Рисунок 1. Газогенераторный автомобиль прошлого века.

Страны же, чьи недра не так богаты углеводородами продвинулись существенно вперед в разработке газогенераторов. Современные технологии позволили повысить КПД установок, и улучшить управляемость процессом. Большинство зарубежных предприятий деревообработки используют газогенераторные установки. Это позволяет не только решить проблему утилизации органических отходов, но и получить постоянный источник дешевой энергии, что в значительной мере помогает повысить рентабельность предприятий. Посредством такой установки, можно греть воду, отапливать помещения и получать электроэнергию. [1, с. 156], [2, с. 166]

Мировой лидер в производстве газогенераторов американская фирма ALL Power Labs, позиционирует газогенератор как независимый источник электроэнергии при чрезвычайных ситуациях и в арсенал оборудования американских служб спасения входит газогенератор (рисунок 2)

Рисунок. 2. Газогенераторы фирмы ALL Power Labs (США)

Подведя промежуточные итоги можно отметить, что: даже при относительно низкой энергетической ценности генераторный газ может быть использован в двигателях внутреннего сгорания.

Проведенный анализ показывает, что, несмотря на конструктивное многообразие рассмотренных газогенераторных установок, использующих в качестве топлива древесную или растительную биомассу, все они имеют примерно одинаковые эксплуатационные характеристики:

• влажность используемого топлива – до 40%;
  
• удельный вес установки – 30–40 кг/кВт;
• КПД – 70–80%.

Газогенераторные установки, разработанные в 60-х года прошлого века, имели несколько лучшие показатели, так например влажность древесной биомассы могла достигать 55%, при КПД до 90%, но были массивней современных установок 50–55 кг/кВт

Усовершенствование конструкций газогенераторных установок позволит расширить область их применения.

Рассматривая генераторный газ, как моторное топливо, нельзя не затронуть его экологические характеристики. Испытания двигателя ВАЗ 2105, работающего на генераторном газе показали, что выбросы вредных веществ с отработавшими газами двигателя ВАЗ 2105 при работе на газогенераторном топливе значительно ниже (рисунок 4), чем при работе на бензине. (рисунок 3)

Рисунок. 3. Показатели токсичности при работе двигателя на бензине.

Рисунок. 4. Показатели токсичности при работе двигателя на генераторном газе.

Так при 1000 мин-1 при работе на газогенераторном топливе содержание монооксида углерода CO снизилось на 2,25% (в 13,5 раз), остаточных углеводородов CH на 504Ppm (в 8,6 раза).

Однако сравнение работы двигателя при подключении дополнительной нагрузки выявило существенный недостаток газогенераторов как источника топлива для ДВС.

При подключении нагрузки, двигатель внутреннего сгорания, работающий на генераторном газе, не справляется с дополнительно подключенной нагрузкой и происходит снижение оборотов и дальнейший останов двигателя (рисунок 5), в отличие от ДВС, работающего на бензине (рисунок 6).

Рисунок. 5. Работа двигателя на генераторном газе при повышении нагрузки.

Рисунок. 6. Работа двигателя на бензине при повышении нагрузки

Основная причина такого явления – недостаток газового топлива в камере сгорания ДВС, т.е. газогенератор не успевает выработать объем газа необходимый для работы двигателя при переходе на более высокую нагрузку. В то время как двигатель, работающий на бензине, компенсирует возросшую нагрузку дополнительным количеством топлива, выравнивая обороты.

Основным способом решения данной проблемы в настоящий момент является подача топлива в камеру сгорания, и его отключения при выходе газогенератора на установившийся режим работы.

Коллективом авторов был предложен принцип параметрического регулирования процесса газификации, который был реализован в заявке на патент, где была высказана гипотеза о возможности управлением процессом газификации в зависимости от режимов работы двигателя.[3, с. 84], [4]

Дальнейшие исследования, показали, что на процесс газификации можно влиять как количеством нагнетаемого воздуха в камеру газификации (рисунок 7), так и направлением его подачи, меняя не только количество вырабатываемого газа, но и его качественные характеристики.

Рисунок. 7 Изменение формы факела от количества нагнетаемого воздуха

Рисунок. 8 Изменение качества генераторного газа от направления нагнетаемого воздуха

В результате исследований предложена конструкция параметрического газогенератора с возможностью регулирования рабочего процесса в объеме камеры газификации. (рисунок 9)

Рисунок. 9. Параметрический газогенератор с объемным регулированием процесса газификации.

1 – газификатор; 2 – теплоизоляционный корпус; 3 – магистральный воздуховод; 4 – фурменные воздуховоды; 5 – зольниковая решетка; 6 – технологические окна; 7 – электромагнитные клапана; 8 – газоотводная трубка; 9 – опоры

Для управления процессом газификации на различных режимах работы, газогенератор оборудуется системой электромагнитных клапанов (поз. 7, рисунок 9) управляющих работой каждой фурмы индивидуально, расположенной в объеме зоны фурменного пояса.

Управление фурмами основывается на контроле за расходом генераторного газа в зависимости от нагрузки и оборотов ДВС. Что позволит оперативно управлять процессом газификации.

Кроме этого, фурмы расположены в разных плоскостях по объему камеры газификации фурменного пояса и количество фурм в каждой плоскости может быть различно, причем фурмы в плоскостях расположены со смещением относительно друг друга. (рисунок 10)

Рисунок. 10. Расположение фурм в объеме камеры

Заключение

Предлагаемая конструкция параметрического газогенератора с объемным регулированием процесса газификации обладает рядом преимуществ:

• возможностью управления процессом получения генераторного газа в объеме камеры газификации;
  
• более стабильной работой ДВС на переходных режимах;
  
• возможностью утилизации сыпучих отходов лесопиления (опилок)

Одним из экологически чистых видов топлива для двигателя внутреннего сгорания, включая поршневые двигатели используемые на мобильных электростанциях и газотурбинное оборудование, является газовое топливо, обладающее рядом преимуществ перед жидкими моторными топливами:

- снижение токсичности выхлопа ДВС;

- более полное сгорание топлива в ДВС;

- увеличение общего ресурса ДВС;

- увеличение ресурса расходных материалов;

- отсутствие детонации.

Кроме этого, полное сгорание топлива с минимальными выбросами – это главная характеристика газообразного топлива. Это преимущество в наше время используется во всём мире для получения электроэнергии. Среди экологичных источников топлива для производства электроэнергии, природный газ, занимает первое место. Сегодня уже используют газ, генерируемый из промышленных и бытовых отходов, а именно: биогаз получённый из отходов жизнедеятельности животных, газ из полигонов твёрдых бытовых отходов, а также газ, получаемый в процессе термохимической реакции (газификация).

В отличие от процесса метанового сбраживания, в результате которого получают биогаз, при газификации происходит преобразование любого твёрдого органического вещества, содержащего лигнин, в горючий газ. При этом в качестве топлива может служить любая биомасса: отходы лесопиления и сельхозкультур, остатки шелухи риса, сахарного тростника и жом в различных формах.

Получаемый газ, может быть использован для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия в двухтопливном режиме и с искровым зажиганием [4]. Использование энергии из биомассы, полученной с помощью газификации, доказано, может быть не только экономически целесообразно, но и выгодно с точки зрения экологии [5]. Действительно, возобновляемые источники энергии набирают популярность в Европе и на Западе и часто упоминается как “Зеленая Энергетика” и ее использование рекомендуется через привлекательные стимулы на тариф правительствами.

Технология газификации биомассы существует около тысячи лет, но только 80 лет идёт активное исследование процессов получения горючего газа. Однако, после Второй мировой войны технологии газификации не завоевали популярность по двум причинам. Первая причина – наличие неограниченный нефтяных запасов в мире по низкой стоимости, другая причина – технологические проблемы, связанные с содержанием высокого уровня смол в газе, которые создают угрозу эксплуатации двигателя.

В мире наблюдается периодический интерес к процессу газификации каждый раз, когда наступает очередной нефтяной кризис, но сегодня интерес к газогенераторам вызван с желанием сократить выбросы парникового газа. Разработанные технологии газификации позволяют устранить некоторые проблемы, связанные с низкой плотностью энергии и потенциала газообразного топлива

Одним из вариантов использования местных возобновляемых энергоресурсов, в качестве топлива для ДВС может служить газогенератор. Современные технологии в области электроники и управления процессами могут повысить эффективность работы газогенераторов, а современные материалы снизят количество потерь тепла и повысят качество газа  при фильтрации. Одним из примеров сочетающим материалы, технологии и управление процессом газификации являются технические решения фирмы Gasifier Experimenters Kit (the GEK), (США), патент США № 8764857 В2.

При анализе материалов по конструкциям и опыту применения газогенераторов позволил выделить общие недостатки при проектировании и разработке современных газогенераторов [3]:

Подавляющее большинство газогенераторных установок, как транспортного так и стационарного типа, являются адаптированными для современных условий копиями газогенераторов 30-40 годов ХХ века.

Качество получаемого генераторного газа зависит как от параметров исходного сырья (размер, влажность, плотность и т.д.), так и от режимов его производства. Все газогенераторы, их рабочие характеристики, рассчитываются из условия максимальной производительности по генераторному газу.

Газогенератор управляет двигателем, а не двигатель газогенератором, так как при проектировании газогенераторной установки газогенератор и двигатель рассматриваются как отдельные элементы, а не как общая система.

Газогенератор хорошо работает на установившемся режиме и плохо на переходных режимах (max <=> min). Оказывает негативное влияние на длительность переходного режима работы ДВС инерционность газогенератора.

Токсичность отработавших газов при работе двигателя на генераторном газе ниже токсичности при работе на традиционном моторном топливе [5, 6], однако, для удовлетворительной работы ДВС на генераторном газе требуется модернизация системы зажигания и увеличение степени сжатия двигателя.

Проведя анализ существующих конструкций предложена схема газогенератора Х-образной компоновки [7]. Теоретически она позволяла устранить ряд недостатков присущих другим конструкциям, таких как:

- цикличность работы газогенератора;

- ограничение газифицируемого топлива по влажности и размеру;

- содержание в генераторном газе азота;

- неоднородность генераторного газа по составу.

Технический результат достигается тем что:

- при производстве генераторного газа отказались от газового дутья, поэтому генераторный газ практически не содержит азота, т.к. в процессе газификации не используется атмосферный воздух, а термический крекинг и окислительно – восстановительные реакции протекают за счет пиролиза воды, содержащейся в газифицируемом топливе при подводе энергии извне, как следствие, все загруженное топливо в камеру газификации преобразуется в генераторный газ;

- для получения генераторного газа используется влажная древесина (содержание влаги более 20%), если древесина содержит недостаточное количество влаги (интенсивный прирост объема древесного угля в реакционной зоне), то для нормализации размера реакционной зоны, в верхнюю часть камеры газификации добавляется водяной пар;

- размер газифицируемого топлива определяется объемом камеры газификации и принципиального значения не имеет;

- в газогенераторе параллельно работают несколько камер газификации (например: четыре), загрузку которых топливом, а следовательно, и запуск в работу, можно сместить во времени друг относительно друга;

- количественный и качественный состав генераторного газа регулируется интенсивностью окислительных процессов в печной камере, количеством задействованных камер газификации и видом топлива загруженного в каждую камеру [7].