Экологическая группа

Вторичные ресурсы газовых топлив

Профессиональное оборудование для рециклинга нефтепродуктов "Альфа-Палтин"

 

В настоящее время общий уровень использования вторичных ресурсов не превышает 20%. Поэтому, несмотря на местный характер этих энергоисточников, расширение их применения позволит значительно повысить коэффициент полез­ного использования топлива и даст суще­ственную экономию. Традиционными видами вторичных энергоресурсов являются тепло и побочные продукты различных промышленных, процес­сов: химических, металлургических и др. Кроме того, в качестве местного вторичного топлива могут использоваться и основные продукты этих процессов. Однако с точки зрения сырьевой базы практический интерес представляют, в первую очередь, продукты термической переработки твердых топлив, к которым относятся газы коксования и полукоксования, сланцевый, генераторный и доменный газы, а также газы подземной газификации. Немаловажно сделать дополнительный акцент на биогазе.

Полукоксовые газы - один из товарных продуктов процессов полукоксования твердого топлива. В зависимости от вида топлива различают древесный, торфяной, буроугольный и каменно­угольный полукоксовые газы. Выход полукоксового газа состав­ляет примерно 55-80 м3/т при изменении низшей теплоты сгора­ния в диапазоне 9,6-26,4 МДж/м3. Коксовые газы служат по­бочным продуктом производства кокса, осуществляемого при тем­пературе порядка 950-1000° С. Средний выход коксового газа 100-330 м3 на 1 т сухой шихты или 400-450 м3 на 1 т кокса. Благодаря высокому содержанию водорода коксовый газ представляет собой ценное топливо. При коксовании 100 млн. т каменного угля в год ресурсы коксового газа составят примерно 30 млрд. м3 в год, что эквивалентно примерно 15 млрд. м3 природного газа.

Сланцевый газ получают при термической переработке сланцев. Товарный сланцевый газ пред­ставляет собой смесь камерного и генераторного газов, очищен­ных от сероводорода, газового бензола и влаги. Теплота сгорания товарного газа существенно зависит от типа сланцев и может колебаться в пределах 2,93-25,14 МДж/м3.

Образование домен­ного газа происходит в процессе выплавки чугуна в домнах в результате продувки воздуха через слой кокса. Особенностью до­менных газов является низкая теплота сгорания от 3,35 до 4,19 МДж/м3. При выплавке около 100 млн. т чугуна в год ре­зервы доменного газа составляют округленно 200 млрд. м3, что соответствует по теплу примерно 25 млрд. м3 природного газа и почти в 2 раза превосходит запас тепла в коксовом газе.

Генераторные газы получаются в процессе га­зификации твердых топлив, осуществляемого в газогенераторах путем продувания воздухом или паровоздушной смесью слоя рас­каленного топлива. Нами разработан огневой аллохимический газогенератор, в котором можно провести газификацию любого органического субстрата, в том числе ТБО, сельхозотходов, древесных отходов, капролитов животных 

(CH2O)n=nCO+H2 (1);

При этом получается высококалорийный водяной газ, содержащий до 48% об. окиси углерода идо 47% об. водорода, до 5% об. углекислого газа. Теплотворная способность достигает 12,3 МДж/м3, что значительно больше других вторичных газов. Для газификации в субстрат вводят катализатор, а затем через нагретый слой пропускают водяной пар. Субстрат буквально «тает» в потоке пара, так как катализатор растворяет его и превращает в читсый водород и окись углерода. Механизм реакции достоточно сложен и будет обсуждаться в последующих статьях. После газификации остается минерализованный остаток, содержащий калий, фосфор, магний и железо, применимый в качестве удобрения. Именно такого удобрения не хватает для экологически чистого земледелия. В качестве местного энергоисточника представляет интерес газы подземной газификации, идея которой впервые была предложена Д. И. Менделеевым. Отработанные в СССР на пилотных установках процессы подземной газификации углей позволяют полу­чить газ с теплотворной способностью от 2,93 до 5,03 МДж/м3. В настоящий период необхо­димость широкого развития этой сырьевой базы стала не менее актуальной ввиду коренного изменения топливного баланса страны, однако эта проблема сохранила свое значение в связи с ведущей ролью углей в ресурсах ископаемых топлив. Мы считаем актуальным подземную газификацию старых свалок при условии применения аллохимического процесса.

В соответствий с ГОСТ 6763-53 промышленностью выпускаются две марки побочных продуктов переработки коксования каменных углей: коксовый метанизированный газ, содержащий не менее 65% метана; коксовый обогащенный газ, содержащий около 50% метана и не более 12% водорода. Теплота сгорания этих газов составляет соответственно не менее 1,354 и 1,125 МДж/м3 соответственно.

Все возрастающий интерес вызывает применение таких вторичных газов, как канализационные (аэрационные) газы или биогазы, являющиеся высококалорийным топливом. Они представляют собой продукты брожения сточных вод городской канализации, фактически биогаз. Исходные кана­лизационные газы содержат примерно 68% СН4, 2% Н2 и до 30% СО2. После отмывки от углекислоты эти газы служат одно­родным топливом, содержащим свыше 80% метана с теплотвор­ной способностью более 25 МДж/м3. Выход канализационных га­зов со станции переработки, питаемой канализационной сетью, обслуживающей 100 тыс. чел., достигает в сутки 2500 м3, что эквивалентно 2000 л бензина. Масштабы применения биогаза от агробизнеса могут быть в сотни раз больше.

К числу альтернативных видов автомобильных топлив относится и шахтный метан, добываемый из угольных пластов.  В США, Италии, ФРГ и Великобритании к 1990 г. на шахтном метане работали 93 тыс. автомобилей. В Англии, он применяется в качестве топлива для рейсовых автобусов в угольных регионах страны. Содержание метана в шахтном газе колеблется от 1% до 98%. В нем мало серы и поэтому не требуется очистка. В США за период с 1988 по 2000 гг. добыча метана из возросла от 1 млрд. м3 до 40 млрд. м3 и в будущем еще удвоится. Прогнозируемая газовая добыча метана в угольных бассейнах составит 96-135 млрд. м3. Общие ресурсы метана в угольных пластах России составляют 48-65 трлн. м3.

Применение большинства вторичных энергоресурсов приво­дит к изменению эффективных показателей двигателя внутреннего сгорания прежде всего вследствие уменьшения количества введенного в цикл тепла, определяемого величиной теплоты сгорания этих газов. Появляются некоторые особенности в протекании рабочего процесса двигателя, что связано с наличием в газах таких актив­ных компонентов как Н2, СО и др. Как видно из табл. 1, несмотря на значительные колебания теплот сгорания, теплопроизводительности стехиометрических газо-воздушных смесей находятся на приемлемом уровне, в связи с чем эти энергоносители.в принципе могут использоваться для автотранспорта.

 

Энергетические характеристики вторичных ресурсов [1].                                                                                                                                 Таблица   1

Тип газа

Сырье

Теплота сгорания, МДж/м3

Расход воздуха(а),м33

Теплопроизводительность, Hсм  МДж/м3

Полукоксовый

 

Коксовый (прямой) Сланцевый

 

 

Газ ПГ

Доменный Газ

Бурый уголь, Каменный уголь, Коксующиеся угли

Сланцы

 

Подмосковные   угли

Кокс     (без    вдувания метана)

13,83

 

26,40

17,35

24,85

4,61

3,96

3,784

 

6,402

4,408

6,712

1,245

0,762

2,89

 

3,57

3,21

3,22

2,05

2,25

Канализационный

Сточные воды

28,91

8,092

3,18

 

При анализе теоретических циклов двигателя внутреннего сгорания на бензине, метане и коксовом газе было выявлено, что, несмотря на различия отдельных показателей, теоретический КПД для указанных топлив близок. Максимальные и средние давления циклов пропорцио­нальны теплопроизводительностям рабочих смесей. Однако при работе реального двигателя имеют место более сложные зависимости между параметрами рабочего процесса и родом топлива. Ввиду увеличенной продолжи­тельности сгорания индикаторная диаграмма для природного газа имеет пологую форму, тогда как диаграмма для коксового газа характеризуется более резким нарастанием давления, что вызвано высокими кинетическими характеристиками водорода, составляющего основу этого газа. По этой же причине макси­мальное давление цикла на коксовом газе больше, чем на природном, хотя среднеиндикаторное давление меньше. Влияние рода топлива нагляднее всего проявляется при рабо­те двигателя в области бедных смесей. Границы устойчивой работы двигателя составляют в сопоставлении: от а=1,2-1,25 для изооктана до а= 1,64-1,7 для природного газа и до а=5 для коксового газа  [1]. Следует отме­тить несколько меньшие зна­чения этого параметра для биогаза, вызванные повышен­ным содержанием балластных компонентов. Заметное падение    мощно­сти двигателя  при  работе на вторичных   газах   (в   среднем на    30-35%)     может     быть практически   полностью    ком­пенсировано  за  счет  высоких антидетонационных качеств газовых топлив путем    соответ­ствующего повышения степени сжатия. Закономерно, что пре­имущества газовых    топлив в плане экономичности в этом случае возрастают. Большинство вторичных энергоресурсов содержит зна­чительное количество водорода, что, учитывая его высокую реакционную способность, может привести к преждевременно­му воспламенению газа и обратным вспышкам во впускном тру­бопроводе. Для предотвращения этого явления рекомендуется применять такие мероприятия как уменьшение зазора между электродами свечей, применение холодных свечей, устранение нагарообразования, улучшение охлаждения клапанов и голов­ки цилиндров и др. Горнорудное бюро США провело экспери­ментальную оценку эффективности применения генераторного газа, получаемого из угля, для питания автомобильных двигате­лей. Работы осуществлены на автомобиле выпуска 1969 г. с двигателем Vд = 2,8 л. Топливом служил газ, моделирующий продукты газификации угля и содержащий 10% Н2, 80,6% СН4, 7,7% С2Н6 и 1,7% прочих углеводородов с теплотой сгорания 33,5 МДж/м3 (8000 ккал/м3). Исследования, проводившиеся в дорожных условиях, включали определение экономических и токсических показателей двигателя при работе на природном и ге­нераторном газах со степенями сжатия 8,6 и 12,5. Содержание СН4 и NO2 в выхлопе при работе на природном и генераторном газах примерно одинаково во всем диапазоне смесей. Экономичность двигателя при работе на генераторном газе выше на 3-7,5%. Увеличение степени сжатия дает дополнительное улучшение экономических показателей примерно на 10%, однако при этом возрастает содержание СН4 в выхлопе. Максимум СН4 соответствует а> 1,2, причем при а= 12,5 выброс СН4 примерно на 40% больше по отношению к а = 8,6. С увеличением степени сжатия, а также при обеднении смеси возрастает содержание альдегидов. Фотохимическая активность альдегидов, образующихся при неполном сгорании генераторного газа в двигателе, в общем случае сопоставима с активностью несгоревших углеводородов, в связи с чем суммарная токсичность выхлопа возрастает. Точное соблюдение режимов сгорания дает полную гарантию чистого выхлопа. Главное - способы хранения и аккумуляции такого газа. Учитывая большой научный задел в области храниения водорода и удобные для хранения химические свойства окиси углерода нет существенных препятствий к расширению применения дешевых вторичных газов на автотранспорте, в агробизнесе, во внутризаводстких перевозках и для снабжения энергоносителями транспортных средств в удаленных районах.

Выводы:

  • 1. Вторичные ресурсы газовых топлив представляют собой значимый потенциал, практически не освоенный транспортом.
  • 2. Применение вторичных газовых топлив в ДВС возможно и эффективно.
  • 3. Для агробизнеса вторичные газовые топлива могут стать основными.

Цитированная литература

1. Смаль Ф.В., Арсенов Е.Е. Перспективные топлива для автомобилей.-М.:Транспорт, 1979.