Применение шахтного метана в качестве газомоторного топлива для коммерческого автомобильного транспорта городов Донбасса

Введение. Шахтный метан является ценным топливно-энергетическим ресурсом, который образуется при добыче угля [1] и при дегазации угольных пластов [2]. Его эффективная утилизация может снизить выбросы парниковых газов [3], повысить экономическую эффективность добычи угля и обеспечить дополнительные источники энергии для автомобильного транспорта [4]. В условиях ограниченных мировых запасов нефти и растущих энергозатрат использование шахтного метана в качестве моторного топлива представляет собой перспективное направление [5], позволяющее снизить зависимость от ископаемого топлива и уменьшить экологическую нагрузку [6]. В рамках Российской Федерации доля метана в выбросах парниковых газов занимает второе место после диоксида углерода и составляет 14 %, практически половина из которых — вклад угольных шахт (400 млн тонн CO₂-эквивалента в год) [7]. Увеличение угледобычи приводит к росту объёмов образования шахтного метана [8], что требует интенсификации дегазации[1].

В ряде стран доля дегазированного метана, используемого в энергетике, достигает 50–80 % [7]; однако в России значительная его часть (более 1 млрд. м³ в год [7]) выбрасывается в атмосферу [9].

В мировой практике утилизация шахтного метана охватывает сжигание, когенерацию [10], химическую переработку и закачку в угольныe пласты [11]. Рациональный выбор технологии зависит от компонентного состава газа [12] и характеристик месторождения (рис. 1) [13].

Рис. 1. Основные направления использования шахтного метана [13]

Однако существующие технологии утилизации охватывают ограниченные концентрации метана [14] и при его использовании в качестве моторного топлива требуют дальнейших исследований влияния состава газовой смеси на энергетическую эффективность двигателей и на эксплуатационные свойства автомобилей [5]. Эти факторы создают потребность в системном анализе возможностей применения шахтного метана как альтернативного топлива и в разработке методик оценки его энергетической эффективности для коммерческого транспорта.

Существующие исследования преимущественно фокусируются на стационарных газопоршневых установках [15] и отдельный анализ относится к автомобильным двигателям [16]. Ключевой пробел состоит в нехватке данных о влиянии вариаций состава смеси шахтного метана на энергетические показатели двигателей внутреннего сгорания в условиях реальных циклов движения, а также в отсутствии оценки экономической и экологической эффективности таких решений на масштабе крупных регионов. Таким образом, требуется комплексное теоретическое обоснование использования шахтного метана на транспорте, а также методика расчета энергетической эффективности, учитывающая состав газа, режимы двигателей и циклы движения автомобилей.

Целью работы является выполнение расчетной оценки энергетической эффективности применения шахтного метана угольных месторождений Донбасса в качестве моторного топлива для автомобильных двигателей внутреннего сгорания коммерческого транспорта. Задачи включают: обзор особенностей дегазации шахтного метана на отечественных и зарубежных месторождениях; анализ его состава на угольных предприятиях Донбасса; моделирование рабочего процесса автомобильных ДВС на различных режимах при использовании в качестве топлива шахтного газа; количественную оценку энергетической эффективности (включая КПД и развиваемые эффективные показатели) для автомобильных силовых установок на шахтном газе в сравнении с традиционными топливами; определение условий и ограничений, обеспечивающих безопасную и экологически выгодную эксплуатацию транспортных средств на шахтном газе; формулирование рекомендаций по технологиям дегазации и подготовки газа для широкого применения в коммерческом транспорте.

Материалы и методы. В работе применены лабораторные методы исследования состава шахтного метана из ГП «Макеевуголь» «Шахта им. Чайкино» (г. Макеевка), ГУП ДНР «Шахта Комсомолец Донбасса» (г. Кировское). Для подготовки лабораторных газов использовался комплексный технологический процесс. Дегазационные системы указанных шахт оборудованы двумя типами вакуум-насосных станций — водокольцевые вакуум-насосы ВН-50 (производство КНР), в которых в качестве рабочего тела применяется вода, отбор проб газа осуществлялся перед вакуум-насосными станциями, для удаления влаги использовался силикагель; ротационные насосы, обладающие средствами обеспыливания и удаления влаги, отбор проб газа осуществлялся на выходе в баллоны емкостью 2 литра. Процессы разубоживания лабораторного газа до требуемой концентрации, а также дополнительного обогащения природным газом не применялись. Определение полного состава отобранного газа осуществлялось в двух лабораториях: газоаналитической лаборатории ГУ «МАКНИИ» (Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности) и химической лаборатории ГП «Донецкавтогаз». Для анализа состава газов использовался газовый хроматограф «Кристаллюкс 4000М».

В качестве примера для выполнения исследований выбраны распространенные на городских маршрутах г. Макеевки (ДНР) автотранспортные средства БАЗ-2215 на шасси «Газель Бизнес», ГАЗель Next «Citiline» и ПАЗ 3203. По данным Муниципального унитарного предприятия администрации г. Макеевки «Диспетчерская служба», на 52-х городских и 28-и пригородных маршрутах города привлечена 231 единица подвижного состава указанных марок, из которых 122 единицы средней вместимости (M3), 109 единиц малой вместимости (M2). Превалирующее количество автобусов оснащено двигателями марок ЗМЗ, УМЗ и Cummins. Основные технические характеристики выбранных автотранспортных средств и их двигателей приведены в таблице 1. Показатели выбранных в качестве примера двигателей при их работе на шахтном метане различного состава, а также на традиционном жидком топливе (развиваемая эффективная мощность, эффективный удельный и часовой расходы топлива и т. д.), определены по результатам выполненной серии тепловых расчетов по методике [17].

Эксплуатационные свойства автотранспортных средств (путевой расход топлива, запас хода и выбросы углекислого газа) в условиях ездовых циклов (ЕЦ) по ГОСТ Р 54810–2011[2] при работе их двигателей на рассматриваемых в исследовании топливах получены путем численного моделирования процесса движения в соответствии с методикой [18].

Таблица 1

Характеристики рассматриваемых автомобилей и их ДВС

Для этого в программной среде системы компьютерной алгебры Mathcad в каждой точке ЕЦ решено уравнение мощностного баланса автомобиля [18]. На рис. 2 приведены выбранные ЕЦ, представляющие зависимости скорости движения V от пройденного пути S.

а)

б)

Рис. 2. Выбранные для выполнения исследования ездовые циклы: а — городской цикл на дороге
для автомобилей категории M2 класса II; б — городской цикл на дороге для автомобилей категории M3 класса II

Данные варианты циклов характеризуются минимальными ускорениями, что обусловлено невысокими показателями энерговооруженности автомобилей (таблица 1) и ожидаемой потерей максимальной мощности, развиваемой их двигателями при работе на шахтном метане.

Путевой расход топлива определялся следующим образом:

                                                             (1)

где S_ЕЦ — дистанция ЕЦ (4 км для категории M₂ и 1,92 км для категории M₃); t_Ц — продолжительность ЕЦ (497 с для категории M₂ и 288 с для категории M₃ без учета остановок); G(t) — функция часового расхода топлива от времени движения в цикле, м³/ч (кг/ч); t₀ — суммарная продолжительность остановок, с; G_XX — часовой расход топлива двигателя в режиме минимально устойчивой чистоты вращения на холостом ходу, м³/с (кг/с), G_XX = 0,0007 м³/с для газовых ДВС и G_XX = 0,005 кг/с для ДВС на жидком топливе [17]).

Запас хода автобуса в условиях ЕЦ вычислялся по формуле (2) для газообразных топлив и по формуле (3) для жидких топлив:

                                                                          (2)

                                                                                                               (3)

где V_З — объем газа при нормальных условиях (НУ), находящийся на борту автомобиля; n_Б — количество баллонов на борту автомобиля; V_Б — максимальный объем газа при НУ, которым может быть заправлен один баллон; m_З — заправочная масса газа; ρ_1Г — плотность газа при НУ; R_Г — газовая постоянная (таблица 2); T₀ и P₀ — температура и атмосферное давление при НУ соответственно; V_БТ — объем топливного бака; ρ_1Г — плотность жидкого топлива при НУ.

Эмиссия СО₂ в условиях ЕЦ определялась следующим образом:

• для ДВС, работающих на газе (в т.ч. для газодизелей):

                                             (4)

где n_CO2 — количество вещества (СО₂) в отработавших газах (ОГ), отнесенное к одному километру пути, моль/км;
μ_CO2 — молекулярная масса CO₂, г/моль; n_Т — количество молей топлива, израсходованного за один километр пути, моль/км; M_CO2 — количество СО₂, образующееся при сгорании газообразного топлива, моль/моль, (6); μ_Г — молекулярная масса газа, г/моль (таблица 2);

• для двигателей, работающих на жидком топливе:

                                                                                                (5)

где M_CO2 — количество СО₂, образующееся при сгорании жидкого топлива, кмоль/кг, (7).

Для газодизеля M_CO2 определялось по формуле:

                                                                                                      (6)

                                                                                                                    (7)

                                                                                     (8)

где n, m, r — соответственно количество атомов углерода, водорода и кислорода в молекулах газов газовой смеси; C_nH_mO_r — объемная доля газа в газовой смеси, таблица 2; C — массовая доля углерода в топливе (таблица 2); g_Т — масса жидкого топлива, приходящаяся на 1 кмоль газового топлива, g_Т = 0,0084 кг/кмоль.

Результаты исследования. В исследовании получены следующие результаты:

• определен компонентный состав лабораторных газов, отобранных из угольных предприятий Донбасса (таблица 2);
• для моделей автобусов, распространенных на городских маршрутах г. Макеевка, выполнен тепловой расчёт двигателей внутреннего сгорания при их работе на шахтном метане различного компонентного состава (таблицы 3–5);
• для условий городских ЕЦ по ГОСТ Р 54810–2011[4] выполнено численное моделирование движения автобусов и определены показатели эффективности применения шахтного метана в качестве моторного топлива (таблица 6).

В таблицах 2–6 для образцов лабораторного газа приняты следующие обозначения: газ № 1 — шахта им. Чайкина; газ № 2 — природный газ, используемый для заправки автомобилей (отобран на автомобильной газонаполнительной компрессорной станции); газ № 3 — эталонная газовая смесь по ГОСТ 31371.3–2008; газ № 4 — шахта «Комсомолец Донбасса», первая ВНС; газ № 5 — шахта «Комсомолец Донбасса», вторая ВНС.

Таблица 2

Компонентный состав лабораторных газов (топлив)

С целью оценки изменения эффективных показателей (развиваемой мощности и расхода топлива) выбранных моделей ДВС при их работе на шахтном метане относительно традиционных жидких углеводородных и газомоторных топлив, в соответствии с методикой [17], выполнена соответствующая серия тепловых расчётов. Результаты представлены в таблицах 3–5.

Таблица 3

Результаты теплового расчета двигателя УМЗ-A27460 EvoTech

Таблица 4

Результаты теплового расчета двигателя ЗМЗ-5234

Таблица 5

Результаты теплового расчета двигателя CUMMINS ISF2.8S4R129

Из данных, приведенных в таблицах 3–4, следует, что для рассматриваемых в исследовании искровых газомоторных двигателей:

• максимальная номинальная мощность развивается при использовании в качестве моторного топлива газа № 4, и составляет соответственно: 72,4 кВт для УМЗ–A27460EvoTech при часовом расходе топлива на номинальном режиме 90,9 м³/ч и 89,3 кВт для ЗМЗ–5234 при расходе 127,4 м³/ч;
• минимальный расход газа имеет место при использовании газа № 2: 23,7 м³/ч для УМЗ–A27460EvoTech и 33,2 м³/ч для ЗМЗ–5234; однако при этом номинальная мощность двигателя УМЗ будет снижена до 71 кВт, что почти на 8 кВт меньше, чем его номинальная мощность на бензине (78,5 кВт), а двигателя ЗМЗ до 87,5 кВт при 96 кВт на бензине.

В соответствии с таблицей 5, максимальная эффективная мощность дизельного двигателя с турбонаддувом CUMMINS ISF2.8S4R129, конвертированного в газодизель, составляет 113,8 кВт на номинальном режиме и развивается на образце газа № 5, что превышает на 28,7 % соответствующий показатель на дизельном топливе, часовой расход при этом составляет 72,2 м³/ч.

От величин максимальной эффективной мощности двигателей ключевым образом зависят тягово-скоростные свойства автомобилей.

Выполненные расчёты позволили при помощи зависимостей (1)–(8) определить эксплуатационные свойства автобусов в условиях ЕЦ при работе их двигателей на рассматриваемых топливах. Результаты сведены в таблицу 6.

Таблица 6

Результаты численного моделирования процесса движения автобусов в условиях городских ездовых циклов
по ГОСТ Р 54810–2011[5]

Минимальный путевой расход топлива m (1) в условиях различных ЕЦ достигается на образце газа №2, а максимальный — на образце №4. Для БАЗ–2215 соответствующий диапазон изменения составляет 3,36 при наименьшем значении 0,128 м³/км, для ГАЗель Next «Citiline» 3,47 при 0,14 м³/км, а для ПАЗ 3203 — 3,42 при 0,291 м³/км.

Запас хода S_A (2) обратно пропорционален путевому расходу топлива m и составляет от запаса хода на бензине: 21–71 % для БАЗ–2215, 15–91 % для ГАЗель Next «Citiline» и 22–74 % для ПАЗ 3203. При расчётах запаса хода газомоторных автомобилей категории M₂ количество баллонов класса КПГ–1 объёмом V_Б=0,05 м³ и максимально допустимым внутренним давлением 200 бар принято n_Б=4, а для категории M₃ n_Б=6. Ёмкость топливного бака для категории M₂ составляет V_БТ = 0,064м³, а для M₃ V_БТ = 0,095м³.

Эмиссия диоксида углерода при эксплуатации автобусов на газомоторном топливе по отношению к жидким топливам существенно уменьшается: от 211,9 г/км на образце №4 до 254,7 г/км для БАЗ–2215, что составляет 62 % и 74 % от удельного выброса СО₂ при движении на бензине; от 230,9 г/км на образце №1 до 280 г/км для ГАЗель Next «Citiline» — это 74 % и 89 % от удельного выброса при движении на дизельном топливе и от 496 г/км на образце №5 до 584,7 г/км для ПАЗ 3203, что составляет 62 %–73 % от эмиссии на бензине.

Обсуждение. Полученные данные лабораторных исследований отобранных образцов шахтного метана (таблица 2) подтверждают непостоянство его компонентного состава. В частности, объёмная доля CH₄ варьируется от 0,275 на шахте «Комсомолец Донбасса» до 0,485 на шахте им. Чайкина, что составляет 27 % и 50 % соответственно от природного газа, используемого для заправки автомобилей, а также 34 % и 60 % от эталонной газовой смеси по ГОСТ 31371.3–2008[6]. Объёмная доля метановых примесей составила до 0,0098 в образце с шахты им. Чайкина. В отобранном газе шахты «Комсомолец Донбасса» значительную часть составляет воздух — по объёму 55 % для ВНС № 2 и 77 % для ВНС № 1, что делает эти источники менее предпочтительными для отбора газомоторного топлива.

В результате анализа данных, полученных в ходе расчётов и приведённых в таблицах 3–5, установлено, что максимальная расчётная потеря мощности автомобильных ДВС при их работе на рассмотренных образцах топлива для искровых двигателей УМЗ–A274–60 EvoTech и ЗМЗ–5234 составила 15 %. При этом для дизельного двигателя СUMMINS ISF2.8S4R129, переоборудованного в газодизель, этот показатель может быть значительно увеличен, что обусловлено снижением коэффициента избытка воздуха (таблица 5) и наличием наддува. Однако без дополнительных исследований детонационной устойчивости этого двигателя, а также прочности его кривошипно-шатунного механизма, подача газа должна ограничиваться.

Установлено, что рассмотренные автомобили в газомоторном исполнении при работе на всех отобранных образцах шахтного метана обладают достаточными тягово-скоростными свойствами для возможности движения в условиях, выбранных ЕЦ по ГОСТ Р 54810–2011[7]. При этом утилизация шахтного метана путём его использования в качестве топлива позволяет не только сократить поступление этих вредных газов в атмосферу, что, в частности, усиливает парниковый эффект, но и сократить эмиссию CO₂ от автомобильного транспорта, уменьшая его углеродный след.

Общей проблемой при использовании шахтного метана является непостоянство его состава, а также наличие дополнительных примесей в виде воздуха и инертных газов, которые могут составлять значительную объёмную долю. Такое моторное топливо без предварительного обогащения природным газом приводит к необходимости оснащения ДВС системами питания, которые будут обладать увеличенной производительностью (практически втрое) и обратной связью по коэффициенту избытка воздуха с целью поддержания стехиометрического соотношения топливно-воздушной смеси. Ожидается, что стоимость такого оборудования будет превышать стоимость традиционной автомобильной системы хранения и подачи КПГ на 50 %. Приведённые в таблице 6 показатели запаса хода могут быть увеличены пропорционально количеству установленных на автомобиль дополнительных баллонов. Однако при массе каждого ≈ 65 кг в заправленном состоянии (на примере КПГ–1) настолько же снижается грузоподъёмность (и пассажировместимость) автомобиля. Соответственно, полученные в работе результаты (таблицы 3–6) позволили оценить принципиальную возможность и энергетическую эффективность применения шахтного метана в качестве газомоторного топлива для коммерческого автомобильного транспорта городов Донбасса. Экономическая целесообразность при этом определяется комплексом факторов: стоимостью дегазации, полной стоимостью переоборудования автомобилей, а также принятыми на предприятиях стратегиями осуществления транспортного процесса.

Заключение. Таким образом, в результате теоретического анализа, выполненного на основе данных лабораторных исследований, установлено, что шахтный метан угольных месторождений Донбасса возможно использовать в качестве газомоторного топлива для питания двигателей внутреннего сгорания моделей УМЗ–A274–60 EvoTech, ЗМЗ–5234, СUMMINS ISF2.8S4R129, применяемых на коммерческих автотранспортных средствах моделей БАЗ–2215, ПАЗ 3203 и ГАЗель Next «Citiline». Имеющее место при этом снижение максимальной эффективной мощности не препятствует движению автомобилей в условиях городских ЕЦ по ГОСТ Р 54810–2011[8], однако требует оснащения модернизированной системой приготовления топливно-воздушной смеси.

Настоящая работа является частью выполняемого авторами научного исследования. В рамках дальнейшей работы планируется реализация следующих направлений исследования:

1. Уточнение эффективных показателей автомобильных ДВС при работе на шахтном метане. Для этого запланированы моторные испытания в лаборатории специализированного научно‑технического центра «Механизация транспортных, строительных и коммунальных работ» ФГБОУ ВО «ДОННАСА» на модернизированном стенде КИ–5543 ГОСНИТИ. Испытания будут проводиться как на установившихся, так и на неустановившихся режимах с применением разработанного авторами устройства для отбора проб отработанных газов (патент РФ RU 227257 U1).
2. Разработка математических моделей скоростных характеристик ДВС и их экологических показателей для последующей оценки эксплуатационных свойств автотранспортных средств.
3. Проведение комплексной оценки экономической эффективности перевода коммерческого автомобильного транспорта Донбасса на газомоторное топливо.
4. Определение величины предотвращённого экологического ущерба окружающей среде.

[1] Global Methane Tracker. URL: https://iea.blob.core.windows.net/assets/b5f6bb13-76ce-48ea-8fdb-3d4f8b58c838/GlobalMethaneTracker_documentation.pdf (дата обращения 27.05.2025).

[2] ГОСТ Р 54810 2011. Национальный стандарт Российской Федерации. Автомобильные транспортные средства. Топливная экономичность. Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200093157 (дата обращения: 21.05.2025).

[3] Там же

[4] ГОСТ Р 54810 2011. Национальный стандарт Российской Федерации. Автомобильные транспортные средства. Топливная экономичность. Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200093157 (дата обращения: 21.05.2025).

[5] ГОСТ Р 54810 2011. Национальный стандарт Российской Федерации. Автомобильные транспортные средства. Топливная экономичность. Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200093157 (дата обращения: 21.05.2025).

[6] ГОСТ 31371.3–2008. Газ природный. Определение состава методом газовой хроматографии с оценкой неопределенности. Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200068109 (дата обращения: 21.05.2025).

[7] ГОСТ Р 54810 2011. Национальный стандарт Российской Федерации. Автомобильные транспортные средства. Топливная экономичность. Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200093157 (дата обращения: 21.05.2025).

[8] ГОСТ Р 54810 2011. Национальный стандарт Российской Федерации. Автомобильные транспортные средства. Топливная экономичность. Электронный фонд правовых и нормативно-технических документов. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200093157 (дата обращения: 21.05.2025).