Проект получения и использования синтез-газа на борту автомобиля

Синтез газ - это соединение, состоящее из простых, всем известных газов: азота, водорода, СО. Основным компонентом является водород. Раньше процесс получения синтез газа был довольно громоздким, но мы сумели преодолеть эту трудность. Вообще, синтез газ можно получать из многих источников: из бензина, из дизельного топлива, из угля и даже из обычных дров. Мы применили метод конверсии топлива при недостатке кислорода прямо на борту автомобиля. Небольшое количество топлива идет на создание синтез газа. Из топлива получается углекислый газ, а потом- СО и водород. Получается как бы двухступенчатое сжигание топлива. Потом синтез газ смешивается с остальным топливом и подается в двигатель. Причем бензин можно использовать самый низкосортный- за счет содержащегося в синтез газе водорода мы легко наберем нужное октановое число. В стендовых условиях были проведены успешные испытания, которые показали, что происходит существенная экономия. Конвертер представляет из себя небольшое устройство, присоединяемое к двигателю. Переделывать при этом практически ничего не придется. Переключаться с бензина на синтез газ можно будет одним щелчком кнопки.

В течение последних семи месяцев были проведены эксперименты на автомобилях ЗАО “GM-Uzbekistan”, АвтоВАЗ и других фирм, использующиеся в нашей области. Всюду был получен следующий результат: в условиях городского цикла (масса светофоров, пробок и т.д.) можно сэкономить от 20 до 40% топлива и снизить выбросы оксидов азота и СО в несколько раз, добившись выполнения норм Евро-4 [20].

Когда автомобиль стоит на светофоре или в пробке, двигатель не производит мощность, а просто сжигает бензин. В этот момент было бы целесообразно в качестве топлива подсунуть ему водород, или разбавленный водород, и пусть двигатель не вредные газы производит, а воду. В этом смысл всей этой идеи. Поскольку идет снижение температуры, то идет снижение образования оксидов азота. Нормы Евро-4 достигаются легко.

Наш способ является быстрой альтернативой, которую можно реализовать буквально сразу, за 2- 3 месяца. Это не потребует перестройки всей промышленности. Не меняя основного двигателя, можно сделать дополнительное устройство в виде генератора синтез газа, который бы конвертировал часть топлива, и дальше подавал в двигатель такую вот смесь.

Наиболее оптимальным оказалось использование в качестве основного топлива природного газа, который сам по себе является хорошим моторным топливом, выход водорода из него высокий и генератор получается сравнительно простым. Разработанные авторами генераторы синтез газа прошли демонстрационные стендовые испытания на «АвтоВАЗе», НАМИ и ЗМЗ (г. Заволжье). Практически везде получено не только резкое уменьшение вредных выхлопов, но и значительное (до 24%) увеличение эффективности в режиме городской езды [21].

По оценкам специалистов «АвтоВАЗа», это позволяет выполнить нормы по токсичности Евро-4 без применения каталитических нейтрализаторов и добиться общей эффективности на уровне топливных элементов.

Свою разработку авторы не противопоставляют широкомасштабным работам по водородным топливным элементам. В далеком будущем, когда из энергоносителей останется один водород, и его научатся эффективно «упаковывать» (водород очень легкий и неудобный для транспортировки газ), видимо, наступит эра топливных элементов.

А пока любая экономика, даже водородная, как говорил известный политик, должна быть экономной. Развивая водородную энергетику, авторы относятся к ней как к общему вектору на увеличение доли водорода в энергетике, что является естественным историческим процессом, а не повальным и модным увлечением.

За прошедшее время авторам удалось резко улучшить массогабаритные и динамические характеристики генератора синтез газа для легкового автомобиля. Реактор имеет массу 8 кг и объем 2,5 л, а запуск осуществляется всего за 35 секунд, что соизмеримо со временем прогрева нейтрализатора. Разрабатывая бортовой генератор синтез газа для легковых автомобилей, авторы отдают себе отчет, что на автомобильный рынок быстрее пойдет автобусный вариант генератора, над которым сейчас также ведется работа.

Генератор синтез газа, установленный на автобусе, будет иметь практически такую же стоимость, что и для легкового автомобиля, это по оценкам авторов около 20- 30 тыс. руб. Если в общей стоимости автобуса стоимость генератора синтез газа будет несколько процентов, то для легкового автомобиля это уже примерно 10%. Кроме того, в сверхкомпактных легковых автомобилях в отличие от автобусов не так просто скомпоновать генератор синтез газа. И самое главное, использование генераторов синтез газа на транспорте- это процесс внедрения новой, непривычной для потребителя продукции.

На примере каталитических нейтрализаторов можно прогнозировать, что внедрение генераторов синтез газа также потребует изменения в законодательстве. Правда, в отличие от нейтрализаторов, которые не только увеличивают стоимость автомобиля, но и снижают эффективность двигателя, генератор синтез газа эффективность увеличивает. С автобусами проще и с точки зрения экономики, и с точки зрения организации внедрения.

С автомобильными фирмами постоянно проводится сравнительный анализ эффективности генератора синтез газа. Однозначный вывод- в настоящее время это самый эффективный и простой способ введения элементов водородной энергетики в транспорт.

Контакты с зарубежными фирмами показывают, что там ведутся аналогичные работы, причем, более развернуто и масштабно. Внезапное появление на рынке гибридных автомобилей указывает на то, что коммерческие и предкоммерческие разработки ведутся в условиях строжайшей секретности. Авторы рассчитывают, что их продукт может быть востребован, прежде всего, на отечественном автомобильном рынке.

На Олимпийских играх в 2012 г. в Лондоне планируется перевод всего общественного транспорта на новый вид топлива- гайтан (заранее подготовленная смесь водорода и природного газа, о которой упоминалось ранее), что улучшит экологию в лондоне. Авторы рассчитывают, что на Олимпийских играх в Сочи- 2014 будет продемонстрирована российская, более совершенная однотопливная система с генератором синтез газа как минимум на общественном транспорте.

Государственный научно- исследовательский и проектный институт химических технологий («Химтехнология») является комплексной организацией, включающей научно- исследовательское, проектное подразделения и опытный завод. К 2011 г. он стал крупной комплексной организацией (ри. 3,4), работающей в области синтеза различных топлив [21].

Рис. 3. Схема получения синтез газа по ОАО «Химтехнология

Рис. 4. Получение синтез- газа на автомобиле

В этом генераторе синтез газа института «Химтехнология» горючее улучшает свою структуру, свое качество. В результате, повышается уровень сгорания, и топливо экономится на 15-20 процентов.

4. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

Впускная система (другое наименование- система впуска) предназначена для впуска в двигатель необходимого количества воздуха и образования топливно-воздушной смеси. Термин «впускная система» появился с развитием конструкции двигателей внутреннего сгорания, особенно с появлением системы непосредственного впрыска топлива. Оборудование для питания двигателя воздухом перестало быть просто воздуховодом, а превратилось в отдельную систему. В своей работе система впуска взаимодействует со многими системами двигателя, в том числе:

· системой впрыска;

· системой рециркуляции отработавших газов;

· системой улавливания паров бензина;

· вакуумным усилителем тормозов.

Взаимодействие перечисленных систем и еще ряда других систем обеспечивает система управления двигателем.

Для улучшения наполнения цилиндров воздухом, повышения мощности в конструкции системы впуска современных бензиновых и дизельных двигателей используется турбонаддув.

Система выпуска предназначена для отвода отработавших газов от цилиндров двигателя, а также для уменьшения шума при выбросе их в атмосферу.

Система выпуска отработавших газов состоит из:

· выпускного клапана,

· выпускного канала,

· приемной трубы глушителя,

· дополнительного глушителя (резонатора),

· основного глушителя,

· соединительных хомутов.

Путь отработавших газов понятен из схемы (рис). Трубы- в дополнительном и основном глушителях, как раз и происходит «обработка» выхлопных газов перед выпуском их в атмосферу. Внутри глушителей имеются многочисленные отверстия и расположенные в шахматном порядке камеры. При прохождении газов по такому лабиринту, они теряют свою скорость и как следствие этого- уменьшается их шумность. Ну а дальше, «успокоенные» газы выходят и растворяются в воздухе, которым мы с вами, кстати, дышим.

В системе выпуска многих современных автомобилей применяется катализатор нейтрализации отработавших газов. Он предназначен для уменьшения концентрации вредных веществ, которые содержатся в продуктах сгорания. Основными вредными компонентами отработавших газов, выбрасываемых в атмосферу, являются- окись углерода, углеводороды и окислы азота (CO, CH, NOx). А на самом деле, при работе двигателя в трубу «вылетает» почти вся таблица Менделеева [22].

Основные неисправности системы выпуска отработавших газов.

Повышенный уровень шума выхлопных газов может получиться из- за повреждения основного или дополнительного глушителя, потери плотности соединений, повреждения прокладок.

Для устранения этой неисправности поврежденные элементы системы выпуска отработавших газов следует заменить на новые. При наличии сварочного оборудования, можно попробовать заварить те дырки в трубах и глушителях, которые еще можно заварить.

Эксплуатация системы выпуска отработавших газов.

Основной и дополнительный глушители, а также соединительные трубы не должны прикасаться к металлическим частям кузова, амортизаторам и тросу стояночного тормоза. Например «ручник», частенько выходит из строя только из- за того, что горячая труба прожгла или оплавила оболочку тросика. Поэтому основной глушитель должен надежно «висеть» на резиновых амортизаторах, поддерживая при этом в подвешенном состоянии и дополнительный глушитель с трубами. Однако для контроля состояния системы выпуска и ее ремонта необходима смотровая яма, эстакада, или решимость лечь на спину и заползти под автомобиль.

При неаккуратном вождении машины, или после проезда участка очень плохой дороги, часто происходит повреждение элементов выхлопной системы. Ну а дальше появляется соответствующий грохот «реактивного самолета», знакомый и неприятный даже грудным детям.

В системе выпуска отработавших газов давление и температуры очень интенсивно «скачут». Поэтому лучший ремонт при повреждении элементов системы- это их замена. Попытки «залепить» дыры в глушителе клеящей лентой или пастой, как правило, не дают ожидаемого эффекта. А через пару недель, или чуть больше, опять образуются дыры, но теперь уже в бюджете хозяина машины, так как все- таки приходится менять «залатанную» трубу или глушитель.

В термодинамике известны решения, позволяющие повысить КПД двигателя, увеличив тепловую нагруженность за счет использования более жаропрочных материалов. Именно так и поступили некоторые японские фирмы, изготовив наиболее важные детали ДВС из керамики. Однако существенного прироста КПД достичь все еще не удалось, а двигатель потребовал кардинальной переработки.

Есть и другой путь решения проблемы. «Бросовую» тепловую энергию ДВС можно запасать и рекуперировать, т. е. превращать в другой вид энергии, более удобной для использования. Пойти именно по этому пути нам было проще потому, что рекуперация энергии, выделяющейся при торможениях, возможна. Оставалось лишь подобрать цепь преобразований одного вида энергии в другой вид с наименьшим числом промежуточных звеньев, чтобы максимально сократить потери.

Поскольку конечным продуктом в цепи преобразования энергии удобнее всего иметь горючие газы (их можно использовать вместе с основным топливом), то все поиски были направлены на получение, точнее сказать, на синтезирование горючего газа под действием тепла прямо на борту автомобиля. В начале рабочего хода давление в цилиндрах достигает 35- 40 атмосфер при температуре 2000 °С, а при выпуске отработанных газов 1,5- 2 атм. при 800- 1100 °С для легковых автомобилей [23]. Для грузовых карбюраторных и тем более дизельных ДВС температура и давление аналогичны. Таким образом можно использовать высокотемпературные газы, поступающие в выпускной коллектор, а не собирать рассеявшееся по сторонам тепло.

Рис. 5. Схема получения синтез газа по АндМИ

Поиски решения привели к неожиданно простым результатам: если через раскаленный кокс пропустить острый, или перегретый водяной пар (рис. 5), идет эндотермическая реакция и образуется синтез газ, который состоит из окиси углерода и водорода, примерно в равных соотношениях с теплопроизводительностью около 3000 ккал/м³. Реакция начинается при 750°С, смесь газов не взрывоопасна, а их калорийность лишь немного уступает пропанбутановым смесям, которые широко используют на автомобильных газобаллонных установках. Но главное, что расходуемые компоненты- вода и уголь- дешевы. Годится любая модификация углерода: каменный уголь или кокс, древесный уголь, графит, отходы углеродных тканей и нетканых материалов и войлоков.

Для начала решили использовать лишь половину тепловой энергии выхлопных газов с учетом неизбежных потерь преобразования. Поскольку в выпускном тракте теряется до 40 % энергии сгоревшего топлива, это сулило экономию основного топлива на 20 %. Возникал вопрос: на какой объем компонентов проектировать установку и как часто проводить ее заправку? Частые заправки неудобны, но и лишний вес возить незачем. Поэтому решено проводить заправку одновременно с заправкой бензобака. В бензобаке легкового автомобиля помещается 45 литров или 36 кг бензина. Значит, для того, чтобы экономить 20 % бензина, надо иметь 7,2 кг компонентов. Это 4 литра воды и 3,2 кг угля. Столь небольшие объемы воды и угля легко размещаются под капотом автомобиля. Тогда на каждой заправке можно экономить 7,2 кг бензина, что составляет 9 литров [24].

Автолюбители знают, что из каждых 1000 сумов, потраченных на бензин, 700 сумов улетают «на ветер», причем не в переносном, а в прямом смысле. через выхлопную систему двигатель внутреннего сгорания теряет около 40 % тепловой энергии, полученной при сгорании топлива в цилиндрах, а еще 30 % тепла искусственно отводят от деталей ДВС в атмосферу через систему охлаждения. если этого не сделать, то детали ДВС термически расширятся и заклинят, двигатель безнадежно испортится. и за все потери и лишние хлопоты приходится расплачиваться удушливой атмосферой загазованных улиц и городов.

Испытания силовой установки на «Нексии» прошли успешно и доказали ее высокую эффективность. Все обслуживание сводилось лишь к тому, что одновременно с заправкой бензобака мы высыпали пакетик активированного угля в коробочку на выпускном коллекторе, чем приводили в изумление автолюбителей, наблюдавших за этим процессом. Для воды использовали штатный бачок стеклоомывателя, пополняя его по мере необходимости. Интересно было понаблюдать за поведением двигателя на различных режимах работы. Запуск холодного и горячего ДВС происходил очень быстро, практически с первой попытки, очевидно, потому, что в реакционной камере и трубопроводе оставался солидный запас синтез- газа, наполовину состоящий из водорода, который активировал процесс сгорания. Кроме того, снижалась токсичность выхлопных газов по наиболее вредным компонентам: несгоревшим углеводородам, бензапирену, саже, окислам азота и т. д. Количество окиси углерода, входящей в состав синтез- газа, в выхлопных газах не превышало установленной нормы 2 %, очевидно, потому, что в смеси с водородом в цилиндрах ДВС и кислородом воздуха она практически полностью сгорала, образуя углекислый газ и водяной пар. Прогретый двигатель развивал паспортную мощность, имел прежнюю динамику и обороты. Расход бензина на 100 км пути стал составлять около 5 литров вместо 7 литров.

Были проделаны дополнительные расчеты, и для ускоренного прогрева углерода в зимнее время в реакционную камеру установили электроды, которые подогревали уголь электрическим током при напряжении 12 В от аккумулятора или генератора автомобиля. Значительно упростилась технология изготовления и сборки рекуператора. Это стало под силу рядовому автолюбителю. Изготовлен комплект рабочей документации для теплового рекуператора на автомобиль «Нексия». Проведенные эксперименты наталкивали на мысль, что пора использовать не только тепло выхлопных газов, но и тепловую энергию, которая выводится в атмосферу системой охлаждения и достигает 30 % калорийности топлива. Для этого предварительный нагрев воды до температуры 80- 90 °С стали проводить в системе охлаждения ДВС, а окончательный нагрев водяного пара в теплообменнике на приемной трубе глушителя. Это повысило производительность рекуператора и уменьшило его размеры. При рекуперации 50 % тепловой энергии выхлопных газов и 50% тепла в системе охлаждения экономится 35 % основного топлива (рис. 6- 8). Для практической реализации этого режима дополнительно уменьшили сечение главных жиклеров карбюратора и стали чаще заправлять устройство углем и водой.

Рис. 6. Устройство для получения синтез газа

Рис. 7. Устройство для получения синтез газа

Рис. 8. Схема соединения устройства для получения синтез газа к ДВС

Двигатель с добавкой синтез-газа работал уверенно на всех диапазонах оборотов и нагрузок, поэтому работу по совершенствованию рекуператора продолжили. Было решено использовать кинетическую энергию торможения автомобиля и колебаний его корпуса при движении по неровностям. Для этого имеющийся у нас на автомобиле индуктор, в качестве которого можно использовать генератор от КамАЗа или другого грузового автомобиля, подключили к нагревательному элементу рекуператора. Теперь при городском режиме движения автомобиля расход топлива снизился до 45… 50 %, поскольку наш энергетический рекуператор преобразовывал «бросовую» энергию в синтез- газ сразу от трех источников: выхлопных газов, системы охлаждения ДВС и индукционного генератора торможения автомобиля.

Подводя итоги, можно сделать следующие выводы, расходуемые материалы обшедоступны и дешевы, их заправка выполняется проще и безопаснее, чем заправка бака автомобиля бензином. Под капотом автомобиля практически ничего не меняется, вместо окаленной приемной трубы глушителя устанавливается изолированный корпус радиатора с компактным теплобменником, наружная поверхность которых холодная, поэтому не прогорает и не коррозирует. Кроме того, отбирая часть выхлопных газов, устройство снижает шумность выхлопа до 40 %, не снижая мощности ДВС, поскольку оказывает очень малое динамическое сопротивление отработавшим газам. Существенное снижение динамических нагрузок и температуры на штатный глушитель позволяет значительно снизить массу и упростить его конструкцию. Поскольку ДВС продолжает работать на основном топливе, то специального решения на переоборудование автомобиля на другой вид топлива не требуется.

Получаемый в рекуператоре синтез- газ: непрерывно расходуется и поэтому не нужно хранить на борту в баллонах высокое давление, что делает использование установки абсолютно безопасной.

5. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

5.1 Техника безопасности при использовании синтез газа

Прежде всего, чтобы выяснить, стоит ли связываться с синтез газовой установкой, прикиньте, какое количество синтез газа вам понадобится на нужды домашнего хозяйства, а также возможности того или другого вида навоза «выдавать» газ и ваши способности приобрести нужный запас этого навоза.

Известно, что средний выход синтез газа из 1 кг органического сухого вещества навоза крупного рогатого скота составляет 200 л, свиного - 300 л, птичьего помета - 400л [25].

А ориентировочные данные по расходу синтез газа в домашнем хозяйстве со средним составом семьи- трое- четверо взрослых и один ребенок на жилой площади 120 м²- приведены в таблице.

Табл. 2

Данные по расходу синтез газа в домашнем хозяйстве

Вид расхода	Расход М3/сутки
Подогрев воды на бытовые нужды	2,3
Отопление жилых помещений (сентябрь)	8,0
Приготовление пищи	0,6
Консервирование пищепродуктов	1,9
Всего	12,8

И если вы решили синтез газовую установку все-таки строить, вам понадобятся сведения, приведенные ниже.

Так, средняя теплота сгорания синтез газа, содержащего около 60% метана, равна 22 мДж/м³. Поскольку горючая часть синтез газа состоит из метана (температура воспламенения метана около 645 ° С), его причисляют к семейству природных газов. (Во всех сферах применения синтез газ ведет себя аналогично природному газу.)

Современные сети природного газа работают с давлением у газового прибора 2 кПа. Это означает, что синтез газ по сравнению с природным газом обладает несколько худшей способностью к воспламенению (0,7...1 кПа), меньшей устойчивостью пламени, что вызывает небольшие трудности при регулировании последнего, например, при установке крана на «малый огонь» в кухонных плитах. Пламя в этом случае может срываться.

Как уже говорилось, рабочее давление синтез газа удается без особых трудностей поддерживать на относительно постоянном уровне, например, с помощью груза в газгольдере или (при достаточно большом давлении газа) путем включения в магистраль промежуточного газового регулятора. Следовательно, при переходе на синтез газ необходимы лишь незначительные изменения в аппаратуре, приспособленной к метану (например, замена форсунок).

Только помните, что коммуникации между газовыми приборами устанавливают высококвалифицированные специалисты с учетом «Технических правил монтажа газопроводов».

Несколько слов об аппаратуре, в которой «работает» синтез газ.

Горелки для отопительных установок. Эти приборы используют в системе отопления жилых помещений для подогрева воздуха в различных сушилках и кондиционерах, причем применяют как обычные горелки с забором атмосферного воздуха, так и горелки с дутьем. В принципе здесь эксплуатация аппаратуры для природного газа на синтез газе не вызовет каких-либо неудобств.

Водонагреватели. Здесь также не следует ожидать каких-либо трудностей при замене метана на синтез газ. Так называемые универсальные газовые приборы подходят для работы на практически всех горючих газах и газовых смесях.

Газовые плиты с горелками на верхней поверхности и с духовкой (привычные наши кухонные плиты). Эти аппараты тоже относятся к «универсальным» газовым приборам, так что тут и горелки, и духовка на синтез газе работают нормально. Некоторые специалисты считают, что кухонным газовым плитам лучше работать на синтез газе с теплотой сгорания около 22 мДж/м³ и рабочем давлении 0,4 кПа при условии переделки горелок для получения так называемого ползущего пламени, что позволит обеспечить работу плиты с открытыми горелками в положении «малый огонь». По мнению других, давление газа в горелках должно быть не менее 0,75...0,8 кПа, иначе вследствие недостаточного подсоса воздуха нельзя гарантировать полное сгорание синтез газа в соответствии с гигиеническими требованиями [25].

Годится для синтез газа и аппаратура, работающая при давлении до 5 кПа (пропановые установки).

При использовании синтез газовых установок источником опасности может оказаться как сам синтез газ, так и газгольдер.

Чем опасен газ? Метан, входящий в состав синтез газа, практически не ядовит. Но он легче воздуха, легко воспламеняется и образует с воздухом взрывчатую смесь при содержании в последней 5...15% метана (по объему). В случае утечки при наличии соответствующей вентиляции газ улетучивается без каких-либо последствий. Небольшие добавки воздуха для синтез газа не опасны, поэтому на практике регулируемое примешивание воздуха применяется и к природному газу, и к пропану для доведения их теплоты сгорания до нужной величины [26].

Сероводород (H₂S), высокая концентрация которого может привести к отравлению, содержится в синтез газе в незначительных количествах (до 1 % по объему), причем его легко обнаружить по неприятному запаху (сероводород тяжелее воздуха).

Углекислый газ (СO₂), входящий в состав синтез газа в значительном количестве, тоже тяжелее воздуха и способен скапливаться в углубленных местах (ямах, погребах) при наличии неплотностей в газгольдере и системе коммуникаций. Углекислый газ не ядовит, но вызывает удушье.

Чем опасен газгольдер? Если газ, находящийся в газгольдере под избыточным давлением, внезапно расширяется (например, в случае дефекта оболочки), это всегда чревато опасностью образования взрывчатой смеси. Однако для резервуаров низкого давления возможность взрыва чрезвычайно мала. Например, специально в правила техники безопасности при обращении с сосудами, находящимися под давлением, даже не включены инструкции, касающиеся резервуаров низкого давления для горючих газов, которые служат для бытовых нужд.

Тем не менее надо соблюдать правила техники безопасности, регламентированные для газовых установок, не допускать «лишнего» давления, не курить и не разжигать костры в радиусе до 10 м от газгольдера, установить на видных местах соответствующие предупреждающие плакаты.

Размещают газгольдеры на расстоянии не менее 5 м от жилого дома. Если газгольдер расположен вне двора, то его необходимо огородить забором.

Словом, к синтез газовому газгольдеру в домашнем хозяйстве предъявится не слишком обременительное требование- сохранение в нем постоянного давления в пределах 0,7... 1 кПа, чтобы газовые приборы работали бесперебойно.

Не забудьте также, что между реактором, газгольдером и потребителями устанавливается дополнительная аппаратура. Так, обязательно устройство для защиты от обратного удара пламени в виде гравийного фильтра; в отдельных случаях необходимы газоосушитель (для удаления влаги), десульфитатор (для поглощения сероводорода) и

Отличительные черты бродильной камеры (синтезреактора): во-первых, полная герметичность без всякого там газообмена и протечек жидкости через стенки; во-вторых, надежная теплоизоляция; в-третьих, стойкость к коррозии. При этом внутренняя часть камеры должна быть доступной для обслуживания, обязательны простые устройства для загрузки камеры навозом и ее опорожнения.

Наиболее подходящим материалом для камеры объемом до 40 м³ является стеклопластик, подойдут и стальные цистерны подходящих размеров. У крупных установок камеры сооружают из бетона. Синтезреакторы часто заглубляют в землю, что обеспечивает хорошую их теплоизоляцию и герметизацию [26].

В бродильных камерах следует предусмотреть возможность надежной вентиляции. Причем за работающим в камере при ремонте должны наблюдать два человека, чтобы в случае опасности оказать ему помощь.

Нагревательные устройства. Подогрев в небольших синтезреакторах с перемешивающими устройствами проще всего осуществить с помощью шлангов, труб и других теплообменных устройств, через которые пропускают горячую воду. Температура последней в теплообменнике не должна превышать 60° С, так как более высокая температура вызывает налипание на поверхностном теплообменнике частиц синтезмассы.

Иногда, например, когда отсутствуют другие возможности нагрева, целесообразно использовать теплоту, выделяющуюся при аэробном (с доступом воздуха) разложении органических отходов. В этом случае синтезреактор располагают в емкости с навозом, куда подают воздух. Подробнее о таком нагреве синтезкамеры будет рассказано ниже. При встраивании бродильной камеры в помещение для скота или в дом газгольдер установки удаляют из помещения, тщательно герметизируя и теплоизолируя от наружного воздуха.

Приспособления для перемешивания. Для эффективной работы синтезреактора в нем необходимо предусмотреть мешалку для перемешивания сбраживаемой массы и предотвращения образования корки. Конструкции мешалок разнообразны. Они бывают механическими (с ручным или электрическим приводом), а также гидравлического или пневматического действия. В малогабаритных приусадебных синтез газовых установках обычно обходятся механическими мешалками с ручным приводом.

Газгольдеры. Как уже говорилось, эти аппараты выполняют в виде надстроек на бродильные камеры, а также отдельно стоящими, соединенными с бродильными камерами трубопроводами. При работе зимой в мокрых газгольдерах приходится применять гидравлический затвор с антифризом. В малогабаритных установках газ часто собирают в подушку из многослойной синтетической ткани или в гармошку из подушек. Самым простым сборником газа является обычный мешок из синтетической пленки.

Итак, вы познакомились с основами технологии производства синтез газа и теперь при наличии желания и возможностей можете построить на своем подворье одну из упомянутых ранее простых синтез газовых установок.

В результате же анаэробных процессов сбраживания жидкого навоза в метантенке выделяется синтез газ который накапливается в верхней части метантенка и через патрубок отбора синтез газа используется для бытовых нужд.

В процессе сбраживания периодически (1...2 раза в сутки) жидкий навоз в метантенке перемешивают механической мешалкой с ручным приводом.

Отходы после переработки в синтез газовой установке получаются обеззараженными, пригодными в качестве удобрения, которое не содержит семян сорных растений и болезнетворных микробов. По расчетам, сооружение такой установки окупится за год только за счет утилизации отходов в собственном хозяйстве. Ее могут использовать фермерские хозяйства, владельцы садовых и дачных участков, получая одновременно готовое высококачественное удобрение и газ в количестве, достаточном для газовой плитки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

В Андижанском машиностроительном институте проводится научно- конструкторская работа совместно со специалистами общества охраны природы и ЗАО «GM- Узбекистан» по созданию генератора синтез газа из отработавших газов для двигателя внутреннего сгорания автомобилей.

В настоящей выпускной работе я решил анализировать и выбрать тип генератора синтез газа отработавших газов для двигателя внутреннего сгорания, который будет легко установлен в впускной коллектор после воздушного фильтра. С помощью этого генератора синтез газа часть отработавших газов (около 50 %) подается через трубку в реакционную камеру, в которой имеется уголь. В эту камеру также подводится через вторую трубку нагретый водяной пар, который образуется в соседней камере, надетой на глушитель. Второй конец второй камеры подсоединен к водяному бачку. При этом отработавшие газы проходя вокруг реакционной камеры нагревают уголь до температуры 700-800^оС, и тем самым образует окись углерода СО, куда и подается нагретый водяной пар, который смешиваясь СО образует синтез газ. Синтез газ, состоит из СО (40-60%) и Н₂ (30-50%), который. получаем конверсией угля с водным паром и О₂. Синтез газ, через трубку подаётся в цилиндры двигателя, который легко сгорает и тем самым способствует экономию топлива в среднем на 30 % и снижению окиси углерода на 200 %.

Контакты с зарубежными фирмами показывают, что там ведутся аналогичные работы, причем, более развернуто и масштабно. Внезапное появление на рынке гибридных автомобилей указывает на то, что коммерческие и предкоммерческие разработки ведутся в условиях строжайшей секретности. Авторы рассчитывают, что их продукт может быть востребован, прежде всего, на отечественном автомобильном рынке.

Поскольку конечным продуктом в цепи преобразования энергии удобнее всего иметь горючие газы (их можно использовать вместе с основным топливом), то все поиски были направлены на получение, точнее сказать, на синтезирование горючего газа под действием тепла прямо на борту автомобиля. В начале рабочего хода давление в цилиндрах достигает 35- 40 атмосфер при температуре 2000 °С, а при выпуске отработанных газов 1,5- 2 атм. при 800- 1100 °С для легковых автомобилей. Для грузовых карбюраторных и тем более дизельных ДВС температура и давление аналогичны. Таким образом можно использовать высокотемпературные газы, поступающие в выпускной коллектор, а не собирать рассеявшееся по сторонам тепло.

Поиски решения привели к неожиданно простым результатам: если через раскаленный кокс пропустить острый, или перегретый водяной пар, идет эндотермическая реакция и образуется синтез газ, который состоит из окиси углерода и водорода, примерно в равных соотношениях с теплопроизводительностью около 3000 ккал/м³. Реакция начинается при 750°С, смесь газов не взрывоопасна, а их калорийность лишь немного уступает пропанбутановым смесям, которые широко используют на автомобильных газобаллонных установках. Но главное, что расходуемые компоненты- вода и уголь- дешевы. Годится любая модификация углерода: каменный уголь или кокс, древесный уголь, графит, отходы углеродных тканей и нетканых материалов и войлоков.

Испытания силовой установки на «Нексии» прошли успешно и доказали ее высокую эффективность. Все обслуживание сводилось лишь к тому, что одновременно с заправкой бензобака мы высыпали пакетик активированного угля в коробочку на выпускном коллекторе, чем приводили в изумление автолюбителей, наблюдавших за этим процессом. Для воды использовали штатный бачок стеклоомывателя, пополняя его по мере необходимости. Интересно было понаблюдать за поведением двигателя на различных режимах работы. Запуск холодного и горячего ДВС происходил очень быстро, практически с первой попытки, очевидно, потому, что в реакционной камере и трубопроводе оставался солидный запас синтез- газа, наполовину состоящий из водорода, который активировал процесс сгорания. Кроме того, снижалась токсичность выхлопных газов по наиболее вредным компонентам: несгоревшим углеводородам, бензапирену, саже, окислам азота и т. д. Количество окиси углерода, входящей в состав синтез- газа, в выхлопных газах не превышало установленной нормы 2 %, очевидно, потому, что в смеси с водородом в цилиндрах ДВС и кислородом воздуха она практически полностью сгорала, образуя углекислый газ и водяной пар. Прогретый двигатель развивал паспортную мощность, имел прежнюю динамику и обороты. Расход бензина на 100 км пути стал составлять около 5 литров вместо 7 литров.

Двигатель с добавкой синтез- газа работал уверенно на всех диапазонах оборотов и нагрузок, поэтому работу по совершенствованию рекуператора продолжили. Было решено использовать кинетическую энергию торможения автомобиля и колебаний его корпуса при движении по неровностям. Для этого имеющийся у нас на автомобиле индуктор, в качестве которого можно использовать генератор от КамАЗа или другого грузового автомобиля, подключили к нагревательному элементу рекуператора. Теперь при городском режиме движения автомобиля расход топлива снизился до 45… 50 %, поскольку наш энергетический рекуператор преобразовывал «бросовую» энергию в синтез- газ сразу от трех источников: выхлопных газов, системы охлаждения ДВС и индукционного генератора торможения автомобиля.

Подводя итоги, можно сделать следующие выводы, расходуемые материалы обшедоступны и дешевы, их заправка выполняется проще и безопаснее, чем заправка бака автомобиля бензином. Под капотом автомобиля практически ничего не меняется, вместо окаленной приемной трубы глушителя устанавливается изолированный корпус радиатора с компактным теплобменником, наружная поверхность которых холодная, поэтому не прогорает и не коррозирует. Кроме того, отбирая часть выхлопных газов, устройство снижает шумность выхлопа до 40 %, не снижая мощности ДВС, поскольку оказывает очень малое динамическое сопротивление отработавшим газам. Существенное снижение динамических нагрузок и температуры на штатный глушитель позволяет значительно снизить массу и упростить его конструкцию. Поскольку ДВС продолжает работать на основном топливе, то специального решения на переоборудование автомобиля на другой вид топлива не требуется.

Получаемый в рекуператоре синтез- газ: непрерывно расходуется и поэтому не нужно хранить на борту в баллонах высокое давление, что делает использование установки абсолютно безопасной.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. "Узбекистан на пороге XXI века: угрозы безопасности, условия и гарантии прогресса" угрозы безопасности, условия и гарантии прогресса" Т.: Узбекистан, 1997, 328 с.

2. Каримов И.А. "Мировой финансово-экономический кризис, пути и меры по его преодолению в условиях Узбекистана". Т.: Узбекистан, 2009, 387 с.

3. Каримов И.А. Ўзбекистон буюк келажак сари. Тошкент, Ўзбекистон, 1998 й

4. Каримов И.А. Ўзбекистон ХХ1 аср бўса?асида: ?авфсизликка тахдид, бар?арорлик шартлари ва тара??иёт кафолатлари.

5. Каримов И.А.. Ўзбекистон иљтисодий ислохатларни чукурлаштириш йулида Тошкент: Ўзбекистон 1995 йил.

6. Каримов У.К. Трактор ва автомобиль двигателлари назарияси. Тошкент: Ме?нат, 1989.

7. Белоусов А.П., Дищенко А.И., Поленский П.М. Автоматизация процессов в машиностроении. - М.:Высшая школа 1973 г. - 456 с.

8. Терген В.С. и др. Основы автоматизации производства: Учебное пособие для машиностроительных спец.сред.спец.учебных заведений. - М.: Машиностр, 1982, - 269 с.

9. Экологический вестник России №7, Информационно-справочный бюллетень Москва, 1998г.

10. Павлов П.П. Автоматические системы управления техноло?ическими процессами в промышленности. - М.: ЦНИТЭИ, 1975, - 51 с.

11. Energi.W. Q. Ford energie-report. London, 2001.

12. Giessel R. S. Desing of the 4-215 D. A. Automotive stirling engine. SAE London, 1999.

13. Акопов В.А., балондин С.Л. Измерение расхода топлива на отечественнўх и зарубежных автомобилях. Ташкент: ТАДИ, 2002г.

14. Алматаев Т.О., Носиров И.З. Транспорт воситалари ИЁД. Андижон:

15. Катализ в С₁ - химии. / Под ред. Л. Кайма. Л.: Химия, 1987. 296 с.

16. Караханов Э. А., Что такое нефтехимия // Соросовский Образовательный журнал. 1996. № 2. С. 65-73.

17. Харитонов Ю. Я. Комплексные соединения // Соросовский Образовательный журнал. 1996. № 1. С. 48-56.

18. Химические вещества из угля. Пер. с нем./ Под ред. Э. Фальбе - М: Химия, 1980. - 616 с.

19. Бекаев Л. С., Марченко О. В., Пинегин С. П. и др. Мировая энергетика и переход к устойчивому развитию - Новосибирск: Наука, 2000. - 300с.

20. Носиров И.З., Сибгатўллин М. Замонавий енгил автомобилларга Т?К ва таъмирлаш даврийлигини ошириш. «Мафкуравий жараёнлар ва Ўзбекистонда фанлар ривожининг долзарб муаммолари» мавзусидаги илмий- амалий анжуман материаллари. Андижон: Андижон, 2002, 580 б.

21. В.В. Амбарцумян, В.Б. Носов ”Экологическая безопасность автомобильного транспорта” Научтехлитиздат - Москва, 1999г.

22. ”Экологическая безопасность транспортных потоков” под редакцией А.Б. Дьякова Москва Транспорт - 1990г.

23. Милушкин А.А., Черняйкин В.А. Справочник водителя автомобиля. М.: Транспорт,1987 -238 с.

24. Автомобили «Мерседец- Бенц» М.: 2002.-58 с.

25. В.Ф. Протасов, А.В. Молчанов “Экология, здоровье и природопользование в России” Москва Финансы и статистика - 1995г.

26. Экологические проблемы развития автомобильного транспорта. - Москва, 1997

ПРИЛОЖЕНИЯ

Альтернативный способ получения синтез-газа

Современные проблемы энергетики могут быть решены только при рациональном использовании всех существующих на Земле и околоземном пространстве источников топлива и энергии [29]. Среди них биомасса, как постоянно возобновляемый источник топлива, занимает существенное место [32].

Биомасса- термин, объединяющий все органические вещества растительного и животного происхождения. Биомасса делится на первичную (растения, животные, микроорганизмы и т.д.) и вторичную- отходы при переработке первичной биомассы и продукты жизнедеятельности человека и животных. В свою очередь отходы также делятся на первичные- отходы при переработке первичной биомассы (солома, ботва, опилки, щепа, спиртовая барда и т.д.) и вторичные- продукты физиологического обмена животных и человека.

Ежегодное количество органических отходов по разным отраслям народного хозяйства России составляет более 390 млн. т. Сельскохозяйственное производство дает 250 млн. т, из них 150 млн. т приходится на животноводство и птицеводство, 100 млн. т -на растениеводство. Лесо- и деревопереработка дают 700 млн. т, твердые бытовые отходы городов - 60 млн. т, коммунальных стоков - 10 млн. т (все приведенные значения даются на абсолютно сухое вещество.

Энергия, запасенная в первичной и вторичной биомассе может конвертироваться в технически удобные виды топлива или энергии несколькими путями.

1. Получение растительных углеводородов (растительные масла, высокомолекулярные жирные кислоты и их эфиры, предельные и непредельные углеводороды и т.д.). Например, для южных регионов России это может быть рапсовое масло, добавляемое к дизельному топливу.

2. Термохимическая конверсия биомассы (твердой, до 60%) в топливо: прямое сжигание, пиролиз, газификация, сжижение, фест-пиролиз.

3. Биотехнологическая конверсия биомассы (при влажности от 75 % и выше) в топливо: низкоатомные спирты, жирные кислоты, биогаз.

В зависимости от влажности биомасса перерабатывается термохимическими, или биологическими способами. Биомасса с низкой влажностью (сельскохозяйственные и городские твердые отходы) перерабатываются термохимическими процессами: прямым сжиганием, газификацией пиролизом, ожижением, гидролизом. В результате получают водяной пар, электроэнергию, топливный газ, водород (метанол), жидкое топливо, газ, древесный уголь, глюкоза.

Биомасса с высокой влажностью (сточные воды, бытовые отходы, продукты гидролиза органических остатков) перерабатываются биологическими процессами: анаэробная переработка, этанольная ферментация, ацетонобутанольная ферментация. В результате этих процессов получают биогаз (СН₄, СО₂), органические кислоты, этанол, ацетон, бутанол. Различие физико- химических свойств биомассы обусловливает выбор термохимического или биологического процесса ее переработки.

Термохимическая конверсия биомассы

Прямое сжигание является одним из самых широко применяемых методов переработки биомассы (древесины и древесных отходов, соломы, городских твердых отходов и др.).

Топливо, вырабатываемое из городских твердых отходов, используют в сочетании с углем на небольших электростанциях.

Наиболее перспективными и все более широко применяемыми процессами превращения биомассы в различные виды энергии являются термохимическая газификация, этанольная ферментация и анаэробная переработка. Из термохимических процессов переработки биомассы наибольшее внимание в настоящее время привлекают такие, как газификация, пиролиз и сжижение, в результате которых получают жидкие и газообразные топлива, имеющие значительно большую энергоемкость, чем биомасса. Все эти процессы протекают при высокой температуре, а иногда и при высоком давлении.

Газификация древесины и другого лигноцеллюлозного сырья в течение многих лет является одним из основных методов производства низкокалорийного топливного газа. Топливный газ может быть непосредственно использован в котельных, обжигательных печах и разного вида топках, а после охлаждения, очистки и осушки - в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания. Состав получаемых при газификации газов зависит от природы применяемого сырья, типа окислителя, температуры процесса и давления. Наибольшую ценность представляет среднекалорийный газ, особенно синтез-газ (в основном состоящий из СО и Н₂). При газификации древесины получают синтез-газ, который по составу идентичен синтез-газу, вырабатываемому газификацией угля, паровой конверсией природного газа и др.

Пиролиз биомассы осуществляется при ее нагревании в отсутствии кислорода с образованием жидкого топлива, газов и древесного угля. Выход продуктов пиролиза зависит от условий проведения процесса и типа сырья. В свою очередь, условия процесса определяются природой сырья, заданными продуктами производства.

Широкую известность получил процесс превращения биомассы в жидкое топливо пиролизом со ступенчатым испарением, где в качестве сырья используются твердые городские отходы, древесная кора и др.

Основными технологическими узлами установки являются отделения для предварительной обработки древесины, производства синтез-газа, реакторное и секция для разделения продуктов ожижения. В отделении для предварительной обработки древесины биомасса (в виде древесной щепы) высушивается, измельчается и смешивается с рециркулирующей частью производимого жидкого топлива. Полученная суспензия нагревается до 200 ^оС и под давлением 23 МПа подается в реактор, где в присутствии раствора углекислого натрия в качестве катализатора и смеси газов оксида углерода и водорода (поступающего из отделения производства синтез-газа после очистки последнего от СО₂ и Н₂О) при температуре 340 ^оС и давлении 23МПа происходит ожижение биомассы.

Неочищенная жидкая фракция содержит, кроме образовавшегося жидкого топлива, непрореагировавшую древесину, катализатор и нерастворимые твердые вещества, для очистки от которых она направляется в сепараторное отделение. Извлеченные из неочищенного жидкого топлива твердые вещества и водорастворимый катализатор возвращают в систему. Общий тепловой КПД промышленной установки (с учетом всех потерь) составляет 50-60 %.

Один из методов переработки целлюлозной биомассы (например, соломы) - гидролиз минеральными кислотами с образованием глюкозы и ксилозы, которые в дальнейшем могут быть подвергнуты ферментации в целях производства различных органических химикатов, включая этанол, кислоты, бутанол и ацетон. С точки зрения получения заменителей жидкого и газообразного ископаемого топлива наибольший интерес представляет технология переработки биомассы с образованием в качестве конечных продуктов этанола, метанола, синтетического природного газа и биогаза.

Основными преимуществами превращения биомассы методом термохимической газификации являются высокие эффективность и скорость превращения. К недостаткам процесса относится возможность переработки сырья только с низким содержанием влаги, а также высокие температура и давление, сложные техническое оформление и управление процессом.

Биотехнологическая конверсия биомассы

При биотехнологической конверсии, как правило, используется биомасса и прежде всего разнообразные органические отходы с влажностью не менее 75%, хотя в России разработаны научные основы биоконверсии биомассы с влажностью менее 75% - твердофазная метангенерация осадков сточных вод и твердых бытовых отходов [32].

Биологическая конверсия биомассы в топливо и энергию развивается по двум основным направлениям:

· ферментация с получением этанола, низших жирных кислот, углеводородов, липидов - это направление давно и успешно используется на практике;

· получение биогаза.

В настоящее время получение биогаза связано прежде всего с переработкой и утилизацией отходов животноводства, птицеводства, растениеводства, пищевой, спиртовой промышленности, коммунально-бытовых стоков и осадков.

В России имеются технологии по переработке отходов птицеводства. Одна из них, разработанная Т. Я. Андрюхиным, введена в эксплуатацию в 1987-1988 гг. на Октябрьской птицефабрике Глебовского ППО Истринского района Московской области. Станция перерабатывает ежесуточно 10 т куриного помета механической уборки и производит до 1000 м³ биогаза и до 30 т экологически чистых органических удобрений [33].

Из биологических методов превращения биомассы наибольшее распространение получают анаэробная переработка и этанольная ферментация. В процессе анаэробной переработки или перегнивання (метановая ферментация) органические вещества разлагаются до СО₂ и CH₄. Возможность получения высококалорийного, топливного газа (СН₄) путем биохимической переработки биомассы, частности экскрементов крупного рогатого скота, реализована сравнительно недавно. Процесс анаэробной переработки органических отходов происходит в отсутствии кислорода с участием различных групп бактерий.

Одним из способов переработки биомассы является ацетонобутанольная ферментация, в результате которой под действием микроорганизма образуется уксусная и масляная кислота, этанол, бутанол, ацетон, изопропанол, а также диоксид углерода и водород.

Продукты, получаемые на основе синтез-газа

Альтернативные технологии получения качественных моторных топлив включают стадии газификации твердого сырья в смесь CO и H₂ и последующего синтеза углеводородных смесей, используемых в качестве бензина, дизельного топлива или компонентов моторных топлив по схеме (рис. 9).

Рис. 9. Схема получения продуктов из твердого органического сырья через синтез-газ.

Жидкие продукты процесса Фишера-Тропша, образующиеся из синтез-газа на промотированных железных или кобальтовых катализаторах, содержат преимущественно неразветвленные парафиновые углеводороды. Фракции этих жидких продуктов могут использоваться в качестве дизельных и турбинных топлив с минимальной переработкой.

Осуществление процесса Фишера - Тропша в жидкой фазе с использованием суспензии катализатора дает возможность перерабатывать синтез-газ с высоким содержанием CO в качественные жидкие топлива. Применение синтез-газа с высоким отношением CO\H₂ позволяет исключить стадию конверсии CO водяным паром, которая обычно используется для получения дополнительного количества Н₂, и повысить термическую эффективность процесса.

В таблице 7 представлены данные о продуктах, получаемых на основе синтез-газа.

В другом варианте реактора для парциального окисления метана кислородом под давлением, метан и кислород, нагретые до 400 °С при давлении 0,4 МПа, после смешения в камере 1 проходят через распределитель 2 и попадают в камеру сгорания 5, в которой температура повышается более чем до 1500 °С и происходит образование ацетилена и алкенов (рис. 6.2.6). Вторичный подогретый углеводород вводится через сопла 4 и 5 в камеру сгорания, в которой путем крекинга снова получают ацетилен и алкены. В конце процесса газы охлаждаются водой до 130... 140 °С и выходят из реактора.

...