Главная | Обратная связь

Використання видобувних І супутніх газоподібних палив

Через дефіцит рідкого палива нафтового походження і зроста­ючі труднощі з видобуванням нафти, а також з метою зменшення забруднення довкілля шкідливими речовинами в наш час здійсню­ють інтенсивне переведення ДВЗ різного призначення на живлен­ня газоподібним паливом. Найбільш реальними для широкого вжит­ку є природний газ (СПГ-стиснений природний газ), а також газ, що є побічним продуктом нафтопереробних підприємств (ЗНГ-зрідже­ний нафтовий газ).

Основний компонент природного газу- метан. Він становить 82-99 % об'єму. Основні його властивості як моторного палива: ок­танове число - 100-110, нижча теплота згоряння - 32-36 МДж/м³. Тобто за октановим числом природний газ перевищує кращі бензи­ни і тому його можна використовувати у двигунах з високим ступе­нем стискання. Природний газ має переваги порівняно з рідким па­ливом. Оскільки він надходить у циліндри в газоподібному стані, то виключається розрідження оливи, навіть під час холодного пуску двигуна, що збільшує строк його служби і зменшує зношення дета­лей. Порівняно з бензином, стиснений природний газ утворює більш однорідну суміш, в результаті чого відбувається рівномірний роз­поділ суміші по циліндрах. Це надає можливість використовувати збіднені паливоповітряні суміші.

Зберігати природний газ можна у двох агрегатних станах - стис­нутому і зрідженому. Проте температура зрідження метану стано­вить мінус 161,6 °С. Тому, в разі використання природного газу як моторного палива, його зберігають у стиснутому стані в сталевих балонах під тиском до 20 МПа. Якщо тиск менший, то об'єм газу, в балонах прийнятних розмірів, не забезпечує достатнього запасу ходу автомобіля. Маса одного балона становить 93 кг - отже, встанов­лення балонів зменшує вантажопідйомність автомобіля.

Необхідність стискання природного газу до високого тиску спри­чиняє головну проблему, яка стримує широке використання цього виду палива для живлення двигунів. Для заправки балонів за тако­го тиску необхідно будувати автомобільні газонаповнювальні комп­ресорні станції високої вартості, де газ, який надходить газопрово­дами, очищують, фільтрують і стискають до 25 МПа.

Як правило, для живлення газовим паливом переобладнують бензинові двигуни. Замінюють штатний карбюратор - карбюрато-ром-змішувачем з додатковим обладнанням газовою апаратурою.

 

Живлення двигуни в такому разі можо здійснюватись як природним газом, так і бензином.

Після переведення на газ енергетичні показники двигуна, по­рівняно з бензиновим двигуном, зменшуються на 15- 20 % (рис 6.11).

Зменшення енергетичних показників ДВЗ у разі живішими стис­неним природним газом, головним чином, пояснюється зменшен­ням наповнення циліндрів, неоптимальним кутом випередження за­палювання, а також тим, що коефіцієнт молекулярної зміни під час згоряння газового палива менший за одиницю. Тобто у розширенні бере участь менша кількість молекул, ніж після згоряння рідкого палива.

 

Раціонально підвищити енергетичні й економічні показники мож­на застосуванням двигунів з підвищеним ступенем стискання відпо­відно до октанового числа природного газу. Але конструктивні зміни, спрямовані на підвищення ступеня стискання, доречно здійснюва­ти лише за наявності достатньої кількості газонаповнювальних станцій, що надасть можливість транспортним засобам живитись газом, без переходу на живлення бензином.

Результати порівняльних досліджень автомобілів, які спожива­ють рідке та газоподібне нафтове паливо, підтверджують суттєве зменшення викидів шкідливих речовин з ВГ двигунів на СПГ. Вугле­водні, які викидаються з відпрацьованими газами двигунів, що спо­живають газоподібне паливо, в основному, складаються з метану й інших алканів, а бензинове паливо - з олефінів, які значно ток-сичніші.

 

На рис. 6.11 наведено навантажувальні характеристики двигу­на ЗМЗ-53-11 при п = 2000 хе¹. Потужність двигуна при заміні бен­зину СПГ зменшується на 12,3 %. Склад суміші газових двигунів, в усьому діапазоні навантажень, бідніший за бензинові. На середніх навантаженнях коефіцієнт надміру повітря - а = 1,21-1,28.

Концентрації вуглеводнів на середніх навантаженнях для обох видів палив майже однакові. При роботі двигуна в режимі малих і максимальних навантажень вміст вуглеводнів більший при живленні бензином, ніж СПГ. При живленні бензином також більші концент­рації СО і NО_х у ВГ.

Переведення дизелів на живлення природним газом, як прави­ло, здійснюють реалізацією газодизельного процесу. У впускну систему разом з повітрям подають газ, запалювання стиснутої га­зоповітряної суміші здійснюють невеликою запальною дозою дизель­ного га­зоповітряної суміші здійснюють невеликою запальною дозою дизель­ного палива.

З огляду витрати рідкого палива газодизель вигідніший за зви­чайний дизель. Стосовно ж впливу навантажень на склад відпрацьо­ваних газів існують різні, часом суперечні, думки. Вся справа в підхо­дах: екологічність двигуна традиційно оцінюють за трьома нормо­ваними газоподібними шкідливими речовинами (оксиди вуглецю й азоту та вуглеводні) і димністю відпрацьованих газів. Перша з ос­новних переваг газодизеля широко відома - це різке зменшення витрати палива. Друга це - значно менша, порівняно з дизелями на 50-70 %, димність відпрацьованих газів.

Для дизелів, у яких завжди а >1, вміст продуктів неповного зго­ряння палива СО і С_тН_п у відпрацьованих газах незначний. На рис. 6.12 показані характеристики дизеля і газодизеля ЯМЗ-236.

В дизелях регулювання потужності здійснюють переважно зміною складу паливоповітряної суміші (збіднення суміші спричи­няє зменшення потужності). Тому для дизелів зміну вмісту шкідли­вих речовин у ВГ можна представляти і залежно від складу паливо­повітряної суміші, яку визначає коефіцієнт надміру повітря α

Максимальний вміст СО спостерігається в режимі повного на­вантаження. За однакового складу суміші на малих навантаженнях у відпрацьованих газах газодизелів оксиду вуглецю міститься більше, ніж у дизелів, зумовлено це гіршим перебігом процесу зго­ряння збідненої газоповітряної суміші, а при навантаженнях, близь­ких до повних, вміст СО газодизелів стає меншим, ніж у дизелів.

Концентрації вуглеводнів у відпрацьованих газах газодизелів значно більші, ніж у дизелів (у 25-30 разів), але це переважно не-токсичний метан, що не згорів.

Викиди альдегідів газодизелем у 1,5 разубільші, до того ж до 80 % їх сумарного викиду становлять формальдегіди (нких вдвічі більше, ніж у дизеля). Причини різкого збільшеннякільіч>< її ради­калів СН₃ полягають у тому, що природний газ, в основному, скла­дається з метану. В зоні часткових навантажень разом Із зростай ням формальдегіду зростає кількість метану, що не згорів. У той же час сумарні викиди важких альдегідів у дизеля і газодизеля мало відрізняються.

 

Що стосується ПАВ, більша частина яких має канцерогенну активність, то сумарний викид ПАВ дизелем більше ніж втричі пе­ребільшує їх викид газодизелем. До того ж понад 65 % сумарного викиду ПАВ дизеля становлять перилен і бенз(ос)пірен. Для газоди­зеля викиди вказаних речовин у 5-7,5 разів менші. І хоча механізм утворення ПАВ у циліндрах двигунів поки що досконало не вивче­ний, а рівень їх викидів досить випадковий, все ж можна говорити про безумовну перевагу газодизеля.

За існуючими даними, газодизельний процес це: по-перше -найрадикальніший спосіб економії рідкого палива (до 80 %), по-дру­ге, за сукупністю шкідливих компонентів відпрацьованих газів, -еко­логічно безпечніший. Вважається, що основні речовини, що визна­чають токсичність відпрацьованих газів газодизеля це - оксиди азо­ту, формальдегід і бенз(а)пірен.

 

У газодизеля сумарні масові викиди, зведені до СО, на 25 % менші, ніж у дизеля. До того ж 90 % сумарних викидів вуглеводнів становить метан, викиди твердих частинок менші вдвічі, а ПАВ - у З рази, в тому числі канцерогенного бенз(а)пірену - в 6,5 разу. Вміст альдегідів, навпаки, більший у 1,5 разу, а викиди формальдегіду-вдвічі перебільшують їх вміст у дизелів і становлять приблизно 80 % сумарних викидів альдегідів газодизелем.

Отже, використання природного газу в дизелях і бензинових дви­гунах зменшує кількість шкідливих викидів у атмосферу.

В багатьох країнах світу налагоджено виробництво обладнан­ня, необхідного для переобладнання автомобілів для живлення дви­гуна зрідженим нафтовим газом(ЗНГ). Нижча теплота згоряння ЗНГ становить 24,8 МДж/л.

 

Високе октанове число ЗНГ (90-100 од.) надає можливість використовувати його для живлення двигунів з іскровим запалю­ванням з високим ступенем стискання. СПГ переважно використо­вують для живлення серійних бензинових двигунів без конструктив­них змін. Порівняльні дослідження роботи двигуна при живленні бензи­ном і зрідженим газом показують, що переведення на ЗНГ зменшує викиди СО в 2-4 рази, ЛЮ_Х - в 1,4-1,8 разу. Викиди ж С_тН_п, особли­во під час роботи в низьких швидкісних режимах і режимах малих навантажень, зростають у 1,2-1,5 разу.

Застосування ЗНГ в суто дизельному процесі виключено через високі температури самозаймання суміші. При спробах використан­ня ЗНГ в газодизельному процесі ступінь стискання зменшують до 10-12.

Зростає зацікавленість у використанні генераторного газу, який отримують у реакторі на борту транспортної машини, газифікацією дистиляційних фракцій нафти, легких фракцій гідрогенізації вугілля і низькооктанових бензинів.

Можна зазначити, що використання різного газоподібного па­лива для живлення двигунів приведе до зменшення забруднення довкілля основними шкідливими речовинами відпрацьованих газів ДВЗ.

 

Використання синтезованих І аівролізних альтернативних палив

Водень

Перші дослідження стосовно використання водню як палива для теплових двигунів були проведені ще в 20-х роках XX століття. Ха­рактеристики водню як моторного палива такі: нижча теплота згоряння - 120 МДж/кг, що перевищує теплоту згоряння рідкого па­лива в 2,7-2,9 разу. Енергія запалювання водню дуже низька і при­близно в 10 разів нижча за вуглеводневе папиво. Швидкість згорян­ня водневоповітряної суміші висока, особливо збагаченої воднем. Межі запалювання суміші за коефіцієнтом надміру повітря дуже широкі і становлять 0,15—10. За таких широких меж запалювання можливо регулювати потужність двигуна лише зміною складу суміші Під час згоряння водневоповітряної суміші утворюється водя­на пара, тобто виключається можливість утворення шкідливих про­дуктів неповного згоряння. Таким чином, водень як паливо для теп­лових двигунів має низку переваг перед вуглеводневим паливом. Проте є причини, які стримують широке використання водню в теп­лових двигунах, пов'язані вони з його добуванням, зберіганням і особливостями роботи двигунів.

Отримують водень, в основному, при переробці природного газу і нафти, які безпосередньо можна використовувати для живлення теплових двигунів або отримувати з них моторне паливо. Тому про­водяться інтенсивні пошуки інших ефективних методів отримуван­ня водню. Найперспективнішим є метод газифікації вугілля під тис­ком на парокисневому дутті. Вивчається питання використання над­лишкової енергії електростанцій у періоди мінімальних завантажень або з альтернативних джерел енергії для отримування водню елек­тролізом води.

Відомі три способи зберігання водню: в балонах високого тис­ку, в кріогенних баках і у зв'язаному стані у складі металогідридів.

Зберігання водню у стиснутому стані здійснюється в балонах високого тиску. Проте навіть за тиску 10-40 МПа маса водню ста­новить лише 0,7-1,3 % маси балонів. Запас водню в 10 кг, необхід­ний легковому автомобілю середнього класу для пробігу 400-500 км, потребує використання балонів масою 1200 кг. Крім того, зберігання на борту транспортної машини водню за високого тиску неприпустиме з огляду техніки безпеки, тому що може призвести до вибуху під час аварії.

 

Основна шкідлива речовина, що міститься у відпрацьованих газах водневого двигуна, - оксиди азоту. Найбільше їх утворюється при згорянні дещо збідненої водневоповітряної суміші (а = 1,2).^з збагаченням чи збідненням суміші вміст А/О_х різко зменшується. При а = 1,8 вони практично відсутні. Через те, що водневий двигун стало працює при досить збіднених сумішах, зменшити викиди ок­сидів азоту можна регулюванням складу суміші. Проте енергетичні показники двигуна у цьому разі знизяться. Зменшити викид ЛЮ_Х можна також рециркуляцією відпрацьованих газів, подаванням води у впускну систему та зменшенням кута випередження запалю­вання.

Спеціалісти вважають, що в найближчому майбутньому, через названі недоліки, двигуни, що працюють на водні, широкого засто­сування не набудуть.

 

Ацетилен

В останні роки за кордоном вивчається можливість використання ацетилену (С₂Н₂) як моторного палива. Ацетилен має високі енер­гетичні показники, і його можна виробляти в нафтової сировини.

Проводились поодинокі експериментальні дослідження роботи поршневих ДВЗ на ацетилені, які, окрім того, виконані переважно на одноциліндрових установках СFР.

 

Токсичні показники двигуна, який живиться ацетиленом, покра­щуються переважно завдяки зниженню вмісту у ВГ оксиду вуглецю і сумарних вуглеводнів.Так в режимах максимальної потужності викиди СО зменшилися в 2-2,5 рази, а С_тН_п - в 2,5-3,5 разу, по­рівняно з мінімальними значеннями викидів цих компонентів у ВГ бензинового двигуна. Разом з тим, внаслідок високої температури згоряння ацетилену, вміст оксидів азоту у ВГ перебуває на рівні найбільших викидів NO_Х бензинових двигунів. За однакового скла­ду паливних сумішей (а = 1,43) перехід з бензину на ацетилен підви­щує вміст NO_х майже втричі.

 

Азотовмісні палива

Азотоводневе паливо складається з водню й азоту. Основними видами азотоводневого палива є гідрозин (Л/₂Н₂) й аміак (Л/Н₃).

Аміак (Л/Я₃) характеризується простотою виробництва, віднос­но низькою вартістю і, як паливо, задовільними термодинамічними показниками. Характерними властивостями аміаку є низький сте­хіометричний коефіцієнт - теоретично необхідна кількість повітря (6,15 кг/кг), висока температура займання аміачноповітряних сумі­шей (650 °С) та їх повільне, мляве згоряння. Його цетанове число близьке до нуля, в той же час він має високу антидетонаційну стійкість (ОЧ визначене дослідницьким методом - 110 од.).

Внаслідок незадовільних моторних якостей аміаку для роботи двигуна необхідно суттєво підвищити енергетичний рівень запалю­вання використанням високотемпературних свічок із широким іскро­вим проміжком і потужною котушкою запалювання. Інтенсифікува­ти займання і згоряння аміаку можна впорскуванням запальної дози палива, додаванням активуючих присадок, оптимізацією форми камери згоряння тощо.

За термохімічними розрахунками, в продуктах згоряння аміаку присутній тільки один токсичний компонент - оксид азоту Л/О. Кількість його мінімальна через низькі температури і швидкості зго­ряння аміачноповітряних сумішей. У розрахунках на одиницю транс­портної роботи викиди Л/О для аміаку нижчі в 1,5-2 рази порівняно з воднем і в 2,5-3 рази - порівняно з бензином. У той же час, в експериментах отримано значно нижчі (майже на порядок) рівні ви­кидів Л/О у разі спалювання аміачного палива. Ці обставини пов'я­зані з перебігом (при певних умовах організації робочого процесу двигуна, що живиться аміаком) реакції взаємодії оксиду азоту з амі­аком, який не згорів, у результаті чого відбувається відновлювання азоту.

Недоліком аміаку як моторного палива є його корозійна агре­сивність та отруйність.

 

Спиртові палива

Перспективним видом палив для живлення теплових двигунів, що отримують з відновлювальних ресурсів, є спирти (метанол та етанол).

Метанол {СН₃ОН) отримують гідрогенізацією (приєднанням водню) кам'яного вугілля при високому тиску в присутності каталі­затора. Крім вугілля, як сировину використовують природний газ, вапняк, побутові відходи і відходи лісового господарства.

Метанол як моторне паливо, має такі основні характеристики: октанове число 104-114, нижча теплота згоряння - 22 МДж/кг. Ви­соке октанове число надає можливість використовувати метанол

 

для живлення двигунів з іскровим запалюванням з високим ступе­нем стискання (до 12-14). У звязку з тим, що, порівняно з бензином, метанол має меншу, практично вдвічі, теплоту згоряння, його масові витрати на одиницю виробленої енергії значно більші. Це зменшує запас ходу транспортного засобу або спричиняє не­обхідність значно збільшувати об'єм паливних баків. Через те, що до складу метанолу входить кисень, теоретично необхідна кількість повітря для згоряння 1 кг метанолу значно менша, ніж для бензину, і становить 6,52 кг/кг. У результаті енергія, що утворюється під час згоряння 1 кг паливо-повітряної суміші, для метанолу і бензину при­близно однакова. Однією з особливостей метанолу, порівняно з па­ливом нафтового походження, є висока теплота випаровування -до 1160кДж/кг, що перевищує теплоту випаровування бензину (318 кДж/кг) у 3,6 разу. Це сприяє зниженню температури суміші і збільшенню маси паливоповітряного заряду, зменшенню тепло-відведення в циліндрах двигуна і температури відпрацьованих газів.

Потужність двигуна з іскровим запалюванням, що живиться мета­нолом, на 10-15 % вища, ніж у того, що живиться бензином.

Проте висока теплота випаровування метанолу значно погіршує пускові властивості двигуна і, практично, виключає можливість за­пуску двигуна навіть при 0 °С. Визначилось декілька напрямів усу­нення цього недоліку - додавання до метанолу рідин, які легко ви­паровуються, таких як ізопрен, бутан, диметиловий ефір або зрідже­ний газ, встановлення підігрівачів після карбюратора, застосуван­ня пускової дози рідкого палива тощо.

Широке використання в експлуатаційних умовах метанолу замість бензину має такі недоліки: його пара більш шкідлива за пару бензину, гума і деякі синтетичні матеріали нестійкі до метанолу, спостерігається навіть підвищене зношування деяких деталей дви­гуна. Але при відповідній організації експлуатації й незначних змінах деяких деталей двигуна використання метанолу для живлення дви­гунів з іскровим запалюванням є цілком реальне.

 

Про доцільність переведення двигунів на живлення метанолом свідчить зменшення викидів більшості шкідливих речовин з відпра­цьованими газами порівняно з бензином. За умови живлення мета­нолом зменшується вміст Л/О_х завдяки нижчій температурі в цилін­драх двигуна під час згоряння метанолу. Вміст СО у ВГ двигуна при згоранні збагачених сумішей для обох видів палив приблизно одна­ковий, а при складі сумішей, що наближається до стехіометрично­го, для метанолу - значно нижчий, внаслідок більш повного згорян­ня

З цієї ж причини вміст С_тН_л на метанолі становить 25-33 % вмісту вуглеводнів на бензині. Вміст альдегідів у ВГ двигуна, у разі живлення метанолом, збільшується приблизно у 2 разипорівняно з бен­
зином.Проте поліциклічних вуглеводнів, які мають канцерогенні
властивості, викидається на порядок менше.Разом з тим , не утворюється сажа і відсутні сполуки сірки. Таким чином, загальне ток­сичність двигуна з іскровим запалюванням при живленні метано­лом значно менша, ніж при живленні бензином.

 

Рослинні олії

Останнім часом і в нашій країні, і :ш кордоном ниич.ікмі. мож­ливість заміни бензину і дизельного палива альюрниіипним пали­вом з відновлювальних джерел - таким паливом можуть бути рос­линні олії. Замінником можуть бути соняшникова, кукурудзяна,со­єва олії тощо. В нашій країні перевагу віддають ріпаковій олії.

Ріпак - невибаглива культура, його врожайність - 15-25 цент­нерів насіння з гектара. Шляхом екструзії (пресування) вилучаєть­ся до 40 % олії від маси посівів. Більш глибока екстракція (вилучен­ня) дозволяє отримати до 70 % олії.

Ріпакову олію можна безпосередньо використовувати як добавку до дизельного палива або продукувати з неї метилефір, який вико­ристовують як паливо для дизелів. Метилефір отримують з ріпако­вої олії трансетерифікацією (хімічним перетворенням).

Для одержання 1000 літрів метилефіру потрібно 1000 літрів олії, 110 літрів метанолу та 16 літрів каталізатора (гідрооксиду калію або натрію). В результаті додатково одержують 110 кг гліцерину, та відбу­вається часткове повернення метанолу.

 

Ріпакова олія як олива для систем мащення за своїми власти­востями не поступається нафтовим. Вона має цілком прийнятну тем­пературу застигання. За антикорозійними та протизношувальними властивостями ріпакова олія перевищує нафтові оливи.

Живлення дизеля сумішшю ріпакової олії і дизельного палива зумовлює такий же характер змін концентрацій шкідливих компо­нентів відпрацьованих газів (СО, С_тН_п, NО_х, СО_г) і димності N залежно від навантаження, як і для звичайних дизелів. Величини концентрацій продуктів неповного згорання СО і С_тН_п, у разі спожи­вання дизелем суміші, дещо відрізняються від аналогічних пара­метрів живлення лише дизельним паливом, проте ці відхилення перебувають у межах точності вимірювання цих параметрів і ма­ють для дизелів незначні величини. У цьому випадку в зоні великих навантажень дещо зростають концентрації оксидів азоту NО_х, і має місце тенденція до зростання димності відпрацьованих газів К. Зро­стання димності, швидше за все, пов'язане з більшою в'язкістю су­мішевого палива і, як результат, погіршенням якості його розпилю­вання.

 

 

Тенденція до збільшення вмісту оксидів азоту NО_г у відпрацьо­ваних газах дизеля при споживанні суміші ріпакової олії з дизель­ним паливом та ріпакового метилефіру можна пояснити тим, що в цих випадках має місце більш високе значення коефіцієнта над­міру повітря через більший вміст кисню в паливі.

Викиди шкідливих речовин з продуктами згоряння метилефіру значно менші, ніж при використанні нафтового палива, особливо щодо сірки, в 70 разів.