ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА В ДВС СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГОНАЗНАЧЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ТРИБУНА МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ

УДК 662.76

ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА В ДВС СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО

НАЗНАЧЕНИЯ

ДМИТРИЕВ Николай Владимирович, канд. тех. наук, доцент кафедры автотракторной техники и теплоэнергетики; [email protected]

СВЕТЛОВ Михаил Иванович, аспирант кафедры автотракторной техники и теплоэнергетики, [email protected]

Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева

В статье рассматривается возможность использования альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания сельскохозяйственного назначения. Анализируются возможные ресурсы различных видов отходов растениеводства, их основные свойства, а также способы подготовки к использованию в ДВС, возможные показатели двигателей при работе на этих топливах.Биомасса в твердом виде не может быть использована как топливо ДВС, она должна быть переработана в газообразный вид. Газификация твердого топлива требует подбора специальных технологических решений по подготовке газа для поступления его в двигатель. Разработка методов очистки генераторного газа - один из ключевых моментов применения установок. Источниками биомассы как энергоносителя в сельхозпроизводстве могут быть специально выращиваемые культуры, а также отходы растениеводства и животноводства. Наиболее перспективными культурами, выращиваемыми как энергоноситель, могут быть рапс, сахарное сорго, топинамбур, а также некоторые быстрорастущие древесные породы. Однако в ближайшее время более целесообразным представляется использование отходов растениеводства.Отходы растениеводства (стебли подсолнечника, солома и др.) традиционно использовались в качестве топлива. Однако в дальнейшем они были заменены каменным углем и природным газом и практически перестали использоваться как источник энергии, а их утилизация превратилась в борьбу и сопровождается затратами труда, энергетических ресурсов и ухудшением экологии. Поэтому в будущем использование отходов растениеводства для получения энергии как способ их утилизации неизбежно.

Ключевые слова: альтернативная энергетика, газогенератор, газификация отходов растене-водства, проблема газификации твердых топлив.

Введение

Полное и бесперебойное энергоснабжение сельскохозяйственного производства уже в настоящее время невозможно без использования возобновляемых источников энергии и альтернативных энергоносителей.

Исторически на определенном этапе развития сельского хозяйства сложились два основных способа энергообеспечения работ в сельском хозяйстве: мобильных процессов - за счет жидких топлив, используемых в тракторах, самоходных машинах и автомобилях; стационарных - от централизованных государственных электрических сетей. В силу ряда причин оба вида энергообеспечения становятся все более дорогими и ненадежными, поэтому в различных концепциях развития энергетики чаще упоминаются системы децентрализованного энергоснабжения.

Одним из путей выхода из создавшейся ситуации является использование местных относитель-

но дешевых твердых топлив путем прямого сжигания и применения нетрадиционных технологий, а именно газификации твердых топлив (бурого и каменного угля, сланцев, отходов агропромышленного и лесного комплексов и твердо-бытовых отходов).

Срок окупаемости строительства таких установок составляет от 1 до 3 лет, что пока значительно меньше, чем срок окупаемости ветровых электростанций, малых ГЭС, солнечных и водородных электроэлементов, мини атомных электростанций, геотермальных ТЭЦ, а также мини ТЭЦ с прямым сжиганием и с использованием парового цикла. Применение газогенераторов позволят также решить ряд экологических проблем, связанных с утилизацией отходов производства.

Объекты и методы

В перспективе решение энергетической проблемы не представляется без использования возобновляемых источников энергии.

© Дмитриев Н. В., Светлов М. И. 2015 г..

б*

Вестник ФГБОУ ВПО РГАТУ, № 1 (25), 2015

Анализ литературных данных позволяет назвать в качестве перспективных для районов Рязанской области следующие возобновляемые источники и энергоносители: солнечную энергию, ветровую энергию и биомассу (главным образом отходы растениеводства и животноводства). Первые два вида имеют очевидные достоинства, и над программами их широкого применения работают многие организации. Однако в силу особенностей климатических условий их непрерывное использование даже в комплексе затруднено: именно в периоды наименьших возможностей потребности в энергии многих технологических процессов в растениеводстве и животноводстве наибольшие. Для закрытия таких периодов необходимы большие и дорогостоящие аккумулирующие установки или применение других видов энергоносителей. Биомасса, которую достаточно просто запасать и хранить, может быть таким видом.

В первую очередь и наиболее просто биомасса может быть использована для получения тепловой энергии, что имело широкое распространение в сельском хозяйстве в недавнем прошлом. Однако с точки зрения подготовки к преобразованию биомассы в источник энергии во многих случаях целесообразным может быть ее использование для получения механической работы. В настоящее время наиболее известным преобразователем является двигатель внутреннего сгорания. Поэтому именно этот двигатель необходимо рассматривать с точки зрения использования биомассы с такими целями.

Экспериментальная часть

Источниками биомассы как энергоносителя в сельхозпроизводстве могут быть специально выращиваемые культуры, а также отходы растениеводства и животноводства. Наиболее перспективными культурами, выращиваемыми как энергоносители, могут быть рапс, сахарное сорго, топинамбур, а также некоторые быстрорастущие древесные породы. Однако в ближайшее время более целесообразным представляется использование отходов растениеводства.

Отходы растениеводства (стебли подсолнечника, солома и др.) традиционно использовались в качестве топлива. Однако в дальнейшем они были заменены каменным углем и природным газом и практически перестали использоваться как источник энергии, а их утилизация превратилась в борьбу и сопровождается затратами труда, энергетических ресурсов и ухудшением экологии. Поэтому в будущем использование отходов растениеводства для получения энергии как способ их утилизации неизбежно.

При планировании использования отходов растениеводства в качестве энергоносителей в каждом конкретном случае необходимо знать их ресурсы и основные характеристики как источника энергии.

В таблице, полученной на основе литературных данных, приведены наиболее важные характеристики основных видов отходов растениеводства Рязанского края.

Таблица 1 - Характеристика отходов растениеводства

Материал Средняя плотность, кг/м Теплота сгорания, МДж/кг Примерный эквивалент жидкого топлива, кг/кг жидкого топлива

Солома зерновых культур 55 11.5 4

Стебли подсолнечника 40 12.5 4.2

Стебли кукурузы 45 12.5 4.3

Ветки после обрезки плодовых растений 750 10.5 4

Древесина раскорчеванных садов 750 10.5 4

Ресурсы некоторых из отходов огромны. Большинство из них не используется или используется мало. Например, солома, ресурсы которой в крае наиболее велики, от трети до половины урожая сжигается на полях, а обрезанные ветви деревьев, древесина раскорчеванных садов сжигаются практически полностью.

Отходы растениеводства имеют ряд свойств, которые отличают их друг от друга, а также от традиционных видов топлива. Это такие свойства, как плотность, размеры частиц, влажность и др. Поэтому даже при использовании их в простейшем варианте, для отопления, необходимо или усложнять конструкцию топочных устройств, или изменять их свойства переработкой (перемалы-

вание, дробление, прессование и т. п.). В то же время наиболее важные характеристики отходов с точки зрения использования их как энергоносителей - теплота сгорания единицы массы, химический (элементный) состав - достаточно близки. Поэтому при соответствующей переработке они могут быть использованы в однотипных энергетических установках без существенных изменений их конструкции.

Для компенсации дополнительных энергетических затрат на подготовку отходов растениеводства как топлива целесообразно преобразование химической энергии отходов в механическую работу. В настоящее время таким преобразователем реально может быть только двигатель вну-

треннего сгорания.

Газификация твердого топлива требует подбора специальных технологических решений по подготовке газа для поступления его в двигатель. Разработка методов очистки генераторного газа - один из критических, ключевых моментов применения установок. При выходе из газогенератора газ загрязнен вредными примесями, к числу которых относится зола, угольная пыль, сажа, смолистые вещества. Механические примеси и смолы, содержащиеся в газе, осаживаясь во всаживающей системе и цилиндрах двигателя, нарушают нормальную работу двигателя и, постепенно загрязняя смазку, вызывают преждевременный износ трущихся деталей. Для работы двигателя внутреннего сгорания в течение заявленного заводом-изготовителем ресурса требуется уделять внимание качеству генераторного газа. При этом должна сохраняться мобильность установки.

Таким образом, решение поставленных проблем позволит повысить эффективность газогенераторных установок, работающих в составе двигатель внутреннего сгорания- электрогенератор с выработкой электроэнергии для питания электродвигателей различных устройств.

Для улучшения качества генераторного газа

кафедрой «Автотракторная техника и теплоэнергетика» Рязанского государственного агротехно-логического университета имени П.А. Костычева предложен способ очистки и увеличения калорийности генераторного газа (рисунок 1). Способ заключается в том, что в газогенераторе установлен теплообменник, через который прокачивается вода из смолосборника, установленного на газопроводе и частично заполненного водой. При прохождении через теплообменник вода подогревается до состояния перегретого пара, который поступает с воздухом в активную зону газогенератора для увеличения калорийности газа путем обогащения водородом, а также в газопровод. Подача перегретого пара в газопровод выполняет функцию активатора, перегретый пар вследствие своей высокой активности вступает в реакцию с продуктами генераторного газа. Полученная парогазовая смесь поступает в смолосборник, где происходит полная конденсация за счет того, что он заполнен водой, и осаждение связанных паром вредных продуктов генераторного газа, позволяя нейтрализовать механические примеси. Затем очищенный газ подается в двигатель внутреннего сгорания.

1- газогенератор; 2 - газопровод; 3 - смолосборник; 4 - насос; 5 - трубопровод; 6 - теплообменник;

7 - дроссель; 8 -дроссель; 9 - теплообменник; 10 - двигатель УД-15; 11 - генератор Рис. 1 - Схема устройства очистки и увеличения калорийности генераторного газа газогенератора

Проведенные испытания показали надежность работы газогенератора, агрегатов системы очистки, двигателя электрогенератора на всех исследованных режимах работы. Удалось получить заявленные технико-экономические показатели созданной установки. Получено положительное решение на изобретение РФ №2013138904/05(058952) «Установка для получения генераторного газа».

В качестве источника электрической энергии используется электрогенератор, соединенный с двигателем УД-15, который основное время работает на газе, получаемом в результате термохимической конверсии древесных и растительных отхо-

дов в газогенераторной установке. Проведенные расчеты показали, что мощность двигателя при переводе на генераторный газ уменьшилась на 25 %, однако полученной мощности достаточно для работы двигателей различных типов передвижных и стационарных энергетических установок, а полная замена в нем жидкого топлива может дать экономический и экологический эффект.

Преимущества предлагаемой энергетической установки:

• повышенная эффективность термохимической переработки исходного топлива;

• мобильность и небольшие размеры;

Вестник ФГБОУ ВПО РГАТУ, № 1 (25), 2015

• малый вес, размещение установки без фундамента, доставка на автомобильном транспорте.

По результатам исследований получено положительное решение на изобретение. Полученные материалы были опубликованы на международных и всеросийских научной конференциях.

Результаты

1. Решение проблемы энергообеспечения мобильных технологических процессов в сельскохозяйственном производстве может быть достигнуто при одновременном использовании энергосбережения (применение энергосберегающих технологий, экономных машин, поддержание их экономичности в процессе эксплуатации и т. д.) и применения альтернативных топлив, возобновляемых источников энергии и энергоносителей.

2. Одним из важнейших возобновляемых альтернативных видов топлива для сельскохозяйственного производства может быть биомасса отходов растениеводства и животноводства. Ресурсы ее очень велики, имеются излишки, утилизация которых сопровождается существенными экономическими и экологическими издержками. В то же время биомасса, обладая значительными запасами энергии, может достаточно просто запасаться и храниться в отличие от других видов возобновляемых источников энергии (солнце, ветер и др.).

3. Для компенсации неизбежных дополнительных затрат на подготовку биомассы как топлива целесообразно преобразование ее химической энергии в механическую работу, что в настоящее время реально может быть осуществлено в двигателе внутреннего сгорания после переработки биомассы в газообразное топливо.

4. Наиболее целесообразно использование двигателей, которые работают на получаемом при переработке биомассы газообразном топливе, в составе передвижных энергетических модулей, смонтированных на автомобильном или тракторном прицепе, производство которых возможно на базе предприятий АПК.

Выводы

Использование генераторного газа в ДВС сельскохозяйственного назначения позволяет полу-

чить ощутимые экономические и экологические эффекты, связанные с экономией нефтяных топлив, уменьшением транспортных расходов на доставку топлива и вывозку отходов, улучшением экологической обстановки за счет снижения выбросов токсичных составляющих с выпускными газами и переработки отходов.

Список литературы

1. Автомобильные и тракторные двигатели (Теория, системы питания, конструкции и расчет) [Текст] / И. М. Ленин, К. Г. Попык, О. М. Малашкин и др. - М. : Высшая школа, 1969. - 656 с.

2. Артамонов, М. Д. Автотракторные газогенераторы [Текст] / М. Д. Артамонов. - М. : Огиз-сель-хозиздат, 1937.

3. Безруких, П. П. Нетрадиционная энергетика Индии: состояние и перспективы [Текст] / П. П. Безруких, Т. М. Дорогина // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 1997. - № 6.

4. Биомасса как источник энергии [Текст] ; пер. с англ. / под ред. С. Соуфера, О. Заборски. - М. : Мир, 1985. - 368 с.

5. Дмитриев, Н. В. Повышение эффективности газогенераторных установок [Текст] / Дмитриев Н. В., М. И. Светлов // Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета имени П. А. Костычева. - 2014. - 2(22). - С. 87 - 89.

6. Звонов, В. А. Экология: альтернативные топлива с учетом их полного жизненного цикла [Текст] / В. А. Звонов, А. В. Козлов, А. С. Терен-ченко // Автомобильная промышленность. - 2001. - № 4.

7. Огурлиев, А. М. Использование биотоплива в сельскохозяйственной энергетике [Текст] / А. М. Огурлиев, З. А. Огурлиев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2001. - № 2.

8. Ильковский, К. К. Актуальность перехода отдаленных дизельных электростанции республики Саха (Якутия) на местное топливо на примере газогенераторных установок работающих на древесном топливе [Электронный ресурс] / К. К. Ильковский , П. Е. Кычкин // Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы» . - 2009. - № 2. - Режим доступа : http://esco-ecosys.narod.ru/2009_2/art124.htm. - 15.02. 2015

POSSIBILITIES TO USE GENERATOR GAS IN AGRICULTURAL INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Dmitriev Nikolay Vladimirovich, candidate of technical science, associate Professor of department autotractor equipment and power system, [email protected]

Svetlov Mikhail Ivanovich, graduate student of department autotractor equipment and power system, [email protected]

Ryazan State Agrotehnological University Named after P.A. Kostychev.

In article possibility of use of alternative fuels in internal combustion engines of agricultural purpose is considered. Possible resources of different types of waste of plant growing, their main properties, and also ways of preparation and use in internal combustion engine, possible indicators of engines during the work on these fuels are analyzed. Biomass in a firm look can't be used as internal combustion engines fuel, it has to be recycled in a gaseous look. Gasification of solid fuel demands selection of special technological decisions on preparation of gas for receipt it in the engine. Development of methods of purification of generating gas - one of the key moments of application of installations. Specially grown up cultures, and also waste of plant growing and animal husbandry can be biomass sources as energy carrier in agricultural production. The colza, a sugar sorghum, a girasol, and also some fast-growing tree species can be the most perspective cultures which are

grown up as the energy carrier. However soon use of waste of plant growing is represented to more expedient. Plant growing waste (sunflower stalks, straw, etc.) was traditionally used as fuel. However further they were replaced with coal and natural gas and practically ceased to be used as a power source, and their utilization turned into fight and is followed by expenses of work, energy resources and deterioration of ecology. Therefore in the future use of waste of plant growing for obtaining energy as a way of their utilization is inevitable.

Key words: alternative power engineering, gas generator, gasification of waste of a rastenevodstvo, problem of gasification of solid fuels.

Literatura

1. Avtomobilnye I tractornye dvigateli (Teoriya, sistemy pitaniya, konstruktsyia I raschet) / pod. red. prof. I.M. Lenina. - M. : Vysshaia shkola, 1965.

2. Artomonov M.D. Avtotractornye gazogeneratory /M.D. Artomonov/- Ogiz-selhozizdat, 1937.

3. Bezrukih P.P. Netraditsionnaya energetika Indii: sostoyanie I perspectivy/P.P. Bezrukih, T.M. Dorogina // Mehanizatsiya I electrofikatsiya selskogo hozyaystva, 1997. - № 6.

4. Biomassa, kak istochnik enrgii: pod. red. S. Soufera, O. Zaborski, per. s angl. - M. : Mir, 1976.

5. Dmitriev N. V., Svetlov M. I. Povyshenie effectivnosti gazogeneratornyh ustanovok [text] /N. V. Dmitriev, M. I. Svetlov // Vestnik RGATU. - 2014. - 2(22). - S. 87 - 89.

6. Zvonov V. A. Ekologia: alternativnye topliva s uchetom ih polnogo zhiznennogo tsikla / V. A. Zvonov, A. V. Kozlov, A. S. Terenchenko // avtomobilnaya promyshlennost. - 2001. - №2.

7.Ogurliev A. M. Ispolzovanie biotopliva v selskohozyaystvennoy energetike /A. M. Orurliev, Z. A. Ogurliev // Mehanizatsiya I electrofikatsiya selskogo hozyaystva, 1997. - № 2.

8. Ilkovskiy K.K., Aktualnost perehoda otdalennyh dizelnyh elektrostantsiy respubliki Saha (Yakutia) na mestnoe toplivo na primere gazogeneratornyh ustanovok rabotayushih na drevesnom toplive [ elektronnyi resurs] / Ilkovskiy K.K., Kychkin P.E. // electronnyi zhurnal energoservisnoy kompanii « Ekologicheskie sistemy» №2 wevral 2009. - rezhim dostupa: http://esco-ecosys.narod.ru/2009_2/art124.htm. -15.02. 2015

УДК 664.236:636.085.55

КОРРЕЛЯЦИОННАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ЖИВОЙ МАССЫ ГОЛШТИНСКИХ КОРОВ ОТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В РАЦИОНЕ КОРМЛЕНИЯ ГЛЮТЕНА КУКУРУЗНОГО

ЗАХАРОВ Леон Михайлович, аспирант кафедры технологии производства и переработки продукции животноводства, Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева, [email protected]

При производстве кукурузного крахмала остаются высококачественные отходы, в частности, глютен кукурузный. Он содержит протеин, жир, клетчатку, аминокислоты, витамины и др., имеет высокую обменную энергию, что позволяет использовать глютен кукурузный в рационе кормления высокопродуктивных коров в качестве белкового продукта. В проводимых исследованиях отличительной особенностью кормления животных являлось введение в состав комбикорма 4 кг глютена кукурузного коровам опытной группы в отличие от рациона коров контрольной группы, поэтому изменения живой массы коров интерпретировались с этой точки зрения. Рационы коров балансировали по 27 показателям: сухому веществу, ЭКЕ, обменной энергии, сырому протеину, сырой клетчатке, крахмалу, сырому жиру, сахару, минеральным веществам, аминокислотам. Учитывали количество расщепляемого протеина и нерасщепляемого. В состав комбикорма входили ингредиенты: ячмень, овес, кукуруза, отруби пшеничные, жмых соевый, шрот подсолнечниковый СП 36%, СК19%, дрожжи кормовые СП 37%, соль поваренная, монокальцийфосфат, мел кормовой, ПБО-4 высокопродуктивных коров. Корма скармливали коровам опытной группы в виде многокомпонентных кормовых смесей, в которых глютен кукурузный, непривлекательный на вкус для животных, перемешивался с другими видами кормов. Результаты исследований, целью которых являлось изучение состава глютена кукурузного и влияние добавки его в комбикорм на прирост живой массы голштинских коров, показали достоверный прирост на 2,6%. Проведенный корреляционный анализ зависимости живой массы коров от получаемого в составе комбикорма глютена кукурузного выявил достоверную связь при уровне значимости а<0,000435. Результаты исследований свидетельствовали о насыщении организма животных протеином и возможности прекращения использования на корм глютена ку-

© Захаров Л. М. 2015 г.