Газообразные топлива для двигателей внутреннего сгорания

При работе на газообразном топливе снижаются нагарообразование, расход моторного масла. Кроме того, газообразное топливо обладает высокими октановыми числами и теплотой сгорания.

В табл. 1 приведены некоторые показатели качества газообразных углеводородов.

Таблица 1. Показатели газообразных углеводородов

* Определено по исследовательскому методу.

1. Сжиженные нефтяные газы

Сжиженный нефтяной газ (СНГ) (англ. liquefied petroleum gas — LPG), или сжиженный углеводородный газ (СУГ), — смесь сжатых под давлением легких углеводородов с температурой кипения от –50 до 0 °C. Предназначен для применения в качестве топлива. Состав может существенно различаться. Основные компоненты: пропан, пропилен, изобутан, изобутилен, н-бутан и бутилен. СНГ являются наиболее высококачественным продуктом переработки нефти и нефтяного попутного газа. Как моторное топливо СНГ обладают важными преимуществами при использовании в автомобильных двигателях. Эти газы обладают высокой теплотой сгорания, транспортабельны. При работе на сжиженных газах двигатели имеют высокие технико-экономические и санитарно-гигиенические показатели. Сжиженные газы переходят из газообразного состояния (паровой фазы) в жидкое (жидкую фазу) при температуре окружающего воздуха и относительно небольших давлениях.

Для автомобильного транспорта по ГОСТ 27578–87 выпускают сжиженный газ марок ПА — пропан автомобильный — и ПБА — пропан-бутан автомобильный (табл. 2). Газ марки ПБА предназначен для всех климатических районов при температуре окружающего воздуха не ниже –20 °С, а для газа марки ПА рекомендуется температурный интервал применения от –20 до –35 °С. В весенний период с целью полного израсходования запасов сжиженного газа марку ПА допускается применять при температуре до 10 °С.

Таблица 2. Физико-химические показатели сжиженных автомобильных газов марок ПА и ПБА

По ГОСТ 20448–88 выпускают сжиженные газы следующих марок: СПБТЗ — смесь пропана и бутана техническая зимняя для коммунально-бытового потребления; СПБТЛ — смесь пропана и бутана техническая летняя для коммунально-бытового потребления и других целей; БТ — бутан технический для коммунальнобытового потребления и других целей (табл. 3).

Таблица 3. Основные нормативные показатели сжиженных газов разных марок

Основные компоненты сжиженного газа, обеспечивающие оптимальное давление насыщенных паров в газовом баллоне, — пропан и пропилен. Давление насыщенных паров существенно влияет на работу газовой установки автомобиля. Давление паров растет с повышением температуры, причем у пропана значительно быстрее, чем у бутана. Чем больше в пропан-бутановой смеси пропана, тем выше упругость паров смеси. Зная давление смеси при определенной температуре, можно оценить процентное содержание в нем пропана и бутана.

Все компоненты сжиженного газа, кроме метана и этилена, тяжелее воздуха, поэтому при утечках они скапливаются в низких местах (на полу, в канавах, приямках), образуя взрывоопасную смесь. Сжиженные газы менее пожаро- и взрывоопасны, чем пары бензина. Сжиженные газы образуют с воздухом взрывоопасные смеси при концентрации паров пропана от 2,1 до 9,5 %, изобутана — от 1,8 до 8,4 %, нормального бутана — от 1,5 до 8,5 % по объему при температуре 15…20 °С.

Температура самовоспламенения в воздухе при давлении 0,1 МПа (760 мм рт. ст.) составляет: 466 °С — для пропана; 462 °С — для изобутана; 405 °С — для бутана. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны (в перерасчете на углерод): пропана — 300 мг/м3, непредельных углеводородов — 100 мг/м3.

Сжиженные газы обладают высокой детонационной стойкостью. Например, октановое число пропана, определенное по моторному методу, равно 96, бутана — 90. Однако некоторые компоненты газа имеют сравнительно низкие октановые числа. Так, октановое число бутилена 80, пропилена — 85, вследствие чего их содержание в сжиженном газе ограничивают.

Для ощущения присутствия газа в окружающем воздухе ему придают специфический запах, добавляя резко пахнущие вещества — одоранты. Из них наиболее широко применяют этилмеркаптан: 2,5 г на 100 л сжиженного газа. При такой степени одоризации можно по запаху определить 0,4…0,5 % газа в воздухе. Данная концентрация газа в воздухе невзрывоопасна, так как составляет всего лишь 20 % нижнего предела воспламеняемости.

Основные физико-химические характеристики — давление насыщенных паров, плотность газа, теплота сгорания, точка росы и элементарный состав. Физические свойства СНГ в значительной степени зависят от их химического состава.

Основные компоненты СНГ (табл. 4) кипят при низких температурах, поэтому при нормальной температуре и атмосферном давлении они могут находиться только в газовой фазе. Для хранения СНГ в жидком виде необходимо повышать давление, и тем больше, чем выше температура, что объясняется ростом давления насыщенных паров СНГ. Пропан и бутан при температуре соответственно 96,6 и 152,0 °С не могут существовать в жидкой фазе даже в случае превышения давления, соответственно 4,25 и 3,80 МПа. Такие параметры для пропана и бутана являются критическими.

Давление насыщенных паров — давление паров в присутствии жидкой фазы. СНГ представляют собой насыщенные кипящие жидкости. При наличии свободной поверхности над жидкой фазой всегда возникает двухфазная система жидкость — пар. Давление паров СНГ изменяется в зависимости от температуры жидкой фазы. При температуре кипения СНГ давление насыщенных паров равно атмосферному. При повышении температуры внешней среды до температуры, равной критической температуре компонентов газа, давление насыщенных паров резко возрастает.

Таблица 4. Основные физико-химические свойства отдельных составляющих СНГ

Примечание. Приведенные параметры, кроме плотности, получены при температуре газа 15 °С.

Зная давление насыщенных паров, можно правильно рассчитать объем, который может занимать СНГ при определенной максимальной температуре внешней среды, а также обеспечить подачу жидкой и газовой фаз в систему питания двигателя.

Этан, входящий в состав СНГ в незначительных количествах, обладает достаточно высоким давлением насыщенных паров. Последнее способствует поддержанию необходимого давления в баллоне при отрицательных температурах внешней среды. Бутановая составляющая, которая включает нормальный бутан, изобутан, бутилен, изобутилен и другие изомеры, имеет высокую теплоту сгорания и легко сжижается. СНГ с большим содержанием бутана

целесообразно применять при положительных температурах окружающей среды, особенно в районах с жарким климатом.

В зависимости от температуры газа насыщенные пары СНГ имеют широкие пределы изменения давления. При одной и той же температуре давление насыщенных паров различных углеводородов неодинаково.

Давление насыщенных паров оказывает заметное влияние на эффективность подачи газового топлива в двигатель. При отрицательных температурах для надежной подачи газа в баллоне необходимо иметь достаточное избыточное давление.

К факторам, влияющим на давление внутри баллона, относят температуру и соотношение основных компонентов СНГ (пропана и бутана). Для смеси СНГ, состоящей из 80 % пропана и 20 % бутана, при температуре –25 °С давление насыщенных паров составляет 0,1 МПа, а при температуре 30 °С достигает 0,8 МПа.

СНГ обладают большим коэффициентом объемного расширения. При полном заполнении баллона (паровая подушка отсутствует) даже незначительное повышение температуры может привести к резкому увеличению давления, которое в этом случае составит около 0,7 МПа на 1 °С.

В эксплуатационных условиях паровая подушка газового баллона для обеспечения безопасной эксплуатации автомобиля должна иметь определенный объем. Объем паровой подушки, составляющий 10 % полного объема, обеспечивает оптимальное давление в газовом баллоне при изменении температуры СНГ в пределах от

–10 до 25 °С. Повышение температуры газа в указанных пределах может произойти лишь при длительном хранении автомобиля с полностью заправленным баллоном. Поэтому при постановке автомобиля на длительное хранение часть газа из баллона должна быть израсходована. При эксплуатации автомобиля, когда газ расходуют из баллона постоянно, возникновение подобной ситуации практически исключено.

Плотность СНГ в жидком состоянии определяют при температуре 15 °С и давлении, равном давлению насыщенных паров, а в газовом — при атмосферном давлении и температуре 0 и 15 °С. Плотность СНГ в жидком состоянии, как и любой жидкости, не зависит от давления и является функцией температуры. С увеличением температуры СНГ плотность компонентов уменьшается в результате теплового расширения. При нормальных атмосферных условиях и температуре 15 °С плотность пропана в жидком состоянии составляет 510 кг/м3, бутана — 580 кг/м3. Плотность пропана в газовом состоянии при атмосферном давлении и температуре 15 °С равна 1,9 кг/м3, бутана — 2,55 кг/м3. При нормальных атмосферных условиях и температуре 15 °С из 1 кг жидкого бутана образуется 0,392 м3 газа, из 1 кг пропана — 0,526 м3.

Относительная плотность основных газовых компонентов СНГ (по воздуху) составляет: для пропана — 1,562, для бутана — 2,091. Поэтому при наличии утечек СНГ могут скапливаться в искусственных (осмотровые канавы, траншеи и приямки) и естественных непроветриваемых углублениях, а также на поверхности земли, образуя взрывоопасную смесь.

Теплота сгорания — количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 м3 газа при атмосферном давлении и температуре 20 °С, — является одним из важнейших количественных показателей топливно-энергетических возможностей СНГ.

Различают высшую Q_в и низшую Q_н теплоту сгорания газа. При определении высшей теплоты сгорания газа учитывают всю теплоту, выделившуюся во время сгорания и отведенную от продуктов сгорания путем их охлаждения до начальной температуры. На практике образовавшиеся пары воды не конденсируются и уносят часть теплоты, затраченной на нагревание 1 кг воды от 0 до 100 °С, которая равна 418,6 кДж.

При сгорании на испарение влаги, содержащейся в топливе и полученной от сгорания водорода, затрачивается теплота. Поэтому для характеристики газовых топлив на практике применяют низшую теплоту сгорания газа, которая является стандартной величиной.

Точка росы паров СНГ при атмосферном давлении совпадает с температурой кипения. По мере увеличения давления точка росы жидкой фазы СНГ заметно повышается. Бутан по сравнению с пропаном склонен к конденсации в большей степени.

Элементарный состав СНГ относят к числу наиболее важных оценочных параметров газа. Он позволяет судить о качестве СНГ. Зная элементарный состав, можно расчетным путем определить теплоту сгорания газа и количество воздуха, необходимое для полного его сгорания. Теплота сгорания (кДж/кг) газа может быть рассчитана по формуле

Q_и = 33 210Q_C + 109 060Q_Н, (16)

где Q_и — теплота сгорания газа, кДж/кг; Q_C — количество углерода, в объемных долях; Q_Н — количество водорода, в объемных долях.

В формуле (16) состав СНГ представлен в объемных долях или в процентах.

СНГ характеризуется углеродным числом, представляющим собой отношение молекулярных масс углерода и водорода. Газовое топливо имеет более благоприятное, чем бензин, соотношение углерода (С) и водорода (Н). Углеродное число у современных бензинов составляет около 6, а у СНГ оно равно 4,9 (ПГ 2,98). Более высокое содержание в газовом топливе водорода обеспечивает более полное сгорание в цилиндрах двигателя.

Основные моторные свойства СНГ приведены в табл. 5.

Таблица 5. Основные моторные свойства СНГ

СНГ обладают сравнительно простыми структурами молекул, поэтому имеют более высокие октановые числа по сравнению с жидкими топливами нефтяного происхождения. Октановое число отдельных компонентов СНГ составляет 85…125. Влияние степени сжатия на мощностные и экономические показатели двигателя связано с высокой антидетонационной стойкостью газовых топлив. Детонационные характеристики газов и бензинов приведены в табл. 6.

Теплота сгорания характеризуется стехиометрическим составом смеси и теоретически необходимым количеством воздуха для ее полного сгорания.

Таблица 6. Детонационные характеристики газов и бензинов

Примечание. В скобках приведены данные, полученные исследовательским методом.

Стехиометрический коэффициент представляет собой массу (объем) воздуха, теоретически необходимого для полного сгорания топлива. При полном сгорании газ превращается в продукты полного окисления — углекислый газ и водяные пары:

С₃Н₈ + 5О₂ = 3СО₂ + 4Н₂О;

С₄Н₈ + 6,5О₂ = 4СО₂ + 5Н₂О. (17)

Для полного сгорания пропана на одну его молекулу требуется 5 молекул кислорода, бутана — 6,5 молекулы. Содержание кислорода в воздухе, как известно, составляет 21,0 %. Поэтому для полного сгорания 1 м3 пропана требуется 24 м3 воздуха, для бутана — 31 м3. При сгорании СНГ необходимая масса (объем) воздуха

всегда будет больше по сравнению с массой бензина. Верхний предел воспламеняемости пропан-бутановых смесей характеризуется содержанием 8,4…9,9 % газа в воздухе, нижний предел — 1,8…2,4 %, пределы воспламенения бензина в смеси с воздухом составляют соответственно 6,0 и 1,5 %. Таким образом, пределы воспламенения СНГ на 15…25 % выше по сравнению с бензином.

Теплота сгорания газового топлива не эквивалентна теплоте сгорания горючей смеси, поэтому законы аддитивности при расчетах неприменимы. Для газообразных топлив теплота сгорания горючей смеси

(18)

где Н_н — удельная теплота сгорания единицы объема газа, кДж/м3;

l₀ — стехиометрический коэффициент горючей смеси, м3/м3.

Выделение теплоты на единицу массы у СНГ несколько больше, чем у бензина. Однако если сравнивать выделение теплоты на единицу объема горючей смеси, то окажется, что при использовании СНГ оно снижается по сравнению с бензином на 6…8 %. С увеличением коэффициента l₀ теплота сгорания горючей смеси газовых топлив уменьшается в меньшей степени по сравнению с жидкими топливами.

При переводе двигателя с жидкого топлива на СНГ при одних и тех же режимах работы его мощность снижается. Причины этого явления связаны в основном с уменьшением: теплоты сгорания горючей смеси; коэффициента наполнения цилиндра; коэффициента молекулярного изменения при сгорании газообразных топлив.

Поскольку СНГ поступает в двигатель только в газообразном состоянии, то в результате уменьшения коэффициента наполнения снижается мощность двигателя. Наиболее заметно (5…10 %) снижается мощность двигателя при высокой частоте вращения коленчатого вала. Ранней установкой угла опережения зажигания до высшей мертвой точки на 3…5° этот недостаток можно несколько компенсировать.

2. Природный газ

Природный газ — смесь газов, образовавшаяся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ. Относится к полезным ископаемым. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии — в виде отдельных скоплений или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений либо в растворенном состоянии в нефти или воде. В стандартных условиях (101,325 кПа и 20 °С) природный газ находится только в газообразном состоянии.

Основную часть природного газа составляет метан CH₄ — до 98 %. В состав природного газа могут также входить более тяжелые углеводороды — гомологи метана: этан C₂H₆, пропан C₃H₈, бутан C₄H₁₀, а также другие неуглеводородные вещества: водород H₂, сероводород H₂S, диоксид углерода СО₂, азот N₂, гелий Не.

Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество веществ, имеющих сильный неприятный запах — одорантов. Чаще всего в качестве одоранта применяется этилмеркаптан.

Компримированный природный газ (КПГ) (англ. сompressed natural gas — CNG) — сжатый природный газ, используемый в качестве моторного топлива, получают из природного газа непосредственно на газовых месторождениях или из попутных газов при разработке нефтяных месторождений (ГОСТ 27577–2000). Природный газ состоит в основном из метана (82…98 %) с небольшими примесями этана (до 6 %), пропана (до 1,5 %) и бутана (до 1 %).

По теплоте сгорания КПГ можно подразделить на высококалорийные (величина Q_н составляет 23…37,7 МДж/м3), среднекалорийные (15…23 МДж/м3) и низкокалорийные (4,2…15 МДж/м3). К высококалорийным газам относится природный газ, канализационный газ (биогаз), очищенный от углекислого газа; к среднекалорийным газам — коксовый газ, городской и некоторые промышленные газы; к низкокалорийным — доменный, генераторный газы. Средне- и низкокалорийные горючие газы в настоящее время для автомобильного транспорта в компримированном (сжатом) виде не применяют. КПГ кроме горючих составляющих содержит некоторое количество негорючих компонентов — азот, углекислый газ, пары воды. Для выравнивания теплоты сгорания в КПГ могут вводиться добавки пропана и бутана.

По токсикологической характеристике КПГ в соответствии с ГОСТ 1.005–76 относят к веществам класса 4. Предельно допустимая концентрация природного газа на рабочих местах и в рабочих зонах не должна превышать 300 мг/м3 (в пересчете на углерод).

Основной частью природного газа являются метан и группа более сложных углеводородов (этан, пропан, бутан).

Метан — газ без цвета и запаха, малорастворим в воде, легче воздуха (относительная плотность по воздуху 0,55). Его относят к предельным углеводородам, молекулы которых состоят только из углерода и водорода. Высокое содержание водорода в КПГ обеспечивает более полное сгорание топлива в цилиндрах двигателя по сравнению с СНГ и бензином. Метан представляет собой полноценное топливо для автомобилей с хорошими антидетонационными характеристиками и имеет достаточно высокий удельный термодинамический потенциал (табл. 7).

Таблица 7. Характеристики метана

Природный газ по своим свойствам пригоден для использования в качестве топлива для автомобильных двигателей без значительной технологической обработки. Однако, как и любое топливо, газ должен пройти предварительную подготовку не только для хранения на автомобиле, но и для регламентации параметров, влияющих на эксплуатационные качества автомобиля.

КПГ должен быть стабилен не только по компонентному составу, но и по содержанию различных примесей. Так, содержание жидкого остатка, представляющего собой группу тяжелых углеводородов, например пентана, в газе, не прошедшем технологическую обработку, колеблется в широких пределах.

Наличие инертных газов в КПГ существенно влияет на стабильность показателей газовых двигателей. Зависимость теплоты сгорания горючей смеси от содержания в ней инертных газов имеет линейный характер. Если в горючей смеси содержится 1 % инертных газов при коэффициенте избытка воздуха α = 1,0, то удельная теплота сгорания ее составляет 33 МДж/м3. Увеличение содержания инертных газов до 10 % обедняет состав горючей смеси (α = 1,12), а теплота ее сгорания уменьшается на 10 %. Одна из наиболее важных проблем связана с повышенной концентрацией влаги в природном газе и его осушкой. Содержание влаги в газовом топливе для автомобилей не должно превышать 9 мг/м3. Наличие влаги в природном газе вызывает образование ледяных пробок в системе питания двигателя. Опыт эксплуатации показывает, что подобные явления наступают, когда природный газ содержит 15…30 мг/м3 влаги. Точка росы водяных паров составляет –30 °С.

При заправке газового баллона в начальный период происходит охлаждение газа. Понижение температуры газа связано с дроссельным эффектом Джоуля — Томпсона в процессе расширения газа. При снижении давления на каждые 0,1 МПа температура газа снижается на 2,5 °С. Кроме того, в результате торможения струи газа, входящего в баллон, происходит интенсивный теплообмен между баллоном и газом. По мере увеличения степени заполнения баллона дроссельный эффект снижается, в результате чего повышается теплосодержание газа в баллоне.

Хранение и транспортировка КПГ происходит в специальных баллонах под давлением 19,6…32 МПа. Температура газа, заправляемого в баллон, не должна превышать температуру окружающего воздуха более чем на 15 °С. Газ способен образовывать с воздухом взрывоопасные смеси.

Пределы воспламенения газа (по метану) в смеси с воздухом при температуре 20 °С и нормальном давлении составляют 5…15 % (по объему). Предельно допустимая концентрация углеводородов газа в воздухе рабочей зоны должна быть не более 300 мг/м3 в пересчете на углерод, а сероводорода — не более 10 мг/м3.

Применение компримированных газов, особенно природных, наиболее выгодно в районах их добычи, переработки, вблизи газовых магистралей, а также в газифицированных городах.

Сжатые газы обладают повышенной испаряемостью, что приводит к их повышенным потерям. Кроме того, они имеют большую пожароопасность. При использовании сжатых газов особое внимание следует уделять содержанию влаги, так как она вызывает серьезные неполадки в работе системы питания.

Основные физико-химические показатели природного компримированного газа представлены в табл. 8.

Таблица 8. Физико-химические показатели КПГ

К главным моторным свойствам газов относят детонационную стойкость и теплоту сгорания в смеси с воздухом и теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания стехиометрической смеси. СНГ и особенно КПГ по детонационной стойкости превосходят лучшие сорта автомобильных бензинов (табл. 9).

Таблица 9. Основные моторные свойства КПГ

Максимальное октановое число КПГ в соответствии с компонентным составом на 18…20 % выше по сравнению с лучшими сортами бензинов. Это позволяет форсировать бензиновые двигатели при работе на КПГ по степени сжатия.

3. Сжиженный природный газ

Сжиженный природный газ (СПГ) (англ. liquefied natural gas — LNG) — природный газ, сжижаемый при охлаждении или под давлением для облегчения хранения и транспортировки.

Природный газ при нормальных условиях не может быть получен в жидком состоянии. В жидкое состояние газ может быть переведен только при глубоком охлаждении, сопровождающемся значительными затратами энергии. СПГ представляет собой бесцветную жидкость без запаха, плотность которой в 2 раза меньше плотности воды.

Охлаждаемый до температуры –161,7 °С метан при атмосферном давлении переходит в жидкое состояние и уменьшается в объеме в 600 раз. Сжижают природный газ на специальных установках. Технология сжижения предусматривает и операции очистки, осушки, отделения тяжелых углеводородов, азота и других примесей. Номинальное рабочее давление в криогенном баллоне автомобиля, работающего на СПГ, в зависимости от конструкции баллона составляет 0,07…0,7 МПа.

Основными компонентами этого вида топлива являются метан (96…97 %) и азот (3…4 %). Другие составляющие природного газа содержатся в сжиженном виде в крайне незначительных количествах, и ими можно пренебречь. Основные физико-химические свойства СПГ приведены в табл. 10.

Таблица 10. Основные физико-химические свойства СПГ

4. Генераторный газ

Генераторный газ — газ, который получают при перегонке твердого топлива с недостатком воздуха около 60 % в специальных устройствах — газогенераторах. В качестве твердого топлива используют каменный или бурый уголь, дрова, торф, брикеты из различных сельскохозяйственных отходов (опилок, подсолнечной лузги, льняной костры и т.п.). В зависимости от вида применяемого для газификации твердого топлива состав генераторного газа следующий, %: СО — 25…30; Н₂ — 12…15; СН₄ — 0,5…3,5; СО₂ — 5…8; О₂ — 0,2…0,5; N₂ — 45…50.

Возможность тех явлений, которые ведут к образованию генераторного газа, основывается на способности угля и углеродистого топлива образовывать в первый момент горения углекислый газ СО₂ и уголь. Образовавшемуся углекислому газу с накаленным углем свойственно при отсутствии избытка воздуха образовывать горючую окись углерода СО:

СО₂ + С = 2СО,

которая и составляет горючую часть генераторного газа.

5. Биогаз

Смесь метана и диоксида углерода при наличии небольшого количества других газов называют биогазом. Его состав, %: СН₄ — 55…80; СО₂ — 15…40; H₂S — 0…1; N₂ — 0…1; Н₂ — 0…1.

Получают биогаз практически из любых отходов (солома, зерно, отходы жизнедеятельности животных, силос, подстилка для скота, пищевые и другие отходы ферм, твердые бытовые отходы, отходы предприятий, перерабатывающих сельскохозяйственную продукцию). В результате переработки отходов в биогаз можно дополнительно получить до 10 % производимой в мире энергии.

Практически метановому брожению могут быть подвергнуты органические отходы любой влажности — от 30 до 90 %. Но совершенно очевидно, что конструкции реакторов и технологии будут существенно различаться. Для брожения жидких (85…98 % влажности) отходов используются цилиндрические (вертикальные и горизонтальные) емкости. В таких реакторах процесс может осуществляться непрерывно или полупериодически.

Отходы 75…80%-ной влажности подвергаются брожению в установках батарейного типа, процесс осуществляется периодически, т.е. реактор загружается целиком сырьем данной влажности, обсеменяется необходимой микрофлорой и по окончании брожения полностью освобождается. Из 1 т органического субстрата — сухого вещества — можно получить следующее количество биогаза, м3:

• отходы крупного рогатого скота — 260…350;
• отходы свиноводства — 400…500;
• птичий помет — 460…660;
• твердые бытовые отходы — 300…400.

При оптимальных условиях сбраживания из 1 т сухого вещества навоза можно получить 350 м3 биогаза, в пересчете на одну голову крупного рогатого скота — 2,5 м3/сут (около 900 м3 в год). По теплоте 1 м3 биогаза эквивалентен 4 кВт · ч электроэнергии, 0,6 кг керосина, 1,5 кг каменного угля, 3,5 кг дров, 0,4 м3 бутана и 12 кг навозных брикетов. Рассчитав эквивалент получаемого по данной технологии биогаза к традиционному моторному топливу, можно констатировать достаточно парадоксальный на первый взгляд факт: одна корова кроме молока дает еще около 700 л бензина в год. Из 1 т куриного помета можно получить моторное топливо, эквивалентное 800 л бензина. Для пересчета количества биогаза, получаемого на птицеводческих и животноводческих комплексах, можно пользоваться следующим условным соотношением:

1 корова = 4 свиньи = 250 кур.

При производстве биогаза с помощью анаэробного сбраживания различают три стадии:

• гидролизную;
• кислотную;
• метановую.

На стадии гидролиза (осахаривания) происходит разложение очень больших молекул на маленькие, простые молекулы, которые способны пройти через бактериальные мембраны. Реакция имеет вид

(19)

В течение кислотной стадии сложные молекулы типа протеина, жиров, спиртов, глюкозы разбиваются кислотообразующими бактериями в органические кислоты (молочную кислоту), СО₂, Н₂, NH₃ и т.д. по схеме:

(20)

На метановой стадии Н₂ и СО₂ образуют некоторое количество метана, а ферментация кислот и спиртов дает еще больше метана:

4Н₂ + СО₂ → 2Н₂О + СН₄, (21)

СН₃СН₂ОН + СО₂ → СН₃СООН + СН₄, (22)

СН₃СООН → СО₂ + СН₄, (23)

СН₃СН₂СН₂СООН + Н₂О + СО₂ → СН₃СООН + СН₄. (24)

На биогазовых установках все три стадии протекают одновременно, и если какая-либо из них доминирует, то производство метана значительно затрудняется. При сильной кислотности метанобразующие бактерии не функционируют, поэтому рекомендуется поддерживать слабощелочную среду (рН 6,8…7,2).

Для реализации контролируемого анаэробного сбраживания созданы биоэнергетические установки различного масштаба, применяемые в условиях индивидуальных хозяйств, где содержатся 2…6 голов крупного рогатого скота, или крупных животноводческих комплексов и птицефабрик. Технологическая схема одной из таких установок изображена на рис. 2.

Рис. 2. Схема биогазовой установки: 1 — ферма; 2 — накопитель; 3 — насос; 4 — отделитель грубых включений; 5 — насос-дозатор; 6 — метантенк; 7 — гидрозатвор; 8 — концентраторсмеситель; 9 — блок-контейнер; 10 — газгольдер

Отходы содержания животных (птицы) поступают с фермы в накопитель. Из него исходное сырье с помощью погружного насоса подается на отделитель грубых включений, а затем насосомдозатором — в метантенк. Периодичность работы насоса-дозатора определяется программным устройством. Метантенк оборудован системой подогрева поступающей биомассы и поддержания необходимого температурного режима метановой генерации. В генераторе биогаза имеются перемешивающие устройства, а также система принудительного отвода биогаза и выгрузки переработанной биомассы.

В метангенераторе под действием анаэробных микроорганизмов происходит сбраживание исходного субстрата без доступа воздуха. Результатами этого процесса являются биогаз и обеззараженные жидкие органические удобрения без неприятного запаха. При этом семена сорных растений теряют всхожесть.

Жидкие органические удобрения удаляются из метантенка через гидрозатвор и могут быть сразу же использованы для внутрипочвенного внесения либо подаваться на очистку в систему биопрудов, где выращиваются рачки и рыба. Для получения твердых удобрений, более удобных для хранения и транспортировки, сброженная масса поступает в концентратор-смеситель, где доводится до пастообразного состояния при смешивании с сорбентом — опилками, торфом и др. Твердые удобрения можно получить также путем отгонки на центрифуге.

Выработанный биогаз собирается в газгольдере. Частично он расходуется на собственные нужды установки (до 30 %), поступая в блок-контейнер, где размещены котел для подогрева воды, насос, средства контроля и автоматики. Остальной биогаз используется другими потребителями на бытовые и энергетические нужды.

Биогаз как альтернативный энергоноситель может служить высококалорийным топливом. Он предназначен для улучшения технико-эксплуатационных и экологических показателей работы двигателя внутреннего сгорания и стационарных энергоустановок. После отмывки от углекислоты этот газ является достаточно однородным топливом, содержащим до 80 % метана с теплотворной способностью более 25 МДж/м3. Применение биогаза в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания осуществляется путем использования серийно выпускаемой топливной аппаратуры для природного газа с коррекцией соотношения топливо – воздух. Предлагаемая система в сравнении с газовым двигателем позволяет снизить выбросы оксидов азота на 25 % и оксида углерода — на 20 %, а также улучшить топливную экономичность на 12 %. Некоторое снижение эффективной мощности, вызванное присутствием балластных компонентов, практически полностью компенсируется за счет высоких антидетонационных качеств биогаза путем соответствующего повышения степени сжатия. Присутствие небольшого количества водорода в биогазе положительно сказывается на качестве протекания рабочего процесса и не вызывает характерных для водородных двигателей преждевременного воспламенения рабочей смеси и так называемой обратной вспышки.

Биометан имеет более высокую детонационную стойкость, что позволяет снижать концентрацию вредных веществ в отработанных газах и уменьшать количество отложений в двигателе. Ввиду отсутствия жидкой фазы масляная пленка с цилиндров двигателя не смывается, износ деталей цилиндропоршневой группы уменьшается в 2 раза. Выброс токсических составляющих сокращается в 3–8 раз. Компанией Volvo реализуется проект перевода городских автобусов г. Гетеборга на биогаз (свалочный газ). Подтверждено, что при переводе автотранспорта на биогаз суммарные парниковые эмиссии сократились на 90 %.

Основным сдерживающим фактором широкого применения сжатого биометана в качестве моторного топлива, как и КПГ, является транспортировка толстостенных баллонов, составляющих до 96 % веса топливной системы. На 100 км пути для 3-тонной автомашины потребуется более 30 м3 газа. При давлении 20 МПа в баллон емкостью 50 л вмещается до 10 м3 газа, следовательно, для суточного пробега необходимо иметь не менее восьми таких баллонов (вес около 700 кг).

Биометан, как и другие газовые топлива, имеет низкую объемную концентрацию энергии, поэтому в качестве моторного топлива он может применяться в сжатом (до 20…40 МПа) или сжиженном состоянии. Уменьшить объем газа почти в 600 раз позволяет его сжижение. Но до последнего времени не существовало экономически целесообразной технологии сжижения газообразного биометана, поэтому в двигателях внутреннего сгорания он ранее не применялся.

Применение сжатого биометана на мобильной сельскохозяйственной технике затруднено из-за массогабаритных показателей топливных систем, сложности размещения баллонов на тракторах без ухудшения их агротехнических показателей, невозможности

обеспечения необходимым запасом моторного топлива при проведении посевных и уборочных работ. Для тракторной техники расход биометана составляет 4…5 кг/ч, а баллон содержит всего 4,3 кг газа, т.е. трактор с 4 баллонами сможет проработать не более 3…4 ч. Применение сжиженного биометана позволяет уменьшить массу топливной системы в 3–4 раза, а ее объем — в 2–3 раза по сравнению со сжатым биометаном.

Основные недостатки применения биогаза вместо бензинов:

• меньшие значения низшей теплоты сгорания биовоздушных смесей, а соответственно, и худшие технико-экономические показатели работы двигателей. При простой замене бензинов биогазом потери мощности достигают 20…22 %, экономичности — 25 %;
• меньшая скорость сгорания биосмесей, а в итоге — растягивание процесса сгорания на такт расширения и, как результат, уменьшение мощности и увеличение удельного эффективного расхода топлива (или уменьшение эффективного КПД);
• меньшее массовое наполнение цилиндров свежим зарядом из-за подогревания его при впуске, что также уменьшает мощность и увеличивает расход топлива;
• более высокое значение температуры самовоспламенения, а отсюда затрудненный запуск двигателя, особенно при низких температурах;
• худшие антикоррозионные качества, а отсюда и меньшая эксплуатационная надежность деталей двигателя внутреннего сгорания.

Вместе с тем биотопливо имеет большее значение октанового числа (у биогаза оно равно 126), что открывает возможность для устранения (частичного или полного) отмеченных выше недостатков. При применении биометана в качестве топлива для дизелей снижаются дымность и выбросы СО и NO_x с отработавшими газами. Но в связи с низким цетановым числом и, соответственно, плохой воспламеняемостью возникают значительные трудности при организации рабочего процесса.

Для организации рабочего процесса в дизеле с использованием биометана требуется применение двойной системы топливоподачи, в которой порция газа воспламеняется с помощью запальной порции дизельного топлива. При этом замещается до 80 % дизельного топлива. Двигатель может дополняться системами принудительного зажигания и внешнего смесеобразования. При этом с целью снижения степени сжатия форму камеры сгорания двигателя изменяют, приближая к сферической, за счет изменения конструкции днища поршня и головки двигателя.

Следующий способ конвертации — применение форкамернофакельного зажигания. Вместо форсунки устанавливается форкамера со свечой зажигания. Поступивший в форкамеру газ воспламеняется от свечи зажигания.

6. Диметиловый эфир

В нормальных условиях диметиловый эфир (ДМЭ) — это газ с запахом хлороформа. Он не вреден для озонового слоя, так как легко разрушается в тропосфере. Также является относительно инертным, бескоррозионным, неканцерогенным газом. Получают ДМЭ в основном из природного газа, но его получение возможно и из биомассы. По своим свойствам он близок к пропан-бутановой смеси (за исключением цетанового числа). Химическая формула ДМЭ: СН₃—О—СН₃.

Для подачи ДМЭ в цилиндры двигателя требуется модернизация топливной системы: вместо топливного бака используется баллон, топливная система должна быть полностью герметична, необходимо увеличение емкости заправляемых баллонов в 1,6 раза. Подавать ДМЭ в двигатель можно отдельно или в виде смеси с дизельным топливом. Также эфир может смешиваться с топливами, имеющими низкое цетановое число, такими как метанол, этанол и метан, или выступать инициатором горения последних.

ДМЭ более экологически чистое топливо, чем дизельное. При его сгорании не происходит выделения сажи на всех режимах работы дизеля. Это связано с высоким содержанием кислорода в топливе (около 35 %) и отсутствием связей углерод — углерод. Также снижается содержание NO_x в отработавших газах в 3–4 раза. Наблюдается увеличение выбросов угарного газа СО и углеводородов C_nH_m. КПД двигателя остается на уровне эксплуатации на дизельном топливе. В связи с отсутствием серы в составе ДМЭ нет ее и в отработавших газах.

Более высокое цетановое число, более низкая температура самовоспламенения и температура кипения, чем у дизельного топлива, обеспечивают быстрое формирование смеси в камере сгорания, сокращают задержку воспламенения и ускоряют холодный пуск дизеля. Также это позволяет уменьшить оптимальный угол опережения впрыскивания. Топливо впрыскивается в камеру сгорания при более высоких значениях давления и температуры. Это также способствует снижению задержки воспламенения, которое приводит к плавному нарастанию давления в камере сгорания и снижает выбросы NO_x и шум рабочего процесса на 10 дБ(А).

Недостатками ДМЭ является то, что он имеет более низкую теплоту сгорания, чем дизельное топливо, поэтому необходимо увеличение производительности топливного насоса высокого давления, чтобы подать ДМЭ по массе в 1,6 раз больше. ДМЭ обладает большей сжимаемостью, что также негативно влияет на работу топливной аппаратуры. ДМЭ химически агрессивен по отношению к уплотняющим материалам и деталям, выполненным из пластмассы. Низкие смазывающие свойства ДМЭ увеличивают вероятность задиров, что требует добавления в него специальной присадки «Любризол 459А».