Класифікація твердих палив. Вибір сировинної бази

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 19Следующая ⇒

2.4 Природний газ

Стиснений природний газ метан (CNG – сompressed natural gas), а також зріджений нафтовий газ (LNG – liquified petroleum gas) є привабливими альтернативними паливами для двигунів внутрішнього згоряння. Сьогодні природний газ використовують приблизно 1 200 тис. автомобілів в усім світі, з них – 40 тис. у США [68]. Природний газ (GN – natural gas), забезпечує більше чисте згоряння, є широко розповсюдженим і більше дешевим, чим бензин або етанол. Його ресурси по всьому світу є дуже значними. Навіть значне збільшення попиту тільки в невеликому ступені зменшить ці ресурси. Двигуни, що використовують GN, характеризуються дуже низькою емісією реактивних вуглеводнів, СО і твердих часток. Основним компонентом GN є метан (85...95%). До інших компонентів варто віднести складні вуглеводи, азот і воду. Об'ємні й масові частки окремих компонентів в GN представлені в табл. Таблиця 2.4. Через те, що молекули метану окисляються без проміжних продуктів, ефективне згоряння й низький рівень емісії токсичних компонентів можливі у випадку згоряння при достатній кількості повітря. В ідеальних умовах згоряння відпрацьовані гази, містять тільки чотири компоненти: водяна пара, СО₂, азот і надлишковий кисень.

У реальному процесі згоряння відпрацьовані гази, містять незгоріле або частково окислене паливо, окис вуглецю (СО), окис сірки, окис азоту (NO), двоокис азоту (NО₂), які зазвичай представляються як NO_x, a також тверді частки РМ, що утворяться внаслідок потрапляння в камеру згоряння мастила.

Головною складовою, що забруднює навколишнє середовище в процесі згоряння GN, є незгорілий метан, причиною появи якого є неправильні пропорції складових паливоповітряної суміші, а також неповне перемішування реагентів. Тому що відпрацьовані гази, що утворяться при згорянні метану, хімічно менш активні, ніж гази, що містять важкі вуглеводи, що виникають у процесі згоряння бензину й дизельного палива, вони незначно забруднюють повітря. Проблемою, як у процесі згоряння метану, так й у випадку згоряння бензину або дизельного палива є емісія NO_x. Надлишок повітря, що утвориться при згорянні збідненої суміші, приводить до зниження емісії NO_x. У процесі згоряння збіднених сумішей знижується ефективність окисних нейтралізаторів через низьку температуру відпрацьованих газів, надлишку речовини, що окисляє (О₂) і відсутності компонентів, що відновлюють NO – СО і Н₂ у відпрацьованих газах, які є необхідними для відновлення молекули NO_x. У двигунах, що живлять GN, зі згорянням стехіометричних сумішей для контролю за вмістом NO_x застосовується трьохкомпонентні нейтралізатори зі зворотним зв'язком і рециркуляцією продуктів згоряння. Емісія NO_x виникає в результаті окислювання азоту повітря за участю хімічно активних сполук. Чим вище температура згоряння, тим вище рівень емісії NO_x. Тому що двигуни, що живляться GN, характеризуються високим ступенем стиску, проблема зниження емісії NO_x вирішується часто шляхом зниження температури згоряння, у результаті додавання газоподібного продукту, що має високу теплоємність. Досягається це за допомогою рециркуляції продуктів згоряння (EGR – Exhaust gas recirculation). Можливо це, однак, тільки на часткових режимах, тому що на режимах повного навантаження рециркуляція продуктів згоряння знижує потужність двигуна. Викиди NO_x на відміну від незгорілого метану є безпосередньою причиною забруднення повітря, тому слід вжити заходів з метою зменшення його кількості. Існує прямий зв'язок між емісією NO_x і вуглеводнів (НС) у двигунах з іскровим запалюванням. Мінімальна емісія НС має місце тоді, коли коефіцієнт надлишку повітря близький до стехіометричного показника. У цих умовах температура згоряння близька до свого максимального значення й тому емісія NO_x досягає максимуму.

Молекула метану містить один атом вуглецю й чотири атоми водню, що є низьким співвідношенням у порівнянні з іншими паливами.

У результаті цього GN називають паливом «збідненим вуглецем», що є причиною виникнення в малій кількості СО і СО₂. У двигунів, що працюють на стехіометричній суміші – емісія СО із двигунів, що заправляють GN, є більше високою, ніж у працюючих на бідній суміші, але меншою чим у випадку використання бензину або дизельного палива. Невелика кількість сірки в GN (приблизно 8-30 ррm) вміщується, в основному, у пахучих речовинах, що додають із метою визначення нещільностей системи живлення. Сірка окислена в процесі згоряння і її окис є одним із продуктів згоряння.

Конвертовані двигуни, що живлять GN, характеризуються більше високим коефіцієнтом корисної дії, чим двигуни, що працюють на бензині, а к.к.д. двигунів, пристосованих до згоряння бідної суміші, близький до к.к.д. дизельного двигуна [24, 46]. Октанове число метану, що є основним компонентом GN, визначене за дослідницьким методом (LOB), дорівнює 130, тому він має чудовими антидетонаційні властивості, завдяки чому можна значно збільшити ступінь стиску двигуна, а це у свою чергу приводить до зростання економічності.

Однак у біпаливних двигунах, розроблених на основі бензинових і пристосованих для використання GN, у залежності від системи живлення базового двигуна потужність знижується на 10-20%. Важливим параметром, що впливає на роботу двигунів, що працюють GN, є число Вобба. Цей параметр визначає температуру газу після редукування його тиску. Газодизелі не знайшли широкого поширення. При такій системі живлення GN запалюється у двигуні за допомогою запальної порції дизельного палива. Двигуни, що живляться двома паливами використовують при малій вихідній потужності приблизно 90... 100% дизельного палива, і при більших потужностях – 80% GN й 20% дизельного палива [1, 10, 11, 24, 61, 62, 68]. Важливим є те, щоб тиск у циліндрі після переводу двигуна на газ не був вище, ніж припустимий тиск. GN як паливо не повинне випаровуватися з метою його запалення, що є необхідним у випадку застосування рідких палив, тому відсутня проблема холодного запуску. Можливість застосування при низьких температурах є значною перевагою GN у порівнянні, наприклад, зі спиртовими паливами. Проблемою є його розміщення на автомобілі. Для того щоб зберігати GN у рідкому стані (LNG), потрібне застосування низьких температур (-126 °С при 0,1 МПа). Вплив теплової енергії з навколишнього середовища на паливний бак, у якому зберігається GN, приводить до зростання в ньому тиску, у результаті чого газ виходить через нещільності в навколишнє середовище або попадає у двигун. Інтенсивна експлуатація автомобілів знижує втрати, що виникають в результаті випаровування. Якщо автомобіль, що працює на LNG, зберігається на стоянці більше двох тижнів, клапан системи відкривається, що приводить до великої втрати палива. Великими проблемами є доступність LNG, а також вірогідність вибуху під час автомобільної катастрофи або ушкодження бака. Кращі перспективи має застосування як паливо CNG, чим LNG. GN є більше безпечним. Через те, що стислий природний газ легше, ніж повітря, воно швидко розсіюється в атмосфері. Температура спалаху GN дорівнює 648 °С, що значно вище, ніж температура спалаху бензину. Вона характеризується також вузькою межею займання, що перешкоджає випадковому загорянню. Відповідно до публікації [68], не відзначено випадків загоряння й інших катастрофічних наслідків при використанні CNG, частіше чим при використанні бензину. Єдиною проблемою, пов'язаної з безпекою, є необхідність ставити автомобіль на стоянку під відкритим повітрям, а не в замкнутих приміщеннях.

Імовірно, найбільшою проблемою, пов'язаної з GN, є автомобільні газонаповнювальні компресорні станції – АГНКС, устаткування яких є дуже дорогим.

GN є сумішшю декількох газів, зазначених у табл. Таблиця 2.5.

Таблиця 2.5 – Компоненти природного газу [37]

Компонент

Об'ємна частка [%]

Масова концентрація [ %]

Метан

92.29

84.37

Етан

3.60

6.23

Пропан

0.80

2.06

Бутан

0.29

0.99

Пентан

0.13

0.53

Гексан

0.08

0.39

СО₂

1.00

2.52

Водень

1.80

2.89

Вода

0.01

0.01

Всього

100.00

100.00

Пропорції між даними компонентами залежать від джерела родовища, а також від сполук газу, що додається, що видобувається з іншого джерела. Зміна сполук GN приводить до зміни калорійності й деяких паливних характеристик. У результаті цього необхідним є зміна кількості повітря, що додається, з метою забезпечення стехіометричного складу. Отже, виникають додаткові проблеми, пов'язані з управлінням двигуна.

Рисунок 2.2 – Схема автозаправної станції для LNG:

1 - бак з насиченим паливом, 2 - бак з ненасиченим паливом, 3 - випарник, 4 - криогенний насос, 5 - паливний дозатор [65]

Надлишок води в GN може бути причиною виникнення корозії циліндрів і паливної системи двигуна.

Заправлення автомобілів, що працюють на LNG, є чистим, безпечним й швидким в порівнянні із заправленням автомобілів дизельним паливом. Під час заправлення дозуючий клапан, що підключений до криогенного бака, утворить із ним повністю герметичну систему, що виключає можливість витоку, який неминучий при заправленні дизельним паливом. Для заправлення приблизно 450 літрів палива необхідно від 3 до 5 хвилин, тобто менше, ніж у випадку заправлення традиційних палив.

Слід зазначити, що автозаправні станції LNG відрізняються друг від друга конструктивними рішеннями. Зразкове оснащення такої автозаправної станції, з урахуванням сучасних досягнень у цій області, представлене на рис. Рисунок 2.2

Нижче представлені різні варіанти пристосування двигунів для живлення їх стислим природним газом:

1. Конвертація існуючих двигунів, проведена шляхом зміни або вставки нових елементі, що створює можливість використання як паливо CNG. В основному, виробник автомобіля не дає гарантії на такі двигуни.

2. Нові двигуни – це ставиться до двигунів, випущеним на заводі й у заводських умовах, пристосованих до живлення CNG.

3. Спеціальні двигуни, пристосовані винятково для живлення CNG. Ними можуть бути модернізовані або нові двигуни.

4. Двопаливний двигун, відкрита система керування ставиться винятково до конвертації дизелів. У цьому двигуні збережені існуюча паливна система й додана паливна система CNG. Застосовуються два палива, і їхні взаємні пропорції змінюються залежно від режиму роботи двигуна. Можливим є 100%-ве споживання дизельного палива, але 100%-ве споживання CNG неможливо.

5. Двопаливний двигун із замкнутою системою керування – модифікація двигуна, що живиться двома паливами. Об'ємна доля дизельного палива невелика й обмежується величиною запальної порції для запалення CNG. Двигун, що живиться винятково дизельним паливом, може працювати па холостому ході, але не може досягти повної потужності.

6. Двигуни, що працюють поперемінно на двох паливах. Вибір палива здійснюється за допомогою механічного або автоматичного перемикача.

2.5 Пропан-бутан

Зріджений газ, пропан-бутановий газ LPG (Liquified Petroleum Gas), що є сумішшю нафтового газу й природних газів, перебуває в рідкому стані при температурі навколишнього середовища й тиску нижче 1,4 МПа. Застосовується як паливо в автомобілях понад 60 років. Є найпоширенішим паливом серед всіх альтернативних палив – сьогодні 3,9 млн. автомобілів по всьому світі використають його як паливо. Потрібні такі ж конструктивні зміни у двигуні з іскровим запалюванням, як й у двигунах, що працюють на стисненому природному газі (CNG). Додатково застосовується випарник для перетворення рідини в пару до моменту її подачі в паливо-повітряний змішувач. У газоподібному стані LPG має у два рази більшу щільність, чим CNG. LPG характеризується високим значенням октанового числа, у зв'язку із цим можливо сконструювати двигун що живить LPG, к.к.д. якого буде вище, ніж у бензиновому двигуні з іскровим запалюванням. Тому що LPG зберігається в рідкому стані, його можна значно більше заправити в автомобіль, чим CNG. Паливні баки, у яких зберігається LPG, запроектовані на робочий тиск приблизно рівне 1,7 МПа. Для того, щоб мати таку ж кількість енергії, як в автомобілях, що живлять бензином, паливні баки автомобілів, що живляться LPG повинні за об'ємом бути на 45% більше, ніж бензинові.

Емісія у двигунах внутрішнього згоряння що живлять LPG, порівнянна з емісією двигунів, що використають CNG. Пропан (С₃Н₈), головний компонент LPG, більше здатний до хімічної реакції з озоном, ніж метан (головний компонент природного газу), що приводить до утворення смогу. Однак, ця властивість, проявляється в меншому ступені, ніж при використанні інших вуглеводнів. Молекула пропану має більше складну структуру, чим молекула метану й тому у випадку неповного згоряння пропану виникає більша кількість шкідливих продуктів, що викидають із відпрацьованими газами, але менше чим у процесах згоряння бензину й дизельного палива.

Відпрацьовані гази, після згоряння як LPG, так і природного газу, містять незначні кількості СО і твердих часток. Емісія NO_x може бути незначно вище для LPG, чим для бензину, що викликано більше високою температурою згоряння. Однак її рівень можна контролювати за допомогою нейтралізаторів. Нижня межа калорійності пропану приблизно дорівнює природному газу й незначно вище, ніж у бензину. Двигуни, що живлять LPG, повинні бути більше економічними, чим бензинові. Об'ємний вміст енергії палива LPG значно нижче, ніж у бензину (0,73:1). LPG – газ більше важкий, чим повітря й тому може більш часто служити причиною виникнення пожеж, чим CNG. Типові компоненти LPG зазначені в табл. Таблиця 2.6. Всупереч загальній думці гази LPG й CNG є більше безпечними, чим бензин [5, 14, 29, 61, 68].

Таблиця 2.6 – Типові компоненти LPG [68]

Компоненти

Комерційний клас HD-5

Комерційний пропан

Комерційні суміші Б/п

Пропан

90% об'ємної частки рідини (min)

В основному пропан й/або пропилен

В основному суміші бутанов й/або бутанолов із пропаном й/або пропиленом

Пропилен

% по об'єму рідини (max)

–

–

Бутан і більше складні НС

2,5% рідини ASTMD-2163-82

2,5 % рідини ASTM...

–

Зміст вологи

Повинен пройти тест NGPA

Повинен пройти тест NGPA

–

Залишки

0,05 моль ASTMD-2158-80

0,5 моль ASTM...

–

Пентан і більше складні НС

–

–

2,5 % по об'єму рідини (max)

ASTM...

Зміст сірки

123 PPMW

ASTM...

185 PPMW

140 PPMW

LPG застосовується як паливо в газодизельних двигунах, у яких пари палива змішуються із засмоктуваним повітрям і двигун, живиться двома паливами: LPG і дизельним паливом, при більших його навантаженнях. Запалення викликається невеликою запальною порцією дизельного палива.

Сполука суміші пропану й бутану в паливі LPG залежить від кліматичних умов, у яких LPG використовується. У Польщі дане паливо містить влітку 40% пропану й 60% бутану, а взимку пропорція є протилежною. Це пов'язане з тим, що тиск парів бутану нижче (при 37,8°С дорівнює 0,26 МПа), стосовно тиску парів пропану (при 37,8°С – 1,2 МПа), що впливає на здатність переходу цих палив у газовий стан.

2.6 Спиртові палива

Для живлення двигунів внутрішнього згоряння можна застосовувати: метиловий спирт (метанол) (СН₃ОН), етиловий спирт (етанол) (С₂Н₅ОН), а також бутанол (С₄Н₃ОН). Вони можуть бути основними паливами двигуна, або застосовуватися як присадки до стандартних палив. Зацікавленість у споживанні метанолу у двигунах внутрішнього згоряння є дуже великою в державах, що мають власні ресурси кам'яного вугілля й недостатні запаси нафти.

Етиловий спирт можна одержати за допомогою синтезу етилену або ацетону.

Родовища як природного, зрідженого пропан-бутанового газів та нафти не відновляються. Метанол можна видобувати із природного газу, вугілля, біомаси або міських відходів. У США метанол в основному виробляється з природного газу. Однак під час виробництва метанолу мають місце великі енергетичні витрати й тому рішення проблеми таким способом не є найкращим. Більш ощадливим є виробництво метанолу з вугілля, причому й цей процес вимагає певних енергетичних витрат. При виробництві метанолу з вугілля утворяться значна кількість СО₂ – більше, ніж при виробництві бензину.

Енергетичний коефіцієнт корисної дії виробництва метанолу з вугілля становить приблизно 45...50% тобто він досить близький до значення 40%, характерному для виробництва дизельного палива й бензину методом Fischera-Tropscha. У випадку виробництва метанолу з дерева цей коефіцієнт коливається в межах 42...50%, а отриманого із природного газу – 60...70% [31].

Метанол є чудовим паливом для двигунів внутрішнього згоряння, має високе значення октанового числа й забезпечує бездимне згоряння. Як паливо застосовується в основному суміш М85 (85% метанолу й 15% вуглеводнів), а також чистий метанол М100 (100% метанолу). При застосуванні метанолу коефіцієнт корисної дії двигуна зростає на 5...10% у порівнянні із двигуном, що працює на бензині. Можливості одержання метанолу з біомаси або міського сміття можуть сприяти більш широкому його застосуванню як альтернативного палива.

Найважливішою проблемою, пов'язаної із процесом згоряння метанолу, є утворення альдегідів, в основному формальдегіду. Двигуни, що працюють на метанолі, викидають в атмосферу незгорілий метанол, що менш реактивний, ніж суміш незгорілих вуглеводнів, що викидають бензиновими й дизельними двигунами.

При низьких температурах навколишнього середовища висока теплота паротворення є недоліком метанолу й етанолу в порівнянні із природними й зрідженим нафтовим газами.

Слід зазначити, що при температурах нижче -7°С дуже складно випарувати метанол. Метанол не придатний для живлення немодифікованих двигунів із запаленням від стиску. Через погану займистість у дизелях виникає необхідність застосування додаткових заходів, що забезпечують запалення. Недоліком метанолу є також мала його поширеність і доступність для споживачів.

Етанол також є спиртом і має властивості, близькі до властивостей метанолу. У США його в основному одержують в процесі ферментації (бродіння) зерен кукурудзи. Етанол застосовується для живлення автомобілів у вигляді суміші, під назвою "gazohol" (90% бензину й 10% етанолу). Економічною проблемою, що обмежує використання етанолу як палива, є те, що під час його виробництва витрачається більше енергії, чим вивільнюється у процесі його згоряння.

Етанол може зберігатися в баках і подаватися у двигун за допомогою устаткування, аналогічного застосовуваному для бензину. Однак це устаткування повинне бути стійким до корозії.

Як й у випадку метанолу, проблемою при застосуванні етанолу є викид з відпрацьованими газами, альдегідів, в основному ацетальдегіду. Автомобілі, що живляться етанолом, викидають в атмосферу незгорілий етанол. При низьких температурах, як й у випадку метанолу, з'являється проблема, пов'язана з високою теплотою паротворення. Етанол має меншу теплоту згоряння. У порівнянні з бензином етанолу витрачається на подолання однакової відстані в 1,5 рази більше й ще більше це справедливо у випадку метанолу.

Тому, і метанол й етанол не занадто придатні для застосування в дизелях без попереднього їхнього пристосування для роботи на цих паливах.

З аналізу основних фізико-хімічних властивостей метилового спирту (метанолу) і етилового (етанолу) (табл. Таблиця 2.7) бачимо, що вони мають близьку за значенням теплотворну здатність стехіометричної суміші. Температура спалаху метилового спирту становить 743...773 К, тобто вище, ніж етилового спирту – 665 К. Тому метиловий спирт більше прийнятний для живлення двигунів із примусовим запалюванням при більше високому ступені стиску. Більше високе Значення нижньої межі займистості суміші метанолу з повітрям ( = 1,91 у порівнянні з = 1,7 для етанолу) забезпечує можливість використання більш збідненої суміші. Більш низька температура кипіння метанолу T_w = 338 К у порівнянні з температурою кипіння етанолу T_w = 351 К, забезпечує більш швидкий перехід метанолу в газоподібний стан. Варто підкреслити, що повний випар бензину або дизельного палива вимагає значно більше високих температур (табл. Таблиця 2.7 і рис. Рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Зіставлення меж википання фракцій дизельного палива й бензину з температурами кипіння метанолу й етанолу [31]

Із кривій рівноваги рідина-пар метанолу (рис. Рисунок 2.4) бачимо, що при надлишковому тиску, що становить приблизно 0,103...0,152 МПа, температура кипіння метанолу коливається в межах 80...87°С (353...360 К), тобто метанол може бути повністю випаруваний за рахунок теплоти системи охолодження двигуна.

Варто також звернути увагу на більше високу теплоту перетворення метанолу (1102 кДж/кг), чим в етилового спирту (850 кДж/кг), а також у бензину (330 кДж/кг) і в дизельного палива (250...270 кДж/кг), що в ряді випадків забезпечує позитивні ефекти. Наприклад, забезпечується зниження температури "свіжої" порції палива й підвищується наповнення двигуна. Також знижується максимальна температура циклу, що позитивно впливає на зниження емісії NO_x. Обидва спирти характеризуються більше високим, ніж у бензину, октановим числом і низьким цетановим числом [44].

Таблиця 2.7 – Основні властивості деяких палив [5, 13, 26, 30, 31, 44, 72]

Властивість

Оди­ниці вимі­рюва­ння

Рідке паливо

бензин

дизельне паливо

метанол

етанол

Щільність при 20°С

[кг/м³]

800-850

Нижча теплотворна здатність

[МДж/кг] [МДж/м³]

43,3-44,0 32500

40,2-42,9 35700

19,5-19,945 15780

25,0-26,8 20255

Калорійність суміші з повітрям, стехіометричної

[кДж/м³]

3439-3910

3475-3830

3175-3860

Теплота паротворення

[кДж/кг]

250-270

Температура кипіння

[К]

303-478

443-633

Температура спалаху

[К]

753-823

603-623

743-773

Тиск пари при 20°С

[кПа]

60-90

-

15,8

Стехіометрична потреба повітря в процесі згоряння

[кг возд./ кг палив.] [кмоль возд/кг палив.]

14,9

0,512

14,5

0,495

6,52

0,223

-

Нижня межа запалення суміші з повітрям  

-

1,16

0,975

1,92

1,7

Октанове число:

- по моторному методу LOM

- за дослідницьким методом LOB

-

82-84

-

87-95

-

92-100

~3

106-135

Цетанове число

-

3-14

45-55

3-5

Мах швидкість полум'я

[м/с]

37-43

-

-

Температура полум'я в повітрі

[К]

2335-2470

-

У випадку живлення спиртовими паливами дизельних двигунів, необхідне застосування спеціальних свічок накалювання для інтенсифікації процесу запалення. Спирти, зокрема, метиловий спирт, агресивно впливають на елементи двигуна, виготовлені з легких сплавів і неметалічних матеріалів. Тому в ряді випадків потрібна спеціальна система живлення. Двигуни, що працюють на спиртах, утворюють менш токсичних компонентів в відпрацьованих газах, ніж у випадку застосування бензину. Крім того спиртові двигуни характеризуються меншою реакційною здатністю стосовно озону, що утвориться під впливом сонячного випромінювання. Тому знижується можливість виникнення смогу. Спиртові палива виготовляються з біомаси (відновлювальна сировина): їхнє застосування забезпечує зниження парникового ефекту. При малому навантаженні двигуна знижується емісія окислів азоту й сажі. Концерн Фольксваген випустив біля 2 млн. автомобілів, що заправляють етиловим спиртом.

Рисунок 2.4 – Криві випари метанолу й етанолу:
1 - область випару, 2 - робоча область за редуктором тиску [5]

На рис. Рисунок 2.5 наведений вплив процентної сполуки суміші метилового спирту й бензину на емісію НС, СО й NO_x. Збільшення процентного вмісту метилового спирту в суміші приводить до зниження емісії вищевказаних токсичних компонентів.

Спирти як добавки до основного палива поліпшують процес згоряння у двигуні (табл. Таблиця 2.8). У рамках програми поширення неетилірованих бензинів проводяться дослідження й експлуатаційні випробування по застосуванню паливних присадок, що містять кисень (наприклад, спиртів, ефірів) для того, щоб поліпшити фізико-хімічні властивості цих палив. Результати проведених досліджень підтверджують доцільність застосування добавок до базового палива при одночасному збереженні необхідної динаміки руху, рівнів емісії токсичних складових і паливної економічності. Крім Німеччини, інтенсивні дослідження в області застосування суміші метилового спирту з етилірованим бензином проводяться в Австрії, Новій Зеландії, Судані, Індії, Росії, країнах Південної Африки

Рисунок 2.5 – Вплив суміші метилового спирту й етилірованого бензину на емісію токсичних компонентів в відпрацьованих газах, [2]

Таблиця 2.8 – Максимальні об'ємні частки присадок до палив (етилірованим бензинам), з врахуванням їхнього корозійного впливу на двигун [2]

№

Присадка

Максимальна об'ємна частка присадки [%]

1.

Метиловий спирт

2.

Етиловий спирт

3.

Ізопропанол

5-10

4.

Трьохрядний бутанол

5.

Ізобутанол

7-10

6.

Ефіри

10-15

7.

Інші моноспирти

7-10

До найефективнішим, серед досліджуваних присадок, варто віднести добавки:

• 5% об'ємної частки метилового спирту до бензину (двигуни з іскровим запалюванням ZI),

• 15% об'ємної частки метилового спирту до бензину (паливо М15) двигун з ZI,

• 15% об'ємної частки метилового спирту або 20% об'ємної частки етилового спирту до дизельного палива (двигун з ZI),

• до 40% об'ємної частки рослинних масел (сурепного, соєвого, соняшникового й пальмового масел) або їхніх ефірів до дизельного палива (двигун із запаленням від стиску ZS),

• води до дизельного палива (емульсія), (двигун з ZS).

Ці присадки поліпшують умови процесу згоряння відносно основних палив, однак їхня висока вартість і значні витрати, пов'язані з модернізацією системи живлення двигуна, обмежують їхнє використання.

Проблему присадок до основних палив регулює європейська директива EC 85/536/EWG.

Прогресивний розвиток конструкції двигунів внутрішнього згоряння з безпосереднім упорскуванням у якості палива чистого метилового спирту (M100) у камеру згоряння, у значній мірі обмежує емісію токсичних компонентів відпрацьованих газів.

Схема такого рішення зі свічками накалювання наведена на рис. Рисунок 2.6.

Рисунок 2.6 – Схема двигуна з упорскуванням чистого метилового спирту (М100): 1- форсунка 2 - свіча накалювання [2]

Вартість спиртових палив занадто велика стосовно відносно основних палив. Щорічне виробництво метилового спирту у вісімдесятих роках досягло 12•10⁶ т, тобто приблизно в сто разів менше, ніж споживання транспортними засобами основних палив. Етилового спирту отриманого з рослинної сировини, приблизно 4•10⁶ т. У США в продажу є паливо "gazohol" – воно містить 10% етилового спирту до бензину. Дослідження, проведені в Польщі, підтверджують, що 5% присадка етилового спирту до бензину Е94Е знижує емісію СО у відпрацьованих газах, у порівнянні з використанням чистого бензину. Зниження рівня емісії СО у двигунах автомобілів, виготовлених у Польщі: Cinquecento, PP 126FL й FSO Polonez у середньому досягло 19%, а рівні емісій СН й NO_x порівнянні із двигунами, що працюють на бензинах Е94 й Е94Е [22,52]. У Бразилії 20% присадка етилового спирту додається до всіх бензинів. Дев'яносто відсотків нових автомобілів, що купують в країні, споживають етиловий спирт. Спирти характеризуються високим значенням октанового числа, тому їх можна додавати до неетилірованих бензинів. Недоліком такого палива є те, що воно адсорбує вологу, а хімічні сполуки, що виникають в результаті цього, осаджуючись на дно паливного бака, викликають корозію, і при дуже низькій температурі навколишнього середовища можуть бути причиною виникнення труднощів, пов'язаних з пуском двигуна. Прихована теплота випаровування спирту в 8-9 разів більше, ніж у бензину, що є причиною виникнення труднощів з пуском двигуна при температурах нижче  – 10°С. Цей недолік можна подолати, додаючи 5,5% ізопентану.

За прогнозами фахівців зі США щодо виробничих витрат і відпускної ціни на метиловий спирт прийшли до висновку, що збільшення виробництва знизить його собівартість, і вона може бути нижче собівартості палив, що одержуються з нафти [58]. Ресурси кам'яного вугілля в Польщі стимулюють дослідників до пошуку раціональних способів застосування метилового спирту як паливо для двигунів з ZS [13,26,44].

Останнім часом проводяться дослідження із застосування діетилового ефіру (DEE - dieethylether) як добавки до дизельного палива з метою поліпшення його пускових характеристик [16, 18].

Порівняльний аналіз робочого процесу дизеля при використанні DEE і раніше застосовувалося діетилгликоля (Beraid) виявив, що DEE забезпечує збільшення цетанового числа. Розроблено спеціальну систему живлення на основі пульверизації DEE-EtOH (етанол) і Н₂О. Суміш, що складається з невеликої кількості DEE, етанолу й води, безпосередньо подається у впускний колектор двигуна Вольво АН10А245. Така система подачі палива розроблена з метою уникнути проблем, пов'язаних із тривалою затримкою запалення, при живленні його сумішшю DEE-EtOH. Застосування такої системи живлення скорочує час затримки запалення й забезпечує меншу тривалість горіння (рис. Рисунок 2.7). Таким чином отримане більше низьке значення максимальної швидкості тепловиділення. Робота двигуна була більше "м'якою".

Відносно викидів NO_x, величина яких залежить в основному від значення температури згоряння в циліндрі, слід зазначити, що сполука суміші DEE-EtOH була оптимізована, що дало зниження рівня емісії NO_x. Замічено, що вміст НС і СО зростає зі збільшенням витрати суміші при збільшенні навантаження. Виявлено також, що скорочення кута перекриття клапанів, отриманого за допомогою оптимізації профілю кулачка розподільного вала, значно зменшило викиди токсичних компонентів відпрацьованих газів, і знизило витрату палива.

На рис. Рисунок 2.8 показаний вплив навантаження двигуна й об'ємної частки DEE у паливі на емісію NO_x. Емісія NO_x є мінімальною при низьких навантаженнях двигуна. За результатами досліджень ECER49 виявлений вплив кута початку упорскування на емісію токсичних складових (табл. Таблиця 2.9). Більше пізнє упорскування суміші значно знижує вміст NО_х і СО у відпрацьованих газах.

Рисунок 2.7 – Вплив виду палива на швидкість тепловиділення в дизелі, що живиться сумішами: етанолу й етиленгликолю "Beraid", етанолу й діетилового ефіру DEE при куті початку упорскування  = 12 [°OWK] [21]

Таблиця 2.9 – Вплив кута початку упорскування на емісію токсичних компонентів відпрацьованих газів, за результатами тесту ЕСЕ R49 [21]

Емісія

Кут початку упорскування

Одиниця

12°

9°

NO_x

5,01

3,68

[г/кВт • ч]

НС

0,27

0,33

[г/кВт • ч]

СО

7,98

3,04

[г/кВт • ч]

Подача етанолу із присадкою DEE через систему пульверизації у двигун з i турбонадувом, раніше пристосований до живлення етанолом з 7%-вою домішкою "Beraid", показало поліпшення характеристик дизеля Вольво (безпосереднє упорскування в камеру згоряння в поршні, М_оmax, = 1040 Нм при  об/хв, N_emax= 180 кВт при  об/хв, , S/D = 104,78/140 мм) [21].

Таблиця 2.10 – Класифікація застосованих рішень у поршневих двигунах внутрішнього згоряння, що працюють на метиловому спиртовому паливі [44]

Запалення від стиску, упорскування метилового спирту в камеру згоряння

Примусове запалення, упорскування метилового спирту в камеру згоряння

Іскрове запалювання суміші метилового спирту й повітря або суміші спирту, бензину й повітря підготовленої до подачі у камеру згоряння

Запалення від невеликої порції дизельного палива. Суміш метилового спирту й повітря підготовлена до подачі в камеру згоряння

А

Упорскування чистого спирту в камеру згоряння, дуже високий ступінь стиску

Упорскування спирту в камеру згоряння, запалення від свічі запалювання

Суміш підготовлена в карбюраторі й стисла в ході стиску; іскрове запалювання

Суміш підготовлена методом упорскування у впускний колектор або в карбюратор; стисла в ході стиску; запалення від порції дизельного палива

Б

Упорскування спирту із присадками, що поліпшують запалення, або упорскування чистого спирту в стислий у камері згоряння повітря, змішаний із присадками, що полегшують запалення

Упорскування спирту в камеру згоряння, запалення від калільної свічки або гарячої вставки

Суміш підготовлена шляхом упорскування спирту у впускний колектор і далі стисла в ході стиску; іскрове запалювання

Суміш випаруваного метилового спирту й повітря, стисла в ході стиску; запалення від порції дизельного палива [44]

В

Упорскування метилового спирту, змішаного з дизельним паливом у камеру згоряння

Упорскування спирту в камеру згоряння, запалення від порції дизельного палива

Суміш підготовлена у випарнику й стисла в ході стиску; іскрове запалювання

У табл. Таблиця 2.10 представлена класифікація способів застосування метанолу в поршневих двигунах внутрішнього згоряння. Кожне із запропонованих рішень має свої недоліки й переваги, які пов'язані з виробничими витратами, масштабом виробництва палива, доступністю, міцністю й надійністю форсунки й двигуна, пуском двигуна при низьких температурах навколишнього середовища тощо.

Як показали дослідження дизельного двигуна 1НС.102, що живиться парами метанолу й із запаленням від невеликої порції дизельного палива, максимальний к.к.д. отриманий при приблизно 50%-вій частці метилового спирту в суміші [44].

Рисунок 2.8 – Залежності концентрації NO_x від навантаження при  1250 [об/хв] дизелі Вольво АН 10А245, що живиться сумішами: етанолу й етиленгликоля - EtOH-"Beraid", етанолу й DEE 50%, етанолу й DEE 60% [20]

2.7 Біогаз, синтез газ

Перший у світі газовий генератор, що перетворює тверде паливо в горючий газ, був побудований в Англії у 1839 році. Через 40 років виникла ідея об'єднання газогенератора з двигуном внутрішнього згоряння. Проте, здійснилась вона не відразу, імовірно із-за незначної кількості, на той час, двигунів внутрішнього згоряння, яким цілком вистачало нафтового палива.

Інтенсивний розвиток газогенераторних автомобілів у країнах Європи і у колишньому СРСР припадає на першу половину XX ст. Імовірною причиною популярності газогенераторних автомобілів у Європі на той час була нестача нафтопродуктів, а в СРСР – не розвинена інфраструктура постачання нафтопродуктами віддалених районів країни. У наш час проблема переходу автотракторної техніки на дешеві та екологічно чисті альтернативні види палива є не менш актуальною, ніж пів століття тому.

В Україні в найближчі роки найбільш перспективними для комерційного використання будуть технології, які використовують транспортні та стаціонарні газогенератори.Використання газогенераторних автомобілів на Україні на відміну від ряду Західноєвропейських країн визначається не жорсткою екологічною політикою, а економічною доцільністю використання місцевих видів палива.

Проте, використання газогенератора на борту автомобіля в умовах сьогодення є досить проблемним. У нестаціонарних умовах газифікації твердого палива дуже складно забезпечити необхідну якість газу. Газогенератор є досить масивним і габаритним, у свою чергу це впливає на показники стійкості автомобіля, збільшується споряджена маса, і відповідно зменшується вантажопідйомність. Тому, виникає потреба виробництва якісного газу у стаціонарних умовах із подальшим його використанням. Накопичений газ розглядається у якості палива для автотракторної техніки, яка обладнана відповідним газобалонним обладнанням. Крім того, застосування таких транспортних засобів повинно бути економічно доцільним. Продуктивність таких машин має бути на рівні з базовими транспортними засобами.

Конструкція сучасних газогенераторних автомобілів і тракторів відрізняється від перших зразків такого типу транспортних засобів лише базовою моделлю автомобіля чи трактора, на яку було встановлено газогенераторну установку. Сама ж конструкція установки не зазнала значних змін із початку її виникнення. Схема типової транспортної газогенераторної установки зображена на рис. 1.1.

Рисунок 2.9 – Схема типової транспортної газогенераторної установки

Газогенераторна установка складається із таких основних частин: газогенератор 1, де відбувається газифікація твердого палива; охолоджувач газу 3 для зниження температури газу; очисники газу (2, 4) від механічних домішок. Трубопроводи 6 з’єднують перелічені частини в одне ціле, утворюючи газогенераторну установку. Пальна суміш генераторного газу з повітрям утворюється в окремому приладі – змішувачі 5.

Установка працює наступним чином: у газогенераторі 1 фактично відбувається горіння твердого палива із недостачею кисню. У результаті цього утворюється горючий газ, основним компонентом якого є монооксид вуглецю (докладніше процес газифікації наведено у розділі 1.3.). Потім газ проходить стадії очищення у фільтрах 2 і 4, та зниження температури в охолоджувачі 3. Щоб утворити пальну суміш, яка використовується для роботи двигуна, використовується змішувач 5. У цьому пристрої генераторний газ і повітря змішуються у пропорції, яка забезпечує ефективне згоряння даної суміші у циліндрах ДВЗ.

Слід зазначити, що для зменшення ваги і розмірів транспортних газогенераторних установок у багатьох конструкціях елементи первинної фільтрації та охолодження об’єднувались в один пристрій. Також у різних модифікаціях газогенераторних установок передбачався ряд додаткових приладів підігріву , наддуву, подачі водяної пари і т. д., які дещо покращували роботу газогенератора.

Газогенераторні автомобілі мали різне компонування, та основна мета, яку при цьому переслідували розробники, було компактне розміщення елементів газогенераторної установки на базовому автомобілі, яке забезпечувало б:

· збереження корисної площі вантажної платформи (для вантажних автомобілів);

· оптимальне розміщення центра мас автомобіля, яке безпосередньо впливає на показники поперечної стійкості;

· доступ до елементів установки при експлуатації та обслуговуванні.

Основним недоліком генераторного газу є його низька теплотвірна здатність, а також низька теплотвірність газоповітряної суміші. У результаті цього, а також внаслідок зменшення значення коефіцієнту наповнення двигуна та індикаторного к.к.д. потужність двигунів газогенераторних автомобілів зазвичай не перевищує 60% від потужності аналогічних двигунів, які працюють на бензині. Відповідно разом із потужністю двигуна погіршуються тягово-швидкісні властивості автомобіля.

Класифікація твердих палив. У газогенераторних установках можуть використовуватись різні види палив, рослинні чи викопні (деревина, солома, торф, буре та кам’яне вугілля), а також похідні від цих палив (деревне вугілля, брикети та пелети із відходів деревообробної промисловості чи сільського господарства, торфобрикети, торф’яний кокс і т.д.).

Не всі сорти перелічених палив придатні для виробництва газового моторного палива, а тільки деякі із них, які мають відповідні властивості та відповідають технічним вимогам. Наприклад, різні види сільськогосподарських відходів (солома, стебла, лушпиння і т.д.) у не переробленому стані практично не використовуються для газифікації, через низку питому теплотворність. Проте, після відповідної переробки (брикетування чи грануляція) такий вид палива цілком відповідає всім вимогам.

Будь-який вид твердого палива, яке використовується у якості сировини для виробництва газових моторних палив, повинне мати наступні якості:

1. певний розмір шматків;

2. певну вологість;

3. мінімальну кількість шкідливих домішок й, зокрема, золи; температура плавлення золи не повинна виходити за певні межі;

4. певну кількість летких;

5. високу реакційну здатність;

6. достатню механічну міцність, щоб паливо не розсипалось при транспортуванні, збереженні, а також при газифікації у газогенераторі;

7. високу питому теплотворність;

8. невисоку вартість.

Перші сім показників впливають на гнучкість й стійкість процесу газифікації, надійність роботи газогенератора та періодичність його дозавантаження. Останній показник впливає на економічність використання того чи іншого палива. Характеристика газогенераторних палив наведена у табл. Таблиця 2.11.

Таблиця 2.11 – Характеристики газогенераторних палив

Паливо

Розмір

шматків, мм

Вміст у % по масі не більше

Температура плавлення золи, ºС

Насипна маса,

кг/

Теплотворність,

ккал/кг

воло-ги

золи

лет-ких

сірки

Дерев’яні цурки

30×30×40

0,4-1

75-80

-

220-360

Торф’яний кокс

10×10×25

5-8

10-20

0,1

350-400

Брикети із деревної тирси

70×70×200

4-12

0,5-1

75-80

-

1200-1400

4400-5000

Брикети із зернової соломи

70×70×200

4-12

5,5

70-75

0,01

1150-1300

1200-1300

У відповідності вказаним показникам, палива можна орієнтовно розподілити на наступні чотири класи:

1. Якісні палива – брикетовані тирса й солома, дерев’яні цурки, деревне вугілля, брикетоване деревне вугілля.

2. Палива достатньої якості – торф’яний кокс, малозольний торф.

3. Палива задовільної якості – багатозольний торф, буре вугілля, антрацит.

4. Палива незадовільної якості – солома, лушпиння, сільсько-господарські відходи.

У залежності від вмісту у паливах летких  і золи їх розподіляють на наступні групи:

1. Смолисті малозольні (  до 4%) та багатозольні (  більше 4%);

2. Безсмольні малозольні (  до 4%) та багатозольні (  більше 4%);

Вибір сировинної бази. Розглянувши необхідні якості сировини для виробництва газових моторних палив та проаналізувавши характеристику газогенераторних палив, робимо висновок, що найоптимальнішим варіантом сировини для виробництва генераторного газу є деревина або брикетовані відходи деревообробної галузі. Крім того, вітчизняна промисловість має великий досвід використання газогенераторів, які працюють саме на деревині. Хоча, по всім основним параметрам брикетована солома не поступається деревині та деревним брикетам, а по доступності й ціні у нашій країні перевершує їх, проте, підвищена зольність цієї сировини та дещо зменшена температура плавлення золи будуть викликати труднощі при використанні у газогенераторах. Тому, газифікація брикетованої соломи можлива лише після проведення змін у конструкції газогенераторів, які працюють на деревині.

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Организация работы процедурного кабинета

Области применения синхронных машин

Оптимизация по Винеру и Калману