А. Н. КартАшевич в. С. товСтыка а в. ГордееНКо топливо, СмАзочНые мАтериАлы
 Скачать 2.39 Mb.
|
природный газПриродный газ — смесь газов, образовавшаяся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ. Относится к полезным ископаемым. Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии — в виде отдельных скоплений или в виде газовой шап- ки нефтегазовых месторождений либо в растворенном состоянии в нефти или воде. В стандартных условиях (101,325 кПа и 20 С) природный газ находится только в газообразном состоянии. Основную часть природного газа составляет метан CH4 — до 98 %. В состав природного газа могут также входить более тяже- лые углеводороды — гомологи метана: этан C2H6, пропан C3H8, бутан C4H10, а также другие неуглеводородные вещества: водород H2, сероводород H2S, диоксид углерода СО2, азот N2, гелий Не. Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое ко- личество веществ, имеющих сильный неприятный запах — одоран- тов. Чаще всего в качестве одоранта применяется этилмеркаптан. Компримированный природный газ (КПГ) (англ. сompressed natural gas — CNG) — сжатый природный газ, используемый в ка- честве моторного топлива, получают из природного газа непосред- ственно на газовых месторождениях или из попутных газов при разработке нефтяных месторождений (ГОСТ 27577–2000). При- родный газ состоит в основном из метана (82…98 %) с небольшими примесями этана (до 6 %), пропана (до 1,5 %) и бутана (до 1 %). По теплоте сгорания КПГ можно подразделить на высококало- рийные (величина Qн составляет 23…37,7 МДж/м3), среднекало- рийные (15…23 МДж/м3) и низкокалорийные (4,2…15 МДж/м3). К высококалорийным газам относится природный газ, канализа- ционный газ (биогаз), очищенный от углекислого газа; к среднека- лорийным газам — коксовый газ, городской и некоторые промыш- ленные газы; к низкокалорийным — доменный, генераторный газы. Средне- и низкокалорийные горючие газы в настоящее время для автомобильного транспорта в компримированном (сжатом) виде не применяют. КПГ кроме горючих составляющих содержит некоторое количество негорючих компонентов — азот, углекислый газ, пары воды. Для выравнивания теплоты сгорания в КПГ могут вводиться добавки пропана и бутана. По токсикологической характеристике КПГ в соответствии с ГОСТ 12.1.005–76 относят к веществам класса 4. Предельно до- пустимая концентрация природного газа на рабочих местах и в рабочих зонах не должна превышать 300 мг/м3 (в пересчете на углерод). Основной частью природного газа являются метан и группа более сложных углеводородов (этан, пропан, бутан). Метан — газ без цвета и запаха, малорастворим в воде, легче воздуха (относительная плотность по воздуху 0,55). Его относят к предельным углеводородам, молекулы которых состоят только из углерода и водорода. Высокое содержание водорода в КПГ обеспечивает более полное сгорание топлива в цилиндрах двига- теля по сравнению с СНГ и бензином. Метан представляет собой полноценное топливо для автомобилей с хорошими антидетонаци- онными характеристиками и имеет достаточно высокий удельный термодинамический потенциал (табл. 2.21). Таблица2.21 Характеристики метана
Природный газ по своим свойствам пригоден для использова- ния в качестве топлива для автомобильных двигателей без значи- тельной технологической обработки. Однако, как и любое топли- во, газ должен пройти предварительную подготовку не только для хранения на автомобиле, но и для регламентации параметров, вли- яющих на эксплуатационные качества автомобиля. КПГ должен быть стабилен не только по компонентному со- ставу, но и по содержанию различных примесей. Так, содержание жидкого остатка, представляющего собой группу тяжелых углево- дородов, например пентана, в газе, не прошедшем технологиче- скую обработку, колеблется в широких пределах. Наличие инертных газов в КПГ существенно влияет на ста- бильность показателей газовых двигателей. Зависимость теплоты сгорания горючей смеси от содержания в ней инертных газов име- ет линейный характер. Если в горючей смеси содержится 1 % инертных газов при коэффициенте избытка воздуха 1,0, то удельная теплота сгорания ее составляет 33 МДж/м3. Увеличение содержания инертных газов до 10 % обедняет состав горючей сме- си ( 1,12), а теплота ее сгорания уменьшается на 10 % [35, 78]. Одна из наиболее важных проблем связана с повышенной кон- центрацией влаги в природном газе и его осушкой. Содержание влаги в газовом топливе для автомобилей не должно превышать 9 мг/м3. Наличие влаги в природном газе вызывает образование ледяных пробок в системе питания двигателя. Опыт эксплуатации показывает, что подобные явления наступают, когда природный газ содержит 15…30 мг/м3 влаги. Точка росы водяных паров со- ставляет –30 С. При заправке газового баллона в начальный период происхо- дит охлаждение газа. Понижение температуры газа связано с дрос- сельным эффектом Джоуля — Томпсона в процессе расширения газа. При снижении давления на каждые 0,1 МПа температура газа снижается на 2,5 С. Кроме того, в результате торможения струи газа, входящего в баллон, происходит интенсивный теплообмен между баллоном и газом. По мере увеличения степени заполнения баллона дроссельный эффект снижается, в результате чего повы- шается теплосодержание газа в баллоне. Хранение и транспортировка КПГ происходит в специальных баллонах под давлением 19,6…32 МПа. Температура газа, заправ- ляемого в баллон, не должна превышать температуру окружающе- го воздуха более чем на 15 С. Газ способен образовывать с возду- хом взрывоопасные смеси. Пределы воспламенения газа (по метану) в смеси с воздухом при температуре 20 С и нормальном давлении составляют 5…15 % (по объему). Предельно допустимая концентрация углеводородов газа в воздухе рабочей зоны должна быть не более 300 мг/м3 в пе- ресчете на углерод, а сероводорода — не более 10 мг/м3. Применение компримированных газов, особенно природных, наиболее выгодно в районах их добычи, переработки, вблизи газо- вых магистралей, а также в газифицированных городах. Сжатые газы обладают повышенной испаряемостью, что при- водит к их повышенным потерям. Кроме того, они имеют большую пожароопасность. При использовании сжатых газов особое внима- ние следует уделять содержанию влаги, так как она вызывает се- рьезные неполадки в работе системы питания. Основные физико-химические показатели природного ком- примированного газа представлены в табл. 2.22. Таблица2.22 Физико-химические показатели КПГ
К главным моторным свойствам газов относят детонационную стойкость и теплоту сгорания в смеси с воздухом и теоретически необходимое количество воздуха для полного сгорания стехио- метрической смеси. СНГ и особенно КПГ по детонационной стой- кости превосходят лучшие сорта автомобильных бензинов (табл. 2.23). Таблица2.23 Основные моторные свойства КПГ
Максимальное октановое число КПГ в соответствии с компо- нентным составом на 18…20 % выше по сравнению с лучшими со- ртами бензинов. Это позволяет форсировать бензиновые двигате- ли при работе на КПГ по степени сжатия. Сжиженный природный газСжиженный природный газ (СПГ) (англ. liquefied natural gas — LNG) — природный газ, сжижаемый при охлаждении или под дав- лением для облегчения хранения и транспортировки. Природный газ при нормальных условиях не может быть по- лучен в жидком состоянии. В жидкое состояние газ может быть переведен только при глубоком охлаждении, сопровождающемся значительными затратами энергии. СПГ представляет собой бес- цветную жидкость без запаха, плотность которой в 2 раза меньше плотности воды. Охлаждаемый до температуры –161,7 С метан при атмосфер- ном давлении переходит в жидкое состояние и уменьшается в объ- еме в 600 раз. Сжижают природный газ на специальных установ- ках. Технология сжижения предусматривает и операции очистки, осушки, отделения тяжелых углеводородов, азота и других при- месей. Номинальное рабочее давление в криогенном баллоне авто- мобиля, работающего на СПГ, в зависимости от конструкции бал- лона составляет 0,07...0,7 МПа. Основными компонентами этого вида топлива являются метан (96…97 %) и азот (3…4 %). Другие составляющие природного газа содержатся в сжиженном виде в крайне незначительных количе- ствах, и ими можно пренебречь. Основные физико-химические свойства СПГ приведены в табл. 2.24. Таблица2.24 Основные физико-химические свойства СПГ
генераторный газГенераторный газ — газ, который получают при перегонке твер- дого топлива с недостатком воздуха около 60 % в специальных устройствах — газогенераторах. В качестве твердого топлива ис- пользуют каменный или бурый уголь, дрова, торф, брикеты из раз- личных сельскохозяйственных отходов (опилок, подсолнечной лузги, льняной костры и т.п.). В зависимости от вида применяемо- го для газификации твердого топлива состав генераторного газа следующий, %: СО — 25...30; Н2 — 12...15; СН4 — 0,5...3,5; СО2 — 5...8; О2 — 0,2...0,5; N2 — 45...50. Возможность тех явлений, которые ведут к образованию гене- раторного газа, основывается на способности угля и углеродистого топлива образовывать в первый момент горения углекислый газ СО2 и уголь. Образовавшемуся углекислому газу с накаленным углем свойственно при отсутствии избытка воздуха образовывать горючую окись углерода СО: СО2 С 2СО, которая и составляет горючую часть генераторного газа. биогазСмесь метана и диоксида углерода при наличии небольшого количества других газов называют биогазом. Его состав, %: СН4 — 55...80; СО2 — 15...40; H2S — 0...1; N2 — 0...1; Н2 — 0...1. Получают биогаз практически из любых отходов (солома, зер- но, отходы жизнедеятельности животных, силос, подстилка для скота, пищевые и другие отходы ферм, твердые бытовые отходы, отходы предприятий, перерабатывающих сельскохозяйственную продукцию). В результате переработки отходов в биогаз можно до- полнительно получить до 10 % производимой в мире энергии. Практически метановому брожению могут быть подвергнуты органические отходы любой влажности — от 30 до 90 %. Но со- вершенно очевидно, что конструкции реакторов и технологии бу- дут существенно различаться. Для брожения жидких (85...98 % влажности) отходов используются цилиндрические (вертикаль- ные и горизонтальные) емкости. В таких реакторах процесс может осуществляться непрерывно или полупериодически. Отходы 75...80%-ной влажности подвергаются брожению в установках батарейного типа, процесс осуществляется периодиче- ски, т.е. реактор загружается целиком сырьем данной влажности, обсеменяется необходимой микрофлорой и по окончании брожения полностью освобождается. Из 1 т органического субстрата — сухого вещества — можно получить следующее количество биогаза, м3: отходы крупного рогатого скота — 260…350; отходы свиноводства — 400…500; птичий помет — 460…660; твердые бытовые отходы — 300…400. При оптимальных условиях сбраживания из 1 т сухого веще- ства навоза можно получить 350 м3 биогаза, в пересчете на одну голову крупного рогатого скота — 2,5 м3/сут (около 900 м3 в год). По теплоте 1 м3 биогаза эквивалентен 4 кВт ч электроэнергии, 0,6 кг керосина, 1,5 кг каменного угля, 3,5 кг дров, 0,4 м3 бутана и 12 кг навозных брикетов. Рассчитав эквивалент получаемого по данной технологии биогаза к традиционному моторному топливу, можно констатировать достаточно парадоксальный на первый взгляд факт: одна корова кроме молока дает еще около 700 л бензи- на в год. Из 1 т куриного помета можно получить моторное топливо, эквивалентное 800 л бензина. Для пересчета количества биогаза, по- лучаемого на птицеводческих и животноводческих комплексах, можно пользоваться следующим условным соотношением: 1 корова 4 свиньи 250 кур. При производстве биогаза с помощью анаэробного сбражива- ния различают три стадии: гидролизную; кислотную; метановую. На стадии гидролиза (осахаривания) происходит разложение очень больших молекул на маленькие, простые молекулы, которые способны пройти через бактериальные мембраны. Реакция имеет вид n(С6Н10О5) Н2 О n(С6Н12О0). (2.19) целлюлоза глюкоза В течение кислотной стадии сложные молекулы типа протеи- на, жиров, спиртов, глюкозы разбиваются кислотообразующими бактериями в органические кислоты (молочную кислоту), СО2, Н2, NH3 и т.д. по схеме: С6Н10О6 Н2О СН3СН(ОН)СООН. (2.20) жирные кислоты, молочная кислота протеины, спирты и глюкоза На метановой стадии Н2 и СО2 образуют некоторое количе- ство метана, а ферментация кислот и спиртов дает еще больше ме- тана: 4Н2 СО2 2Н2О СН4, (2.21) СН3СН2ОН СО2 СН3СООН СН4, (2.22) СН3СООН СО2 СН4, (2.23) СН3СН2СН2СООН Н2О СО2 СН3СООН СН4. (2.24) На биогазовых установках все три стадии протекают одновре- менно, и если какая-либо из них доминирует, то производство ме- тана значительно затрудняется. При сильной кислотности метано- бразующие бактерии не функционируют, поэтому рекомендуется поддерживать слабощелочную среду (рН 6,8…7,2). Для реализации контролируемого анаэробного сбраживания созданы биоэнергетические установки различного масштаба, при- меняемые в условиях индивидуальных хозяйств, где содержатся 2…6 голов крупного рогатого скота, или крупных животноводче- ских комплексов и птицефабрик. Технологическая схема одной из таких установок изображена на рис. 2.2.  Рис. 2.2. Схема биогазовой установки: 1 — ферма; 2 — накопитель; 3 — насос; 4 — отделитель грубых включений; 5 — насос-дозатор; 6 — метантенк; 7 — гидрозатвор; 8 — концентратор- смеситель; 9 — блок-контейнер; 10 — газгольдер Отходы содержания животных (птицы) поступают с фермы в накопитель. Из него исходное сырье с помощью погружного на- соса подается на отделитель грубых включений, а затем насосом- дозатором — в метантенк. Периодичность работы насоса-дозатора определяется программным устройством. Метантенк оборудован системой подогрева поступающей биомассы и поддержания необ- ходимого температурного режима метановой генерации. В генера- торе биогаза имеются перемешивающие устройства, а также систе- ма принудительного отвода биогаза и выгрузки переработанной биомассы. В метангенераторе под действием анаэробных микроорганиз- мов происходит сбраживание исходного субстрата без доступа воздуха. Результатами этого процесса являются биогаз и обеззара- женные жидкие органические удобрения без неприятного запаха. При этом семена сорных растений теряют всхожесть. Жидкие органические удобрения удаляются из метантенка че- рез гидрозатвор и могут быть сразу же использованы для внутри- почвенного внесения либо подаваться на очистку в систему био- прудов, где выращиваются рачки и рыба. Для получения твердых удобрений, более удобных для хранения и транспортировки, сбро- женная масса поступает в концентратор-смеситель, где доводится до пастообразного состояния при смешивании с сорбентом — опилками, торфом и др. Твердые удобрения можно получить так- же путем отгонки на центрифуге. Выработанный биогаз собирается в газгольдере. Частично он расходуется на собственные нужды установки (до 30 %), поступая в блок-контейнер, где размещены котел для подогрева воды, насос, средства контроля и автоматики. Остальной биогаз используется другими потребителями на бытовые и энергетические нужды. Биогаз как альтернативный энергоноситель может служить высококалорийным топливом. Он предназначен для улучшения технико-эксплуатационных и экологических показателей работы двигателя внутреннего сгорания и стационарных энергоустановок. После отмывки от углекислоты этот газ является достаточно од- нородным топливом, содержащим до 80 % метана с теплотворной способностью более 25 МДж/м3. Применение биогаза в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания осуществляется пу- тем использования серийно выпускаемой топливной аппаратуры для природного газа с коррекцией соотношения топливо – воздух. Предлагаемая система в сравнении с газовым двигателем позволя- ет снизить выбросы оксидов азота на 25 % и оксида углерода — на 20 %, а также улучшить топливную экономичность на 12 %. Неко- торое снижение эффективной мощности, вызванное присутствием балластных компонентов, практически полностью компенсирует- ся за счет высоких антидетонационных качеств биогаза путем со- ответствующего повышения степени сжатия. Присутствие неболь- шого количества водорода в биогазе положительно сказывается на качестве протекания рабочего процесса и не вызывает характер- ных для водородных двигателей преждевременного воспламене- ния рабочей смеси и так называемой обратной вспышки. Биометан имеет более высокую детонационную стойкость, что позволяет снижать концентрацию вредных веществ в отработан- ных газах и уменьшать количество отложений в двигателе. Ввиду отсутствия жидкой фазы масляная пленка с цилиндров двигателя не смывается, износ деталей цилиндропоршневой группы умень- шается в 2 раза. Выброс токсических составляющих сокращается в 3–8 раз. Компанией Volvo реализуется проект перевода город- ских автобусов г. Гетеборга на биогаз (свалочный газ). Подтверж- дено, что при переводе автотранспорта на биогаз суммарные пар- никовые эмиссии сократились на 90 %. Основным сдерживающим фактором широкого применения сжатого биометана в качестве моторного топлива, как и КПГ, яв- ляется транспортировка толстостенных баллонов, составляющих до 96 % веса топливной системы. На 100 км пути для 3-тонной ав- томашины потребуется более 30 м3 газа. При давлении 20 МПа в баллон емкостью 50 л вмещается до 10 м3 газа, следовательно, для суточного пробега необходимо иметь не менее восьми таких баллонов (вес около 700 кг). Биометан, как и другие газовые топлива, имеет низкую объем- ную концентрацию энергии, поэтому в качестве моторного топли- ва он может применяться в сжатом (до 20…40 МПа) или сжижен- ном состоянии. Уменьшить объем газа почти в 600 раз позволяет его сжижение. Но до последнего времени не существовало эконо- мически целесообразной технологии сжижения газообразного биометана, поэтому в двигателях внутреннего сгорания он ранее не применялся. Применение сжатого биометана на мобильной сельскохозяй- ственной технике затруднено из-за массогабаритных показателей топливных систем, сложности размещения баллонов на тракторах без ухудшения их агротехнических показателей, невозможности обеспечения необходимым запасом моторного топлива при прове- дении посевных и уборочных работ. Для тракторной техники рас- ход биометана составляет 4…5 кг/ч, а баллон содержит всего 4,3 кг газа, т.е. трактор с 4 баллонами сможет проработать не более 3…4 ч. Применение сжиженного биометана позволяет уменьшить массу топливной системы в 3–4 раза, а ее объем — в 2–3 раза по сравнению со сжатым биометаном. Основные недостатки применения биогаза вместо бензинов: меньшие значения низшей теплоты сгорания биовоздушных смесей, а соответственно, и худшие технико-экономические пока- затели работы двигателей. При простой замене бензинов биогазом потери мощности достигают 20…22 %, экономичности — 25 %; меньшая скорость сгорания биосмесей, а в итоге — растяги- вание процесса сгорания на такт расширения и, как результат, уменьшение мощности и увеличение удельного эффективного рас- хода топлива (или уменьшение эффективного КПД); меньшее массовое наполнение цилиндров свежим зарядом из-за подогревания его при впуске, что также уменьшает мощ- ность и увеличивает расход топлива; более высокое значение температуры самовоспламенения, а отсюда затрудненный запуск двигателя, особенно при низких температурах; худшие антикоррозионные качества, а отсюда и меньшая эксплуатационная надежность деталей двигателя внутреннего сго- рания. Вместе с тем биотопливо имеет большее значение октанового числа (у биогаза оно равно 126), что открывает возможность для устранения (частичного или полного) отмеченных выше недостат- ков. При применении биометана в качестве топлива для дизелей снижаются дымность и выбросы СО и NOxс отработавшими газа- ми. Но в связи с низким цетановым числом и, соответственно, пло- хой воспламеняемостью возникают значительные трудности при организации рабочего процесса. Для организации рабочего процесса в дизеле с использованием биометана требуется применение двойной системы топливопода- чи, в которой порция газа воспламеняется с помощью запальной порции дизельного топлива. При этом замещается до 80 % дизель- ного топлива. Двигатель может дополняться системами принуди- тельного зажигания и внешнего смесеобразования. При этом с це- лью снижения степени сжатия форму камеры сгорания двигателя изменяют, приближая к сферической, за счет изменения конструк- ции днища поршня и головки двигателя. Следующий способ конвертации — применение форкамерно- факельного зажигания. Вместо форсунки устанавливается форка- мера со свечой зажигания. Поступивший в форкамеру газ воспла- меняется от свечи зажигания. диметиловый эфирВ нормальных условиях диметиловыйэфир(ДМЭ) — это газ с запахом хлороформа. Он не вреден для озонового слоя, так как легко разрушается в тропосфере. Также является относительно инертным, бескоррозионным, неканцерогенным газом. Получают ДМЭ в основном из природного газа, но его получение возможно и из биомассы. По своим свойствам он близок к пропан-бутановой смеси (за исключением цетанового числа). Химическая формула ДМЭ: СН3—О—СН3. Для подачи ДМЭ в цилиндры двигателя требуется модерниза- ция топливной системы: вместо топливного бака используется баллон, топливная система должна быть полностью герметична, необходимо увеличение емкости заправляемых баллонов в 1,6 раза. Подавать ДМЭ в двигатель можно отдельно или в виде смеси с ди- зельным топливом. Также эфир может смешиваться с топливами, имеющими низкое цетановое число, такими как метанол, этанол и метан, или выступать инициатором горения последних. ДМЭ более экологически чистое топливо, чем дизельное. При его сгорании не происходит выделения сажи на всех режимах ра- боты дизеля. Это связано с высоким содержанием кислорода в то- пливе (около 35 %) и отсутствием связей углерод — углерод. Так- же снижается содержание NOxв отработавших газах в 3–4 раза. Наблюдается увеличение выбросов угарного газа СО и углеводо- родов CnHm. КПД двигателя остается на уровне эксплуатации на дизельном топливе. В связи с отсутствием серы в составе ДМЭ нет ее и в отработавших газах. Более высокое цетановое число, более низкая температура са- мовоспламенения и температура кипения, чем у дизельного то- плива, обеспечивают быстрое формирование смеси в камере сгора- ния, сокращают задержку воспламенения и ускоряют холодный пуск дизеля. Также это позволяет уменьшить оптимальный угол опережения впрыскивания. Топливо впрыскивается в камеру сго- рания при более высоких значениях давления и температуры. Это также способствует снижению задержки воспламенения, которое приводит к плавному нарастанию давления в камере сгорания и снижает выбросы NOxи шум рабочего процесса на 10 дБ(А). Недостатками ДМЭ является то, что он имеет более низкую теплоту сгорания, чем дизельное топливо, поэтому необходимо увеличение производительности топливного насоса высокого дав- ления, чтобы подать ДМЭ по массе в 1,6 раз больше. ДМЭ обла- дает большей сжимаемостью, что также негативно влияет на рабо- ту топливной аппаратуры. ДМЭ химически агрессивен по отноше- нию к уплотняющим материалам и деталям, выполненным из пластмассы. Низкие смазывающие свойства ДМЭ увеличивают вероятность задиров, что требует добавления в него специальной присадки «Любризол 459А». |