Энергетика и промышленность России - избранные материалы.
ВЫПУСК 72.

Альтернативное моторное топливо из местного сырья

Одна корова в год дает 600 литров бензина! Не верите? Между тем, это научный факт. Конечно, речь идет, собственно, не о бензине, а о его энергетическом эквиваленте. Тема альтернативного источника энергии - биогаза - была поднята в февральском номере газеты на страницах «Новые технологии». Наш постоянный автор Николай Геннадьевич Кириллов подготовил для «Энергетики и промышленности России» статью о возможности использования биогаза в качестве моторного топлива.

Биогаз как перспективный источник альтернативного моторного топлива

О промышленном использовании на автотранспорте альтернативных моторных топлив из местных сырьевых ресурсов раньше в России никто серьезно не задумывался. Страна, обладающая крупнейшими в мире запасами нефти и газа, могла себе это позволить. В странах же, не имеющих естественных природных богатств, уже с середины 1980-х были поставлены на учет и запущены в производство все потенциальные местные источники альтернативных моторных топлив. К числу их относятся: биогаз, образующийся при анаэробном сбраживании органических отходов; этанол - продукт спиртового брожения разнообразных сахаро- и крахмалосодержащих субстратов или гидролизной целлюлозы; биодизельное топливо, получаемое из маслосодержащих культур - рапса, сои, кактусов; а также искусственная сырая нефть, производство которой основано на пиролизе осадков сточных вод и других отходов.

Хотя потенциальных источников для производства моторных топлив из местного сырья достаточно много, на практике круг их сужается вследствие географических, климатических, экономических и других факторов. Пищевые культуры как потенциальное сырье в России исключаются из баланса, поскольку являются не менее дефицитными. Технические сельскохозяйственные культуры в России, в отличие от экваториальных стран, - сезонное сырье. Их выращивание требует больших земельных площадей. Например, для производства в США 3,8 млрд. литров этанола нужно собрать урожай технических культур за год с 2 млн. га.

В России практически отсутствует сырьевая база для получения этанола и биодизельного топлива (наиболее эффективными продуцентами для них являются представители тропической и субтропической флоры), а также технологическая и производственная база для широкого применения процесса пиролиза отходов. Поэтому их рынок в России ограничен.

Серьезный практический интерес для России представляет только такое альтернативное моторное топливо из местного сырья, как биогаз.

Что такое биогаз?

Биогаз - смесь метана и углекислого газа, - продукт метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения. Метановое брожение - результат природного биоценоза анаэробных бактерий - протекает при температурах от 10 до 55 °С в трех диапазонах: 10...25 °С - психрофильное; 25...40 °С - мезофильное; 52...55 °С - термофильное. Влажность составляет от 8 до 99 %, оптимальная - 92...93 %. Содержание метана в биогазе варьируется в зависимости от химического состава сырья и может составлять 50-90 %.

Наиболее эффективным для анаэробного сбраживания осадков является метантенк. Он представляет собой металлический или железобетонный резервуар, в котором осуществляется только сбраживание осадка с подогревом и перемешиванием. Подогрев осуществляется с помощью паровых эжекторов, теплообменников, а перемешивание - механическими мешалками, инжектированием паром.

Основные сырьевые источники

Городские источники

Канализационные (аэрационные) газы - это продукт брожения сточных вод городской канализации, представляющий собой разновидность биогаза, имеющего в своем составе 60-65 % метана (СН4), 30-35 % диоксида углерода (СО2) и 2-4 % водорода (Н2). Как показывает практика, выход канализационных газов со станции переработки, питаемой канализационной сетью, обслуживающей населенный пункт с численностью жителей 100 тыс. человек, достигает в сутки более 2500 м3, что эквивалентно 2000 л. бензина.

Учитывая, что население крупных городов России, как правило, превышает 500 тыс. человек, канализационные газы становятся реальным источником альтернативного топлива. Так, автотранспортное хозяйство г. Санкт-Петербурга ежедневно может получать до 100 тыс. м3 аэрационного газа, что позволяет перевести значительную часть городского автотранспорта на альтернативный вид моторного топлива, экономя тем самым более 80 тыс. литров нефтепродуктов в сутки.

Осадки сточных вод очистных станций городской канализации

В зависимости от химического состава осадков при сбраживании выделяется от 5 до 15 м3 газа на 1 м3 осадка сточных вод.

По данным Всесоюзного научно-исследовательского, конструкторского и проектно-технологического института органических удобрений и торфа на очистных станциях России и стран СНГ накопление жидких осадков сточных вод составляет 170 млн. м3/год. При анаэробном сбраживании может быть получено 1,5 млрд. м3 биогаза в год (1,2 млн. т. условного топлива).

Твердые бытовые отходы

Для производства биогаза из ТБО измельченные отходы в метантенке перемешивают с канализационным осадком из отстойников очистных сооружений. Температура массы повышается до 65-70 °С. Процесс анаэробного сбраживания идет в течение 1-2 месяцев. По данным зарубежных специалистов, из 1м3 ТБО выделяется до 1,5 м3 газов. В своем составе газы имеют до 50 % метана, 25 % двуокиси углерода, до 2 % водорода и азота. Эта технология достаточно широко используется за рубежом - в США, Германии, Японии, Швеции. Общее количество биогаза, полученного из ТБО, эквивалентно энергии в 37*1015 Дж.

Сельское хозяйство

Концентрация примесей сточных вод на животноводческих фермах достигает 30000 - 60000 мг/л. Количество сухих осадков составляет не менее 20 млн. т в год. Сброженные осадки и навоз после ферментации, как правило, являются обезвреженными и могут быть использованы как удобрения. Подсчеты показывают, что в сельских местах производство биогаза может считаться рентабельным при наличии 20 коров, 200 свиней или 3500 кур.

Птицеводство

Для определения выхода биогаза можно принимать, что в одном типовом птичнике содержится 25 тыс. кур, дающих в день до 5 т помета, из которого выходит 5000 нм3 биогаза.

Животноводство

Из 1 т сухого навоза в результате анаэробного сбраживания при оптимальных условиях можно получить 340 м3 биогаза, или 2,5 м3 на одну голову крупного рогатого скота в сутки (900 м3). Парадокс: одна корова в год, кроме молока, дает еще более 600 л... бензина (в энергетическом эквиваленте). Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных и метанообразующих бактерий превращаются в газообразные продукты - метан и углекислоту. Одновременно при сбраживании навоза обеспечивается его дезодорация, дегельминтизация, уничтожение способности семян сорных растений к всхожести и перевод удобрительных веществ в минеральную форму. При этом необходимо отметить, что технология получения биогаза путем анаэробного сбраживания в метантенках является наиболее экономичным способом переработки органических отходов птицеводческих и животноводческих предприятий в сухое удобрение.

Для пересчета количества биогаза с птицеводческого комплекса на животноводческий можно пользоваться следующими условными единицами: 1 корова = 4 свиньи = 250 кур.

Сжиженный биометан - новое дешевое топливо из местного сырья

Однако создание двигателей автотранспортных средств, работающих на газе с низкой теплотой сгорания, как у биогаза, представляет определенные трудности. Поэтому целесообразнее использовать не биогаз, а получаемый из него биометан. Для этого из биогаза удаляют СО2 и другие примеси. Получаемый газ имеет однородный состав (биометан), содержащий 90-97 % СН4 с теплотой сгорания 35-40 МДж/м3.

Очистка биогаза от двуокиси углерода может производиться различными способами. Наиболее распространенные: промывка газов через жидкие поглотители (например, воду), вымораживание, адсорбция при низких температурах.

Биометан, как и другие газовые топлива, имеет низкую объемную концентрацию энергии. При нормальных условиях теплота сгорания 1 л. биометана составляет 33 - 36 кДж, в то время как теплота сгорания 1 л бензина составляет 31400 кДж, т.е. в 1000 раз больше, чем у биометана. Поэтому биометан может применяться в автомобилях как моторное топливо либо в компримированном (сжатом), либо в криогенном (сжиженном) состоянии.

О применении сжатого биометана в качестве моторного топлива для автомобилей известно давно. Осенью 1946 года при испытательном пробеге 18 газобаллонных автомобилей по маршруту Берлин-Киев-Москва 5 автомобилей работали на биометане, полученном путем частичной очистки канализационного биогаза от СО2 и компримированием до 20 МПа. Впоследствии в ЧССР, США и ряде других стран были проведены испытания автомобилей, переоборудованных для работы на сжатом канализационном биометане.

Исследования по использованию сжатого биометана, получаемого из птичьего помета, проводились и в СССР. Для испытаний был создан экспериментальный газобаллонный автомобиль «Москвич-2140». В результате установлено, что при работе на сжатом биометане можно получить такие же показатели, как и на природном газе. Приемистость и максимальная скорость автомобиля сохранялись на прежнем уровне. Было установлено повышение экономичности газового автомобиля по сравнению с бензиновым при малых скоростях движения.

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 два 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 компримированного природного газа, 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).

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.

Можно выделить два основных направления решения этой проблемы. Одно - создание централизованных производств на основе биогенераторных заводов и крупных сжижительных комплексов. Другое - создание небольших производств на основе биогенераторных и криогенных установок. Первое направление, в силу тяжелого финансового состояния экономики России в ближайшем будущем вряд ли применимо.

В короткие сроки производство СБМ в России может быть налажено только в рамках региональных программ или локальных проектов, основанных на использовании канализационного газа, отходов животноводства и птицеводства. Использование сжиженного биометана, в первую очередь, для собственного автотранспорта животноводческих и птицеводческих предприятий, фермерских хозяйств и сельскохозяйственных кооперативов, а также общественного и грузового городского транспорта может дать существенный экономический эффект.

Стирлинг-технология производства СБМ

Только появление сравнительно дешевого способа производства сжиженного биометана может сделать этот вид топлива конкурентоспособным на отечественном рынке моторных топлив. В этом отношении наиболее перспективна новая технология производства СБМ на основе использования криогенных газовых машин (КГМ), работающих по циклу Стирлинга. Криогенные газовые машины Стирлинга отечественных и зарубежных фирм являются криогенераторами, основанными на принципе только внешнего охлаждения, и предназначены для сжижения газов, температура конденсации которых не ниже 70 К (-200 °С). В России производится несколько модификаций КГМ Стирлинга с производительностью от 14 до 80 л/ч СБМ. За рубежом фирмами «Филипс» и «Веркспоор» освоено серийное производство более мощных КГМ Стирлинга с производительностью по СБМ более 700 л/ч.

На основе КГМ Стирлинга могут быть созданы малогабаритные комплексы по производству СБМ непосредственно в автохозяйстве любого предприятия, имеющего возможность получения биогаза. В качестве комплектующих предполагается использовать только серийно производимое отечественной промышленностью оборудование. Криогенные машины Стирлинга выпускаются ОАО «Машиностроительный завод «АРСЕНАЛ» и НПО «Гелиймаш», а соответствующие для них биогенераторные установки «КОБОС-1» (для крупного рогатого скота) и «БИОГАЗ-301С» (для свиноводческой фермы в 3000 свиней) Шумихинским машиностроительным заводом. Малогабаритный комплекс СБМ на основе данного оборудования позволяет получать до 700 литров сжиженного биометана в сутки (заправка 6 автомашин типа «ЗИЛ-130» или 15 легковых). Производительность комплекса может быть увеличена за счет дополнительных модулей. В качестве биогенераторных установок могут быть использованы более мощные установки других производителей - например, Опытного завода ВНИИГАЗ. Биогенераторная установка этого предприятия производительностью по биогазу 1000 м3/сутки из куриного помета в настоящее время эксплуатируется на Октябрьской птицефабрике Глебовского птицеводческого объединения.

Стоимость СБМ будет находиться в пределах 2 рублей за литр.

Стоит также отметить, что газобаллонное оборудование автомобиля, работающего на сжиженном биометане, полностью соответствует оборудованию автомобиля, работающем на сжиженном природном газе.

Н.Г. Кириллов,
к.т.н., с.н.с., федеральный эксперт научно-технической сферы (Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского)

В семьдесят третьем выпуске читайте: Малозатратная установка для переработки отходов