CC BY
77Использование генератора синтез-газа в ДВС автомобиля
О.Ф. Бризицкий,
зам. главного конструктора российского федерального ядерного центра (ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»), В.Я. Терентьев,
зам. начальника отдела ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ», В.А. Кириллов,
начальник лаборатории Институт катализа Сибирского отделения РАН, д.ф.-м.н,
A.И. Савицкий,
генеральный директор НПФ «ЭКИП», к.т.н.,
B.А. Бурцев,
главный конструктор ООО «Газомотор-Р»
Истощение запасов углеводородного топлива и ухудшение экологии ставят перед человечеством серьезные задачи по поиску эффективных технологий использования этого сырья, а также поиска нового альтернативного топлива.
И:
|стория развития человечества от древнейших времен до настоящего времени шла по неуклонному пути повышения в топливе доли водорода, от нескольких процентов в дровах до рекордных 25% в самом эффективном топливе XXI в. - природном газе. Логическим продолжением этой тенденции является стремление к переходу на 100%-ное водородное топливо. Некоторые специалисты и даже правительства отдельных государств объявили XXI в. - началом перехода к водородной энергетике.
Однако даже неспециалистам в этой области ясно, что дело это не только не простое, но и не такое однозначное, как может показаться с первого взгляда. Достаточно вспомнить хотя бы о том, что водорода в чистом виде в природе нет, так как он является сильным восстановителем и сразу вступает в реакцию с кислородом воздуха, а для его производства необходимо затратить довольно большое количество энергии и сырья, поэтому водород - это не топливо, а только вторичный энергоноситель. Водород является не только дорогим, но и непрактичным
энергоносителем, так как он очень легкий и воспламеняется в широких пределах, создавая проблемы с хранением и обеспечением безопасности, поэтому полный переход к водородной энергетике является очень проблематичным.
Самым прагматичным представляется такой подход к использованию водорода, как энергоносителя, - устранение его недостатков и сохранение достоинств.
Поскольку основную долю углеводородного топлива потребляет сегодня транспорт, то удобнее всего
вопросы рационального использования водорода рассмотреть в этой области. Наш анализ, проведенный совместно с автомобильными фирмами, показывает, что в ближайшие 20-30 лет на транспорте будет доминировать двигатель внутреннего сгорания (ДВС), поэтому его и будем рассматривать для анализа использования в нем различных видов топлива.
Попытки перевести ДВС на водород ведутся давно, но заметных успехов мало, и связано это, прежде всего, с особенностями водорода. Автомобиль с водородным ДВС имеет малый пробег, плохую динамику, повышенную опасность и высокую стоимость, а самое главное - для него нет топлива. Никто в мире не будет строить в большом количестве водородные заправочные станции, вкладывая туда огромные деньги, пока не убедится в их эффективности. Так что водородные ДВС очень долго будут просто выставочными экземплярами.
Выход из этой ситуации можно найти, используя водород не как основное топливо, а как инициирующую добавку, улучшающую качество сгорания моторного топлива. О том, что водород, а также смесь водорода и окиси углерода могут выступать в качестве инициирующих центров при сгорании углеводородного топ-
Воздух >-Топливо >-
ДВС
Продукты сгорания
Синтез-газ
ГСГ
Смеситель Реактор Рекуператор Охладитель
парциального
окисления
с системой
запуска
Охлаждающая жидкость >_
Рис. 1. Схема питания ДВС и генератора синтез-газа
ш
•'»в
лива, можно наити упоминание в работах академиков Н.Н.Семенова и Я.Б.Зельдовича. ДВС, а также автомобили, оснащенные дополнительными баками с водородом, созданы были во всех странах, в том числе и РФ, и успешно эксплуатировались. Поскольку, в такоИ технологии необходимо всего 5-10% водорода от основного топлива, то это был определенный шаг вперед по сравнению с чисто водородным ДВС. Но, даже в этом случае необходим водород и небольшие заправочные станции для заправки водородом, интегрированные в обычные заправочные станции. При этом водород можно не только заправлять в отдельные емкости, но и заранее готовить газовую смесь - природный газ+водород, именуемую гайтаном, и использовать при этом серийный газовый двигатель. Возможен также вариант с расположением устройства получения водорода, в частности электролизера, прямо на борту автомобиля. Но для работы электролизера нужен мощный источник электроэнергии и дистиллированная вода, что также ограничивает применение такой технологии.
По нашему мнению, наиболее рациональным будет способ получения
водорода на борту без применения дистиллированной воды и электричества. Такой способ известен в большой химии - парциальное окисление топлива или воздушная конверсия топлива. В специальном реакторе в присутствии катализатора происходит реакция:
СН4 + S (02 + 3,76 N2) = 2Н2 + СО + 1,88 N2 с образованием синтез-газа, в составе которого находится = 50% смеси водорода и монооксида углерода, которые и являются инициирующей добавкой, улучшающей сгорание углеводородного топлива.
Опыты, которые были проведены на ОАО «АвтоВАЗ», показали, что до-
тез-газа к новым условиям, то есть разработать компактную, дешевую, динамичную систему, способную работать совместно с ДВС.
Наши первые исследования в этом направлении показали, что задача эта очень непростая - каталитические реакторы, а это основа генераторов синтез-газа, получались громоздкими, а время их запуска было более 30 мин, что неприемлемо для любого транспорта. Понадобилась многолетняя работа, прежде чем был разработан генератор синтез-газа, проведены его автономные испытания, создана микропроцессорная система управления генератором,
бавки такого синтез-газа по своему физико-химическому воздействию на процесс сгорания равносильны добавкам чистого водорода. Оставалось только одно - адаптировать известную технологию получения син-
Таблица 1
Режим работы ДВС Снижение расхода топлива, % Снижение N0, Снижение СО, % Снижение СН
Холостой ход, п = 850 мин-1 35 В 5-7 раз 5 В 3 раза
Режим частичных нагрузок, п = 2185 мин-1, Мре = 0,2 МПа 20 20 В 1,5 раза
адаптированная с соответствующей системой ДВС. Последняя модификация генератора синтез-газа совместно с двигателем ЗМЗ-40522.10 была отработана на Заволжском моторном заводе и установлена на автомобиле «Соболь». На рис. 1 представлена схема питания ДВС и генератора синтез-газа.
Необходимо также отметить, что этой работе предшествовал цикл работ с ОАО «АвтоВАЗ», где также проводились испытания генератора синтез-газа, правда, управление было стендовое, а микропроцессор-
Таблица 2
Режим работы ДВС Снижение выбросов СО Снижение выбросов СН и ^ Снижение расхода топлива, %
п = 1088 мин-1 13,6 раза 13 раз 16,7
п = 1861 мин-1 19,2 раза 215 раз 12,5
п = 2886 мин-1 6,5 раза 36 раз 15,8
п = 3694 мин-1 7,5 раза 6,9 раза 4,3
ную систему управления установили только на двигатели Заволжского моторного завода. Именно при испытаниях на «АвтоВАЗе» впервые была показана возможность снижения выбросов NOx и СО и повышения КПД (табл. 1).
На рис. 2, 3 показаны последние модификации каталитического реактора и генератора синтез-газа. Генератор синтез-газа состоит из каталитического реактора и микропроцессорной системы управления, включая бортовой контроллер, фильтры, клапаны, редуктор и т.п. Каталитический реактор выполнен в виде интегрированного по теплу блока, состоящего из газового устройства поджига, смесителя, каталитической камеры, рекуператора и теплообменника. При массе 7 кг реактор занимает объем 5 л, производительность его до 25 м3/ч синтез-
газа, время запуска 15 с, температура газов в реакторе 900°С. Состав газа на выходе реактора: Н2 = 32-35%, СО = 16-18%, остальное - К,. В зимнее время каталитический реактор, в принципе, может выполнять также функции пускового подогревателя воздуха.
Результаты испытаний генератора синтез-газа совместно с ДВС ЗМЗ-40522.10 показаны в табл. 2, на рис. 4 - автомобиль «Соболь» с генератором синтез-газа.
Автомобиль «Соболь» с установленным генератором синтез-газа участвовал в автопробеге «Голубой коридор» наравне с серийными и опытными образцами автомобилей и автобусов, работающих на природном газе. Однозначно можно сделать вывод об экологических преимуществах автомобиля «Соболь» с генератором синтез-газа, продемонстрированных во время пробега, по сравнению
Рис. 4. Автомобиль «Соболь» с генератором синтез-газа
с автомобилями, работающими на природном газе. В частности выбросы КОх были на два порядка ниже и составляли единицы ррт, при этом на автомобиле отсутствовал нейтрализатор выхлопных газов.
Сегодня с полной уверенностью можно констатировать, что премьера генератора синтез-газа на автомобиле состоялась, и она продемонстрировала следующие преимущества этой технологии по сравнению с серийными образцами транспортных средств, работающих на природном газе:
■ полностью используются потенциальные возможности природного газа с высокими (25%) содержанием водорода, октановым числом (130 ед.) и способностью легко реформироваться в синтез-газ;
■ не требуется изменение инфраструктуры снабжения топливом;
■ не требуется на борту дистиллированная вода и электролизер;
■ не требуется многокомпонентный нейтрализатор отработавших газов на драгметаллах;
■ резко снижаются вредные выбросы;
■ реализуется возможность работать на бедных смесях (с а до 1,7), что невозможно на чистом топливе, благодаря чему за счет снижения насосных потерь экономится основное топливо;
■ не применяются драгметаллы, что снимает вопрос о массовом применении этой технологии.
Немного о перспективах применения этой технологии. Для демонстрации был выбран самый трудный в исполнении сегмент рынка, а именно легковой автотранспорт и микроавтобусы. При ориентировочной стоимости генератора синтез-газа для этих целей (серия 30 тыс. шт./г. и выше) =20 тыс. руб. окупаться он будет за 1-2 года. При этом необходимо будет организовать его серийное производство, а также производство катализаторов. В случае реализации такой схемы это будет второй в мировой практике случай массового применения катализаторов. Первый про-
т
•'»в
изошел при сериином производстве катализаторов для автомобильных неИтрализаторов.
Принятие решения о массовом производстве генераторов синтез-газа для легковых автомобилеи и микроавтобусов будет непростым и, по-видимому, долгим, особенно с учетом специфики продукции и состояния дел в отечественном авто-проме. Перед внедрением новоИ технологии в качестве промежуточного варианта может быть переход автомобилей на двухтопливное питание (бензин+природный газ), при этом природный газ будет использоваться преимущественно для работы генератора синтез-газа. Этот вариант позволит использовать автотранспорт при работе на бензине, природном газе или совместно, при этом в последнем варианте, кроме повышения экономических и экологических характеристик, увеличивается еще и пробег без дозаправки.
Более быстрым и прагматичным рынком применения генераторов
синтез-газа может быть их использование на городских муниципальных автобусах. Здесь серийный выпуск поменьше, окупаемость повыше, существует авторский надзор и более профессиональное обслуживание, что очень немаловажно для новой продукции. Понадобится разработка более мощного генератора синтез-газа, но авторы разработки с их опытом создания первых образцов с этим справятся быстро.
Вторым рынком могут быть энергоустановки на базе газопоршневых ДВС. Они работают практически в стационарных условиях, и там окупаемость еще выше.
Технология повышения энергетических и экологических характеристик установок за счет добавок синтез-газа является универсальной и применима везде, где происходит сжигание топлива. Мы продемонстрировали это на базе ДВС, однако есть еще как минимум две сферы ее возможного применения. При сжигании топлива в газовых го-
релках котлов, на ТЭЦ и т.д. можно применять двухстадийное сжигание, при этом реактор встраивается непосредственно в горелку, а сама технология упрощается. Авторы разработали такую горелку и готовы к модернизации серийных горелок.
Очень привлекательным, но непростым представляется рынок газотурбинных установок. Здесь, по нашему мнению, необходимо разработать еще более компактный реактор с повышенным давлением, работающим в режиме как парциального окисления, так и в автотермическом режиме.
Команда разработчиков готова к работам во всех перечисленных выше сегментах рынка и открыта к сотрудничеству.
Благодарим Агентство по науке и образованию РФ за финансовую поддержку деятельности по разработке генератора синтез-газа в рамках государственного контракта от 08.08.2007 г. № 02.526.1 1.6005.
ifff
Annex-LPG
-лпг»
Производство, поставка оборудования для нефтепродуктов, СУГ. Строительство ГНС, АГЗС, МТАЗС, систем автономного газоснабжения промышленных объектов любой сложности и коттеджей.
143400, Московская обл., г. Красногорск, Ильинское шоссе, 2-й км (на территории завода «БЕЦЕМА»). Тел.: (495) 510-19-53, 510-19-54. e-mail: office@annex-lpg.ru • www.annex-lpg.ru
