А. Н. КартАшевич в. С. товСтыка а в. ГордееНКо топливо, СмАзочНые мАтериАлы
 Скачать 2.39 Mb.
|
|
| | топлива |
| | |
К спиртовым топливам можно отнести метанол и этанол. Они получили наибольшее распространение в качестве моторного то- плива.
Метанол(метиловый спирт), или древесный спирт, представ- ляет собой бесцветную воспламеняющуюся жидкость со слабым спиртовым и чуть острым запахом. Хорошо смешивается с водой. Этанол(этиловый спирт, метилкарбинол, винный спирт, спирт) C2H5OH, или CH3CH2OH, — второй представитель го-
мологического ряда одноатомных спиртов.
В настоящее время автомобильная и топливная экономика стимулирует развитие промышленного производства этанола из возобновляемых отходов лесоперерабатывающей и сельскохозяй- ственной отраслей, а также массовое внедрение двигателей вну- треннего сгорания, работающих на смесях, содержащих более 50 % этанола.
Этанол можно получать из различных технических культур.
Выход этанола из некоторых культур следующий, л/т:
сахарный тростник — 70;
маниок — 180;
сладкое сорго — 86;
сладкий картофель —125;
зерновые (кукуруза) — 370;
плодовые — 160.
Кроме того, этанол можно вырабатывать из соломы, как это де- лают в Канаде, из опилок — технология, прижившаяся в Швеции. Существует два способа получения этанола. Известный с дав- них времен способ получения этанола — спиртовое брожение ор- ганических продуктов, содержащих сахар (свекла и т.п.). Анало- гично выглядит переработка крахмала, картофеля, риса, кукурузы, древесины под действием фермента зимаза. Реакция эта довольно
сложна, ее схему можно выразить уравнением
C6H12O6 2C2H5OH 2CO2. (2.25)
В результате брожения получается раствор, содержащий не бо- лее 20 % этанола, так как в более концентрированных растворах дрожжи обычно гибнут. Полученный таким образом этанол нуж- дается в очистке и концентрировании, обычно путем дистилляции.
В промышленности наряду с первым способом используют гидратацию этилена. Гидратацию можно вести по двум схемам:
прямая гидратация при температуре 300 C, давлении 7 МПа; в качестве катализатора применяют ортофосфорную кис- лоту, нанесенную на силикагель, активированный уголь или ас- бест:
CH2=CH2 H2O C2H5OH; (2.26)
гидратация через стадию промежуточного эфира серной кис- лоты с последующим его гидролизом (при температуре 80…90 С и давлении 3,5 МПа):
CH2=CH2 H2SO4
CH3–CH2–OSO2OH (этилсерная кислота); CH3–CH2–OSO2OH H2O C2H5OH H2SO4. (2.27)
Эта реакция осложняется образованием диэтилового эфира.
Этиловый спирт можно получать из целлюлозы, которую пред- варительно гидролизуют. Образующуюся при этом глюкозу под- вергают в дальнейшем спиртовому брожению. Полученный спирт называют гидролизным.
В настоящее время осахариванию подвергают также другой полисахарид — целлюлозу (клетчатку), образующую главную мас- су древесины. Для этого целлюлозу гидролизуют в присутствии кислот (например, древесные опилки при 150…170 С обрабатыва- ют 0,1…5%-ной серной кислотой под давлением 0,7…1,5 МПа). По- лученный таким образом продукт также содержит глюкозу и сбра- живается на спирт при помощи дрожжей. Из 5500 т сухих опилок (отходы лесопильного завода средней производительности за год) можно получить 790 т спирта (считая на 100%-ный).
Обезвоженный этанол — жидкость в интервале температур от
–117 С до 78 С с температурой воспламенения 423 С.
Важная особенность этанола — способность выдерживать ударные нагрузки без взрыва, т.е. он обладает антидетонационны- ми свойствами, из-за этого этанол гораздо предпочтительнее до- бавок из тетраэтилсвинца.
Превосходные свойства этанола как горючего обеспечивают двигателям 20%-ное увеличение мощности по сравнению с чи- стым бензином. Массовая плотность и теплотворная способность этанола ниже, чем бензина, соответственно, теплота сгорания (24 МДж/м3) на 40 % ниже, чем бензина (39 МДж/м3). Однако лучшее горение этанола компенсирует это уменьшение теплотвор- ной способности. При этом двигатели потребляют примерно оди- наковое количество газохола и бензина.
Топливный биоэтанол почти не содержит воды (его концентра- ция 99,8 %). Поэтому в технологии используется дополнительное обезвоживание при помощи молекулярных сит.
Топливо из смеси бензина с этанолом уменьшает образование нагара и снижает количество вредных веществ в двигателе автомо- биля, сохраняя двигатель чистым и обеспечивая оптимальную его работу [31].
В двигателях внутреннего сгорания может применяться 95%- ный и обезвоженный 100%-ный этанол. При сжигании 95%-ного этанола требуется некоторая модернизация карбюратора. Смесь бензина с 20…22 % обезвоженного этанола, называемую газохолом,
используют в обычных карбюраторных двигателях. Добавки спир- та освобождают от необходимости введения в бензин такого анти- детонатора, как свинец.
Этанол прекрасно горит, выдерживает ударные нагрузки без взрыва. Его октановое число равно 108 (по исследовательскому методу).
Этанол способствует снижению образования парниковых га- зов, выбросов котельных и автомобильных выхлопов, токсических веществ и аэрозолей в атмосферу. Это эквивалентно исчезновению 1 миллиона автомобилей с дорог каждый год [69].
Использование 10 % смесей этанола снижает выброс парнико- вых газов на 12…19 % по сравнению с обычным бензином. Этанол снижает выброс оксида углерода на 30 % (даже в новых автомоби- лях), твердых частиц — на 50 %, уменьшает образование вторич- ной пыли, количество ароматических углеводородов в бензине. Токсичность отработавших газов снижается на 21 %.
Недостатком применения спиртов как топлива для дизелей яв- ляются их низкие цетановые числа (для метанола — 5, для этано- ла — 8) и теплота парообразования, более чем в 4 раза превышаю- щая теплоту парообразования дизельного топлива, что приводит к большой продолжительности задержки воспламенения, а также к затруднению пуска дизеля. Помимо указанных выше недостат- ков использование спиртов в дизелях затрудняется из-за их пло- хих смазывающих свойств, что ведет к повышенному износу то- пливной аппаратуры. В связи с высокой коррозионной активностью элементы топливной системы двигателя, изготовленные из легких сплавов и неметаллических материалов, должны быть заменены. Так как низшая теплота сгорания спиртов ниже нефтяного топли- ва, то и расход его увеличится в 1,5 раза. В связи с облегчением топлива повышается шумность дизеля.
Просто заменить дизельное топливо на спирт в штатной то- пливной системе дизеля невозможно. Необходимо компенсиро- вать изменение свойств этих топлив. В настоящее время найдены разнообразные способы применения спиртов в качестве топлив для дизелей: растворы и эмульсии спиртов в дизельном топливе; карбюрирование или впрыскивание спирта во впускную систему, а дизельного топлива — в цилиндр; впрыскивание спирта и за- пального топлива в цилиндр; конвертация дизеля в двигатель
с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием; впрыскивание спирта с присадкой, повышающей цетановое число. При использовании эмульсии метилового спирта в дизельном топливе наблюдается снижение содержания сажи и твердых ча- стиц в отработавших газах дизеля, что является следствием повы- шенного содержания кислорода в спирте. При использовании спирта температура отработавших газов снижается, соответствен- но, уменьшаются выбросы NOx. Содержание СО остается на уров- не работы на дизельном топливе. Наблюдается незначительное по- вышение СО2 и CnHm. Также спиртам при сгорании свойственны повышенные выбросы альдегидов (формальдегиды для метанола и альдегиды для этанола). Но тем не менее спирты возможно по- лучать из возобновляемых источников, и они расширяют спектр
топлив для дизелей.
| | 2.8. водородное топливо |
| | |
Специалисты считают водород одним из наиболее перспектив- ных источников энергии. Его запасы на нашей планете практиче- ски безграничны. Кроме того, он содержит в единице веса почти в 3 раза больше тепловой энергии, чем, например, бензин.