Электричество в таежном зимовье? Это - реально!

конкурс
Конкурс статей

Конкурс авторских статей любых форматов. Обратите внимание, что победители будут определяться каждые три месяца в течение года!

Электричество в таежном зимовье? Это - реально!

Язев А.С., инженер

г. Луганск, yazev1234@yandex.ua

С огромным интересом смотрю фильмы о промысловой охоте в Западной Сибири, Якутии и другие, доступные в сети. Захотелось и самому окунуться в этот чарующий мир природы, испытать радость победы над самим собой, вкусить сладость удачного выстрела и добычи желанного трофея!

Но… Стать охотником-профессионалом мне уже не суждено, а вот выразить свое восхищение этим удивительным людям захотелось чем-то конкретным, что принесло бы им облегчение в их нелегком труде.

Чего я не увидел в этих фильмах, так это – присутствия электричества.

Если рядом с зимовьем течет незамерзающая речка, конечно же, можно поставить гидротурбину, которая будет вращать электрогенератор. Ну, а если мороз такой, что все замерзнет?

Можно применить ветрогенератор, но если ветра не будет несколько дней, а ждать нельзя?

Солнечные электростанции так же интересны, но только пока светило на небосклоне и нет облаков.

В качестве источника электроэнергии можно применить генератор на элементах Пельтье, мощность которого может достигать, по данным в сегодняшней прессе, 1000 Вт. Эти элементы использовали партизаны во времена Великой Отечественной Войны для питания радиостанций. Сейчас их стали применять для охлаждения компьютеров, т.е. не для выработки электроэнергии при нагреве, а для получения, наоборот, холода при создании разности потенциалов на клеммах устройства.

Может быть, есть еще устройства для получения электроэнергии в автономном режиме, но их перечисление, на мой взгляд, мало, что изменит в жизни охотника-промысловика.

Задачу для себя сформулировал так:

1.      Создать автономную теплоэлектростанцию – когенератор (двигатель внутреннего сгорания, далее по тексту – ДВС + электрогенератор + утилизатор тепла), работающую на генераторном газе, полученном в газогенераторе из древесины или любого дешевого местного вида твердого топлива, в том числе, из отходов.

2.      Предельная простота изготовления, доступная для сельской мехмастерской.

3.      Возможность выполнения ремонтных работ в полевых условиях.

4.      Возможность применения в качестве когенератора серийно изготавливаемых агрегатов питания, например АП-8 (двигатель от Москвича – 408 + электрогенератор ~3 фазы, 380 в/50 гц, мощность 8 кВт), или  агрегат питания АБ-16-Т/230-Ч/400М1 с карбюраторным двигателем (мощность 16 кВт),  передвижного сварочного аппарата колесного (САК) с карбюраторным двигателем, например, волговским, москвичевским или любым карбюраторным ДВС с принудительной подачей масла.

5.      Для питания двигателя внутреннего сгорания в качестве топлива использовать генераторный газ, полученный в газогенераторе, предусмотрев возможность управления производительность газогенератора посредством акселератора ДВС. За основу, при разработке газогенератора, принять конструкцию серийно выпускавшихся, проверенных в реальных условиях эксплуатации, газогенераторов для автомобилей и тракторов.

6.      Мощность автономной теплоэлектростанции на клеммах электрогенератора должна составлять от 1кВт до 100 кВт и определяется Заказчиком.

Теперь, совсем немного теории.

1            Газификация твердого топлива. Механизм основных реакций процесса газификации

Газификация — термохимический процесс взаимодействия углерода топлива с окислителями, проводимый с целью получения горючих газов (Н2, СО, СН4). В качестве окислителей, которые иногда называют газифицирующими агентами, используют воздух, кислород (или обогащенный им воздух), водяной пар, диоксид углерода либо смеси указанных веществ. В зависимости от соотношения исходных реагентов, температуры, продолжительности реакции и других факторов можно получать газовые смеси самого разного состава.

Впервые промышленная реализация газификации твердого топлива была осуществлена в 1835 г. в Великобритании. К середине XX в этот процесс получил широкое развитие в большинстве промышленных стран мира. Например, в СССР в 50-е годы работало свыше 350 газогенераторных станций, на которых было установлено около 2500 газогенераторов. Эти станции вырабатывали ежегодно 35 млрд. м3 энергетических и технологических газов. Как известно, в последующие 20—25 лет в мировом энергетическом балансе происходили изменения, обусловленные ростом добычи и потребления нефти, попутных и природных газов. Вследствие этого, конкурентоспособность искусственных энергетических и технологических газов, получаемых из твердого топлива, резко снизилась, а их производство, практически повсеместно, (за исключением ЮАР) было прекращено.

Однако в последние годы, в связи с сокращением ресурсов нефтяного и газового сырья, процесс газификации твердых горючих ископаемых вновь привлек к себе внимание, искусственные газы опять начинают рассматриваться как одна из существенных составляющих теплового баланса. В настоящее время выявились следующие, наиболее экономически эффективные, области применения рассматриваемого метода.

1 Газификация сернистых и многозольного топлива с последующим сжиганием полученных газов на мощных тепловых электростанциях. В углях, ежегодно добываемых в СССР, содержится около 10 млн. т серы, большая часть которой при сжигании выбрасывается в атмосферу в виде токсичных оксидов серы и серооксида углерода. При газификации сернистых углей образуется сероводород, который можно сравнительно легко извлечь и затем переработать в товарную серу или серную кислоту.

2 Газификация твердого топлива для крупномасштабного производства заменителей природного газа (ЗПГ). Это направление имеет наибольшее значение для местного газоснабжения районов, удаленных от месторождений природного газа и нефти или от магистральных трубопроводов.

3 Газификация твердого топлива с целью получения синтез-газа, газов-восстановителей и водорода для нужд химической, нефтехимической и металлургической промышленности.

4 Процесс газификации зависит от многих факторов, влияющих на состав получаемого газа и его теплоту сгорания. В связи с этим, до сих пор отсутствует единая общепринятая классификация методов осуществления рассматриваемого процесса, ниже приведен один из возможных вариантов классификации.

По виду дутья (газифицирующего агента):

воздушное, воздушно-кислородное, паровоздушное, парокислородное, с использованием СО2.

По направлению движения потока топлива и дутья (приведены только основные типы):

прямого – Рис. 1.1 - (топливо движется сверху в низ генератора, а газы дутья – снизу вверх) и обращенного процесса – Рис. 1.2 - (топливо движется сверху вниз, а газы дутья, так же сверху вниз).

 

 

              

Рис. 1.1

Схема газогенератора прямого процесса газификации

Рис. 1.2.

Схема газогенератора обращенного процесса газификации

 Причем, газогенераторы обращенного процесса строились, в основном, для обеспечения работы двигателей внутреннего сгорания автомобилей (130000 единиц в СССР), тракторов, электростанций. Бывший Коломенский паровозостроительный завод выпускал газогенераторные тепловозы ТГ-1 мощностью 2000 л.с., топливом которым служил антрацит шахт треста «Свердловуголь».

Конструктивно, газогенераторы обращенного процесса, имеют меньшую металлоемкость, допускают применение широкого спектра топлива по крупности (от 150-100 мм до пыли), зольности (до 60 %) и особенно по влажности (50-60 %), могут работать как под избыточным давлением, так и под разряжением, имеют возможность целенаправленного ввода дутьевых газов и катализаторов горения топлива, без существенных изменений конструкции могут быть переведены на выпуск золы или шлака в расплавленном виде, при применении парового дутья не требуют специальных парообразователей с системой водоподготовки и т.д.

По давлению:

при атмосферном давлении, при повышенном давлении.

По размеру частиц топлива:

газификация крупнозернистого (кускового), мелкозернистого и пылевидного топлива, водоугольного топлива, катализированного топлива.

По конструктивным особенностям реакционной зоны:

в неподвижном плотном слое топлива, в псевдоожиженном (кипящем) слое топлива, в пылеугольном, водоугольном факеле.

По способу выведения золы:

в твердом виде, в виде жидкого шлака.

По способу подвода тепла:

при частичном сжигании топлива в газогенераторе, при смешении топлива с предварительно нагретым твердым, жидким или газообразным теплоносителем (регенеративный нагрев), «СО2 – акцептор», при подводе тепла через стенку аппарата (рекуперативный нагрев).

 

По назначению получаемого газа:

получение газов с заданной теплотой сгорания (низкой — до 6700 кДж/м3, средней — от 12000 до 18000 кДж/м3 и высокой — от 30000 до 35000 кДж/м3); получение газов заданного состава.

По способу обогащения конечного газа метаном:

безостаточная газификация топлива в СО, СО2 и Н2 в сочетании с отдельной стадией метанирования СО и СО2 водородом; газификация с полным выделением летучих и максимальным образованием метана в слое топлива; гидрогазификация.

Газификации могут быть подвергнуты, практически все известные виды твердых, жидких и газообразных горючих ископаемых. При этом можно получить газ заданного состава или заданной теплоты сгорания, так как эти показатели в значительной степени определяются температурой, давлением и составом применяемого дутья.

Газ с низкой теплотой сгорания образуется при использовании воздушного или паровоздушного дутья. В соответствии с этим его называют воздушным или паровоздушным (смешанным). Он характеризуется высоким содержанием балласта — азота (до 40—55 % об.), что обусловливает низкую теплоту сгорания такого газа. Основная область применения таких газов — сжигание в топках промышленных печей. Однако, после конверсии содержащегося в них оксида углерода и очистки от СО2, получают азотоводородную смесь — исходное сырье для синтеза аммиака.

Газы со средней теплотой сгорания получают в процессах паровой или парокислородной газификации твердого топлива под давлением до 2—2,5 мПа. По составу они представляют собой смеси оксидов углерода и водорода с небольшими количествами метана и других углеводородов: 30—35 % (об.) СО2; 10—13 % (об.) СО; 38—40 % (об.) Н2; 10—12 % (об.) СН4; 0,5— 1,5 % (об.) СnН2n. По экономическим соображениям такие газы применяют в ограниченных масштабах. Их используют главным образом как химическое сырье, а также начинают применять в металлургии в качестве газов-восстановителей.

Характеристика производства различных продуктов на основе газов, получаемых при газификации твердого топлива приводится в таблице   1.1.

 

Технология получения указанных газов первоначально была основана на использовании паровоздушного дутья, причем воздух предварительно обогащался кислородом до 40 % (об.). Наряду с этим повысить теплоту сгорания газа можно, проводя газификацию при повышенном давлении. Другой способ получения газов со средней теплотой сгорания — газификация твердого топлива с применением парового дутья и предварительно нагретого до 900—1100 °С твердого теплоносителя. В качестве последнего можно использовать золу, остающуюся после сжигания части топлива в выносной топке. Подобный вариант позволяет получать газ, состоящий в основном из СО и Н2 в соотношении, близком к 1:1, однако этот способ опробован пока лишь на небольших опытно-промышленных установках.

Газы с высокой теплотой сгорания, приближающиеся по этому показателю к природному газу, в настоящее время в промышленных масштабах пока не производят. Однако технология их получения в ряде случаев отработана на достаточно крупных опытно-промышленных установках. Основа повышения теплоты сгорания газа — обогащение его метаном за счет проведения газификации при повышенном давлении, благодаря чему интенсифицируется взаимодействие углерода и его оксидов с водородом, образующимся в слое топлива. Продуктом этих реакций является метан.

Разработано также несколько вариантов многоступенчатых газогенераторов, в которых предусмотрены максимальное извлечение летучих продуктов из топлива и последующая газификация углеродного остатка с применением водородсодержащих газов в качестве газифицирующего агента (гидро­газификация). Наряду с этим газ, обогащенный метаном, может быть получен из низко- и среднекалорийного газа путем гидрирования содержащихся в нем оксидов углерода в выносном реакторе (вне газогенератора).

Газы заданного состава предназначены для непосредственного синтеза химических продуктов и представляют собой смеси водорода с азотом или оксидом углерода (в широком диапазоне соотношений) либо технический водород.

Представление о составе генераторного газа и о продуктах, получаемых на их основе, дает таблица 1.1.

Основное требование в рассматриваемом случае — необходимость обеспечить заданное соотношение целевых компонентов в получаемом газе.

Для ориентировочной оценки состава газа, получаемого при тех или иных условиях, часто используют понятие об «идеальных» генераторных газах. Под ними понимают газы, образующиеся при взаимодействии чистого углерода и газифицирующих агентов (СO2 и Н2О) с получением только горючих компонентов (не считая азота при использовании воздушного дутья). Харак­теристиками «идеальных» генераторных газов служат их состав [% (об.)], выход (м3 на 1 кг топлива), теплота сгорания (кДж/м3) и коэффициент полезного действия газификации k. Последний находят как отношение количества тепла, которое можно получить при сжигании образующегося газа (Q1), к количеству тепла, выделяющегося при сжигании израсходованного топлива (Q2). В случае эндотермического процесса знаменатель должен быть увеличен на величину теплового эффекта реакции (Q3):

k= Q1/( Q2 + Q3)  [1]

Существует несколько типов «идеальных» (и) генераторных газов.

Воздушный газ может быть получен при взаимодействии углерода с кислородом воздуха по экзотермической реакции, сопровождающейся выделением тепла в количестве

52300 ккал.

2С + О2 + 3,76N2=2СО + 3,76N2 + 52300 ккал,  [2]

Состав и. воздушного газа: CO – 34,5 %; N2 – 65,5 %

 

Выход и. воздушного газа из 1 кг углерода Vi= 5,41 м3

 

Теплотворная способность Q = 1050 ккал/ м3

k = 72,3 %

 

Водяной газ — продукт взаимодействия углерода с водяным паром по реакции:

С + Н2Опар=2СО + Н2 – 31700 ккал.  [3]

Состав и. водяного газа: CO – 50,0 %; Н2 – 50,0 %

 

Выход и. водяного газа из 1 кг углерода Vi= 3,73 м3

 

Теплотворная способность Q = 2815 ккал/ м3

 k=100,0 %

 

Эта реакция эндотермическая (– 31700 ккал), поэтому количество тепла, затрачиваемое на ее проведение, должно быть учтено при расчете коэффициента полезного действия газификации.

Полуводяной газ получают на паровоздушном дутье. При этом одновременно протекают реакции [2] и [3], причем основное условие заключается в том, что все тепло, выделяющееся по реакции [2], должно расходоваться по реакции [3]. Для соблюдения этого условия с 2 моль углерода, реагирующего по реакции [2], должно взаимодействовать 1,65 моль углерода по реакции [3]. Уравнения процесса в этом случае имеют вид:

2С + O2 + 3,76N2=2СО  + 3,76N2 + 52300 ккал;  [4]

С + Н2Опар=СО + Н2 - 31700 ккал.

Для соблюдения равенства экзотермического и эндотермического тепловых эффектов этих реакций на 2 кг-моль углерода, вступающего в реакцию с воздухом, должны вступить в реакцию с водяным паром 52300/31700=1,65 кг-моль углерода

Состав и. полуводяного газа: CO – 40,1 %; Н2 – 18,1 %; N2 – 41,8 %

 

Выход и. полуводяного газа из 1 кг углерода Vi = 4,65 м3

 

Теплотворная способность Q = 1685 ккал/ м3

 

 k=100,0 %

 

Оксиводяной газ можно получить на парокислородном дутье при том же условии, что и полуводяной. Процесс получения оксиводяного газа отличается только тем, что вместо воздуха подается чистый кислород, т.е. в газе отсутствует балласт (азот).

3,65С + 1,65 Н2=3,65СО + 1,65Н2 + 20600 ккал.  [4]

Состав и. оксиводяного газа: CO – 68,9 %; Н2 – 31,1 %

 

Выход и. полуводяного газа из 1 кг углерода Vi = 2,71 м3

 

Теплотворная способность Q = 2900 ккал/ м3

 

k=100,0 %

 

Основные характеристики и выход идеального генераторного газа из 1 кг углерода приводятся в таблице  1.2.

 

Основные характеристики «идеальных» генераторных газов представлены в таблице 1.2. Видно, что наибольшее количество газа образуется при получении воздушного газа, однако его теплота сгорания невелика вследствие того, что почти 2/3 его объема приходится на азот. В этом случае наблюдается также наименьший к.п.д. газификации. При получении генераторных газов с использованием водяного пара к.п.д. равен 100 %, а теплота сгорания получаемого газа существенно выше, чем у воздушного. Следует отметить, что выход газа и его теплота сгорания находятся в обратной зависимости: при увеличении одного из этих параметров происходит уменьшение другого.

Данные, относящиеся к «идеальным» генераторным газам, как и результаты термодинамических расчетов равновесных составов, можно использовать для оценки результатов газификации при различных условиях.

 

 

2            Малые поршневые и турбинные тепловые электростанции (когенераторы). Сравнение и выбор

На сегодняшний момент возможными приводами электрогенераторов для децентрализованных малых тепловых электростанций являются газовые поршневые и турбинные двигатели внутреннего сгорания и двигатели с внешним подводом тепла, так называемых «Стирлинги».

«Сколько стоит Мини-ТЭЦ, какова себестоимость киловата?», «Каков срок окупаемости расходов?» — первые вопросы, которые возникают при принятии решения «строить или не строить собственную электростанцию?».

Как видно из Рис. 2.1, при единичных мощностях менее 3,5 МВт, наименьшая удельная стоимость оборудования у поршневых машин. Здесь нужно заметить, что стоимость оборудования и стоимость станции не одно и то же, особенно в том случае, когда речь идет о подводе газа высокого давления (как требуется для газовых турбин).

 

 

Рис. 2.1. Удельная стоимость поршневой и турбинной установок

Следующими очень важными для потенциальных владельцев станций являются вопросы расхода топлива и эксплуатационных затрат, которые напрямую связаны с выгодами, которые получит владелец и со сроком окупаемости оборудования станции.

 

Рис. 2.2. Удельный расход топлива поршневой и турбинной установками

 

Удельный расход топлива на выработанный кВт*ч (см. Рис. 2.2) меньше у газопоршневой установки, причем, при любом нагрузочном режиме. Это объясняется тем, что КПД поршневых машин составляет 36…45 %, а газовых турбин — 25…34 %.

 

Рис. 2.3. Эксплуатационные затраты на электростанцию мощностью 5 МВт

 

Эксплуатационные затраты на тепловую электростанцию с поршневыми машинами ниже, чем на электростанцию с газовыми турбинами (см. Рис. 2.3). Резкие скачки на графике ГТД - капитальные ремонты двигателя. У эксплуатационных затрат ГПД таких скачков нет, капитальный ремонт требует значительно меньше финансовых и людских ресурсов.

Сравнение газопоршневых и газотурбинных двигателей по другим немаловажным вопросам установки и эксплуатации приведено в таблице 2.1.

 

Сравнение турбинных и поршневых двигателей для применения на мини-ТЭЦ показывает, что установка газовых турбин наиболее выгодна на крупных промышленных предприятиях, которые имеют значительные (больше 8…10 МВт) электрические нагрузки, собственную производственную базу, высококвалифицированный персонал для эксплуатации установки, ввод газа высокого давления.

Малые тепловые электростанции на базе газопоршневых двигателей перспективны в качестве основного источника электроэнергии и теплоты на предприятиях самого широкого диапазона деятельности, а именно: в сфере обслуживания — в гостиницах, санаториях, пансионатах и предприятиях пищевой промышленности; в промышленности — на деревообрабатывающих и химических предприятиях; в сельском хозяйстве — в тепличных хозяйствах, на птицефермах и животноводческих комплексах; в жилищно-коммунальном хозяйстве – для нужд отдельных жилых домов и микрорайонов.    

На мой взгляд, применение малых тепловых электростанций поможет решить многие проблемы с энергообеспечением, как для охотников-промысловиков, так и для небольших отдаленных поселений.

 3            Технические возможности

В свое время для газификации различного топлива были разработаны и эксплуатировались разнообразные газогенераторные установки, которые конструктивно адаптировались для достижения конкретных эксплуатационных задач: получение тепла, электроэнергии, синтез-газа, рудных концентратов редких металлов и т.д.

 

Для проведения экспериментов автором разработан и построен в 2000 году пилотный вариант газогенератора типа ГГ-30, тепловой мощностью 400 кВт (см. Рис.3.1, Рис. 3.2 и Рис. 3.3), причем, в качестве прототипа был прият газогенератор автомобиля «УралЗИС-352».

 

Рис. 3.1. Автомобиль газогенераторный  «УралЗИС-352».