Описание работы газогенераторной установки на древесном угле для производства электроэнергии

Данный видеообзор демонстрирует работу высокоэффективной газогенераторной установки (газгена), которая является центральным элементом автономной энергосистемы на нашем производстве.

1. Ключевой результат и масштаб:

Главное достижение — эта одна установка смогла полностью заменить пять маломощных газогенераторов (по 30-50 кВт каждый), которые ранее работали разрозненно. Теперь мы имеем централизованную и мощную систему энергоснабжения, что значительно повысило надежность и упростило обслуживание.

2. Принцип работы газогенератора:

• Топливо: Установка работает на древесном угле, который мы не закупаем, а производим самостоятельно из отходов собственной пилорамы ( горбыль перерабатывается в древесный уголь). Это создает полностью безотходный и экономичный цикл.

• Процесс газификации: Древесный уголь превращается в генераторный газ при восстановительной реакции СО2 в СО в газогенераторе.

• Состав газа: Основные горючие компоненты полученного газа — это окись углерода (CO), водород (H₂) и метан (CH₄). Также в составе присутствуют балластные вещества: азот и углекислый газ.

3. Очистка и подготовка газа:

Перед подачей в двигатели "сырой" генераторный газ проходит многоступенчатую систему очистки:

• Циклоны: Отделение крупной летучей золы и механических частиц.

• Системы охлаждения и фильтрации: Газ охлаждается, а затем проходит через систему фильтров тонкой очистки , где удаляются смолы, мелкая пыль и другие примеси, хотя при работе на древесном угле это менее затратно, так как смол минимум. Это критически важно для долговечной работы двигателей.

4. Преобразование газа в электроэнергию:

Очищенный генераторный газ подается в газопоршневые установки (ГПУ).

• Сердце ГПУ: В качестве силовых агрегатов отлично зарекомендовали себя стандартные бензиновые карбюраторные двигатели от советских и российских автомобилей:

  • ЗиЛ и Урал: Эти мощные и надежные моторы хорошо подходят для постоянной работы под нагрузкой.

  • ГАЗ и Волга: Также успешно работают в такой системе, демонстрируя универсальность технологии.

• Принцип работы ГПУ: Двигатель, адаптированный для работы на генераторном газе, вращает вал электрогенератора, вырабатывая электрический ток.

5. Замкнутый производственный цикл (главное преимущество):

Наше производство представляет собой идеальную модель энергетической автономии:
Лесопильные линии (пилорама) → Древесные отходы → Производство древесного угля → Газогенератор → Генераторный газ → ГПУ → Электроэнергия → Питание всего производства, включая ту же пилораму.

Итог:

Данная система позволяет нам полностью отказаться от покупной электроэнергии или дизельного топлива, используя собственные возобновляемые ресурсы. Она доказала свою высокую эффективность, надежность и экономическую выгоду, обеспечивая стабильное энергоснабжение всего предприятия.

Выдает 50 квт, работает на древесном угле. Расход угля 0.5 кг на 1 квт час.

• CO₂ для фотосинтеза: Углекислый газ повышает урожайность, ускоряет рост растений и улучшает их устойчивость к болезням 8, 6.

• Утилизация тепла: Тепловая энергия выхлопных газов может использоваться для обогрева теплиц, что снижает затраты на отопление 4, 6.

3. Проблемы и риски

• Токсичные примеси: Даже при использовании генераторного газа в выхлопе присутствуют CO, NOx и сажа, которые могут навредить растениям и персоналу 1, 9.

• Температура газов: Горячие выхлопные газы требуют охлаждения перед подачей в теплицу 6.

• Техническая сложность: Необходимы системы очистки (например, каталитические конвертеры) и контроль состава газов 6 , 8.

4. Примеры реализации

• Каталитические конвертеры: В энергоцентрах теплиц используют установки типа COdiNOx, которые очищают выхлопные газы газопоршневых двигателей, оставляя почти чистый CO₂ .

• Совмещение с котлами: В некоторых случаях выхлопы комбинируют с газами от водогрейных котлов для стабильной подачи CO₂ .

5. Экономическая целесообразность

• Затраты на оборудование: Установка систем очистки и газопроводов требует инвестиций (например, стоимость COdiNOx — около 13,7 млн рублей) 6.

• Экономия ресурсов: Использование CO₂ из выхлопов позволяет сократить расходы на сжигание природного газа для подкормки растений. Окупаемость систем очистки может составить менее 3 лет .

Заключение

Направлять выхлопы ДВС на генераторном газе в теплицы можно, но только после:

1. Очистки от токсичных компонентов (CO, NOx, сажи) .

2. Охлаждения газов до безопасной температуры .

3. Постоянного мониторинга состава воздуха в теплице 8.

Это решение особенно актуально для крупных тепличных комплексов с собственными энергоцентрами, где выхлопы могут стать частью замкнутой экосистемы, сочетая выработку электроэнергии, тепла и CO₂ .

Газогенераторы которые работают с двигателями ЗиЛ, Газ, Газ52, ЗМЗ53, ЗиЛ 375 (Урал бензиновый) и так далее. Где степень сжатия 6.5 - 7.6 ***, что ставит под вопрос выбросы CO, NOx, в том числе у нас в системе подается с избытком кислород, что гарантирует отсутствие СО- монооксида углерода.

*** - зависимость между степенью сжатия ДВС и выбросом оксидов азота (NOx) очень тесная и прямая:

Вот почему:

чем выше степень сжатия, тем больше образуется NOx.

• Температура:

Степень сжатия напрямую влияет на температуру в цилиндре двигателя во время сгорания. Более высокая степень сжатия означает более высокую температуру.

• Механизм образования NOx:

NOx образуются в результате высокотемпературной реакции азота и кислорода, содержащихся в воздухе, поступающем в двигатель. Эта реакция становится значительно интенсивнее при температурах выше примерно 1800°C. Чем выше температура, тем больше азота и кислорода реагируют с образованием NOx.

• Время:

Время, в течение которого газы находятся при высокой температуре, также влияет на образование NOx. В двигателях с высокой степенью сжатия время пребывания газов при высокой температуре может быть немного короче, но увеличение температуры обычно перевешивает этот фактор.

Влияние на разные типы двигателей:

• Бензиновые двигатели:

В современных бензиновых двигателях высокая степень сжатия повышает эффективность сгорания и увеличивает мощность, но и значительно увеличивает выбросы NOx. Поэтому современные бензиновые двигатели с высокой степенью сжатия часто оснащаются сложными системами управления сгоранием и каталитическими нейтрализаторами для снижения выбросов NOx.

• Дизельные двигатели:

Дизельные двигатели обычно имеют значительно более высокую степень сжатия, чем бензиновые (Степень сжатия часто составляет от 14:1 до 23:1 для дизельных двигателей с непосредственным впрыском и от 18:1 до 23:1 для дизельных двигателей с непрямым впрыском). Это необходимо для самовоспламенения дизельного топлива. Из-за высокой температуры в цилиндре дизельные двигатели производят больше NOx, чем бензиновые. Для снижения выбросов NOx в дизельных двигателях используются различные технологии, такие как рециркуляция отработавших газов (EGR), селективное каталитическое восстановление (SCR) и нейтрализаторы NOx.

Другие факторы, влияющие на выбросы NOx:

Помимо степени сжатия, на выбросы NOx влияют и другие факторы:

• Состав топливной смеси:

Богатая смесь (избыток топлива) приводит к снижению температуры сгорания и, следовательно, к снижению выбросов NOx. Однако богатая смесь снижает эффективность и увеличивает выбросы углеводородов и угарного газа.

• Угол опережения зажигания (для бензиновых двигателей):

Раннее зажигание увеличивает время, в течение которого газы находятся при высокой температуре, что приводит к увеличению выбросов NOx.

• Температура воздуха на впуске:

Более высокая температура воздуха на впуске приводит к повышению температуры сгорания и увеличению выбросов NOx.

• Нагрузка на двигатель:

Чем выше нагрузка, тем выше температура сгорания и, следовательно, выше выбросы NOx.

В заключение:

Степень сжатия является одним из ключевых факторов, влияющих на выбросы оксидов азота в двигателях внутреннего сгорания. Более высокая степень сжатия приводит к более высокой температуре сгорания и, следовательно, к большему образованию NOx.

тут статья

Результаты исследований представлены в виде докладов на XXV-ой Всероссийской научно-технической конференции «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации – 2024» и II-ой Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Передовые инженерные школы: материалы, технологии, конструкции».

Полимерные материалы, также известные как пластики или композиты, начали активно использоваться в авиастроении с 1960-х годов из-за своих уникальных свойств. Они легче металлов, а вес – критически важный параметр в авиастроении: чем легче самолет, тем меньше топлива он потребляет, а значит сокращается объем выбросов вредных веществ. Снижение веса также позволяет увеличить количество пассажиров или грузов. Такие материалы не подвержены коррозии, обладают хорошей прочностью и жесткостью, но не все из них предназначены для работы при очень высоких температурах, какие бывают, например, в двигателях.

Ключевой частью турбореактивного двигателя, его «сердцевиной» является газогенератор. В нем происходит основное преобразование энергии топлива в энергию горячих газов. Он отвечает за создание потока газа под высоким напором и температурой, который затем используется для тяги или привода других частей двигателя. Благодаря работе компонентов этого механизма самолет поднимается в воздух. Горячие газы, выходящие из «сердца» двигателя и поступающие в турбину, могут достигать около 600-700 °C.

Различные испытания показали, что в самом газогенераторе рабочая температура повышается до более высоких значений, которые могут достигать более 800 °C, а на поверхности обшивок – до 250 °C. Поэтому возникла необходимость применять новые более термостойкие материалы.

Существуют высокотемпературные полимерные композиты, способные выдерживать до 350 °C. Их внедрение в газогенератор позволяет отказаться от тепложарозищиты, что упрощает конструкцию и снижает массу двигателя. Так он становится более легким в обслуживании и ремонте, ускоряется замена деталей.

Ученые Передовой инженерной школы Пермского Политеха разработали технологию внедрения полимеров в обшивку газогенератора. Подготовили подробные инструкции для авиастроителей, как нужно изготавливать и собирать обшивку из термостойких композитов для газогенератора, включая последовательность операций, оборудование, инструменты и материалы.

– Применение высокотемпературных полимерных композитов упрощает конструкцию газогенератора и уменьшает его массу не менее чем на 6 кг. Это облегчает сбор изделия более чем на 10%. Финалом проекта стало изготовление образца панели обшивки газогенератора в реальных размерах. Еще в ходе исследований мы подобрали оптимальный и соответствующий нормативной документации подход к проверке качества изделия. Это применение акустических методов, при которых используются звуковые волны определенной частоты для обнаружения дефектов и неоднородностей в материалах: ультразвуковой – на монолитных частях изделия, и импедансный – на участках, где пустое пространство заполнено структурой, напоминающей соты, – рассказывает Вячеслав Артемьев, заместитель директора по производству Научно-образовательного центра авиационных композитных технологий ПНИПУ.

Внедрение высокотемпературных полимерных композиционных материалов в конструкцию обшивки газогенератора существенно повышает эксплуатационные характеристики, обеспечивая надежность и эффективность работы двигателей. Исследование ученых Передовой инженерной школы Пермского Политеха позволит отказаться от традиционных тепловых защит, упрощает конструкцию и снижает массу воздушных судов.

Ниже скан с сайта, где идет просчет работы 50 штук майнеров L3+.