ИННОВАЦИОННЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ГАЗОГИДРАТНОГО ПОЛУЧЕНИЯ, ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ МОТОРНОГО ТОПЛИВА..
Научно-практическая конференция «Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий» Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН, 19-20 марта 2013 г.
УДК 532.546:536.421
ИННОВАЦИОННЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ГАЗОГИДРАТНОГО ПОЛУЧЕНИЯ, ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ МОТОРНОГО ТОПЛИВА ИЗ БИОГАЗА И СВАЛОЧНОГО ГАЗА
Велицко В.В.
Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К., г. Москва
Одной из ключевых статей расходов сельхозпредприятий, прямо влияющих на рентабельность производства, являются затраты на электроэнергию, теплоснабжение и моторное топливо. В этой связи актуальна организация автономного производства моторного топлива путем переработки биомассы сельскохозяйственных отходов в биогаз, выделение из него энергоносителя - метана и компактирование метана для хранения, транспортировки и последующего использования в двигателях внутренне- го сгорания.
Традиционные технологии производства моторного топлива из биогаза преду- сматривают очистку биогаза от углекислого газа и примесей сероводорода и ком- примирование (сжатие) до 160 - 200 атм на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС). Сложность очистки, хранения, заправки авто- парка, высокие капитальные и эксплуатационные затраты существенно огра- ничивают применение таких технологий в условиях сельскохозяйственного произ- водства.
Предлагаемая альтернативная технология производства моторных топлив включает одностадийное выделение из биогаза целевого продукта - метана и его пе- ревод в газогидрат, являющийся твёрдым соединением метана и воды. Процесс осу- ществляют охлаждая и сжимая биогаз и смешивая его затем с водой.
Полученный твёрдый гидрат метана механически сепарируют от газообразных примесей и сохра- няют как концентрат моторного топлива или направляют на переработку в сжижен- ный или сжатый метан, которые используют как стандартизованное моторное топли- во [1, 2]. Сжиженный метан (СПГ) соответствует ТУ 51-03-03-85 «Газ горючий при- родный сжиженный. Топливо для двигателей внутреннего сгорания. Технические ус- ловия», а компримированный метан (КПГ) соответствует СТО 089-2010 «Газ горю- чий природный, поставляемый и транспортируемый по магистральным газопрово- дам. Технические условия».
Таблица 1. Эффективность выделения метана из биогаза и свалочного газа полигонов ТБО
Таким образом, ключевой технологией, обеспечивающей простое выделение метана, его безопасную транспортировку и энергоэффективную переработку являет- ся выработка гидрата метана.
Один кубометр гидрата метана при плотности ~ 970 кг/м3 содержит порядка 164 Нм3 метана, что эквивалентно сжатию метана до ~ 200 атм. Высокая энергоём- кость 1,7 кВт-ч/кг, а также стабильность при атмосферном давлении и сравнительно небольшой отрицательной температуре - 29°С [3] делают гидрат метана более дешё- вой и безопасной альтернативой КПГ и СПГ при использовании в качестве моторно- го топлива.
[Читать далее:]
Перечисленные свойства гидрата метана позволяют хранить его в термоизо- лированных контейнерах, и контролируемо высвобождать потребное количества ме- тана путем нагрева от внешнего источника, например, при использовании тепла ат- мосферного воздуха или тепла, выделяемого при работе двигателя внутреннего сго- рания.
Безопасность транспортировки гидрата метана обеспечивается как его низкой теплопроводностью, так и эффектом самоконсервации, заключающемся в том, что при разложении гидрата метана на метан и воду, вода замерзает и образует на по- верхности гидрата ледяную корку, препятствующую его дальнейшему интенсивному разложению. Безопасность гидрата метана в сравнении с КПГ и СПГ демонстрирует- ся на фотографии (рис. 1).
Рис. 1. Горение гидрата метана на воздухе [4].
В соответствии со схемой (рис.2) перерабатываемый газ (1), поступает в де- тандер-компрессорный агрегат (ДКА), где производится его сжатине и охлаждение. Далее из газа сепарируются углеводороды С3 и выше (3) (при их наличии), а также вода. Охлажденный газ без примесей и конденсата поступает в модуль по производ- ству гидрата метана, где смешиваясь с водой, образует гидрат, механически отделяе- мый в сепараторе от газообразных примесей. Из примесей, таких как СО2, азот и прочие газы рекуперируется холод, а также избыточное давление, используемое в детандер-генераторной установке для выработки электроэнергии (4). Через катализа- тор примеси сбрасывается (5) в атмосферу.
Применение газогидратной технологии для извлечения из продуктов перера- ботки биологических отходов энергоносителя - метана позволяет обеспечить мотор- ными топливами автопарки сельхозпредприятий, а также реализовать локальную га- зификацию коммунальных и промышленных потребителей, у которых отсутствует централизованное газоснабжение.
При этом возможность производства моторных топлив из биомассы отходов позволит как снизить финансовую нагрузку на сельхозпредприятия, так и получать дополнительный доход от поставок топлива сторонним потребителям. В частности - целесообразна поставка метана, выработанного из возобновляемого сырья, в страны ЕС. Это связано с тем, что помимо поддержки производителей энергии из возобнов- ляемых источников, в странах ЕС реализуются программы поддержки производите- лей горючих из возобновляемых источников, в частности - обеспечивается скупка газоснабжающими организациями чистого метана, полученного из возобновляемых источников, таких как биогаз и свалочный газ полигонов твёрдых бытовых отходов. Существующие «зелёные» тарифы в размере на уровне 1 000 $ за 1 000 нм3 метана делают экономически целесообразным экспорт полученного метана в страны ЕС. При ориентировочной себестоимости производства 1 000 Нм3 метана от 70 до 120 $, очевидна экономическая перспективность производства гидрата метана для экспорт- ных поставок возобновляемого горючего.
Применение сельхозпроизводителями газогидратной технологии производства метана, в дальнейшем может оказать существенное влияние, как на экономический, так и на технический аспекты сельхозпроизводства. Возможность экономически эф- фективного независимого производства моторных топлив сделает сельскохо- зяйственное производство независимым от поставок непрерывно дорожающих энер- гоносителей. Это позволит создать дополнительные рабочие места, в том числе в де- прессивных регионах и на удалённых и «неудобных» землях, куда экономически не- целесообразно проводить традиционные коммуникации в виде линий электропереда- чи и газопроводов.
Доступность ГСМ и энергоносителей сделает экономически эффективной как производство сельхозпродукции, так и её локальную переработку без необходимости транспортировать сельхозпродукцию на централизованные производства, привязан- ные к существующим линиям электропередачи (ЛЭП) и газопроводам.
Возможность доступного производства метана из локальных источников сы- рья делает целесообразным производство нового поколения сельхозтехники, ориен- тированной на метановое топливо. Как показано в [2], целесообразен перевод транс- портных средств не только на метан в качестве топлива классических ДВС, но и на метан, используемый в топливных элементах, в частности - в высокотемпературных твёрдооксидных топливных элементах (Solid-oxide fuel cell - SOFC). Это создаёт в сельскохозяйственном секторе потенциальный спрос на энерогэффективные сель- хозмашины, а для производителей SOFC -новый рынок сбыта. Применение электро- механической трансмиссии с энергоснабжением посредством SOFC позволит увели- чить топливную экономичность, наработку на отказ и упростить сервис сложных сельхозмашин, в частности комбайнов и многофункциональных тракторов, что, в свою очередь, позволит минимизировать ущерб сельхозпроизводителей от простоя оборудования в страду.
Газогидратная технология позволяет использовать гидрат метана для локаль- ной газификации и создания хранилищ газа. Поставляемый в населённый пункт газо-
гидрат может централизованно, в рамках населённого пункта, разлагаться на газ и
воду, одорироваться и направляться для газоснабжения потребителей. Также разра- ботанный термодинамический газогидратный рабочий цикл позволяет производить КПГ и СПГ из газогидрата без затрат внешней электроэнергии, что не требует уста- новки компрессоров как для локального газоснабжения, так и для работы АГНКС, при этом, при производстве КПГ и СПГ из газогидрата будет производиться выра- ботка электроэнергии.
Просветительный потенциал технологии заключается в том, что с её помощью открываются новые возможности по организации энергоавтономных сельскохозяйст- венных производств, независимых от конъюнктуры на рынке электроэнергии, тепла и моторных топлив. При этом, для многих сельхозпредприятий становится рен- табельной локальная переработка сельхозпродукции и реализуется возможность по- лучать дополнительный доход от сбыта горючего собственного производства сто- ронним потребителям. Это позволяет дополнить современные концепции развития сельскохозяйственных производств и агломераций на их основе с учётом новой тех- нологии производства, хранения и транспортировки энергоносителей.
Литература
1. Хавкин А.Я., Велицко В.В. Очистка шахтного газа от метана // Содействуя эко-
номическому развитию России. Проекты международного общественного фонда
«Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К.» за 1996-2011 гг. // М., Нефть и газ, 2011, с.117-118.
2. Велицко В.В., Хавкин А.Я. Очистка шахтного воздуха от метана с применением газогидратных технологий // Естественные и технические науки, 2012, №1, с. 149- 161.
3. Хавкин А.Я. Наноявления и нанотехнологии и добыче нефти и газа // М. -
Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2010, 692 с.
4. Klinkhammer G. Фотография горения гидрата метана // Интернет, Oregon State University's College of Oceanic and Atmospheric Sciences.