Обоснование применения биогаза в качестве моторного топлива в фермерских хозяйствах

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.

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 Д_{раб.дней г} – 305 [4] и среднесуточного пробега автомобилей, L_cc [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

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

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]

Следовательно, исходя из состава полученного биогаза (таблица 1) определим низшую теплоту сгорания по формуле:

Подставляя объемные доли компонентов биогаза, получаем низшую теплоту сгорания до очистки:

Относительная плотность смеси биогаза вычисляется по формуле [4]:

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:

Таблица 3. Расчетные характеристики биогаза

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.