. 92. Distribution of solid household waste streams when their processing (recycling) in major EU countries

II. Создание компактного модульного оборудования ГТТ с прямоточным «вертикальным» процессом газификации.

Основной характеризующий признак, отличающий модульное оборудование, - сравнительно небольшая единичная электрическая (как правило, до 500 кВт) и тепловая (как правило, до 1,0 Гкал/час) мощность. Вместе с тем компания «БиоРЕКС» предлагает модульный локальный энергетический комплекс «ЛЭК-2000» (рис. 93) номинальной электрической и тепловой мощностью 2 МВт и 3,5 Гкал/час соответственно.

Рис. 93. Локальный энергетический комплекс «ЛЭК-2000» Fig. 93. Local energy complex "LEC-2000"

Главным преимуществом модульных комплексов является отсутствие необходимости проведения строительно-монтажных работ, в т.ч. работ по устройству фундаментов, при вводе оборудования в эксплуатацию (время развертывания на неподготовленной грунтовой площадке силами бригады из 4 человек составляет не более 24 часов; средняя трудоемкость - 64 человекочасов).

Наиболее рациональное применение данного оборудования - использование в рамках концепции распределенной энергогенерации (distributed power generation - в английской терминологии).

Данная концепция предусматривает децентрализованное распределенное преобразование химической энергии местных углеводородных ТТ в тепловую и / или электрическую энергию (в т.ч. в составе локальных сетей энергоснабжения), используя в качестве промежуточного энергоносителя горючий ГГ, получаемый при газификации этих топлив.

В силу объективных причин себестоимость твердотопливных электростанций значительно превышает себестоимость аналогичных энергогенерирующих комплексов, работающих на продуктах нефтепереработки и природном газе. Поэтому экономическая целесообразность применения такого оборудования напрямую зависит от эксплуатационных расходов, прежде всего от разницы между стоимостью жидких, газообразных и твердых топлив.

В связи с этим предполагаемые места эксплуатации твердотопливных электростанций - это, как правило, небольшие населенные пункты с неразвитой инфраструктурой, в т. ч. без централизованных систем тепло- и электроснабжения, расположенные в отдаленные районы Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера, а также другие регионы с высокой стоимостью жидких и газообразных видов топлив.

Кроме того, модульные электростанции могут быть востребованы геологическими партиями, археологическими экспедициями, учреждениями ФСИН, в местах добычи полезных ископаемых, на лесозаготовительных участках и т.п.

Наконец, учитывая авиатранспортабельность и малое время развертывания, в т.ч. силами МЧС, модульные электростанции могут быть использованы

для оперативного восстановления энергоснабжения и снижения ущерба от аварий и катастроф природного и техногенного характера, сопряженных с выходом из строя существующих систем энергообеспечения.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Например, в Японии, пострадавшей в марте 2011 г. от землетрясений и цунами, а также вызванных ими разрушений энергосистемы и инфраструктуры в целом (рис. 94).

А 30 мая стало известно, что в связи с аварией на японской АЭС «Фукусима-1» Германия объявила о полном отказе от атомной энергетики к 2022 г. К этому времени страна намерена полностью заменить ядерную энергетику альтернативными источниками энергии.

Мобильность модульного оборудования может быть повышена при установке его непосредственно на шасси автомобильных транспортных средств, на железнодорожный подвижной состав (рис. 95), на палубах и в трюмах плавстредств.

Рис. 94. Японская АЭС «Фукусима-1». Март 2011 г. Fig. 94. Japan's Fukushima-1 nuclear power plant. March 2011

Рис. 95. Установка модуля-контейнера с технологическим оборудованием на железнодорожную платформу Fig. 95. Module container with technological equipment for railway platform

Энергетические комплексы на базе оборудования ГТТ могут производить электроэнергию как в жесткой привязке к внешним электросетям (в режиме «Grid Connect»), так и автономно, независимо от внешних электросетей (в режиме «Stand Alone»). Возможна (и в большинстве случаев целесообразна) также работа комплексов в режимах когенерации (производство одновременно электроэнергии и тепла) и тригенерации (электроэнергия + тепло + холод).

В основе технологического процесса газификации лежит способность органической части ТТ переходить при определенных условиях из твердого в газообразное состояние с образованием монооксида углерода (угарного газа) и водорода. Назначение оборудования ГТТ - создать такие условия.

Одним из таких необходимых условий является процесс термохимической деструкции ТТ, называемый пиролизом. Пиролиз внутри реакторов газогенераторов происходит в результате нагрева топлива при отсутствии кислорода. Нагрев ТТ обеспечивается за счет окисления части газифицируемого топлива (~ 10-30% в зависимости от характеристик ТТ и оборудования газификации) без подвода теплоты извне, т.е. в автотермическом режиме. Отсутствие кислорода в зонах формирования ГГ и пиролиза (восстановительной зоне и зоне коксования) объясняется тем, что подаваемые в реактор газифицирующие агенты сбалансированы таким образом, что весь содержащийся в них кислород используется в зоне окисления (зоне горения).

В процессах пиролиза ТТ, происходящего при температуре ~ 400-900 °С, и взаимодействия продуктов пиролиза с кислородом газифицирующих агентов при температуре ~ 900-1350 °С по экзотермическим химическим реакциям С + О2 = СО2 + + 409 кДж/моль и 2С + О2 = 2СО + 246 кДж/моль выделяется теплота. Эта теплота используется в процессах:

- сушки ТТ при температуре ~ 150-400 °С;

- взаимодействия продуктов пиролиза с диоксидом углерода и водяным паром при температуре ~ 750-1 000 °С по эндотермическим химическим реакциям (С + СО2 = 2СО - 162 кДж/моль и С + Н2О = = СО + Н2 - 137 кДж/моль);

- подогрева газифицирующих агентов при температуре теплоносителей (продуктов газификации) ~ 200-900 °С.

В результате вышеприведенных химических реакций происходит образование монооксида углерода и водорода - основных горючих компонентов ГГ. Результаты других химических реакций, имеющих место при газификации ТТ, ввиду их незначительного влияния на состав и калорийность ГГ можно не рассматривать. Условия, необходимые для протекания химических реакций газификации и сопутствующих им процессов в соответствующих зонах реактора, обеспечиваются правильной организацией тепломассообмена.

Таким образом, при правильно сбалансированных потоках топлива, инертного материала (при наличии) и газифицирующих агентов, подаваемых в реактор, а также при правильной организации тепломассообмена внутри реактора исходное ТТ с достаточно высокой эффективностью (химический КПД газификации 0,65-0,9) преобразуется в конечные продукты термохимической деструкции сложных органических веществ - горючий ГГ и твердый зольный остаток.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

Нужно отметить, что ТТ растительного происхождения, произведенное из специально выращиваемой быстрорастущей фитомассы (тепличные и фо-тобиореакторные водоросли, древесные, кустарниковые и травянистые энергетические посадки («энергетические леса», рис. 96) и т.п.), а также топливо, произведенное из отходов, являются возобновляемыми источниками энергии.

Рис. 96. «Энергетический лес» Fig. 96. Energy forest

«Энергетические леса» представляют собой плантации высаженных плотнее, чем обычно быстрорастущих деревьев и кустарников (ивы, тополя осинообразного, сосны ладанной, эвкалипта, ореха, ясеня, ольхи, акации и др.), а также трав (злаков, слоновой травы, камыша и др.), специально выращиваемых в энергетических целях для последующего производства биотоплива.

Период ротации «энергетических лесов» составляет обычно от 4 до 7 лет (как правило, с применением полива и внесением удобрений). При этом прирост фитомассы в 4-6 раз превышает обычное значение для естественно растущих лесов.

В Швеции, например, энергетические посадки ивовых деревьев организованы на 16 000 га болотных земель. Уборка ежегодного прироста древесины осуществляется в зимнее время комбайнами, когда болота замерзают.

Посадка ивы на площади 324 га осуществлена в Великобритании в графстве Северный Йоркшир с целью получения фитомассы, служащей топливом на ТЭС мощностью 10 МВт (количественные данные - по состоянию на 2006 г.).

В Польше в качестве возобновляемого источника энергии используют вербу. При этом уборочные работы на энергетических плантациях ведут в любое время года, в т.ч. зимой (рис. 97).

В настоящее время мировое сообщество предпринимает меры по снижению эмиссии (выбросов) парниковых газов (рис. 98).

К ним обычно относят диоксид углерода (углекислый газ) СО2, метан СН4, водяной пар Н2О, геми-оксид азота М2О, диоксид азота М32, тропосферный озон О3 и фторсодержащие газы, в частности фреон.

При этом к антропогенным факторам парникового эффекта относят, прежде всего, эмиссию диоксида углерода, имеющую место при сжигании иско-

паемых топлив (каустобиолитов). В связи с этим примечательно, что эксплуатация энергетических установок на базе оборудования ГТТ, использующих ТТ из специально выращиваемой фитомассы, не приводит к повышению концентрации диоксида углерода в атмосфере. Это обусловлено тем, что объем СО2, получаемый при сгорании ГГ, не превышает объема диоксида углерода, поглощаемого растениями при их росте в процессе фотосинтеза.

Рис. 97. Зимняя уборка вербы на энергетической плантации в Польше

Fig. 97. Winter Willow plantations for energy harvesting in Poland

Рис. 98. Глобальное потепление часто связывают именно с эмиссией парниковых газов Fig. 98. Global warming is often associated with greenhouse gas emissions

Таким образом, ТТ из фитомассы является СО2-нейтральным топливом.

Кроме того, если фитомассе дать возможность естественным образом разложиться на воздухе, то ввиду преобладания в этом процессе окислительных реакций произойдет выделение того же объема углекислого газа, что и при ее газификации или сжига-

нии. На основании ст. 6 Киотского протокола (в ноябре 2009 г. Россия приняла новый механизм реализации этой статьи) организации, эксплуатирующие СО2-нейтральное оборудование, имеют право продажи соответствующих квот на выбросы углекислого газа.

Еще одним важным преимуществом ТТ из фито-массы перед другими, особенно ископаемыми видами топлив является почти полное отсутствие в нем серы (8) и других вредных для оборудования ГТТ и окружающей среды химических элементов и соединений.

Вообще, использование возобновляемых источников энергии, в т.ч. с помощью оборудования ГТТ, наиболее полно отвечает требованиям коэволюции -сбалансированного совместного развития природы (биосферы) и современного технократического общества (техносферы), т.е. биотехносоциальной системы (ноосферы), существующей в настоящее время на планете Земля.

Принимая во внимание определение термина «биотопливо», данное в ГОСТ Р 52808, генераторный газ, получаемый из биомассы термохимическим способом, относится к газообразным биотопливам.

Если рассматривать вопрос в принципе, то получаемый в результате газификации ТТ генераторный газ может использоваться в системах лучистого обогрева (при условии применения горелок инфракрасного излучения, работающих на ГГ), в качестве котельного топлива в котлах различного назначения (при условии применения специальных горелок для сжигания ГГ), а также как топливо двигателей внутреннего (при условии применения оборудования очистки и охлаждения ГГ) и внешнего (при условии применения горелок, аналогичных котельным) сгорания.

Последний тип двигателя следует признать предпочтительным с точки зрения эффективности и экономичности использования ГГ. Это обусловлено тем, что в результате снижения (либо снятия совсем) требований по очистке ГГ не только упрощается и удешевляется оборудование газоочистки (требования современных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) в части содержания в топливе смолистых веществ и твердых частиц по сравнению с началом и серединой прошлого века серьезно ужесточились), но и повышается теплотворная способность газа за счет содержащихся в нем горючих низко- и высокомолекулярных органических соединений (например, спиртов и особенно смол). Кроме того, в связи со снятием требований по охлаждению ГГ одновременно с экономией на соответствующем оборудовании и хладагентах свой вклад в нагрев рабочего тела энергоустановок с внешними камерами сгорания внесет и физическое тепло горячего ГГ, а также снимается вопрос утилизации жидких вторичных отходов (газового конденсата).

К двигателям внешнего сгорания может быть отнесен, например, преобразователь энергии, извест-

ный как паротурбогенератор с замкнутым циклом (ССУТ). Однако особенно привлекательными представляются варианты газотурбинного двигателя с внешней камерой сгорания ГГ и объемно-струйного двигателя «Перун» М.И. Кузнецова (рис. 99).

Рис. 99. Прототип объемно-струйного двигателя Кузнецова Fig. 99. Kuznetsov volumetric ink-jet engine prototype

ГГ имеет высокую детонационную стойкость (способность топлива противостоять самовоспламенению при сжатии), т.к. его октановое число находится в диапазоне от 110 до 140 (для сравнения: у бензина - 91-98; у природного газа - 120-130). Это позволяет повышать степень сжатия и / или ресурсные показатели двигателей (по сравнению с работой на жидких видах топлив).

Распределение электрического КПД у различных типов электроагрегатов показано на рис. 100 (рисунок заимствован из материалов концерна «Евраз-ЭнергоПром», автор - канд. техн. наук Р.Ш. Загрут-динов).

Рис. 100. Распределение электрического КПД у различных типов электроагрегатов Fig. 100. Distribution of electric efficiency in different types of electric machines

Римскими цифрами на рис. 100 обозначены зоны электрического КПД электроагрегатов с ДВС, работающими на ГГ (I), с ДВС, работающими на

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

природном газе (II), с ГТУ, работающими на природном газе (III) и с ПТУ, работающими на природном газе (IV).

Ввиду наличия водорода в составе ГГ, последний может также рассматриваться в качестве энергоносителя для получающих все большее распространение топливных элементов (в английской терминологии: fuel cells) и других направлений водородной энергетики.

Еще один перспективный вариант применения оборудования ГТТ в сфере «зеленой» энергетики -создание «симбиоза» с фотобиореакторами для выращивания водорослей в целях получения биотоплива (рис. 101).

Рис. 101. Фотобиореактор для выращивания водорослей Fig. 101. Photo biological reactor for growing algae

Технологический процесс

I

Подготовка твердого топлива (ТТ)

Формирование сырья, необходимого для производства ТТ

Заготовка сырья

Транспортировка сырья

Производство ТТ

Транспортировка ТТ

Газификация твердого топлива (ГТТ)

Загрузка ТТ

Сушка ТТ

Пиролиз ТТ

Окисление ТТ

Формирование ГГ

Подогрев газифицирующих агентов

Отбор ГГ

Генерирование электрической / тепловой энергии

Транспортировка ГГ

Подготовка ГГ

Транспортировка ГГ

— Использование ГГ по назначению

Транспортировка дымовых газов

Подготовка дымовых газов

Выброс дымовых газов в атмосферу

Удаление зольного остатка

Транспортировка зольного остатка

Рис. 102. Схема технологического процесса генерирования электрической и / или тепловой энергии путем газификации возобновляемых источников энергии Fig. 102. Process diagram generating electrical and/or heat energy through gasification of renewable energy sources

В этом случае конечные продукты газификации используются для создания оптимальных условий роста, жизнедеятельности, размножения и наращивания фитомассы водорослей (электроэнергия - для питания автономных источников света, тепловая энергия - для создания нужного температурного режима, углекислый газ - для обеспечения реакции фотосинтеза, азот и минерализованный зольный остаток - в качестве составляющих питательной среды). Из отходов производства биотоплива, в свою очередь, может формироваться топливо для газификации, а выделяемый при фотосинтезе кислород из фотобиореакторов - подаваться в реакторы-газогенераторы, исключая «кислородное отравление» водорослей.

При такой технологической схеме выращивать водоросли и производить биотопливо можно непрерывно в базовом режиме (без остановок на ночь и снижения объемов выработки зимой), в т.ч. в местах с дефицитом солнечного света и тепла, и без использования централизованных систем энергоснабжения.

Водоросли также могут служить сырьем для производства удобрений, фармацевтических препаратов и продуктов питания.

Схема технологического процесса генерирования электрической и / или тепловой энергии путем газификации возобновляемых источников энергии (специально выращиваемой быстрорастущей фитомассы и отходов различного происхождения) представлена на рис. 102.

Кроме того, необходимо решить задачу утилизации / обезвреживания вторичных отходов (эффлюен-та), появившихся в процессе подготовки и газификации ТТ, генерирования электрической и / или тепловой энергии.

Часть вторичных отходов (например, жидкие отходы, образующиеся в процессе очистки ГГ) может быть утилизирована с помощью источника их появления (оборудования ГТТ).

При этом вторичные отходы можно рассматривать и в качестве сырья для получения дополнительных товарных продуктов. Твердые продукты газоочистки и зольный остаток (шлам) можно использовать при производстве строительных материалов (зольный гравий, асфальтобетон, цементные смеси, бетоны, утеплители и т.п.) и изделий (кирпичи, блоки, тротуарная и облицовочная плитка и т.п.), вносить в почву в качестве удобрений, раскислителей и стабилизаторов, использовать при ландшафтном строительстве и в других подобных целях. Жидкие отходы в виде газового конденсата (фугата) могут служить сырьем для синтеза различных химических соединений, в т.ч. искусственных жидких топлив.

И в заключение еще немного лирики:

.Если на минутку отказаться от примитивно бухгалтерского восприятия окружающей действительности, то в робких попытках возрождения забытых технологий ГТТ сквозь все затмевающий морок сиюминутной экономической выгоды можно разглядеть и благодарную дань памяти энтузиастам прошлого, и дальновидную заботу о благополучии (а то и выживании) наших потомков в будущем (и дай им Бог, чтобы в далеком!).

Дополнительную информацию, касающуюся технологий и оборудования газификации конденсированных топлив, а также энергетических и технологических комплексов на их базе, можно найти на сайте www.biorex.ru.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Копытов Вадим Валерьевич

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Копытов Вадим Валерьевич

SOLID FUELS GASIFICATION: RETROSPECTIVE, CURRENT STATUS AND DEVELOPMENT PROSPECTS

Текст научной работы на тему «ГАЗИФИКАЦИЯ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ: РЕТРОСПЕКТИВНЫЙ ОБЗОР, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ДЕЛ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ»