CC BY
95
ГЛАВНАЯ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ НОВОСТИ КОНТАКТЫ
ПIrpogi-V экон
экономика
УВАЖАЕМЫЕ ЧИТАТЕЛИ И АВТОРЫ!
Электронный научный журнал «Аэкономика: экономика и сельское хозяйство» включен в РИНЦ, ЦНСХБ. Журнал выгружается в РИНЦ 1 раз в квартал, научные статьи публикуются ежедневно. Ежемесячная аудитория: более 10 000 уникальных пользователей. Приглашаем авторов к бесплатной публикации научных статей. ISSN: 2500-0861. Возможны срочные публикации!
ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ БИОГАЗА В КАЧЕСТВЕ МОТОРНОГО ТОПЛИВА В ФЕРМЕРСКИХ
ХОЗЯЙСТВАХ
Главная страница журнала
Rationale for the use of biogas as a vehicle fuel in the farms
Экономические науки
Сельскохозяйственные науки
О журнале
Редакция
Общая лента
Выпуски
Опубликовать статью. Авторам
УДК 621.6.028
24.11.2016 О 122
Выходные сведения:
Семенова О.П. Обоснование применения биогаза в качестве моторного топлива в фермерских хозяйствах // Аэкономика: экономика и сельское хозяйство, 2016. №4 (12). URL: http://aeconomy.ru/science/agro/obosnovanie-primeneniya-biogaza-v-k/
Авторы:
Семенова О.П.
Старший преподаватель кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта и автосервис» Автодорожного факультета ФГАОУ ВПО «Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова», г. Якутск, Российская Федерация (670000 Россия, г. Якутск, ул. Белинского 58) email: cemolgapant@mail.ru
НОВОСТИ
Экономика
Authors:
Semenova O.P.
starshy lecturer in "Operation of motor transport and car-care center" Road faculty FGAOU HPE «North-Eastern Federal University. MK Ammosova", Yakutsk, Russian Federation (Russia 670000, Yakutsk, ul Belinskogo 58.) Email: cemolgapant@mail.ru
Сельское хозяйство
Ключевые слова:
биогаз, фильтр, цеолит, метан, очистка, ДВС, моторное топливо
Это интересно
Keyword:
biogas, filter, zeolite, methane, cleaning, internal combustion engine, a motor fuel
Аннотация:
Изложена краткая информация по вредным примесям биогаза, негативно воздействующих на двигатель внутреннего сгорания.
Предложено использование природного цеолита, добываемого в Республике Саха (Якутия), в качестве наполнителя в фильтре по очистке биогаза. Обоснована актуальность использования биогаза, в качестве моторного топлива. Использование биогаза уменьшит затраты на традиционное нефтяное топливо. Основной экономический эффект от биогаза обуславливается возможностью перехода фермерских хозяйств на автономное энергообеспечение, что, снизит себестоимость сельхозпродукции.
Проведены экспериментальные исследования по очистке биогаза разработанными фильтрами. Приведены результаты анализов по содержанию основного горючего компонента биогаза -метана. Произведены расчеты среднего объема вредных выбросов автотранспорта в атмосферу при работе на нефтяном топливе относительно СО. Выполнены расчеты по определению характеристик биогаза, для применения в качестве моторного топлива. Для сравнения теплотворной способности природного газа с разными видами горючих газов введено Число Воббе (Wobbe index).
О
Из расчета видно, что после очистки биофильтром до содержания метана 80 и более % низшая теплота сгорания увеличивается на 11.077 МДж/м3.
Annotation:
Presented is a summary of the harmful impurities biogas, adversely affecting the internal combustion engine. It is suggested the use of natural zeolite mined in the Republic of Sakha (Yakutia), as a filler filter for the biogas purification. The urgency of the use of biogas as a vehicle fuel. The use of biogas will reduce the cost of traditional fuel oil. The main economic benefit of biogas driven by the ability to transfer farms to the autonomous power supply that will reduce the cost of agricultural products.
Experimental research on biogas cleaning filters designed. The results of analyzes on the content of the main fuel component of biogas - methane. Calculations of the average amount of harmful vehicle emissions when running on fuel oil relative CO. Calculations to determine the characteristics of biogas for use as vehicle fuel. For comparison, the calorific value of natural gas capacity with different types of combustible gas introduced Wobbe Index (Wobbe index).
At the rate it is clear that after purification biofilter to the methane content of 80% and a net calorific value increased to 11,077 MJ / m3.
Одной из основных задач при эксплуатации автотранспорта является разработка мероприятий по защите окружающей среды от токсичных компонентов выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС). От ДВС на жидких топливах агрессивных выбросов получается намного больше, чем от газовых ДВС. Таким образом, использование газового топлива в ДВС является весьма актуальной задачей.
Биогаз один из наиболее экологически чистых топлив для транспортных средств, поскольку производит минимальный объем выбросов по двуокиси углерода и твердым частицам. Газовый двигатель работает тише, уменьшаются вибрации, что способствует улучшению условий труда водителей. [2, 6, 7]
Эффективность биогаза как моторного топлива зависит от содержания метана и отсутствия таких вредных примесей как: сероводород, аммиак, углекислый газ и влаги. Их наличие способствует образованию коррозии металла, засорению и быстрому износу деталей и узлов агрегата. Именно по этой причине, до начала применения в ДВС, биогаз следует подвергнуть тщательной очистке. [11, 12]
Новизна исследований заключается в том, что в качестве основного фильтрующего элемента предлагаем использовать природный минерал цеолит, добываемый на Хонгуринском месторождении Сунтарского района Республики Саха (Якутия). [3, 9, 10]
Наличие полостей и каналов в микроструктуре цеолитов, а также достаточно большая свобода движения катионов и молекул воды определяет уникальные свойства цеолитов. Обезвоженные путем нагревания цеолиты приобретают способность адсорбировать внутрь структуры молекулы различных веществ, которые по своим размерам не превышают диаметр входных пор-окон. В водной среде цеолиты легко обменивают свои катионы на другие, находящиеся в растворе. В процессах адсорбции и ионного обмена цеолиты проявляют тенденцию к избирательному поглощению одних ионов или молекул перед другими. При изменении внешних условий адсорбированные молекулы могут быть удалены из цеолитов, а обменные катионы заменены
другими, в результате чего цеолиты регенерируются и могут работать в цикличном режиме. [7, 8, 15]
Для использования биогаза в ДВС следует вначале очистить его от вредных примесей. Во вторых - следует довести содержание метана в биогазе до 80% и выше.
Наиболее простым и экономичным способом очистки биогаза является сухая очистка в специальном фильтре. В качестве адсорбера в котором применяется природный цеолит. [8, 9, 10]
Минимальная стоимость материалов, простота эксплуатации фильтра и регенерация адсорбера делают этот метод надежным средством защиты газгольдера, компрессоров и двигателей внутреннего сгорания от коррозии, вызванной продолжительным воздействием вредных примесей, содержащихся в биогазе.
Для анализа сорбционных свойств образец цеолита был измельчен и отсортирован на фракции.
Рисунок 1. - Модернизированный фильтр: 1 - корпус фильтра; 2 - природный цеолит; 3 - нижняя сетчатая перегородка; 4 - верхняя сетчатая перегородка; 5 -штуцер для подвода газа; 6 - штуцер для отвода газа.
При разработке фильтров использовали корпус от фильтра грубой очистки топлива КамАЗ-740. Фильтр состоит из одного отсека наполненного природным цеолитом. С обеих сторон он оснащен входным и выходным штуцерами. [13, 14, 16]
Принцип работы модернизированного фильтра следующий. К штуцеру 5 под давлением поступает неочищенный биогаз, который проходит по центральному каналу. Затем проходит через нижнюю сетчатую перегородку 3, поступает в слой фильтровального материала - цеолита 2, после очистки биогаз проходит через верхнюю сетчатую перегородку 4 и подходит к выходному штуцеру 6.
Средний уровень газификации в России составляет менее чем 70% в городах и не более 50% в сельской местности. Отмечают, что в ряде регионов страны степень газификации и вовсе составляет менее 10%. По данным имеющимся у «Межрегионгаза», такая ситуация с газификацией не редкость для многих субъектов Северо-Западного, Дальневосточного, Уральского и Сибирского федеральных округов.
Для России, которая является энергетической сверхдержавой в мире, складывается довольно уникальная ситуация, при которой применение современных биогазовых технологий становится не только выгодным, но и единственно возможным способом обеспечить свои энергетические потребности. [5, 19]
Постоянный рост цен на газ, а также полное его отсутствие во многих сельских местностях также подталкивают к развитию биогазовой индустрии.
В настоящее время в Якутии имеются трудности с доставкой традиционных видов топлив (уголь, нефтепродукты и т. п.) в отдаленные районы республики, а использование биогаза, частично может, обеспечит потребности сельских жителей, хотя бы в период распутицы - весной и осенью.
В сельской местности РС (Я) основным потребителем жидких топлив нефтяного происхождения является сельскохозяйственная техника. Даже частичный перевод этой техники на биогаз позволил бы снизить потребление жидких нефтяных топлив в отдалённых районах. Использование биогаза уменьшит затраты на традиционное нефтяное топливо. Основной экономический эффект от биогаза обуславливается возможностью перехода фермерских хозяйств на автономное энергообеспечение, что, снизит себестоимость сельхозпродукции.
Таким образом, перечисленные выше особенности биогаза позволяют сделать вывод о необходимости перевода парка сельскохозяйственной техники Республики Саха (Якутия) на биогаз.
Расчеты среднего объема вредных выбросов автотранспорта в атмосферу при работе на нефтяном топливе относительно СО показывают, исходя из парка сельскохозяйственной техники с бензиновыми ДВС Якутии, числа рабочих дней в году Драб.дней г - 305 [4] и среднесуточного пробега автомобилей, Lcc [3] 15857.938 кг/год.
Акцент ставится на автомобили «УАЗ», которые составляют 40 % парка сельскохозяйственной техники с бензиновыми ДВС Якутии. При их переводе на биогазовое топливо теоретический объем вредных выбросов СО, снизится на 5 969. 386 т/год.
Таблица 1. Ожидаемый эффект при переводе на биогаз
Расчетные параметры При работе на нефтяном топливе При переводе 40% парка на биогаз
Количество автопарка, шт. 10 439 6257
Среднегодовой пробег, км/год. 487 936 560 304 263 120
Выбросы в атмосферу при работе на нефтяном топливе относительно СО, т/ год 15 857.938 9888.551
Биогаз содержит следующие компоненты: метан - СН4, водород - Н2, кислород - О2, оксид углерода - СО, сероводород - Н2S и др. [5]
Согласно ГОСТ 27577-2000 по физико-химическим показателям газ должен соответствовать требованиям и нормам, приведенным в таблице 2.
Таблица 2. Физико-химические показатели природного газа
Наименование показателя Значения природного газа Значения биогаза Метод испытания
1 Объемная теплота сгорания низшая, кДж/м3, не менее 31800 32260 По ГОСТ 22667
2 Относительная плотность к воздуху 0.55-0.70 0.72 По ГОСТ 22667
3 Расчетное октановое число газа моторному методу), не менее 105 110 По п. 6.4
4 Концентрация сероводорода, г/м3, не более 0.02 0 По ГОСТ 22387.2
5 Концентрация меркаптановой серы, г/м3, не более 0.036 0 По ГОСТ 22387.2
6 Масса механических примесей в 1 м3, более 1.0 1.0 По ГОСТ 22387.4
7 Суммарная объемная доля негорючих компонентов, %, не более 7.0 6.6646 По ГОСТ 23781
8 Объемная доля кислорода, %, не более 1.0 0 По ГОСТ 23781
9 Концентрация паров воды, мг/м3, не более 9.0 0 По ГОСТ 20060, раздел 2
Примечание — Значения показателей установлены при температуре 293 К (20 °С) и давлении 0.1013 МПа.
Отсутствие химических связей между горючими компонентами в биогазовом топливе позволяет рассчитывать теплоту сгорания газового топлива по принципу аддитивности. Низшую теплотворную способность при нормальных условиях (273.16 К и 101 кПа) можно определить с помощью эмпирической формулы Д.И. Менделеева [1]
где С, Н. S, W - содержание углерода, водорода, серы п влаги в горючем О - сумма кислорода и азота в горючем веществе, %;
Следовательно, исходя из состава полученного биогаза (таблица 1) определим низшую теплоту сгорания по формуле:
^н^Нщ * Фс4н10 + Qhc6н8 * Фс6нв + <?яс6н14 * Фсфн14 + Qhc2h6 * Фсгн6 ~~ Chh2s *
Подставляя объемные доли компонентов биогаза, получаем низшую теплоту сгорания до очистки:
QS = 21.18 МДж/м1 где Q^- ннзшая теплота сгорания до очистки биогаза; Относительная плотность смеси биогаза вычисляется по формуле [4]:
где ргики- плотность снеси бногаза: pi - плотность г - го компонента смеси; <pi - доля i-го компонента смеси.
Поскольку биогаз получается из органических отходов, то его химический состав сильно отличается. Для сравнения теплотворной способности природного газа с разными видами горючих газов введено Число Воббе (Wobbe index). Природный газ с различным химическим составом и того же значения числа дает такое же количество тепла при сгорании в определенных условиях. [18] Определим число Воббе, характеризующее постоянство теплового потока,
получаемого при сжигании биогаза разных содержаний метана:
w= f
ЯР
Таблица 3. Расчетные характеристики биогаза
Концентрация метана и примесей при соотношениях, % Низшая теплота сгорания, МДж/м3 Плотность смеси биогаза, кг/м3 Число Воббе, МДж/м3
50:50 21.18 1.237 21.06
60:40 21.56 0.916 21.45
70:30 25.13 0.855 26.73
80:20 28.69 0.79 32.60
90:10 32.26 0.72 39.83
Таким образом, из расчета видно, что после очистки биофильтром до содержания метана 80 и более % низшая теплота сгорания увеличивается на 11.077 МДж/м3.
По требованиям, предъявляемым к природным газам (ГОСТ 5542-87) установлено номинальное значение числа Воббе с отклонением от него не более ±5%, чтобы учесть неоднородность и непостоянство состава природных газов 39400-52000 МДж/м3. [5, 20]
Расчетные характеристики очищенного биогаза до содержания метана 80 и более % соответствуют требованиям, предъявляемым к природным газам. Следовательно, после очистки биогаза природным цеолитом можно использовать его, как моторное топливо.
Библиографический список
1. Адельсон С.В. Процессы и аппараты нефтепереработки и нефтехимии. Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы. М. 1963.
2. Баадер В. Биогаз: теория и практика. / Баадер В., Доне Е.; пер. с нем. и предисловие М.И. Серебрянного. - Москва: Колос, 1982. - 148 с., ил.
3. Бесков С.Д. Технико-химические расчеты. М.: Высшая школа, 1962. - 467 с.
4. Бортников С.П. Основы проектирования предприятий автомобильного транспорта: учебное пособие - Ульяновск: УлГТУ, 2008. - 63 с.
5. ГОСТ 22667 - 87* Газы горючие природные.
6. Друзьянова В. П., Петров Н.В. Цеолит и перспективы его использования при очистке биогаза -«Технические науки — от теории к практике»: материалы XVIII международной заочной научно-практической конференции. (20 февраля 2013 г.).
7. Друзьянова В.П., Семенова О.П. Рекомендации по использованию цеолита в качестве наполнителя в фильтре для очистки биогаза. (28-29 апреля 2014г.)
8. 3емсков, В.И. Свойства фильтрующих перегородок из природного цеолита /В.И. 3емсков, Г.М. Харченко //Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2014. - № 4. -С.148-152.
9. Каратаева, Е.В., Аньшакова В.В. Экологические аспекты применения природных и модифицированных цеолитов месторождения Хонгуруу [Текст]/Е.В. Каратаева, В.В. Аньшакова// Наука и образование: электрон.науч. Журн. - 2013. - №2. С. 65-69.
10. Каратаева, Е.В., Аньшакова, В.В. Физико-химическая модификация природных цеолитов с целью улучшения их сорбционных свойств. В сборнике: На стыке наук. Физико-химическая серия материалы II Международной научной Интернет-конференции: в 2 томах; Казань, 2014. С. 172173.
11. Предпосылки к развитию биогазовых технологий в России. [Электронный ресурс]. - Режим доступа. -URL: http://www.rosbiogas.ru/predposilki-k-razvitiyu-biogazovix-texnologij-v-rossii.html.
12. Производство биогаза в Республике Беларусь и Швеции. Обмен опытом. Отчет о выполнение проекта. 2012 г.
13. Раднаев Д.Н., Семенова О.П. Применение топливного фильтра на автомобили с газобаллонным оборудованием для очистки биогаза с наполнителем из природного цеолита// Вестник БГСХА им.В.Р. Филиппова. - 2015. - № 3(40). - С. 88 - 91.
14. Решение о выдаче патента на полезную модель/Устройство для очистки газа// Ямпилов С.С., Раднаев Д.Н., Друзьянова В.П., Семенова О.П., Кобякова Е.Н. Заявка № 2015147681/05(073396) от 05.11.2015 г.
15. Семенова О.П. Цеолит - наполнитель фильтра для очистки биогаза. Вестник СевероВосточного федерального университета им. М.К. Аммосова, Том 11, № 4 (июль-август): г. Якутск, 2014 - с. 47-51.
16. Семенова О.П., Друзьянова В.П., Кобякова Е.Н. Фильтр для очистки биогаза для получения моторного топлива. Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока № 1: г. Новосибирск, 2015 - с. 236-238.
17. Семенова О.П., Раднаев Д.Н., Ямпилов С.С. Теоретические предпосылки к обоснованию параметров фильтра для очистки биогаза. Научно-технический журнал «Вестник ВСГУТУ» Том 11, № 4 (июль-август): с.47-51в № 4 - 2016 (25 августа 2016).
18. Цыбиков Б.Б. Анализ и учет эффективности работы технических служб АТП.
19. Проскура Н.В. Инновационные подходы к продвижению продукции // СтройМного, 2015. №1 (1). URL: http://stroymnogo.com/science/economy/innovatsionnye-podkhody-k-prodvizhe/ 20. Что такое CNG (СПГ - сжатый природный газ)? [Электронный ресурс]. - Режим доступа. -URL: http://secgas.com/download/chto-takoe-cng.pdf
References
1. SV Adelson Processes and equipment of oil refining and petrochemistry. State scientific and technical publishing house of the oil and mining and fuel literature. M. 1963.
2. Baader V. Biogas: Theory and Practice. / V. Baader, Don E .; per. with it. and preface MI The Silver. - Moscow: Kolos, 1982. - 148 with silt.
3. Beeskow SD Technical and chemical calculations. M.: Higher School, 1962. - 467 p.
4. Bortnikov SP Fundamentals of factories of motor transport: a tutorial - Ulyanovsk: Ulstu 2008. - 63 p.
5. GOST 22667 - 87 * Combustible natural gases.
6. Druzyanova VP, Petrov NV Zeolite and its prospects for use in the purification of biogas -"Engineering - From Theory to Practice": materials of the XVIII International correspondence scientific-practical conference. (20 February 2013).
7. Druzyanova VP, Semenova OP Recommendations for the use of zeolite as a filler filter for the purification of biogas. (28-29 April 2014).
8. 3emskov, VI The properties of the filter walls of the natural zeolite /V.I. 3emskov, GM Kharchenko // Herald of Altai State Agrarian University. - 2014. - № 4. - S.148-152.
9. Karataeva, EV, VV Anshakova Environmental aspects of the use of natural and modified zeolites field Khonguruu [Text] /E.V. Karataev, VV Anshakova // Science and Education: elektron.nauch. Zh. -2013. - №2. S. 65-69.
10. Karataeva, EV, Anshakova, VV Physico-chemical modification of natural zeolites to improve their sorption properties. In the collection: At the junction of Sciences. Physico-chemical materials Series II International scientific internet-conference: in 2 volumes; Kazan, 2014. pp 172-173.
11. Background to the development of biogas technologies in Russia. [Electronic resource]. - Access mode. -URL: Http://www.rosbiogas.ru/predposilki-k-razvitiyu-biogazovix-texnologij-v-rossii.html.
12. Biogas production in the Republic of Belarus and Sweden. Experience exchange. Report on the implementation of the project. 2012
13. Radnaev DN, Semenova OP The use of the fuel filter on cars with gas equipment for cleaning biogas filled with natural zeolite // Herald BSAA im.V.R. Filippova. - 2015. - № 3 (40). - S. 88 - 91.
14. The decision to grant a patent for utility model / device for gas purification // Yampil SS, Radnaev DN Druzyanova VP, Semenova OP, EN Kobyakov Application № 2015147681/05 (073 396) from 05.11.2015, the
15. Semenova OP Zeolite - filter media to clean the biogas. Bulletin of the North-Eastern Federal University. MK Ammosova, Volume 11, number 4 (July-August): Yakutsk 2014 - s.47-51.
16. Semenova OP, Druzyanova VP Kobyakov EN Filter for purification of biogas for vehicle fuel. Scientific problems of transportation in Siberia and the Far East № 1: Novosibirsk, 2015 - p. 236238.
17. Semenova OP, Radnaev DN, Yampil SS Theoretical background to the rationale of the filter parameters for biogas purification. Scientific and technical journal "Bulletin VSGUTU" Volume 11, № 4 (July-August): s.47-51v number 4 - 2016 (25 August 2016).
18. Tsybikov BB Analysis and consideration of the effectiveness of the technical services of the ATP.
19. Proskyra N.V. Innovacionnye podhody k prodvizheniju produkcii // StrojMnogo, 2015. №1 (1). URL: http://stroymnogo.com/science/economy/innovatsionnye-podkhody-k-prodvizhe/
20. What is CNG (CNG - compressed natural gas)? [Electronic resource]. - Access mode. -URL: Http://secgas.com/download/chto-takoe-cng.pdf
Возврат к списку
YOOX
6 500 руб
6 000 руб
в/!
4 450 руб
4 250 руб
4 900 руб
2 65
■ ОКомпании|
© 2014-2017 Электронный научный журнал «Аэкономика: экономика и сельское хозяйство», срочная бесплатная публикация научных статей, 16+
Свидетельство Управления Федеральной службы по надзору в сфере связи, информационных
технологий и массовых коммуникаций по Приволжскому федеральному округу
ИА № ТУ 52-01155 от 19 июля 2016 г., ISSN: 2500-0861, журнал включен в РИНЦ, ЦНСХБ
КОНТАКТЫ
INNOV - разработка сайта, Нижний Новгород
