Природный газ перспективное моторное топливо карьерного автотранспорта для районов Севера

П.И. Тарасов, к.т.н., ведущий научный сотрудник, Институт горного дела Уральского отделения РАН (ИГД УрО РАН);

М.Л. Хазин, д.т.н., профессор, ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет» (УГГУ);

В.В. Фурзиков, заместитель начальника департамента разработки нового семейства дизелей ООО «Уральский дизель-моторный завод».

В настоящее время в Северной зоне Российской Федерации одним из наиболее промышленно развитых регионов является территория Западной Якутии, в которой разведанные запасы кимберлитовых месторождений простираются вплоть до Северного Ледовитого Океана.

При работе карьерного автотранспорта и другой техники с дизельными приводами в атмосферу выбрасывается большое количество вредных веществ [1]. При меньшем, чем у бензиновых двигателей, объеме выбросов СО2, дизельный двигатель выбрасывает значительное количество оксида азота. Кроме того, дизельные двигатели характеризуются повышенной дымностью, и в его выбросах присутствуют главным образом альдегиды, обладающие раздражающим действием.

К важной особенности выбросов дизельных автомобилей относится содержание в них канцерогенных полициклических ароматических углеводородов, среди которых наиболее вреден бензапирен. Последний, так же как и свинец, относится к первому классу опасности загрязняющих веществ.

Специалистам известно, что извлекаемая в карьерах горная масса поднимается самосвалами по дорогам, значительная часть которых содержит подъемы (уклоны). Из-за крутых углов подъема дорог двигатель медленно поднимающегося самосвала нагружается на полную мощность, работая при низких оборотах, что приводит к увеличению в 2–3 раза выбросов токсичных веществ и расхода топлива.

Отработавшие газы – тяжелее воздуха, поэтому они скапливаются на нижних горизонтах и тем самым уменьшают относительное содержание кислорода в атмосферном воздухе карьера. Этот загрязненный воздух, поступая в работающий двигатель, приводит к неполному сгоранию топлива и, следовательно, к повышенному расходу моторного топлива, а также ухудшает экологическую обстановку, создавая угрозу здоровью работающего персонала.

На глубине карьеров более 200–250 м загрязнение воздуха вредными веществами на рабочих местах приводит к постепенному превышению предельно допустимых концентраций (ПДК), установленных Госгортехнадзором России. Состав атмосферы карьеров для обеспечения нормальной жизнедеятельности человека должен отвечать установленным нормативам по содержанию основных составных частей воздуха и вредных примесей с учетом требований ГОСТ 12.1.005–88 «Воздух рабочей зоны».

В целях недопущения снижения мощности двигателей карьерных самосвалов, простоев оборудования и персонала по этой причине разрабатывались и исследовались многочисленные способы и средства снижения загрязненности атмосферы карьеров и воздуха рабочей зоны, охватывающие искусственное проветривание карьеров, очистку воздуха в застойных зонах путем распыления воды или генерирования снега, применение средств и методов снижения выбросов вредных веществ [2, 3].

Из всего многообразия опробованных мероприятий широкое практическое применение получило использование малотоксичных двигателей в самосвалах, в частности, работающих в газодизельном режиме.

К практически трудно устранимой экологической проблеме карьеров, прибавилась новая составляющая – высокая стоимость транспортных расходов, определяемая в том числе непрекращающимся ростом цен на моторное топливо. Недавний рост цен на нефть активизировал работы, направленные на практическую замену нефтяного топлива другими видами экологически чистого и дешевого топлива, например газа. Стоимость природного газа, используемого в качестве моторного топлива, регулируется Постановлением Правительства РФ от 15.01.1993 №31 «О неотложных мерах по расширению замещения моторных топлив природным газом» и не превышает 50 % стоимости бензина А-76. Природный газ в качестве бортового запаса моторного топлива используется в сжатом (компримированном) состоянии (КПГ) и сжиженном состоянии (СПГ). Необходимость перехода на газ, как топливо для карьерных самосвалов и других видов техники, обусловлено прежде всего экологическим фактором и объемами потребляемого ими дизельного топлива.

Массогабаритные параметры современных карьерных автомобилей-самосвалов и условия их эксплуатации создают самые благоприятные предпосылки по использованию сжиженного природного газа в качестве моторного топлива. Природный газ для использования в качестве моторного топлива имеет следующие преимущества [4]:

• стоимость газа значительно ниже эквивалентного по теплотворной способности объема нефтяного моторного топлива;

• перевод машин на природный газ требует лишь оснащения двигателя газовой топливной аппаратурой без какой- либо существенной конструктивной переделки самого двигателя;

• практически неизменной остается мощность двигателя;

• увеличивается в 1,5 раза ресурс работы двигателя;

• уменьшается на 20–30 % расход моторного топлива;

• уменьшаются общие транспортные эксплуатационные расходы;

• снижается в 2–3 раза объем токсичных выбросов в атмосферу;

• снижается на 3–5 дБ (А) шум двигателя.

Кроме того, при замене жидкого нефтяного топлива на природный газ выбросы оксидов азота снижаются в 2,5 раза, окиси углерода – в 10 раз, углеводородов – в 3 раза, полностью исключаются выбросы соединений свинца, серы и сажи.

Характеристики газовых месторождений Западной Якутии

На пресс-конференции «100-летний юбилей присутствия Caterpillar в России» представители американского производителя рассказали о перспективах использования газа в каче- стве моторного топлива на оборудовании компании. Перевод карьерных самосвалов Caterpillar на газовое топливо, по данным компании, позволил сэкономить до 17 млн долл. США. Испытания карьерного самосвала HOWO, производства китайского автозавода Sinotruk, работающего на сжиженном природном газе (СПГ, LNG - Liqufied Natural Gas), показали двукратную экономию на топливе в денежном эквиваленте. Проведенные в карьере «Мурунтау» испытания самосвала САТ-785В показали снижение объема вредных выбросов, в зависимости от условий эксплуатации, на 30–60 % [1].

Технологии использования СПГ в качестве моторного топлива на автомобильном транспорте в настоящее время интенсивно развиваются. Отечественные и зарубежные фирмы осваивают производство специального бортового и наземного криогенного оборудования, большая часть которого может использоваться в карьерной технике и в железнодорожном транспорте, а также в объектах малой энергетики.

Запасами природного газа Россия обеспечена на более длительную перспективу, чем нефтью. Кроме того, в стране накоплен многолетний опыт использования природного газа в качестве моторного топлива.

На территории Западной Якутии находятся несколько месторождений природного газа, характеристики некоторых из них представлены в таблице.

Исследования и практический опыт подтверждают, что при разработке полезных ископаемых сжиженный природный газ может использоваться как универсальный энергоноситель, обеспечивающий производства и жилищно-бытовой сектор электроэнергией и теплом, а также в качестве топлива карьерного автотранспорта и другого автономного оборудования, железнодорожного транспорта и объектов малой энергетики.

Рис. 1 Малотоннажный комплекс по производству сжиженного природного газа производительностью 3 т/ч (21 тыс. т/ год) (в г. Калининграде)

Рис. 1 Малотоннажный комплекс по производству сжиженного природного газа производительностью 3 т/ч (21 тыс. т/год) (в г. Калининграде)

При этом себестоимость производства СПГ намного ниже, чем доставка дизельного топлива или бензина железнодорожным транспортом из других регионов на расстояние 2000 км и более. К важнейшему достоинству природного газа относится устойчивость к воздействию низких температур, позволяющая использовать его для транспортирования всеми видами транспорта. При существующей сети газопроводов в Западной Якутии доставка СПГ на карьеры может осуществляться как автомобильным, так и железнодорожным транспортом.

Недостатки системы использования природного газа в качестве бортового запаса моторного топлива (в сжатом состоянии при давлении 20–25 МПа) для автомобильного и железнодорожного транспорта снизили темпы его внедрения. Так, например, объем КПГ в баллонах в сравнении с эквивалентным дизельным топливом в 7,2–5,7 раз больше, чем объем дизельного топлива, а объем СПГ – только в 2,5 раза [4].

В Западной Якутии производство СПГ может быть организовано непосредственно на месторождении газа. Установки по его производству компактны, хорошо адаптируются к полевым условиям и высоконадежны (рисунок). Таким образом, на территории Западной Якутии имеются все необходимые условия и создан технический задел для реализации проекта обеспечения производства и жилищно- бытового сектора электроэнергией и теплом, а также моторным топливом парков карьерных машин и оборудования, железнодорожного транспорта и объектов малой энергетики за счет использования сжиженного природного газа.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ:
1. Ильин С.А., Коваленко В.С., Пастихин Д.В. Преодоление изначальных недостатков открытого способа разработки: опыт и результаты на Урале: настоящее и будущее // Горный журнал. 2012. 4. С. 25-33.
2. Старостин И.И., Бондаренко А.В. Проветривание карьеров струйными вентиляторами в комплексе с устройством для аэрации // Наука и образование: научное издание МГТУ им. НЭ Баумана. 2015. №1. С. 32-41.
3. Морин А.С. Трубопроводная вентиляция на карьерах// Горная промышленность. 2002. 3. С. 40-43 4. Герасимов В., Передельский В., Дарбинян В. Перевод карьерных самосвалов с использованием бортовых топливных систем сжиженного природного газа // НМ-ОБОРУДОВАНИЕ. 2005. 1. С. 29-33.
Ключевые слова: Природный газ, топливо, транспорт, самосвал

Журнал "Горная Промышленность"№6 (130) 2016, стр.51