Jedan od glavnih trendova u dizajnu modernog automobilski motori je poboljšanje njihovog ekološkog učinka. U tom smislu, jedna od najboljih opcija je motor na biogorivo, od kojih je najpopularnija vrsta bioetanol.

Bioetanol je etil alkohol koji se dobija preradom biljnog materijala. Glavni izvor za njegovu proizvodnju su krmne kulture bogate škrobom.

Karakteristike motora na biogorivo

Treba napomenuti da trenutno praktično nema govora o motoru koji bi u potpunosti radio na bioetanol. To je zbog niza objektivnih ograničenja za koja još nisu pronađena efikasna rješenja.

Do danas se bioteanol koristi za punjenje automobila gorivom, uglavnom pomiješan s tradicionalnim gorivima - benzinom i dizel gorivom. Samo vozila sa FFV (Flexible-fuel vehicle) motorom.

FFV motor je motor unutrašnjim sagorevanjem, koji ima neke razlike od tradicionalnih motora. Dakle, glavne karakteristične karakteristike su:

• prisutnost posebnog senzora kisika;
• korištenje posebnog materijala za proizvodnju brojnih brtvila;
• ECU softver koji vam omogućava da odredite postotak alkohola u gorivu i prilagodite rad motora u skladu s tim;
• neke promjene dizajna kako bi se povećao omjer kompresije, što je neophodno zbog većeg oktanskog broja etanola u odnosu na benzin.

Danas je automobilsko gorivo koje sadrži bioetanol prilično popularno u brojnim zemljama. Tu su lideri SAD i Brazil. U Brazilu je danas gotovo nemoguće kupiti benzin koji sadrži manje od 20% bioetanola. Ova tehnologija je takođe popularna u velikom broju evropskih zemalja, posebno u skandinavskim zemljama.

Prednosti i nedostaci

Bioetanol kao gorivo ima i značajne prednosti i značajne nedostatke. Glavne prednosti biogoriva odnose se prvenstveno na ekološki učinak.

Bioetanol je netoksično gorivo koje se potpuno otapa u vodi. Kada se sagori, ne stvaraju se jedinjenja opasna po životnu sredinu i zdravlje ljudi. Dodavanje bioetanola u benzin može smanjiti štetne emisije do 30% ili više. Osim toga, bioetanol se proizvodi od prirodnih obnovljivih sirovina. Često je to nusproizvod neotpadne proizvodnje drugih vrsta proizvoda.

Osim toga, zbog visokog oktanskog broja, upotreba bioetanola može poboljšati neke karakteristike motora s unutrašnjim sagorijevanjem. Takođe povećava njegovu efikasnost.

Jedan od glavnih nedostataka biogoriva je njihova nestabilnost na niske temperature. U mrazu se može raslojiti sa stvaranjem parafinskog filma na površini. To uzrokuje teško pokretanje zimi. Da bi se prevazišao ovaj nedostatak, automobili moraju biti opremljeni grijačem goriva ili malim rezervoarom za plin dizajniran posebno za hladno pokretanje.

Još jedan važan nedostatak je niska kalorijska vrijednost. Prilikom sagorijevanja bioetanola oslobađa se 37-40% manje toplinske energije u odnosu na tradicionalne vrste goriva za automobile. Ovo značajno ograničava karakteristike snage motora.

Motori na biogorivo imaju značajne prednosti, ali imaju prostora za poboljšanje.

I. Trokhin

Članak se bavi tehničke karakteristike plinski klipni motori i električne jedinice zasnovane na njima za mini-CHP koji rade prirodni gas ili alternativno obnovljivo plinovito gorivo - biogas. Kada se koristi prirodni gas kao gorivo, električna efikasnost takvih jedinica dostiže 48,7%, a koeficijent korisna upotreba kalorijska vrijednost goriva za mini-CHP - 96%.

Savremeni plinsko-klipni agregati, odgovarajuće kogeneracijske i trigeneracijske tehnologije pružaju potrošačima mogućnost da obezbijede ne samo tehnički i ekonomski isplativu proizvodnju električne, toplotne energije i hladnoće, već i da to ostvare sa trenutno prihvatljivim pokazateljima emisije u okoliš. izduvnih gasova u okolinu. Posljednja okolnost se posebno pozitivno manifestira kada plinski klipni motor radi na bioplin. Specifična toplota sagorevanja biogasa je oko 23 MJ/m 3 , za poređenje prirodnog gasa - 33-35 MJ/m 3 .

Biotehnološki proces dobijanja bioplina sastoji se u anaerobnom (bez pristupa kiseoniku) uništavanju (koriste se i termini "fermentacija", "fermentacija", "fermentacija") organskog otpada koji služi kao primarna sirovina ( tab. jedan), što rezultira stvaranjem plinovite biosupstance (biogas) i visokokvalitetnih organskih gnojiva. Proizvodnja biogasa u takvom procesu je vrlo efikasan način proizvodnja biogoriva iz biomase, a organska đubriva su nusproizvod čija upotreba omogućava smanjenje udjela mineralna đubriva koristi se u poljoprivredi. Tehnička implementacija proizvodnje bioplina se odvija u bioplinskim postrojenjima. Za održavanje njihovih radnih procesa troši se dio energije dobivene iz bioplina u plinskim klipnim elektranama. Pridružena organska đubriva mogu se skladištiti u sezonskim skladištima. Bioplinsko postrojenje i plinska klipna elektrana (na primjer, mini-CHP, tj. električne snage do 10 MW) obično se nalaze u neposrednoj blizini kao jedinstven kompleks za proizvodnju bioplina iz organskih sirovina i naknadna proizvodnja električne i toplotne energije

Tabela 1

Proizvodnja biogasa i električne energije iz organskih sirovina

Ime	Količina biogasa, m 3, po toni sirovina		Proizvodnja električne energije po toni vlažnih sirovina, kWh
		mokro
goveda
Usjevi žitarica
lišće krompira
herbal zrno
biološki

Bilješka. Na osnovu informativnih materijala GE Jenbacher (Austrija).

Sastav bioplina uključuje sljedeće komponente: metan (CH 4) kao zapaljivu bazu, ugljični dioksid (CO 2) i relativno malu količinu nečistoća koje prate proizvodnju bioplina (dušik, vodonik, aromatična i halogena ugljikovodična jedinjenja). U zavisnosti od sirovinske baze, prinos biogasa u procesu anaerobne razgradnje može varirati. IN tab. jedan date su neke procjene za ovaj pokazatelj, kao i za specifičnu proizvodnju električne energije po jedinici primarnih organskih sirovina u sistemu "biogas postrojenje-biogas klipna elektrana".

Direktno, tehnologije kogeneracije i trigeneracije u plinskim klipnim elektranama zasnivaju se na korištenju toplovodnih kotlova na otpadnu toplinu i apsorpcionih rashladnih uređaja. Potonji pružaju mogućnost korisnog korištenja topline izduvnih plinova iz plinskog klipnog motora, smanjujući njihovu temperaturu kada se ispuštaju u atmosferu. Osim toga, dizajn modernih plinskih klipnih motora dopušta mogućnost korisnog korištenja niskokvalitetne topline iz sistema za hlađenje i podmazivanje. Plinski klipni motor-električne agregate, uključujući i kogeneracijske jedinice, razvijaju, proizvode i pružaju servisnu podršku mnoge poznate kompanije u inostranstvu i Rusiji, na primjer, MWM GmbH (Njemačka), GE Jenbacher (Austrija), MTU Onsite Energy GmbH (Njemačka). Ispod su neke od karakteristika dizajna, karakteristika i implementiranih projekata koji koriste takvu plinsko-klipnu energetsku opremu.

Biogas ili prirodni plin?

Njemačka kompanija MWM GmbH jedan je od vodećih svjetskih proizvođača i proizvođača plinskih klipnih sistema za proizvodnju električne i toplinske energije iz bioplina. Konstantno smanjenje rezervi neobnovljivih izvora energije ugljikovodika i rast potrošnje energije u svjetskim razmjerima dovodi do povećanja potražnje potrošača za alternativnim gorivima (na primjer, biogasom) dobivenim iz obnovljivih izvora energije, uključujući otpad. Stoga oprema kojom je moguće efikasno proizvoditi biogas i energiju ne ostaje bez pažnje kupaca instalacija za decentralizirano snabdijevanje energijom.

MWM GmbH agregati na plin, od kojih je jedan prikazan na pirinač. jedan, sa sinhronim generatorima uspješno rade, posebno u Europi, a rade, uključujući i mini-CHP, ne samo na prirodni plin, već i na biogas. Proizvedena električna energija može se prenijeti u centralizirane elektroenergetske sisteme. Implementacija procesa dobijanja biogasa u sklopu jedinstvenog lokalnog proizvodnog kompleksa odvija se na sopstvenom snabdevanju energijom. Na primjer, u Njemačkoj uspješno radi biogas klipni mini-CHP Nawaro Kletkamp GmbH & Co. KG (Kletkamp biogas CHP postrojenje - engleski) sa TCG 2016 B V12 motorom iz MWM GmbH, električne snage 568 kW. Dnevno iskoristi oko 20 tona silaže žitarica (kukuruzna silaža - engl.), a dio potrošača susjednog njemačkog grada Lütjenburga (Lütjenburg - njemačka) je opskrbljen toplotnom energijom. Ova toplotna energija se takođe koristi za sušenje žitarica, a takođe se skladišti u objektu za skladištenje toplote. Nusproizvod koji nastaje u procesu anaerobne fermentacije sirovine za proizvodnju biogasa su ostaci supstrata i koristi se kao organsko đubrivo proizvedeno ovom metodom u godišnjoj količini od oko 7 hiljada tona.

Rice. 1. Plinski klipni motor-generator jedinica MWM GmbH (Njemačka)

Posebno za rad na biogas, dijelovi i komponente odgovarajućih plinskih klipnih motora MWM GmbH su prilagođeni i proračunati. Na primjer, dizajn klipa je prilagođen za rad s većim omjerom kompresije. Da bi se osigurali visoki pokazatelji resursa dijelova i sklopova motora, posebno se koriste galvanski premazi. Visoki energetski parametri biogas klipnih agregata ove kompanije (Tabela 2) postignuto, uključujući eliminisanje procesa predkompresije biogasa.

tabela 2

Nazivni parametri agregata MWM GmbH sa TCG 2016 V08 C motorom za mini-CHP

ime, jedinica	Vrijednost kada radi na gorivo
	(60% CH 4, 32% CO 2)	Prirodno
Električna snaga, kW
	Varijabilni, trofazni
Napon, V
Frekvencija struje, Hz
Prosječna efektivnog pritiska, bar
Toplotna snaga, kW
električni termalni
Suha težina, kg

Bilješka. Prema informativnim brošurama kompanije MWM GmbH (Njemačka).

Vrhunski asortiman u asortimanu plinskih klipnih motora MWM GmbH predstavlja serija TCG 2016. Ovi motori mogu raditi sa vrlo visokim vrijednostima efikasnosti, što se može vidjeti iz tab. 2, što je takođe postignuto upotrebom optimizovanog dizajna bregastog vratila, komore za sagorevanje i svjećica. Korporativni "opći elektronski sistem management” pod registrovanim zaštitnim znakom TEM  (Total Electronic Management - engleski) osigurava koordinaciju i rad cjelokupnog motor-generatorskog agregata. Za svaki od cilindara obezbeđen je nadzor temperature. Postoji i sistem zahvaljujući kome motor može efikasno da radi sa fluktuacijama i promenama u sastavu gasa smeše vazduh-gorivo. Ovo je posebno važno kada se namjerava koristiti "problematični" plinovi kao gorivo, poput uglja ili organskog otpada.

Revolucionarna konfiguracija

Inovativni plinski klipni motori svjetskog glasa pod brendom Jen-bacher ( pirinač. 2) razvija i proizvodi austrijska kompanija GE Jenbacher, koja je dio GE Energy divizije General Electrica. Instalacije za decentralizovano snabdevanje energijom zasnovane na takvim motorima prilagođene su da rade kako na prirodni gas, tako i na druga gasovita goriva, uključujući biogas. Posebno pozitivan ekonomski učinak od uvođenja ovakvih instalacija postiže se kada rade u kogeneracijskom ili trigeneracijskom ciklusu. U mnogim razvijenim zemljama, na primjer, Austriji i Njemačkoj, uspješno rade plinske klipne elektrane s Jenbacher motor-generatorskim jedinicama u kombinaciji s bioplinskim postrojenjima, posebno električnih i termičkih kapaciteta od oko tri stotine do jedan i pol do dva hiljada kilovata.

Rice. 2. Jenbacher plinski klipni motor kao dio električne jedinice

Revolucionarna, kako je sami programeri nazivaju, tromodulska konfiguracija modernih Jenbacher agregata i inženjerski koncept postizanja cilja povećanja efikasnosti motora povećanjem njihove efikasnosti, pouzdanosti i smanjenjem emisije štetnih emisija u atmosferu predvodi do stvaranja novog gasno-klipnog motora J920 sa dvostepenim turbo punjenjem i najvećom električnom efikasnošću u klasi gasnih klipnih motora ( tab. 3). Tromodulski raspored električne jedinice sa ovim motorom uključuje sljedeće elemente raspoređene u seriju: modul sa sinhronim električnim generatorom opremljen vazdušnim hlađenjem i digitalnim sistemom upravljanja; dvadesetcilindarski gasno-klipni energetski modul baziran na samom motoru J920; pomoćni modul sa dvostepenim turbo punjačem. Zahvaljujući ovakvom rasporedu, pojedinačni elementi se mogu zamijeniti bez rastavljanja cijelog agregata.

Motor J920 ima sekcije bregasta osovina, što omogućava njegovu praktičnu zamjenu kroz servisni prozor smješten u gornjem dijelu kartera. Omogućen je i zgodan pristup ostalim osnovnim dijelovima i komponentama motora. Veliko akumulirano iskustvo u razvoju i praksi upravljanja sistemom sagorevanja goriva za Jenbacher tip 6 gas klipnih motora omogućilo je opremanje dotičnog motora naprednim predkomornim sistemom sagorevanja sa varničnim paljenjem, koji omogućava dugotrajan rad. Pored toga, omogućeno je operativno praćenje rada sistema pomoću posebnih senzora za svaki od cilindara, što omogućava postizanje optimalnih karakteristika tokom sagorevanja goriva. Sistem paljenja je elektronski, što omogućava odabir vremena paljenja uz prilagođavanje sastavu i (ili) vrsti gasovitog goriva koje se koristi.

Tabela 3

Nazivni parametri agregata sa Jenbacher J920 motorom za mini-CHP na prirodni plin (metanski broj MN > 80)

Naziv, jedinica mjere	Značenje
Električna snaga, kW
	Varijabilni, trofazni
Frekvencija struje, Hz
Brzina osovine motora i generatora, o/min
Toplotna snaga, kW
Efikasnost za nižu kalorijsku vrijednost, %: električni
Ukupne dimenzije (približno), mm:
Suha težina (približno), kg

Bilješka. Prema GE Energy (www.ge-energy.com).

Iz izduvnog razvodnika, dio gasova koji se ispuštaju u plinskom klipnom motoru koristi se za pogon turbopunjača (turbopunjača). Potonji, tokom svog rada, osigurava povećanje specifične snage motora, a posljedično, na kraju i električnu efikasnost jedinice motor-generator. Upotreba u motoru zaštićene patentirane tehnologije pod registrovanim zaštitnim znakom LEANOX  (Lean mix combustion - engleski) omogućila je implementaciju procesa efektivne kontrole omjera sadržaja komponenti "vazduh/gasno gorivo" u gorivu -vazdušna mešavina kako bi se minimizirala emisija štetnih ekologije izduvnih gasova u atmosferu. Takav ekološki učinak postiže se radom motora na naginjanje mješavina goriva(odnos vazduh/gorivo gas se koriguje ispod granice svih radnih vrednosti) sve dok radi stabilno.

Vlasnička tehnologija dvostepenog turbo punjenja omogućava motoru veće povećanje specifične snage nego što se ostvaruje kod jednostepenog turbo punjenja. Osim toga, ako govorimo o kogeneracijskim postrojenjima, onda se implementacijom ove tehnologije turbo punjenja povećava i ukupna efikasnost električne jedinice, dostižući vrijednost od 90%, što je gotovo 3% više od plinsko-klipne električne jedinice sa jednostepenim turbo punjenjem.

Upravljački sistem motora General Electric J920 je sveobuhvatno otklonjen i opremljen, posebno sa programabilnom logičkom jedinicom, kontrolnom pločom i informacionim displejom. Uz sve to, motori J920 dizajnirani su uzimajući u obzir dopuštenu mogućnost njihovog rada u sklopu višemotornih električnih jedinica, uključujući i termoelektrane. Višemotorna struktura elektrana čini ih prilagodljivijim opterećenjima - od osnovnih do cikličkih i vršnih opterećenja. Vrijeme pokretanja motora prije postizanja nominalnog načina rada je 5 minuta.

Rekordna energetska efikasnost

Njemačka kompanija MTU Onsite Energy GmbH također se bavi razvojem i proizvodnjom visoko efikasnih modernih plinskih klipnih jedinica ( pirinač. 3), uključujući i one namijenjene za rad u sklopu mini-CHP. Vrlo je zanimljivo da su njegovi stručnjaci stvorili pogonsku jedinicu s plinskim klipom tipa GC 849 N5 ( tab. 4), uz čiju je upotrebu u Njemačkoj na Vauban mini-CHP (Vauban HKW) bilo moguće postići zaista rekordan pokazatelj konverzije primarne energije sagorijevanja goriva (prirodni plin) u električnu i korisno iskorištenu toplotna energija: efikasnost sagorevanja goriva bila je oko 96%! Ovako visoka cifra je obezbeđena upotrebom mini-CHP, pored same gasno-klipne jedinice, i opreme za dubinsko korišćenje toplote iz izduvnih gasova i sistema za podmazivanje i hlađenje motora. Osim toga, toplina iz motora i sinhronog generatora se koristi pomoću električne toplinske pumpe, koja osigurava barem hlađenje prostora oko kogeneracijske jedinice. Uzimajući u obzir sve faze i krugove povrata topline, pri nazivnim režimima rada za električna i toplinska opterećenja mini-CHP, zabilježeni koeficijent dostiže rekordnu vrijednost - do 96%.

Značenje

Električna snaga, kW

Varijabilni, trofazni

Napon, V

Frekvencija struje, Hz

Iskustvo u radu plinskih klipnih agregata na biogas

1. Uvod

Zadatak savremene energetike je da obezbedi pouzdano i dugoročno snabdevanje energijom uz očuvanje resursa fosilnih goriva i zaštitu životne sredine. To zahtijeva ekonomičan pristup korištenju postojećih energetskih resursa i prelazak na obnovljive izvore. Studija Evropske komisije pokazala je da je to moguće.

U istraživanju su uzete u obzir samo tehnologije koje su danas dostupne na tržištu, a pretpostavljalo se da će se životni standard u evropskim zemljama izjednačiti. Dakle, do 2050. godine, 90% energije koju troše evropske zemlje moglo bi biti proizvedeno korišćenjem obnovljivih izvora energije (slika 1). Istovremeno, struja će se udvostručiti, ali će se istovremeno i potrošnja energije prepoloviti. Gotovo trećina energije će se proizvoditi iz biomase.

Slika 1 - Potrošnja energije u Evropi (studija Evropske komisije)

Biomasa je opšti naziv za organske proizvode i otpad (mulj, ostaci žitarica, uljane i šećerne kulture), industrijski i kućni otpad, drvo, otpad prehrambene industrije itd. Suva biomasa se može odmah koristiti kao gorivo, u drugim slučajevima može biti pretvoren u biogas "probavom", gasifikacijom ili isparavanjem (Slika 2).

Slika 2 – Upotreba biomase

2. Formiranje biogasa

U prirodi, biogas nastaje razgradnjom organskih jedinjenja u anaerobnim uslovima, kao što je u močvarama, na obalama vodenih tijela i u probavnom traktu nekih životinja. Tako nam fizika prirodnih procesa pokazuje načine za dobijanje biogasa.

Industrijska proizvodnja zahteva razvoj integrisane tehnologije koja uključuje komponente kao što su rezervoar za skladištenje biomase, reaktor za biogas (fermentor) u kome se odvija digestija i rezervoar za biogas sa sistemom za prečišćavanje (slika 3).

Slika 3 – Proizvodnja električne energije korištenjem bioplina

Gotovo sva organska materija se razgrađuje fermentacijom. U anaerobnim uslovima, mikroorganizmi uključeni u proces fermentacije ili razgradnje prilagođavaju se izvornom supstratu. Zbog činjenice da se fermentacija odvija u vlažnom okruženju, biosupstrat bi trebao sadržavati približno 50% vode. Biološka razgradnja se vrši na temperaturi od 35 °C do 40 °C. Tokom anaerobne fermentacije, odvija se višestepeni proces pretvaranja organskih supstanci iz jedinjenja visoke molekularne težine u jedinjenja male molekulske težine koja se mogu rastvoriti u vodi. U jednoj fazi, rastvorene supstance se razgrađuju, stvarajući organske kiseline, niskokvalitetni alkohol, vodonik, amonijak, sumporovodik i ugljen-dioksid. S druge strane, bakterije pretvaraju tvari u octenu i mravlju kiselinu i u procesu metanogeneze ih razgrađuju, stvarajući metan.

4 HCOO H → CH 4 + 3 CO 2 + 2 H 2 O

Istovremeno, sadržaj CO 2 se smanjuje vodonikom, zbog čega nastaje i metan.

CO 2 + 4 H 2 → CH 4 + 2 H 2 O

Tečni stajnjak se često koristi kao sirovina za proizvodnju biogasa. Za povećanje prinosa plina mogu se dodati tzv. koenzimi, koji homogeniziraju proizvodnju bioplina, čija zapremina ovisi o korištenom supstratu (Tablica 1).

Tabela 1 - Prinos biogasa za različite vrste biomase

Sirovine za biogas	Količina biomase	Količina biogasa
tečni stajnjak (goveda)	1 m 3	20 m 3
Tečni stajnjak (svinje)	1 m 3	30 m 3
ptičji izmet	1 m 3	40 m 3
kanalizacioni mulj	1 m 3	5 m 3
Biowaste	1 tona	100 m 3
Otpadne masti	1 tona	650 m3
Trava	1 tona	125 m 3

3. Kvalitet biogasa i njegova priprema za upotrebu

Kvalitet bioplina i priprema gorivnog plina ne ovisi o korištenoj sirovini i brzini procesa. U tabeli. 2 prikazuje poređenje sastava različitih vrsta gasa.

Tabela 2 - Približan uporedni sastav gorivnih gasova

		Biogas	Gas Otpadne vode	Gasbage gas deponije	Prirodno gas
CH 4	%	50...75	65	50	88
CO2	%	20...50	35	27	—
N 2	%	0...5	—	23	5
Gustina	kg/nm 3	1,2	1,158	1,274	0,798
Kalorična vrijednost sposobnost	kWh/Nm 3	5,0...7,5	6,5	4,8	10,1
metan broj	jedinice	124...150	134	136	80...90

Budući da bioplin sadrži štetne komponente kao što su sumpor, amonijak, ponekad i silicijum, kao i njihova jedinjenja, mogućnosti njegove upotrebe su ograničene. Ove komponente mogu izazvati habanje i koroziju u motorima sa unutrašnjim sagorevanjem, tako da njihov sadržaj u gasu ne sme da prelazi granice koje postavlja MWM. Osim toga, izduvni gasovi se ne smeju hladiti na temperature ispod 140...150 °C, inače će se kiseli kondenzat akumulirati u izmenjivačima toplote i u donjem delu sistema izduvnih kanala.

Postoji nekoliko načina za uklanjanje sumpora iz gorivnog plina. Tokom biološkog tretmana, vazduh se dovodi do gasne zone u fermentoru. Kao rezultat oksidacije sumporovodika bakterijama, odvajaju se sumpor i sulfat, koji se uklanjaju tekućim komponentama. Drugi način je hemijska precipitacija. U tom slučaju se otopini u fermentoru dodaje željezni trihlorid. Ove metode su se dobro pokazale u postrojenjima za prečišćavanje otpadnih voda.

Najoptimalniji rezultati se postižu kada se plin čisti aktivnim ugljenom, a iz plina se ne uklanja samo sumpor, već i silicijum. U ovom slučaju, kvalitet bioplina odgovara kvaliteti prirodnog plina, a korištenje neutralizatora oksidacijskog katalitičkog plina osigurava dodatno smanjenje emisije izduvnih plinova.

4. Upotreba biogasa za kogeneraciju na bazi plinskih klipnih motora

MWM GmbH (ranije Deutz Power Systems) proizvodi klipne jedinice s turbopunjačem sa niskim izgaranjem u rasponu nazivne snage od 400 do 4300 kW (slika 4). Ovi motori su prilagođeni fluktuacijama sastava bioplina i optimizirani su za rad na plinovima složenog sastava.

Slika 4 - Raspon snage gasni motori MWM GmbH (bivši DEUTZ Power Systems)

Ocene su u skladu sa ISO 3046. Specifikacije su samo informativne i nisu obvezujuće vrednosti.

MWM GmbH ima veliko iskustvo u radu s plinskim klipnim motorima na deponijski i kanalizacijski plin (prvi takvi modeli počeli su raditi prije skoro 100 godina na kanalizacijski plin) i koristi akumulirano iskustvo za daljnja poboljšanja. raspon modela i poboljšanje pouzdanosti proizvedenih kogeneracijskih sistema. (sl. 5)

Slika 5 - Razvoj plinskih klipnih motora (za period 1988 - 2002)

Glavni zadatak u ovom slučaju je učiniti motore otpornijim na djelovanje štetnih tvari sadržanih u plinu. Razne nečistoće stvaraju kiseline koje negativno utiču na komponente motora, prvenstveno na ležajeve. Takav negativan utjecaj može se eliminirati, s jedne strane, optimizacijom načina rada i promjenama u tehnologiji izrade ležajeva, s druge strane.

Ako jedinica radi s temperaturom ulja za podmazivanje od oko 95°C (ulaz u motor) i izbjegne se česta zaustavljanja i pokretanja, može se smanjiti rizik od stvaranja kiseline zbog kondenzacije u kućištu radilice tokom faze hlađenja. U vezi sa gore navedenim, koliko god je to moguće, motor treba da radi bez zaustavljanja. Akumulacija gasa u dovoljnoj količini u skladištu gasa obezbediće kontinuirano snabdevanje gorivom koje je neophodno za nesmetan rad gasnog motora.

Iskustvo stečeno u radu bioplinskih motora pokazalo je da se za ležajeve moraju koristiti posebni materijali. Kako se efikasnost motora i radni pritisak povećavaju, potrebni su ležajevi sa većim nosivostima. Obloženi ležajevi se sada široko koriste kako bi ispunili sve zahtjeve za pouzdanost. Zahvaljujući svojoj čvrstoj, tvrdoj površini, otporniji su na agresivne plinove i ulje za podmazivanje od tradicionalnih žljebljenih kugličnih ležajeva (sl. 6).

Slika 5 — Poređenje vršnog pritiska filma

Kvalitet ulja za podmazivanje ima značajan utjecaj na vijek trajanja i trošenje motora. Stoga se tijekom rada trebaju koristiti samo one marke ulja koje je proizvođač plinskog motora odobrio za ovu vrstu plina. Intervali zamjene ulja određuju se prilikom puštanja elektrane u pogon na osnovu rezultata analize kvaliteta ulja. U toku rada motora stalno se prati kvalitet ulja za podmazivanje, nakon čega se donosi odluka o njegovoj zamjeni. Prva analiza ulja se vrši nakon 100 sati rada, bez obzira na vrstu loživog gasa. Intervali Održavanje za ventile definira se slično.

Kako bi se produžili intervali zamjene ulja za podmazivanje, potrebno je povećati količinu ulja u osnovnom okviru motora. U tu svrhu, MWM svojim kupcima nudi jedinice sa povećanom zapreminom ulja u okviru motora. Ulje se stalno dovodi u krug za podmazivanje, prolazeći dijagonalno kroz osnovni okvir (slika 10):

Slika 6 - Snabdevanje uljem za podmazivanje

Osim toga strukturne karakteristike samih motora, važnu ulogu u osiguravanju sigurnog i pouzdanog rada biogas jedinica igra TEM sistem upravljanja i upravljanja (Total Electronic Management by MWM). On detektuje sve radne uslove, temperature, pritiske itd. i na osnovu dobijenih podataka postavlja optimalnu izlaznu snagu motora uz maksimalnu efikasnost, pri čemu ne prelazi utvrđene granice emisije. TEM sistem ima mogućnost generisanja analitičkih grafikona promjena radni parametri stanica - to vam omogućava da na vrijeme otkrijete kršenja u radu i brzo odgovorite na njih.

Kompanija isporučuje kompletne elektrane na biogas. Oni uključuju jedinicu s plinskim klipom, kotao za otpadnu toplinu, prigušivač, katalizatorski pretvarač plina, sistem za čišćenje plina s aktivnim ugljenom i, ako je potrebno, dodatni sistem za naknadnu obradu izduvnih plinova. (Sl. 7).

Slika 7 - Primjer rasporeda mini CHP ( kliknite na sliku za uvećanje)

Na sl. 8 prikazuje specifične investicije i prosječne troškove održavanja bioplinskih postrojenja. Podaci sumiraju operativno iskustvo jedinica serije TBG 616 i TBG 620. Uključuju troškove gasnog motora, izmjenjivača topline rashladne tekućine i izduvnih plinova, prigušivača te troškove distributivnog postrojenja, uključujući instalaciju i cjevovod. Od 2005. godine, jedinice serije TBG su nadograđene na TCG 2016 C i TCG 2020 serije, respektivno.

Slika 8 - Kapitalna ulaganja i troškovi održavanja

U 2009. godini, nakon naredne modernizacije asortimana modela, za seriju TCG 2020, bilo je moguće postići električnu efikasnost od 43,7% za kogeneracionu jedinicu TCG 2020 V20 i dovesti električnu snagu 12 i 16 cilindara. plinski motori do 1200 i 1560 kW. Ozbiljna modernizacija je uticala i na jedinicu TCG 2016 V08. Električna snaga ove jedinice povećana je na 400 kW, a električna efikasnost je povećana na 42,2%. Štaviše, električna efikasnost i izlazna snaga su iste i kada se koristi prirodni gas i biogas.

5. Praktična upotreba različitih sirovina za proizvodnju energije

U gradu Brandenburg(Njemačka) instalirala je elektranu koja proizvodi biogas iz hrane i kućnog otpada (slika 1). Godišnje se odloži oko 86.000 tona biootpada.

Slika 1 - Bioplinsko postrojenje u Altenu

Proces dobijanja biogasa odvija se određenim redosledom. Nakon što se uklone komponente koje nisu za jednokratnu upotrebu, biootpad se drobi i miješa, a dobivena masa se zagrijava na 70°C kako bi se ubili patogeni organizmi. Otpad se zatim šalje u dva fermentora, od kojih svaki sadrži 3.300 m3 biomase. Mikroorganizmi razgrađuju biomasu (za oko 20 dana), što rezultira stvaranjem bioplina i preostale količine tekućine koja se potom istiskuje, a suhi ostatak se ponovo biološki prerađuje kao kompost.

Dva plinska klipna motora TBG 616 V16K proizvođača Deutz Power Systems rade na biogas, električna snaga svakog od njih je 626 kW, toplotna snaga je 834 kW. Proizvedena električna energija se dovodi u električnu mrežu, a toplina se koristi za proizvodnju plina. Nivoi emisije štetnih supstanci su ispod graničnih vrijednosti određenih njemačkim TA-Luft standardom.

Biogas postrojenje također radi u Eichigte na stočnoj farmi Agrofarm 2000 GmbH. Kompanija obrađuje 2.200 hektara obradivog zemljišta i 1.100 hektara pašnjaka u Eichigtu/Vogtlandu. Deo žetve gajenih useva koristi se kao hrana za 1.550 krava, od kojih se proizvodi 10.650.000 kg mleka godišnje. Istovremeno se dnevno formira od 110 do 120 m 3 tekućeg stajnjaka - on se "fermentira" u fermentoru, zbog čega se proizvodi 4000 ... 4400 m 3 bioplina. U stajnjak se dodaju ostaci stočne hrane (do 4 t/dan), zbog čega se proizvodnja gasa povećava za 20%.

Mini-CHP je ugrađen u kontejner (slika 2), kao pogon se koristi motor TBG 616 V16 K, čija je električna snaga 459 kW, toplotna snaga 225 kW. Električna energija se isporučuje u elektroenergetsku mrežu, a toplinska energija se koristi za potrebe privrede. Tečni stajnjak se koristi kao sirovina za biogas.

Slika 2 - MWM kogeneracijska jedinica (bivši DEUTZ Power Systems) u kontejnerskoj verziji sa TBG 616 V16 motorom

Ciklus recikliranja biomase je praktički bez otpada. Ostaci koji nastaju anaerobnim procesom "probavljanja" su bez mirisa i mogu se koristiti na poljima kao đubrivo tokom cijele godine.

zaključci

• Upotreba poljoprivrednog otpada kao biogoriva omogućava zatvoreni ciklus poljoprivredne proizvodnje. Ostatak od anaerobne digestije je bez mirisa i može se odneti na polja kao đubrivo. Ovu vrstu đubriva biljke odmah apsorbuju bez zagađivanja tla ili podzemnih voda.
• Proizvodnja energije iz biogasa, u svjetlu redovnih energetskih kriza, smatra se obećavajućim obnovljivim izvorom energije. Bioplinska postrojenja pretvaraju sunčevu energiju koju biljke pohranjuju u bioplin kroz proces biorazgradnje. Ovaj proces je neutralan u odnosu na ravnotežu CO 2, jer se u atmosferu oslobađa samo količina ugljičnog dioksida koju su biljke prethodno apsorbirale tokom fotosinteze.
• Proizvodnja električne i toplotne energije u bioplinskim postrojenjima je obećavajuća tehnologija koja pomaže čovječanstvu da postane neovisna o ograničenim rezervama fosilnih goriva, a također štiti okoliš.
• MWM GmbH svojim kupcima nudi sisteme za proizvodnju energije i toplote zasnovane na savremenim, sigurnim i pouzdanim gasnim motorima.

Originalni članak je štampan za: VIth Međunarodnu naučnu konferenciju PLINSKI MOTORI 2003 u Poljskoj, 2. - 6. juna 2003.

Glavni način korištenja bioplina je pretvaranje u izvor toplinske, mehaničke i električne energije. Međutim, velika bioplinska postrojenja mogu se koristiti za stvaranje proizvodnih pogona za proizvodnju vrijednih kemijskih proizvoda za nacionalnu ekonomiju.

Biogas se može koristiti u uređajima za sagorevanje gasa koji generišu energiju koja se koristi za grejanje, osvetljenje, snabdevanje radnji za pripremu hrane, za rad bojlera, gasnih peći, infracrvenih emitera i motora sa unutrašnjim sagorevanjem.

Najjednostavniji način je sagorijevanje bioplina u plinskim gorionicima, budući da se plin u njih može opskrbljivati ​​iz plinskih spremnika pod niskim tlakom, ali je poželjnije koristiti bioplin za proizvodnju mehaničke i električne energije. To će dovesti do stvaranja vlastite energetske baze koja obezbjeđuje operativne potrebe farmi.

Tabela 18 Komponente bioplina

Plinski gorionici

Fig.34. Plinski štednjak radi
na biogas u Petrovka

Osnova većine kućanskih aparata u kojima se može koristiti biogas je plamenik. U većini slučajeva preferiraju se gorionici atmosferskog tipa, koji rade na biogas pomiješan sa zrakom. Potrošnja plina gorionicima je teško unaprijed izračunati, pa se dizajn i podešavanje gorionika moraju eksperimentalno odrediti za svaki pojedinačni slučaj.

U poređenju sa drugim gasovima, biogasu je potrebno manje vazduha za paljenje. Posljedično, konvencionalnim plinskim uređajima su potrebne šire mlaznice za prolaz bioplina. Za potpuno sagorevanje 1 litre biogasa potrebno je oko 5,7 litara vazduha, dok za butan - 30,9 litara, a za propan - 23,8 litara. .

Modifikacija i adaptacija standardnih gorionika je stvar eksperimentiranja. U odnosu na najčešće kućne aparate prilagođene za upotrebu butana i propana, može se primijetiti da butan i propan imaju kalorijsku vrijednost skoro 3 puta veću od bioplina i daju 2 puta više plamena.

Pretvaranje gorionika na biogas uvijek rezultira nižim nivoima rada uređaja. Praktične mjere za modifikacije gorionika uključuju:
povećanje mlaznica za 2-4 puta za prolaz plina;
promjena volumena dovoda zraka.

plinske peći
Prije upotrebe plinske peći, gorionici moraju biti pažljivo podešeni kako bi se postiglo:
kompaktan, plavičasti plamen;
plamen mora spontano da se stabilizuje, tj. dijelovi gorionika koji ne gori trebaju sami upaliti u roku od 2-3 sekunde.

Fig.35. Bojler za grijanje vode
za grijanje doma zračećim keramičkim grijačima u selu. Petrovka

Zračni grijači
Zračni grijači se koriste u poljoprivredi za postizanje pravih temperatura za uzgoj mladih životinja kao što su prasad i kokoši u skučenim prostorima. Potrebna temperatura za prasad počinje od 30-35°C prve sedmice, a zatim polako pada na 18-23°C u 4. i 5. sedmici.

U pravilu se kontrola temperature sastoji u podizanju ili spuštanju grijača. Dobra ventilacija je neophodna kako bi se spriječile koncentracije CO ili CO2. Stoga se životinje moraju stalno nadzirati, a temperatura provjeravati u redovnim intervalima. Grijači za prasad ili piliće troše oko 0,2 - 0,3 m3 biogasa na sat.

Toplotno zračenje grijača

Fig.36. Regulator pritiska gasa

Foto: Vedenev A.G., PF "Fluid"

Radijacijski grijači provode infracrveno toplinsko zračenje kroz keramičko tijelo, koje se plamenom zagrijava do svijetlocrvenog stanja na temperaturama od 900-1000°C. Kapacitet grijanja radijacijskog grijača se određuje množenjem zapremine plina sa neto kaloričnom vrijednošću, budući da se 95% energije bioplina pretvara u toplinu. Izlaz toplotne energije iz malih grijača je
od 1,5 do 10 kW toplotne energije8.

Osigurač i filter zraka
Radijacioni grijači na biogas moraju uvijek biti opremljeni osiguračem koji prekida dovod plina u slučaju pada temperature, odnosno kada plin ne gori.

Potrošnja biogasa
Kućni plinski gorionici troše 0,2 - 0,45 m3 bioplina na sat, a industrijski - od 1 do 3 m3 bioplina na sat. Potrebna količina biogasa za kuhanje može se odrediti na osnovu vremena utrošenog dnevnog kuhanja.

Tabela 19. Potrošnja biogasa za domaće potrebe

Biogas motori
Biogas se može koristiti kao gorivo za automobilske motore, a njegova efikasnost u ovom slučaju zavisi od sadržaja metana i prisustva nečistoća. I karburatorski i dizel motori mogu raditi na metan. Međutim, budući da je biogas visoko oktansko gorivo, efikasnije ga je koristiti u dizel motorima.
Za rad motora potrebna je velika količina bioplina i ugradnja dodatnih uređaja na motore sa unutrašnjim sagorevanjem koji im omogućavaju da rade i na benzin i na metan.

Fig.37. Plinski generator u selu. Petrovka

Foto: Vedenev A.G., PF "Fluid"

Plinsko-električni generatori
Iskustvo pokazuje da je biogas ekonomski isplativo koristiti u plinskim agregatima, dok sagorijevanje 1 m3 biogasa omogućava proizvodnju od 1,6 do 2,3 kW električne energije. Efikasnost ovakvog korišćenja biogasa povećava se korišćenjem toplotne energije koja nastaje tokom hlađenja motora elektrogeneratora za zagrevanje reaktora biogasnog postrojenja.

Biogas čišćenje

Za korištenje bioplina kao goriva za motore s unutrašnjim sagorijevanjem potrebno je prethodno očistiti bioplin od vode, sumporovodika i ugljičnog dioksida.

Smanjenje vlage

Biogas je zasićen vlagom. Prečišćavanje biogasa od vlage sastoji se u njegovom hlađenju. Ovo se postiže propuštanjem biogasa kroz podzemnu cijev da bi se vlaga kondenzirala više niske temperature. Kada se plin ponovno zagrije, sadržaj vlage u njemu se značajno smanjuje. Ovo sušenje biogasa je posebno korisno za korišćena suha gasomera, jer se oni vremenom moraju napuniti vlagom.

Smanjenje sadržaja vodonik sulfida

Fig.38. Vodonik sulfidni filter i apsorber za odvajanje ugljičnog dioksida u selu. Petrovka
Foto: Vedenev A.G., PF "Fluid"
Vodonik sulfid, pomiješan u bioplinu s vodom, stvara kiselinu koja uzrokuje koroziju metala. Ovo je ozbiljno ograničenje upotrebe bioplina u bojlerima i motorima.
Najjednostavniji i najekonomičniji način uklanjanja sumporovodika iz bioplina je kemijsko čišćenje u posebnom filteru. Kao apsorber koristi se metalna "spužva" koja se sastoji od mješavine željeznog oksida i drvene strugotine. Uz pomoć 0,035 m3 metalnog sunđera iz biogasa se može izdvojiti 3,7 kg sumpora. Ako je sadržaj sumporovodika u biogasu 0,2%, onda se sa ovom zapreminom metalnog sunđera može prečistiti oko 2500 m3 gasa od sumporovodika. Da bi se sunđer regenerisao, mora se neko vrijeme držati u zraku.
Minimalna cijena materijala, jednostavnost rada filtera i regeneracija apsorbera čine ovu metodu pouzdanim sredstvom zaštite rezervoara za plin, kompresora i motora s unutarnjim izgaranjem od korozije uzrokovane produženim izlaganjem sumporovodiku sadržanom u bioplinu. Cink oksid je takođe efikasan apsorbent sumporovodika, a ova supstanca ima i dodatne prednosti: apsorbuje i organska jedinjenja sumpora (karbonil, merkaptan, itd.) 18

Smanjenje sadržaja ugljičnog dioksida
Smanjenje sadržaja ugljičnog dioksida je složen i skup proces. U principu, ugljen dioksid se može odvojiti apsorpcijom u krečno mleko, ali ova praksa proizvodi velike količine kreča i nije pogodna za upotrebu u sistemima velike zapremine. Sam ugljični dioksid je vrijedan proizvod koji se može koristiti u raznim industrijama.

Fig.39. UAZ na biogas
in with. Petrovka
Foto: Vedenev A.G., PF "Fluid"

Upotreba metana
Savremena istraživanja hemičara otkrivaju velike prilike upotreba gasa - metana, za proizvodnju čađi (boja i sirovina za industriju gume), acetilena, formaldehida, metil i etil alkohola, metilena, hloroforma, benzena i drugih dragocenih hemijskih proizvoda na bazi velikih bioplinskih postrojenja18 .

Potrošnja biogasa kod motora
In with. Petrovka, region Chui u Republici Kirgiskoj, biogas postrojenje Udruženja poljoprivrednika sa zapreminom od 150 m3 obezbeđuje 7 seljačkih farmi biogasom za domaće potrebe, rad gasno-električnog generatora i 2 vozila - UAZ i ZIL. Za rad na biogas, motori su opremljeni posebnim uređajima, a vozila čeličnim cilindrima za ubrizgavanje plina.
Prosječne vrijednosti potrošnje biogasa za proizvodnju 1 kW električne energije motorima Udruženja poljoprivrednika su oko 0,6 m3 na sat.

Tabela 20. Upotreba biogasa kao motornog goriva u selu Petrovka

Fig.40. Plamenik za sagorevanje viška biogasa u selu. Petrovka
Foto: Vedenev A.G., PF "Fluid"

Efikasnost biogasa
Efikasnost biogasa je 55% za plinske peći, 24% za motore sa unutrašnjim sagorevanjem. Najefikasniji način korišćenja biogasa je kombinacija toplote i energije, gde se može postići efikasnost od 88%. Upotreba bioplina za rad plinskih gorionika u plinskim pećima, kotlovima za grijanje, kuhalima za stočnu hranu i plastenicima - najbolji pogled upotreba biogasa za farme u Kirgistanu.

Višak biogasa
U slučaju viška biogasa koji proizvodi postrojenje, preporučuje se da se ne ispušta u atmosferu - to će dovesti do štetnog utjecaja na klimu, već da se spali. Da bi se to postiglo, u distributivni sistem gasa ugrađuje se uređaj za baklje, koji se mora nalaziti na sigurnoj udaljenosti od zgrada.