Партнеры журнала:

Тема страницы

Стандартизация топливной биомассы — основа развития рынка биотоплива. Часть 4

Проведем сравнительный анализ твердых видов биотоплива по физико-химическим свойствам. Для этого рассмотрим два сводных показателя: техническую транспортабельность топлива и легкость его применения в газогенераторных установках транспортного типа (ГУТТ).

Стандартизация топливной биомассы – основа развития рынка биотоплива. Часть 1
Стандартизация топливной биомассы – основа развития рынка биотоплива. Часть 2
Стандартизация топливной биомассы – основа развития рынка биотоплива. Часть 3

Техническая транспортабельность топлива характеризуется следующими параметрами: объемным весом и сохранностью топлива при перевозках, т.е. количеством потерь топлива.

Объемный вес определяет коэффициент использования грузоподъемности транспортных средств – см. PDF-версию статьи

Этот коэффициент будет отличаться для различных видов транспорта. При расчете норм потерь топлива, также учитываются образующиеся при его перевозке мелочь и крошка, которые не могут быть в дальнейшем использованы как газогенераторное топливо.

Таблица 1. Классификация газогенераторных видов топлива по
легкости их применения в газогенераторных установках
транспортного типа

Таблица 1. Классификация газогенераторных видов топлива по легкости их применения в газогенераторных установках транспортного типа

Таблица 2. Техническая характеристика видов топлива для
газогенераторных установок транспортного типа

Посмотреть в PDF-версии журнала. Таблица 2. Техническая характеристика видов топлива для газогенераторных установок транспортного типа

Легкость газификации топлива в газогенераторных установках транспортного типа зависит от ряда причин: физико-химических свойств топлива, конструкции газогенератора и пр. Результирующего показателя здесь нет, и получить его весьма проблематично, вследствие многочисленности параметров, которые необходимо принимать во внимание при газификации и пиролизе твердых видов топлива из биомассы (рис. 1). Однако, для облегчения классификации топлив и унификации их оценки было бы целесообразно ввести такой показатель, например, в виде шкалы легкости применения топлив для газификации в ГУТТ. Вариант подобной классификации газогенераторных видов топлива по легкости их применения в ГУТТ мы привели в табл. 1.

Такая оценка дает наибольшую определенность и четкость при характеристике топлив для газогенераторных установок транспортного типа, и ее целесообразно было бы стандартизировать.

Согласно рассмотренной классификации, твердые виды биотоплива распределяются по классам следующим образом (см. табл. 2).

В табл. 2 мы также привели минимальные технические характеристики различных видов биотоплива, соблюдение которых позволяет причислить тот или иной вид топлива к соответствующей классификационной группе.

Обобщая опыт испытаний и эксплуатации газогенераторных установок на различных видах топлива, можно дать сравнительную характеристику показателей их работы в зависимости от вида используемого топлива.

Специфические особенности применения каждого вида топлива отражаются на долговечности работы газогенераторной установки, а также, косвенно, на работе других агрегатов силовой установки. По степени влияния на жизненный цикл силовых установок двигателей внутреннего сгорания (ДВС), различные виды топлива подразделяются следующим образом: к наибольшему износу приводят каменный уголь, антрацит, полукокс, торфяной кокс. Затем следуют древесные чурки, буроугольные брикеты, древесный уголь, жидкие и газообразные виды топлива.

На основании изложенного выше можно сделать следующие выводы:

1) эксплуатация газогенераторных установок транспортного типа должна соответствовать техническим нормам и правилам;

2) топливо для них должно быть качественным (не ниже установленных кондиций);

3) газогенераторная установка и агрегаты очистки газа должны обеспечивать поступление в ДВС газа, свободного от химических и механических примесей (сернистых соединений, пыли, кислот и т.д.).

При соблюдении этих условий, долговечность работы двигателя на генераторном газе может быть выше, чем на бензине, а его межремонтный ресурс может превышать ресурс бензинового ДВС. Затраты труда на обслуживание и ремонт газогенераторных установок будут тем меньше, чем лучше качество применяемого топлива (меньшее пылеобразование, меньшее содержание кислот, сернистых соединений и т.д.), чем совершеннее конструкция установки и точнее выполнение правил эксплуатации.

Требования технически грамотной эксплуатации газогенераторных установок транспортного типа делают контроль над качеством топлива одним из важнейших условий возрождения и широкого распространения этой технологии. Основным условием обеспечения этого является установление стандартов на газогенераторное топливо, особенно на основе биомассы.

Конструкции газогенераторов

Как было показано выше, каждое из твердых топлив предъявляет свои специфические требования к конструкции газогенератора. Полное удовлетворение этих требований обеспечило бы наиболее эффективные результаты газификации данного вида топлива в газогенераторных установках транспортного типа. Однако для этого потребовалось бы создание специальных конструкций газогенераторных установок для каждого топлива в отдельности, что усложнило бы их эксплуатацию и сократило бы унификацию.

Опыт газификации различных видов твердых топлив показал, что их можно разделить на четыре основные группы, определяющие выбор конструкции газогенератора. Это деление основано на принципе процесса газификации, оптимального для конкретного вида топлива (рис. 2.).

I. Перекрестноточный газогенератор (рис. 2-I) характеризуется горизонтальным процессом газификации. В середине прошлого века применялся, наряду с «опрокинутым» процессом, в газогенераторах автотракторных установок. Основной причиной, определившей область использования газогенератора этой конструкции, была высокая напряженность и интенсивность процесса (высокоскоростная газификация), а также компактность конструкции генераторной установки и возможность использования топлива с легкоплавкой золой.

II. Противоточный газогенератор (рис. 2-II) характеризуется прямым процессом газификации. Он наиболее удобен для бессмольных, но многозольных топлив, например для буроугольного кокса. Основным недостатком прямого процесса газификации является необходимость присадки к воздуху водяного пара для повышения калорийности генераторного газа. Но это уменьшает устойчивость процесса по причине трудности точного регулирования количества паровой присадки в зависимости от производительности генератора.

III. Прямоточный газогенератор (рис. 2-III) характеризуется опрокинутым (обращенным) процессом газификации. Газогенераторы этой конструкции получили в свое время наибольшее распространение в качестве силовых установок для автомобилей и тракторов. Обращенный процесс обеспечивает разложение и выжигание смол, образующихся в зоне швелевания, в самом газогенераторе, что позволяет применять смолистые топлива и обходиться без специальных устройств для очистки генераторного газа от смол. Кроме того, в прямоточных газогенераторах обеспечивается наибольшая устойчивость процесса газификации за счет постоянства высоты активной зоны. Ввиду того что водяные пары, выделяющиеся из топлива при его подсушке в швель-зоне газогенератора, проходят через активную зону, получается обогащение генераторного газа без применения специальных устройств для парообразования.

IV. Реверсивный газогенератор (рис. 2-IV). Конструкция этого типа газогенератора, предложенного Денгамом и Джонсоном (англ. патент № 22174, кл. 24е, 3, опубликованный в 1931 г.), на наш взгляд, сегодня является наиболее перспективной для дальнейшей конструкторской оптимизации. Реверсивный газогенератор позволяет использовать наиболее широкий диапазон сортов и видов топлива, пригодных для газификации: в случае применения смолистых топлив газогенератор может быть пущен в работу по обращенному процессу, а в случае применения многозольных топлив может быть быстро переключен (прямо на ходу) на работу по прямому процессу. Такой реверс достигался в конструкциях этого типа газогенераторов за счет взаимного переключения концентрично расположенных трубопроводов, один из которых использовался для подвода воздуха, а другой – для отбора газа.

V. Комбинированный газогенератор (рис. 2-V) характеризуется совмещенным прямоточно-опрокинутым процессом газификации. Этот тип газогенераторов так и не получил широкого распространения из-за больших размеров и конструктивных сложностей. Хотя комбинированная конструкция имеет хорошие перспективы для дальнейшей конструкторской доработки.

Таблица 3. Сводные характеристики наиболее перспективных
газогенераторных установок транспортного типа

Посмотреть в PDF-версии журнала. Таблица 3. Сводные характеристики наиболее перспективных газогенераторных установок транспортного типа

Сравнительные характеристики описанных типов газогенераторных установок приведены в табл. 3.

Отметим также, что комбинированная и реверсивная конструкции газогенераторов не нашли особого распространения в прошлом веке по одной простой причине: конструкции находились на стадии разработки и экспериментальной апробации. Но полученные на тот момент результаты позволяют оценивать эти конструкции как весьма перспективные.

Унификация конструкций газогенераторов, базирующаяся на стандартизации исходных газогенераторных топлив, упрощает вопросы их эксплуатации и изготовления, что в свою очередь дает возможность снизить их стоимость. Кроме того, возможность газификации различных видов топлива в газогенераторе одного типа расширяет область его использования в различных районах России.

Из всего вышесказанного можно сделать такой вывод: топливо, конструкции газогенераторных установок транспортного типа и процесс газификации должны соответствовать жестким требованиям. Топливо должно обладать высокими физико химическими свойствами, быть малозольным и иметь однородный фракционный состав, не должно содержать вредных примесей, разрушающе действующих на газогенератор, газопроводы или двигатель. Оно должно использовать все возможные ресурсы работающего на нем агрегата и быть транспортабельным.

Большое разнообразие твердых топлив на основе биомассы вызывает необходимость их классификации для научных и технических потребностей. Состав и качество топливной биомассы (ТБ) зависят от применяемого для ее изготовления сырья и способа производства. Всякая ТБ обладает рядом физико-химических свойств, изучение и анализ которых позволяют определить пригодность и рациональность ее использования в заданном направлении, а также установить границы этих свойств, при которых использование топлива (в данном случае его газификация) является еще технически возможным и экономически целесообразным. Стандартизация и сертификация в этой области не только создадут предпосылки к развитию рынка ТБ в России, но и позволят ей выступить полноправным партнером на международном рынке ТБ, который сегодня активно развивается и вскоре обещает представлять значительный экспортный интерес для России.

Широкое использование возобновляемых топлив местных видов значительно снизит потребность внутреннего рынка России в топливах нефтяного происхождения. Это позволит соответственно увеличить экспорт нефти и пропорционально уменьшить выбросы вредных веществ, присущих нефтепроизводным топливам. Современные газогенераторные установки позволяют преобразовывать ТБ, соответствующую перечисленным выше требованиям, в горючие газы с высокими показателями эффективности. Однако пока ТБ не будет широко доступна потребителям, технология газогенераторных установок транспортного типа не получит особого распространения. Невозможно это также без установления стандартов на твердое биотопливо. Так что первоочередной сегодня становится задача создания и апробации таких стандартов.

Для современных технологий транспортного газогенераторостроения характерно плотное переплетение научной теории и эксперимента, что обусловлено дефицитом необходимой технической информации и результатов исследований. В связи с этим представленный в статье развернутый анализ перспектив использования биомассы может иметь особую ценность, демонстрируя в каких основных направлениях теория и практика применения биомассы движутся сейчас.

Установление стандартов на биотопливо создаст предпосылки для становления отечественного рынка ТБ, спрос на которую, в свою очередь, инициирует разбивку в обезлесенных районах России энергетических плантаций. Такие плантации будут способствовать рекультивации непригодных для сельского хозяйства почв, восстановлению микроклимата лесов и оздоровлению ландшафтов. Создание таких плантаций, помимо экономического, имеет и важный социальный аспект – возможность создания новых рабочих мест и повышение качества жизни людей в регионах.

Перспективы дальнейшего развития

Сегодня в области силового использования биомассы главенствуют методы проб и ошибок, поэтому дальнейшее развитие технологий силового использования биомассы зависит от ее стандартизации и сертификации как топлива, что создаст предпосылки к созданию эффективных, простых в эксплуатации и экологически безопасных газогенераторных установок. Упадок газогенераторных технологий в середине прошлого века был обусловлен неоправданно низкими ценами на нефтепроизводные топлива. Сегодня это преимущество топлив нефтяного происхождения исчерпало себя, создав благоприятные предпосылки для бурного развития технологии газификации твердых топлив на основе биомассы. Наиболее перспективными направлениями этого развития сейчас являются:

  • механизация и автоматизация загрузки топлива и выгрузки несгораемых остатков;
  • автоматическая регулировка процесса горения и очистки;
  • повышение КПД системы газогенератор-ДВС;
  • вывод на переднюю панель транспортного средства информации о работе всех систем газогенераторных установок транспортного типа, в частности о моменте дозаправки топливом и пр.

Стандартизация ТБ является необходимым условием и залогом успеха вышеуказанных перспектив.

А. А. САМЫЛИН, Н. М. ЦЫВЕНКОВА, М. Г. ЯШИН

Задать свои вопросы авторам вы можете по e-mail: gasgen@gmail.com