Савенков Никита Владимирович - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Автомобильный транспорт, сервис и эксплуатация».
286128, Донецкая Народная Республика, Макеевка, ул. Державина, д. 2
Scopus ID 57218608498; ResearcherID U-8627-2017
Nikita V. Savenkov - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Head of the Department of Automobile Transport, Service and Operation, Donbass National Academy of Civil Engineering and Architecture.
2, Derzhavina St., Makeyevka, Donetsk People's Republic, 286128
Scopus ID 57218608498; ResearcherID U-8627-2017
Головатенко Екатерина Леонидовна - старший преподаватель кафедры «Техносферная безопасность».
286128, Донецкая Народная Республика, Макеевка, ул. Державина, д. 2
Ekaterina L. Golovatenko - Senior Lecturer of the Technosphere Safety Department, Donbass National Academy of Civil Engineering and Architecture.
2, Derzhavina St., Makeyevka, Donetsk People's Republic, 286128
Введение. Шахтный метан, выделяющийся в процессе подземной добычи угля, с одной стороны рассматривается в качестве причины глобального изменения климата (парниковый газ), а с другой стороны является ценным энергетическим ресурсом. В настоящее время доля его утилизации в мировом масштабе невысока, количество метана, поступающее в атмосферу, ежегодно увеличивается. С целью ограничения выбросов парниковых газов принят ряд законодательных инициатив: Киотский протокол, Парижское соглашение, Федеральный закон № 296–ФЗ «Об ограничении выбросов парниковых газов».
В условиях Донбасса задача утилизации шахтного метана является актуальной в связи с плотным размещением источников выбросов и необходимостью повышения безопасности горных работ, а также обеспечивает реализацию принципа комплексного освоения месторождения. Кроме того, боевые действия обусловили повышение стоимости топлива в регионе и увеличение грузооборота автомобильным транспортом ввиду практически не функционирующих ж/д, морского и авиасообщения. Цель исследования — выполнить расчетную оценку энергетической эффективности применения шахтного метана угольных месторождений Донбасса в качестве моторного топлива автомобильных двигателей внутреннего сгорания коммерческого транспорта.
Материалы и методы. В качестве примера для выполнения исследований выбраны распространённые на городских маршрутах г. Макеевки (ДНР) автотранспортные средства БАЗ 2215 на шасси «Газель Бизнес», ГАЗель Next «Citiline» и ПАЗ 3203, оснащённые искровыми и дизельными двигателями марок УМЗ, ЗМЗ и Cummins. Полный состав проб метановоздушной смеси ряда шахт («Шахта им. Чайкино», г. Макеевка, «Шахта Комсомолец Донбасса», г. Кировское), отобранных из дегазационных систем, определён в лабораториях ГУ «МАКНИИ» и ГП «Донецкавтогаз» с помощью газового хроматографа «Кристаллюкс 4000М». Энергетические показатели автомобильных двигателей при работе на различных видах топлива, в том числе на шахтном метане, а также эксплуатационные свойства выбранных автобусов (путевой расход топлива, запасы хода и выбросы диоксида углерода) в условиях городских ездовых циклов по ГОСТ Р 54810–2011 определены в результате выполненной серии расчётов по известным методикам.
Результаты исследования. Выполнена расчётная оценка энергетической эффективности применения шахтного метана в качестве газомоторного топлива. В диапазоне концентраций исследованных образцов газовоздушных смесей максимальная расчётная потеря развиваемой эффективной мощности искровых двигателей ЗМЗ и УМЗ составляет до 15 %, а для газодизелей на примере Cummins мощность может быть увеличена до 29 %. Это не препятствует движению выбранных автобусов в условиях ездовых циклов по ГОСТ Р 54810–2011. В этих условиях путевой расход топлива и запасы хода на одной заправке существенно зависят от компонентного состава шахтного метана и для исследуемых образцов ухудшаются в 1,8–3,5 раза по отношению к показателям на природном газе, используемом для заправки автомобилей, а эмиссия диоксида углерода сокращается на 62–73 % от эмиссии на бензине.
Обсуждение. В связи с особенностями дегазационных процессов и горно-геологических условий разных шахт рассматриваемое в статье альтернативное топливо обладает непостоянным компонентным составом. В связи с этим перевод подвижного состава марок ПАЗ и ГАЗ на побочный продукт угледобычи — шахтный метан — сопряжён со следующими сопутствующими сложностями: необходимость применения топливных систем повышенной производительности (в 3 и более раз по отношению к системам питания ДВС сопоставимой мощности, работающим на сжатом газе), ухудшение топливно-экономических и тягово-скоростных свойств авто-транспортных средств, а также их запаса хода. В исследовании получена количественная оценка данных изменений. Положительный эффект предлагаемых мероприятий обусловлен снижением негативного воздействия на окружающую среду путём утилизации шахтного метана его применением в качестве газомоторного топлива, уменьшением углеродного следа от автомобильного транспорта, сокращением потребления жидкого углеводородного топлива.
Заключение. В результате исследования установлено, что шахтный метан угольных месторождений Донбасса может быть применён в качестве моторного топлива автомобильных двигателей внутреннего сгорания коммерческого транспорта на примере городских автобусов. Определены соответствующие параметры энергетической эффективности (развиваемая ДВС эффективная мощность, удельные расходы топлива, запасы хода автомобилей в условиях ездовых циклов и т.д.), а также степень их снижения относительно применения традиционных видов топлива. Установлено, что это не препятствует выполнению транспортной работы (в условиях ГОСТ Р 54810–2011) и является оправданным с позиции экономии невозобновляемых ресурсов и повышения экологической безопасности региона.
Introduction. Coal mine methane, a greenhouse gas released during underground coal mining, is considered to be a cause of global climate change. However it is also a valuable energy resource. Currently, the global utilization rate of coal mine methane is low, and the amount of methane released into the atmosphere is increasing every year. To limit greenhouse gas emissions, several legislative initiatives have been implemented, including the Kyoto Protocol, the Paris Agreement, and Federal Law No. 296-FZ “On Limiting Greenhouse Gas Emissions”. In the conditions of Donbass, the task of mine methane utilization is relevant due to the dense location of emission sources and the need to improve the safety of mining operations, as well as to ensure the implementation of the principle of integrated field development. In addition, the ongoing hostilities have led to an increase in fuel prices in the region and an increase in road transport due to the limited availability of rail, sea, and air transportation. The aim of the research is to conduct a calculated assessment of the energy efficiency of using mine methane from Donbass coal deposits as motor fuel for commercial vehicles with internal combustion engines.
Materials and Methods. As an example, the studies were conducted on BAZ-2215 vehicles on the GAZelle Business chassis, GAZelle Next Citiline, and PAZ 3203, which were commonly used on urban routes in Makeyevka (DPR). These vehicles were equipped with UMZ, ZMZ, and Cummins spark and diesel engines. The full composition of methane-air mixture samples from several mines (Chaykino Mine, Makeyevka, Komsomolets Donbassa Mine, Kirovskoye), taken from degassing systems, was determined in the laboratories of Makeevka Research Institute for Mining Safety and Donetskavtogaz using a Kristallyuks 4000M gas chromatograph. The energy efficiency of engines operating on various types of fuel, including mine methane, as well as the performance characteristics of selected buses (fuel consumption, distance-to-empty, and carbon dioxide emissions) under urban driving cycles according to GOST R 54810–2011, were determined through a series of calculations using well-established methods.
Results. An estimation of the energy efficiency of mine methane as a gas engine fuel has been performed. In the range of concentrations of the studied samples of gas-air mixtures, the calculated maximum loss of effective power for ZMZ and UMZ spark engines was up to 15%. For gas-diesel engines, such as Cummins, power could be increased by up to 29%. These findings did not prevent selected buses from operating under driving cycles in accordance with GOST R 54810–2011. Under these conditions, fuel consumption and range per refueling depended significantly on the component composition of mine methane. For the samples studied, it was 1.8–3.5 times worse than for natural gas used for refueling. Emissions of carbon dioxide were reduced by 62–73% compared to gasoline.
Discussion. Due to the specific features of degassing processes and the mining and geological conditions of different mines, the alternative fuel discussed in this article has a variable component composition. In this regard, the transfer of PAZ and GAZ bus rolling stock to a byproduct of coal mining — mine methane — is associated with several challenges. These include the need for more powerful fuel systems (three times or more than the power supply systems of internal combustion engines of comparable power, operating on compressed gas) and deterioration in fuel-economic and traction-speed properties of vehicles, as well as reduced range. A quantitative assessment of these changes has been obtained through research. The positive impact of the proposed measures stems from the reduction in negative environmental impact by using mine methane as a fuel for vehicles, which reduces the carbon footprint of road transport and decreases the consumption of liquid hydrocarbon fuel.
Conclusion. As a result of the study, it has been found that the methane from the Donbass coal mines can be used as motor fuel for commercial vehicles such as city buses. The study has determined the corresponding energy efficiency parameters (the effective power generated by internal combustion engines, the specific fuel consumption, the range of vehicles under driving cycles, etc.), as well as the degree of their reduction compared to traditional fuels. It has been established that this does not affect the performance of transportation work (in compliance with GOST R 54810–2011) and is beneficial from the perspective of saving non-renewable resources and improving environmental safety in the region.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.