wykorzystanie biogazu do zasilania silników o zapłonie ... · sławomir wierzbicki, maciej...

SŁAWOMIR WIERZBICKI, MACIEJ MIKULSKI

WYKORZYSTANIE BIOGAZU DO ZASILANIA SILNIKÓW O ZAPŁONIE SAMOCZYNNYM PRACUJ CYCH W UKŁADACH KOGENERACYJNYCH

Streszczenie Zwi kszenie udziału odnawialnych ródeł energii w ogólnym bilansie energetycz-

nym to obecnie jeden z głównych kierunków prowadzonych bada . Jednym z potencjalnych paliw mo liwych do wykorzystania jest biogaz, który mo e by otrzy-mywany z ró nych surowców. Ze wzgl du na swoje wła ciwo ci biogaz mo e bybezpo rednio wykorzystywany jako paliwo do silników o zapłonie iskrowym. Wykorzy-stanie biogazu w znacznie sprawniejszych silnikach o zapłonie samoczynnym jest utrudnione i wymaga zastosowania dwupaliwowego układu zasilania.

W artykule opisano opracowane stanowisko laboratoryjne do badania efektyw-no ci pracy silnika o zapłonie samoczynnym zasilanego paliwami gazowymi w tym biogazem, pracuj cego w układzie kogeneracyjnym. Przedstawiono tak e wyniki ba-da wst pnych tego silnika.

Słowa kluczowe: paliwa odnawialne, biogaz, silnik o zapłonie samoczynnym, układ kogenera-cyjny, dwupaliwowy układ zasilania silnika, zwi zki toksyczne emitowane przez silnik

1. Wprowadzenie

Kurcz ce si zasoby paliw kopalnych przy ci głym wzro cie zapotrzebowania na energi , a tak e coraz wi ksza troska o rodowisko naturalne wymagaj poszukiwania nowych alternatyw-nych ródeł energii. W tym celu mi dzynarodowe organizacje podejmuj ró norodne uchwały maj ce na celu ograniczenie wpływu cywilizacji na rodowisko naturalne. Jednocze nie podejmo-wane s liczne przedsi wzi cia maj ce na celu wspieranie rozwoju energetyki opartej o odnawialne ródła energii.

Według danych opracowanych przez Association for the Study of Peak Oil&Gas [1] przewidy-wana do 2030 roku poda paliw kopalnych nie jest w stanie zapewni szacowanego popytu na paliwa ciekłe (rys. 1). Z przedstawionych na tym wykresie zale no ci wynika, i poda paliw cie-kłych w najbli szych latach b dzie utrzymywała si na stałym poziomie ok. 30 mld baryłek rocznie. Natomiast zapotrzebowanie na paliwa ciekłe do 2030 roku wzro nie o około 30%.

Tak du a luka pomi dzy poda a popytem na paliwa ciekłe musi by uzupełniona w oparciu o nowe, dotychczas nie wykorzystywane ródła energii. Dotychczas odkryte i szacowane nowe nie odkryte jeszcze ródła ropy naftowej nie s w stanie zapewni 100% pokrycia zapotrzebowania rynku na paliwa ciekłe [6, 10].

Obowi zuj ce obecnie przepisy odno nie wykorzystania paliw odnawialnych w tym dyrektywa nr 2001/77/WE Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z dnia 27 wrze nia 2001 roku w sprawie

139

„wspierania produkcji na rynku wewn trznym energii elektrycznej wytwarzanej ze ródeł odnawial-nych” wymusiły wytwarzanie co najmniej 7,5% energii elektrycznej pozyskanej ze ródeł odnawialnych od 2010 roku, a do 2020 roku udział tej energii musi wynosi , co najmniej 20%. Kolejnym dokumentem wymuszaj cym obni enie emisji gazów cieplarnianych jest "Protokół z Kioto" którego sygnatariusze, w tym Polska, zobowi zały si do redukcji do roku 2012 własnych emisji tych gazów o wynegocjowane warto ci zestawione w zał czniku do protokołu (co najmniej 5% poziomu emisji z 1990) m.in. dwutlenku w gla, metanu, tlenków azotu – gazów emitowanych przez silniki powoduj cych efekt cieplarniany [4].

W ostatnich latach wprowadzono na wiecie szereg rygorystycznych norm i ustaw maj cych na celu promowanie nowych ekologicznych rozwi za technicznych w szeroko rozumianym przemy-le, w tym równie motoryzacji [10].

Rys. 1. Przewidywany na wiecie poda i zapotrzebowanie na paliwa ciekłe

ródło: [1].

2. Charakterystyka paliw odnawialnych

Obecnie du y nacisk kładzie si na zwi kszenie udziału w gospodarce tzw. paliw odnawialnych drugiej generacji. Za takie paliwa uznaje si paliwa powstałe z produktów, których nie mo na prze-znaczy na ywno dla ludzi lub zwierz t, zatem s to paliwa wytwarzane przede wszystkim z wszelkiego rodzaju odpadów oraz pozyskiwane z wysypisk mieci oraz oczyszczalni cieków. Po kilkunastoletnim okresie zainteresowania paliwami pochodz cymi z ro lin uprawnych, np. rze-paku, obecnie odchodzi si od tych paliw z uwagi na fakt, i w uprawa ro lin energetycznych wymaga do du ych nakładów energetycznych, jak równie w celu zwi kszenia ich plonowania stosuje si nawozy sztuczne oraz pestycydy, które nie tylko niekorzystnie oddziałuj ce na rodowi-sko naturalne, ale w trakcie ich produkcji zu ywane s znaczne ilo ci energii i powstaj inne szkodliwe zwi zki. Paliwa uzyskiwane z upraw ro lin energetycznych uwa ane s za paliwa odna-wialne pierwszej generacji. Nale y równie zaznaczy , i produkcja ro lin energetycznych niekorzystnie wpływa równie na produkcj ywno ci, gdy ich uprawa ogranicza powierzchnie innych upraw ograniczaj c produkcj ywno ci, co przyczynia si do zauwa alnego cen ywno ci [2, 3].

Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management Nr 70, 2014

Sławomir Wierzbicki, Maciej Mikulski Wykorzystanie biogazu do zasilania silników o zapłonie samoczynnym pracuj cych

w układach kogeneracyjnych

140

Nale y równie wspomnie , i obecnie prowadzone s badania nad wytwarzaniem biopaliw trzeciej generacji. Za takie z kolei uwa a si paliwa otrzymywane z przerobu glonów zwanych al-gami. Organizmy te do wzrostu potrzebuj w zasadzie tylko dwutlenku w gla oraz dost pu do energii słonecznej. W trakcie rozwoju organizmy te pochłaniaj dwutlenek w gla uwalniaj c do atmosfery czysty tlen. Obecnie na wiecie jest uruchomionych kilka projektów badawczych w któ-rych opracowuje si metod taniego pozyskiwania biopaliw z alg. Nale y jednak zaznaczy , i na chwil obecn technologia otrzymywania paliw z alg jest do kosztowna. Jednak z uwagi na fakt, i do produkcji alg mo na wykorzysta tereny niewykorzystywane rolniczo, a nawet pustynie, jak równie fakt, i z jednostki powierzchni mo na otrzyma nawet 30 razy wi cej biopaliwa, niz upraw ro lin energetycznych, prowadzone s dalsze intensywne badania w tym kierunku [2].

W literaturze wspomina si ju tak e o paliwach czwartej generacji. Według niektórych gene-tyków mo liwe jest stworzenie w najbli szym czasie bakterii, które b d pochłaniały dwutlenek w gla z powietrza zamieniaj c go na ekologiczne paliwo. Obecnie genetycy badaj równie mo li-wo stworzenia mikroorganizmów, które b d w stanie wytwarza wodór, wykorzystuj c wiatło słoneczne w procesie fotolizy [2, 5].

Jednym z potencjalnych odnawialnych ródeł energii mo e by biogaz, który nie tylko mo e by wytwarzany na skutek przetwarzania ró nego rodzaju substancji biologicznych, ale powstaje równie na skutek naturalnych procesów zachodz cych m.in. w oczyszczalniach cieków, wysypi-skach mieci czy fermach zwierz cych.

3. Biogaz – paliwo przyszło ci

Z uwagi, i biogaz mo e by otrzymywany przy pomocy ró nych technologii jego produkcji skład biogazu nie jest stały. Podstawowym i najbardziej po danym składnikiem biogazu jest metan, czyli najprostszy z w glowodorów CH4. Udział procentowy metanu w biogazie jest uzale niony od technologii otrzymywania biogazu i waha si w granicach od 35 do około 75%. Innym zwi zkiem palnym, który mo e zawiera biogaz jest wodór jednak jego udział procentowy jest znacznie mniej-szych i wynosi najcz ciej 1–5%. Pozostałe składniki biogazu s zwi zkami niepalnymi i stanowibalast. Podstawowymi niepalnym składnikami biogazu s dwutlenek w gla oraz azot. Oprócz wy ej wymienianych zwi zków biogaz zawiera ladowe ilo ci innych zwi zków chemicznych, których udział procentowy jest niewielki. W tabeli 1 przedstawiono orientacyjne składy biogazu z uwzgl d-nieniem sposobu jego otrzymywania, nale y jednak zaznaczy , i s to warto ci orientacyjne. Zawarto metanu w biogazie zale y nie tylko od technologii otrzymywania biogazu, ale równieod jako ci surowca, z którego jest wytwarzany [3, 5, 10, 12].

Jak wspomniano wy ej biogaz powstaje w procesie biologicznym, z ró nego rodzaju substratów, za najwa niejsze ze ródeł wykorzystywanych do jego produkcji nale y zaliczy : − odchody z produkcji rolniczej, w tym odchody zwierz ce; − biomasa uprawiana na cele energetyczne (np. trawy, kukurydza, buraki cukrowe); − odpady komunalne i organiczne (np. oczyszczalnie cieków i wysypiska mieci); − odpady z przemysłu rolno-spo ywczy (odpady ro linne i zwierz ce).

− Proces powstawania biogazu jest procesem wieloetapowym, w pierwszej kolejno ci na sku-tek hydrolizy ulegaj rozkładowi zło one zwi zki chemiczne takie jak tłuszcze, białka i w glowodany. W wyniku hydrolizy dzi ki bakteriom i uwalnianym przez nie enzymom w wa-runkach beztlenowych powstaj znacznie prostsze zwi zki chemiczne takie jak cukry, kwasy

141

tłuszczowe i aminokwasy. Wytworzone w ten sposób proste zwi zki chemiczne dzi ki bakte-riom kwasotwórczym, ulegaj zakwaszeniu, w wyniku czego powstaj kwasy tłuszczowe, niewielkie ilo ci kwasu mlekowego oraz alkoholu. Nast pnie z zwi zków tych powstaje kwas octowy z którego przy współudziale bakterii octowych i metanowych uwalniany jest biogaz [5, 10].

Tabela 1. Orientacyjny skład biogazu w zale no ci od pochodzenia

Component Content

Biogaz rolniczy Biogaz wytwarzany z upraw energetycznych

Biogaz wysypiskowy

Metan CH4 45–75% 57–62% 37–67%Dwutlenek w gla CO2

25–55% 33–38% 24–40%

Tlen O2 0,01–2,0–2,1% 0–0,5% 1–5%Azot N2 0,01–5,0% 3,4–8,1% 10–25%Siarkowodór H2S 10–30 000 ppm 24–8 000 ppm 15–427 ppm

ródło: [3].

Jak wcze niej wspomniano znaczne ilo ci biogazu uwalniane s samoczynnie z wszelkiego ro-dzaju wysypisk mieci. Według niektórych danych emisja biogazu z wysypisk znajduj cych si na terenie Polski wynosi ok. 80 tys. m3/h. Nale y zaznaczy , i uwalniany w ten sposób jest do atmos-fery metan, który jest ponad 20 razy bardziej szkodliwy dla warstwy ozonowej jak dwutlenek w gla.

Obecnie w celu poprawy składu chemicznego biogazu cz sto poddaje si oczyszczaniu w celu zwi kszenia udziału w nim składników palnych, a w szczególno ci metanu. Otrzymany w ten spo-sób gaz nazywany jest biometanem, z racji i mo e zawiera nawet 99% metanu. Nale y jednak zaznaczy , i proces oczyszczania biogazu jest do kosztowny, dlatego kosztowne oczyszczanie biogazu stosuje si najcz ciej tylko w przypadku wprowadzania biometanu do sieci gazowniczej. W przypadku wykorzystania biogazu w miejscu jego wytwarzania najcz ciej stosuje si znacznie prostsze metody jego oczyszczania, co obni a koszty jego pozyskiwania. Nale y jednak pami ta , i w takim przypadku uzyskana w komorze spalania silnika mieszanka zawiera znaczne ilo ci zwi z-ków niepalnych co negatywnie wpływa na wykorzystaniem całkowitej obj to ci skokowej silnika co powoduje zmniejszenie mocy wytwarzanej przez silnik spalinowy.

Wła ciwo ci biogazu jako paliwa do silników s ci le uzale nione od zawarto ci poszczegól-nych zwi zków. Najwi kszy wpływ na wła ciwo ci biogazu ma metan b d cy jego głównym składnikiem palnym. Podstawowym parametrem charakteryzuj cym paliwa jest warto opałowa w przypadku metanu, warto opałowa wynosi około 35,8 MJ/m3 (50 MJ/kg). Zatem w zale no ci od zawarto ci metanu warto opałowa nie oczyszczonego biogazu waha si w granicach 15–27 MJ/m3. Kolejnym wa nym parametrem dla biogazu jako paliwa silnikowego jest liczba metanowa, która jest odpowiednikiem liczby oktanowej dla paliw płynnych. Liczba ta podobnie jak warto opałowa dla biogazu uzale niona jest od składu chemicznego biogazu, dla metanu liczba ta wynosi 100 a dla wodoru 0. Jednak z uwagi na znaczn zawarto w biogazie zwi zków niepalnych takich jak azot i dwutlenek w gla, które podnosz liczb metanow , liczba ta dla biogazu wynosi najcz ciej około 130 [6, 7, 12].




142

Biogaz zawiera znaczne ilo ci metanu (40–75%), b d cego głównym składnikiem palnym. Ze wzgl du na swoje wła ciwo ci biogaz mo e by u yty bezpo rednio do zasilania silników o za-płonie iskrowym. Wykorzystanie biogazu jako ródła zasilania znacznie sprawniejszych silników o zapłonie samoczynnym jest znacznie utrudnione, co zwi zane jest przede wszystkim z stosunkowowysok temperatur samozapłonu metanu (ok. 640°C).

W celu zapewnienia wła ciwej pracy silników o zapłonie samoczynnym na paliwie gazowym konieczne jest zmodyfikowanie silnika b d jego układu zasilania. Obecnie stosowane s trzy spo-soby adaptacji tych silników do zasilania paliwem gazowym [7, 10]: − poprzez obni enie stopnia spr ania silnika oraz zast pienie układu wtryskowego paliwa ukła-

dem zapłonowym, co sprowadza si do przeróbki silnika o zapłonie samoczynnym na silnik o zapłonie iskrowym;

− zastosowanie dwupaliwowego układu zasilania, dzi ki czemu paliwo gazowe doprowadzane jest do kolektora ss cego, w którym tworzona jest mieszanka powietrze – gaz, która nast pnie zasy-sana jest do komory spalania silnika. W trakcie suwu spr ania do komory spalania wtryskiwana jest niewielka dawka paliwa ciekłego inicjuj cego samozapłon paliwa gazowego. W układzie takim gaz doprowadzony jest pod niewielkim nadci nieniem do kolatora ss cego, co nie wymaga stosowania zło onych instalacji gazowych. Taki sposób zasilania silnika jest rozwi zaniem wzgl dnie prostym konstrukcyjnie, nie wymagaj cym znacz cej ingerencji w standardow in-stalacje, pozwalaj c jednocze nie na prac silnika zarówno w układzie jedno jak i dwupaliwowym;

− zastosowanie specjalnych dwudro nych wtryskiwaczy umo liwiaj cy niezale ny wtrysk do ko-mory spalania zarówno gazu jak i dawki paliwa ciekłego inicjuj cej samozapłon. W takim przypadku konieczne jest stosowanie bardziej zło onych instalacji gazowych z uwagi na ko-nieczno wtrysku paliwa gazowego pod ci nieniem rz du 25 MPa.

4. Wpływ parametrów biogazu na wła ciwo ci mieszanki palnej

Moc uzyskiwana z silnika spalinowego zale y przede wszystkim od warto ci opałowej i ilo ci spalonego w komorze spalania paliwa. Ilo mo liwego do spalenia paliwa uwarunkowana jest ilo-ci dost pnego w komorze silnika tlenu, który jest niezb dny do spalania palnych składników

zawartych w paliwie. Zdecydowana wi kszo dostarczanego do komory spalania silnika tlenu po-chodzi z powietrza, tylko nieznaczna cz tego pierwiastka mo e by dostarczona wraz z paliwem, w przypadku gdy paliwo zawiera w sobie tlen.

Zatem mo liwa do uzyskania przez silnik moc jest ograniczona ilo ci zassanego do komory spalania powietrza (tlenu) potrzebnego co całkowitego spalenia paliwa. W przypadku paliw cie-kłych teoretyczna ilo mo liwego do zassania tlenu wynika z jego zawarto ci w powietrzu i maksymalnej obj to ci komory spalania. W takim przypadku obj to dostarczonego paliwa cie-kłego jest znikomo mała i mo na j pomin praktycznie bez bł du. W rzeczywisto ci mo liwa do zassania obj to wie ego powietrza uzale niona jest od sprawno ci napełniania silnika, na co naj-wi kszy wpływ ma budowa kanałów doprowadzaj cych wie y ładunek do komory spalania, skuteczno oczyszczania komory spalania z resztek spalin pochodz cych z poprzedniego cyklu pracy, pr dko ci obrotowej silnika, jak równie temperatury panuj cej w komorze spalania w trakcie suwu ssania. W rzeczywistych silnikach spalinowych sprawno napełniania cylindra waha si

143

w przedziale 0,7÷0,85 i maleje wraz ze wzrostem pr dko ci obrotowej silnika, co wynika z skróce-nia si czasu trwania suwu ssania.

O ile w przypadku paliw ciekłych mo na pomin obj to paliwa doprowadzanego do komory spalania, to w przypadku paliw gazowych, zawieraj cych nie tylko zwi zki palne, ale równieznaczne udziały zwi zków niepalnych takich jak dwutlenek w gla (CO2) i azot (N2) obj to dopro-wadzanego paliwa do komory silnika jest znacz ca (za wyj tkiem rozwi za z wtryskiem gazu bezpo rednio do komory spalania). Wpływa to, zatem istotnie na ograniczenie obj to ci zassanego do komory spalania powietrza koniecznego do spalenia paliwa, co z kolei wpływa na zmian osi -gów silnika [12].

Niskokaloryczne paliwa gazowe jak wcze niej wspomniano zawieraj trzy podstawowe skład-niki palne: metan (CH4), wodór (H2) i tlenek w gla (CO). Zakładaj c, i cała ilo doprowadzanego paliwa ulega spalaniu, zachodz ce reakcje spalania tych zwi zków mo emy zapisa jako:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O (1)

2H2 + O2 = 2H2O (2)

2CO + O2 = 2CO2 (3)

Uwzgl dniaj c, i w powietrzu obj to ciowo znajduje si 21% tlenu mo emy zapisa , i teore-tyczna ilo powietrza potrzebnego do spalania paliwa b d cego mieszanin tych trzech gazów wynosi:

( )[ ]42 25,021,01 CHCOHLt ++= [m3 powietrza / m3 paliwa gazowego] (4)

W przypadku paliw gazowych zawieraj cych tlen obj to jego nale y uwzgl dni t ilotlenu, zatem powy szy wzór przyjmuje posta :

( )[ ]242 25,021,01 OCHCOHLt −++= [m3 powietrza / m3 paliwa gazowego] (5)

W celu okre lenia obj to ci powietrza zassanego do komory spalania wraz z mieszank po-wietrzno-gazow mo na zdefiniowa stopie wypełnienia komory spalania powietrzem γair. Przy zało eniu, e sprawno napełniania cylindra wynosi λv=1, całkowitym usuni ciu spalin z komory spalania oraz tworzeniu mieszanki powietrzno-gazowej na zewn trz komory spalania współczynnik ten mo na zapisa jako [12]:

ch

fuelch

ch

airair V

VVVV −

==γ(6)

gdzie: Vair – obj to powietrza w mieszance powietrzno-gazowej; Vch – obj to komory spalania; Vfuel – obj to paliwa gazowego.




144

Przebieg zmian stopnia wypełnienia komory spalania powietrzem γair oraz zmian warto ci opa-łowej mieszanki powietrze-paliwo gazowe zawieraj cego tylko metan (np. biogaz) w zale no ci od udziału procentowego CH4 w paliwie przy współczynniku nadmiaru powietrza λ=1 przedstawiono na rys. 2 i rys. 3. Na podstawie przebiegu wypełnienia komory spalania powietrzem mo na stwier-dzi , i wzrost procentowego udział metanu w paliwie istotnie wpływa na wykorzystanie komory spalania. Dla paliw o zawarto ci metanu ok. 40% stopie wykorzystania obj to ci komory spalania silnika wynosi poni ej 80%.

2500

2700

2900

3100

3300

3500

3700

3900

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%W

[J/

dm3]

γair

[CH4]

gair

W [J/dm3]

Rys. 2. Zmiana stopnia wypełnienia komory spalania powietrzem oraz warto ci opałowej mie-szanki powietrze-paliwo gazowe dla paliw o ró nej zawarto ci procentowej metanu przy λ=1

ródło: opracowanie własne.

Rys. 3. Zmiana stopnia wypełnienia komory spalania powietrzem dla mieszanki powietrze-gaz palny przy ró nych udziałach CH4 i H2 przy λ=1


145

5. Opis stanowiska badawczego

Jednym z mo liwych sposobów wykorzystania biogazu jak paliwa do wytwarzania energii elek-trycznej jest rozbudowa sieci małych elektrowni przetwarzaj cych na miejscu lokalnie dost pne odnawialne ródła energii na energi elektryczn [5, 10]. Optymalne wykorzystanie energii zawartej w paliwach odnawialnych w tym biogazie jest mo liwe dzi ki wykorzystaniu skojarzonych układów wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej zwanych układami kogeneracyjnymi. Obecnie coraz cz ciej mówi si te o rozwi zaniach z układami trójgeneracyjnymi, które w porównaniu do opi-sanych wy ej układów kogeneracyjnych wytwarzaj nie tylko energi elektryczn i ciepło technologiczne, ale równie dostarczaj technologicznego chłodu [5]. Zarówno w układach kogene-racyjnych i trójgeneracyjnych kluczowym elementem jest zastosowane urz dzenie, w którym nast puje spalania paliwa, gdy to ono w głównej mierze decyduje o sprawno ci całego układu. W przypadku układów o stosunkowo małych mocach najcz ciej stosuje si silniki spalinowe. Sche-mat przykładowego układu kogeneracyjnego z tłokowym silnikiem spalinowym jako ródłem energii przedstawiono na rys. 4. W zale no ci do wielko ci silnika przedstawiony układ mo e byrozbudowany o dodatkowe układy, np. w przypadku du ych silników doładowanych stosuje si cz -sto wymienniki ciepła odzyskuj ce ciepło z spr onego przez turbin powietrza.

CO

E

Bn, Mo

F (p, q, ) l α

F (q ) CO2 CO2

F (q ) HC4 CH4

E (q )EGR EGR

A(q )A

t1

t2

tE

Rys. 4. Ogólny schemat rozmieszczenia punktów pomiarowych oraz elementów steruj cych na sta-nowisku badawczym: Fl – dawka paliwa ciekłego (ci nienie, wielko dawki, k t wyprzedzenia

wtrysku), EEGR – ilo spalin doprowadzana przez układ recyrkulacji spalin, B – hamulec (stabili-zacja oraz pomiar obrotów oraz momentu obrotowego silnika), FHC4 – regulator dawki metanu, FCO2 – regulator dawki CO2, A – pomiar ilo ci powietrza zasysanego przez silnik, qw – nat enie

przepływu cieczy chłodz cej, t1 – temperatura cieczy chłodz cej na wyj ciu z silnika, t2 – tempera-tura cieczy chłodz cej na wej ciu do silnika, tE – temperatura spalin





146

Celowo zastosowania układu kogeneracyjnego do wytwarzania energii elektrycznej podyk-towana jest głównie stosunkowo nisk sprawno ci silników spalinowych wykorzystanych do nap du generatorów. Współczesne silniki spalinowe osi gaj sprawno na poziomie ok. 40%, za-tem podczas eksploatacji takiego układu wytwarzane s znaczne ilo ci ciepła, które mo e bywykorzystane do celów technologicznych. W celu okre lenia optymalnych parametrów pracy sil-nika o zapłonie samoczynnym opracowano stanowisko laboratoryjne (rys. 5) oraz aplikacje (rys. 6) w rodowisku LabView umo liwiaj c rejestracje parametrów pracy silnika. Stanowisko badawcze oraz aplikacja zostały szczegółowo opisane w pracach [8, 9, 11]. Dane techniczne wykorzystanego silnika przedstawiono w tabeli 2.

Rys. 5. Widok opracowanego stanowiska badawczego


147

Rys. 6. Widok okna steruj cego prac silnika w systemie dwupaliwowym


Tabela 2. Podstawowe dane techniczne silnika YANMAR L100N6

Parametr Warto

Pojemno skokowa 534 cm3

Stopie spr ania 20rednica / skok tłoka 86 / 75 mm

Moc max. 7,4 kW Max. moment obrotowy 27 Nm Max. pr dko obrotowa 3600 min-1

Rodzaj wtrysku bezpo redni Układ chłodzenia powietrzem





148

6. Wyniki bada wst pnych

Na opisanym stanowisku przeprowadzono badania wst pne, które miały na celu okre lenie wpływu zasilania metanem na prac silnika o ZS. Do bada u yto gaz ziemny zaazotowany o za-warto ci metanu ok. 96%. Jako paliwo porównawcze wykorzystano dost pny na rynku olej nap dowy zgodny z obowi zuj cymi wymaganiami.

Badania przeprowadzono przy stałej pr dko ci obrotowej silnika n=2200obr/min, która była utrzymywana na zało onym poziomie poprzez układ sterowania hamowni . W trakcie bada silnika zasilanego tylko paliwem ciekłym z układu sterowania podawana była okre lona stała dawka paliwa przy stałym ci nieniu (60 MPa) i stałym k cie wyprzedzenia wtrysku (-15°BTDC). Obci enie sil-nika odczytywane było z hamulca jednocze nie dokonywano pomiaru zawarto ci zwi zków toksycznych zawartych w spalinach.

Przy zasilaniu silnika metanem, silnik zasilany był stał dawk paliwa ciekłego (2.3 mm3/1 wtrysk) wtryskiwanego przy takich samych parametrach jak przy zasilaniu samym olejem nap do-wym. Deficyt energii potrzebny do uzyskania przez silnik okre lonego obci enia uzupełniany był dawk metanu podawanego do komory mieszalnikowej przed filtrem powietrza.

Wyniki przeprowadzonych bada przedstawiono na rys. 7. Z przedstawionych zale no ci wy-nika, i poziom emisji zwi zków toksycznych takich jak CO i HC odnotowano znaczny wzrost ich emisji przy zasilaniu silnika metanem, nale y jednak zaznaczy , i wraz ze wzrostem odci enia zmniejsza si poziom ich emisji. Otrzymane wynik s zgodne z informacjami podawanymi przez innych badaczy, wzrost emisji tych zwi zków spowodowany jest odmiennym przygotowanie mie-szanki palnej w silniku. W przypadku zasilania samym paliwem ciekłym, dawka paliwa wtryskiwana jest do komory spalania i spala si w niecałej przestrzeni komory. Natomiast w przy-padku zasilania silnika metanem, w komorze znajduje si jednorodna mieszanina metan-powietrze wypełniaj ca cał komor spalania. Wtrysk niewielkiej dawki paliwa powoduje lokalny jej zapłon, od której zapala si paliwo gazowe znajduj ce si w obr bie wtry ni tej strugi. Spalanie reszty pa-liwa uzale nione jest od szybko ci rozchodzenia si płomienia w komorze spalania. W przypadku małych obci e silnika mieszanka palna znajduj ca si w komorze spalania jest bardzo uboga co spowalnia rozchodzenie si płomienia i skutkuje spadkiem sprawno ci ogólnej jak równie wzro-stem emisji palnych składników.

W trakcie pomiarów odnotowano tak e wprost emisji NOx do atmosfery przy wy szych obci -eniach, spowodowane jest to wy szymi temperaturami uzyskiwanymi przy spalaniu metanu, co

sprzyja wzrostowi emisji tych zwi zków.

149

Rys. 7. Emisja zwi zków toksycznych przy zasilaniu badanego silnika o ZS olejem nap dowym i metanem


7. Wnioski

Przeprowadzone wst pne badania potwierdzaj mo liwo wykorzystania paliw gazowych do zasilania silników o zapłonie samoczynnym. Nale y jednak podkre li , i przy zasilaniu silnika pa-liwami gazowymi znacznie wzrasta poziom emisji zwi zków toksycznych do atmosfery. Najwi kszy wzrost emisji zwi zków toksycznych wyst puje przy cz ciowych obci eniach silnika. Zwi zane jest to przede wszystkim z spalaniem w tym zakresie bardzo ubogich mieszanek paliwo gazowe-powietrze, co nie zapewnia odpowiedniej pr dko ci spalania. Nale y s dzi , i przy takim rozwi zaniu zasilania silnika nale y zastosowa zaawansowane układy oczyszczania spalin, które znacznie obni poziom emisji tych zwi zków. Kolejnym sposobem na obni enie emisji zwi zków toksycznych mo e by wprowadzenie dławienia dopływu powietrza przy cz ciowych obci e-niach, co poprawi jako mieszanki powietrzno-gazowej.




150

Bibliografia

1. Aleklett K., The ASPO Perpective on Fossil Fuels, 2011.2. Biopaliwa 3 generacji (algi) – http://ziemianarozdrozu.pl/encyklopedia/72/biopaliwa-3-genera-

cji-algi.3. Cebula J.: Biogas purification by sorption techniques. ACEE Journal, 2/2009. pp. 95–103.4. Semin Abdul, Rahim Ismail and Rosli Abu Bakar.: Gas Fuel Spray Simulation of Port Injection

Compressed Natural Gas Engine Using Injector Nozzle Multi Holes. European Journal of Scien-tific Research. Vol.29 No.2 (2009), pp.188–193.

5. Skorek J., Kalina J.: Gazowe układy kogeneracyjne. WNT, Warszawa, 2005.6. Stelmasiak Z.: Studium procesu spalania gazu w dwupaliwowym silniku o zapłonie samoczyn-

nym zasilanym gazem ziemnym i olejem nap dowym. Rozprawy Naukowe, Wydawnictwo ATH,2003.

7. Stelmasiak Z.: Aplikacja dwupaliwowego systemu zasilania w silnikach ZS redniej mocy.Silniki Gazowe wybrane zagadnienia. Monografia nr 183. Wyd. Politechniki Cz stochowskiej.str. 478–491.

8. mieja M., Wierzbicki S., Mamala J.: Sterowanie dawk wtryskiwanego paliwa w układzieCom-mon Rail z wykorzystaniem rodowiska LabView. Combustion engine, 3(54)/2013.

9. Wierzbicki S., mieja M.: The concept of an integrated laboratory control system for a dual-fuel diesel engine. Journal of KONES Powertrain and Transport. Vol. 19. No. 3. 2012, s. 451–458.

10. Wierzbicki S.: Biogas as a fuel for diesel engines. Journal of KONES Powertrain and Transport.Vol. 19. No. 3. 2012, s. 477–482.

11. Wierzbicki S., mieja M., Grzeszczyk R.: Zintegrowane sterowanie stanowiskiem badawczymsilników o ZS w rodowisku fast prototyping. Combustion engine, 3(54)/2013.

12. Wierzbicki S.: Analysis of the effect of the chemical composition of low calorific gaseous fuelson workload concentration in an engine’s combustion chamber. Journal of Polish CIMAC Vol.8, 89–96, 2013.

151

UTILIZATION OF BIOGAS FOR POWERING COMPRESSION IGNITION ENGINES OPERATING WITH CHP SYSTEMS

Summary Increasing the share of renewables in the overall energy balance is one of the

main lines of research. One of the fuels possible to be used is biogas, which can be obtained from different raw materials. Due to its properties biogas can be used as fuel for spark ignition engines. The utilization of biogas to a much more efficient compres-sion ignition engine is difficult and requires application of dual fuel supply system.

The article describes the developed laboratory test stand for examining efficiency of compression ignition engine powered by gaseous fuels including biogas, operating in cogeneration system. The paper also presents the results of preliminary tests of this engine.

Keywords: renewable fuels, biogas, compression ignition engine, cogeneration system, dual fuel engine power supply, toxic compounds emitted by the engine

Sławomir Wierzbicki Maciej Mikulski Katedra Mechatroniki i Edukacji Techniczno- Informatycznej. Wydział Nauk Technicznych Uniwersytet Warmi sko-Mazurski w Olsztynie e-mail: [email protected], [email protected]


wykorzystanie biogazu do zasilania silników o zapłonie ... · sławomir wierzbicki, maciej...

Documents