_Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей. Государственный технический
 Скачать 3.39 Mb.
|
|
Особенности использования в качестве автотранспортного топлива Этанол может использоваться непосредственно, однако этанол, так же как и метанол, обладает высокой теплотой испарения. Это может создать определённые проблемы с холодным запуском двигателя. Чтобы избежать этой проблемы, обычно используют смесь бензина с этанолом. За рубежом в ДВСПВ практическое применение получили смеси 10 …20% этанола с нефтяными бензинами, получившие название «газохол». Согласно стандарту ASTM, разработанному национальной комиссией по спиртовым топливам США, газохол с 10% этанола (Е10) характеризуется следующими показателями: плотность 730…760 кг/м 3 , температурные пределы выкипания 25…210°С, теплота сгорания 41,9 МДж/кг, теплота испарения 465 кДж/кг, давление насыщенных паров (38°С) 55…110 кПа, вязкость (при −40°С) 0,6 мм 2 /c, стехиометрический коэффициент 14. Таким образом, по большинству показателей газохол соответствует автомобильным бензинам. Этанол характеризуется высокой растворимостью в воде. Поэтому при попадании в смесь бензина и этанола даже небольшого количества воды, она расслаивается, т.е. бензин всплывает, а этанол, растворившись в воде, тонет. При использовании обводненного этанола в условиях пониженных температур окружающей среды для предотвращения расслоения в смесь необходимо вводить стабилизаторы, в качестве которых используют пропанол, втор-пропанол, изобутанол и др. Так, добавка 2,5…3,0% изобутанола обеспечивает 170 устойчивость смеси этанола, содержащего 5% воды, с бензином при температуре до −20°С [100]. По сравнению с бензином топливо E85 (85% этанола, 15% бензина) обладает меньшей энергетической ценностью, но для его сгорания требуется меньше кислорода, поэтому в цилиндры можно впрыскивать большие количества топлива. В итоге мощность двигателя падает, но незначительно. Топливо Е85 может быть использовано только в специально приспособленных для этого автомобилях. С этой точки зрения широкое внедрение данного топлива в США (на начало 2010 г в США функционировало более 1900 заправочных станций, продающих данное топливо) обеспечивает поддержку национальных автопроизводителей, разработавших и внедривших технологию Flex Fueled Vehicles (на начало 2010 года в США эксплуатировалось более 8 млн таких автомобилей) [101]. Подобно метанолу этанол несовместим с использованием некоторых конструкционных материалов, используемых в автомобилестроении. Несовместимы с этанолом следующие металлы: цинк, латунь, свинец, алюминий, свинцово-оловянный сплав (который широко используется для покрытий бензобаков) и свинцовый припой. Вместо этих материалов используют металл без покрытия, нержавеющую сталь, чугун и бронзу. Из неметаллов этанол несовместим с резиной, полиуретаном, пробкой, кожей, ПВХ, полиамидами, метил- метакрилатными пластиками и некоторыми термопластиками. Совместимые материалы: термопластичные стеклопластики, неопреновая резина, полипропилен, нитрил 1 , Viton™ и Teflon™. Ещё одна проблема этанола – он, в отличие от бензина, является проводником электричества. Эти особенности следует учитывать при проектировании автомобилей, работающих на этаноле, а также инфраструктуры топливозаправок. Хотя спирты − метанол и этанол − могут использоваться в ДВСВС вместо дизельного топлива, однако оба вида спиртов по сравнению с дизельным топливом имеют принципиальные недостатки, требующие 1 Нитрил – синтетический каучук, созданный путём сополимеризации бутадиена и акрилонитрила, в паре образующих нитрильный эластомер. 171 значительных изменений конструкции двигателя и аппаратуры впрыска топлива. Спирты обладают незначительной способностью к самовоспламенению (цетановое число 3...8), незначительной объёмной теплотворной способностью, высокой теплотой испарения, незначительными смазывающими свойствами, а также более высокой склонностью к коррозионному воздействию. Поэтому используются смеси спирта с дизельным топливом, хотя эти жидкости смешать без присадок практически невозможно. Следовательно, их применение требует ввода большего количества растворителей. Незначительная способность к воспламенению требует добавления большой доли присадок, ускоряющих воспламенение. Высокая концентрация присадок ухудшает экономичность этого направления работ. Преимуществом при использовании спиртов в дизелях является снижение уровней дымности ОГ и выбросов NO x [102]. Воздействие на здоровье населения и состояние окружающей среды В зависимости от дозы, концентрации, пути попадания в организм и длительности воздействия этанол может обладать наркотическим, наркозным и токсическим действием. В определённых дозах к массе тела и концентрациях приводит к острому отравлению и смерти (смертельная разовая доза − 4…12 грамм этанола на килограмм веса). Однако этанол является естественным метаболитом человеческого организма, и в определённых дозах используется в медицине как самостоятельное лекарственное средство, а также как растворитель фармацевтических препаратов, экстрактов и настоек. Злоупотребление алкогольными напитками может привести к алкоголизму. Основная проблема – предотвращение употребления этанола в качестве алкогольного напитка. Для этой цели этанол подвергают денатурации – добавке в него бензина или других веществ. Основным экологическим преимуществом биоэтанола является то, что он, в отличие от нефти, газа или угля, представляет собой возобновляющийся энергоноситель. Более того, в некоторых случаях он может быть получен из органических отходов. Этанол легче, чем бензин подвергается биодеградации или растворению до безопасных концентраций. 172 Расчёты энергетической эффективности производства биоэтанола в США показывают наличие положительного энергетического баланса. Примерно 60% энергии содержащейся в биоэтаноле расходуется на его производство, 40% − чистый выход энергии [103]. Хотя выбросы СО, СН и NO x при использовании спиртовых топлив уменьшаются, вместе с тем в составе СН увеличивается относительная доля альдегидов, которые раздражают слизистые оболочки глаз человека. Кроме того, биоэтанол, произведенный из кукурузы, не обеспечивает значительных преимуществ по выбросам парниковых газов. Тщательный анализ результатов множества исследований в этой области свидетельствует о том, что использование биоэтанола, произведенного из кукурузы, обеспечивает снижение выбросов СО 2 в жизненном цикле около 20% по сравнению с бензином, произведенным из традиционной нефти. Однако эта цифра сильно варьируется в зависимости от конкретных особенностей выращивания сырья, технологии получения этанола, процедур транспортировки сырья и продукции, способов получения энергии (тепловой и электрической), необходимой для производственных процессов. Внедрение технологий производства этанола «второго поколения», т.е. из целлюлозы, обеспечивает снижение выбросов СО 2 в жизненном цикле до 120% по сравнению с бензином, произведенным из традиционной нефти [104]. Существуют однако некоторые методологические неясности, в частности, в нескольких исследованиях (Mark Delucchi, Timothy Searchinger и другие) утверждается, что учёт так называемых «непрямых изменений в землепользовании» может существенно увеличить выбросы СО 2 при использовании биотоплив. Исходная предпосылка такого утверждения заключается в том, что перевод пахотной земли в категорию для производства сырья для биотоплив (например, в штате Айова) приводит к необходимости включения в хозяйственный оборот новых, ранее не используемых земель (например, прерий или дождевых лесов), где-нибудь ещё в мире. Почва естественных экосистем содержит огромное количество углерода, связанного в органическом веществе, которое при хозяйственном освоении (вспашке, главным образом) окисляется, высвобождая в атмосферу СО 2 Наконец, если предположить, что для компенсации земель, переведенных с 173 выращивания пищевых культур на технические, потребуется освобождение новых территорий в тропических лесах, необходимо учитывать выбросы СО 2 при выжигании леса, поскольку именно такой способ расчистки новых территорий преобладает в настоящее время. К сожалению, количество этих выбросов пока точно не определено. Поэтому сделать определенные количественные оценки эффективности этанола в плане изменения выбросов СО 2 пока затруднительно. Кроме вышеперечисленного, существует ещё одна проблема: перевод кукурузы из пищевой в техническую культуру существенно влияет на рынок продуктов питания, увеличивая цены на продовольствие. В 2006…2007 годах этот процесс сопровождался резким (50%) ростом цен на кукурузу, причём не только в США, но и по всему миру. Это имело далеко идущие последствия: подорожала говядина (т.к. кукуруза – это корм для скота), в некоторых районах подорожала более чем вдвое пахотная земля, подорожала соя (т.к. сократились площади её выращивания из-за предпочтения кукурузе), подорожал более чем вдвое кукурузный хлеб в Мексике, что даже привело к массовым беспорядкам. С другой стороны, некоторые исследователи отмечают, что увеличение стоимости кукурузы лишь незначительно влияет на повышение цен на продовольствие (в США), т.к. стоимость сырья составляет лишь небольшую долю в конечной цене продуктов питания. Трет-бутиловый спирт (ТБС) Трет-бутанол или трет-бутиловый спирт (ТБС) – бесцветная жидкость или бесцветные ромбические кристаллы с камфорным запахом, смешивается со многими органическими растворителями. Неограниченно растворим в воде, образует с ней азеотропную смесь. По химическим свойствам трет-бутанол − типичный алифатический спирт. Получение Основной промышленный метод получения третичного бутилового спирта − взаимодействие 40…65%-ной серной кислоты с изобутиленом, содержащимся во фракциях C 4 термического и каталитического крекинга нефтепродуктов. 174 Биобутанол получают из того же самого сельскохозяйственного сырья, что и этанол (т.е. из кукурузы, пшеницы, сахарной свеклы, сорго, кассавы и сахарного тростника). Существующие мощности по производству этанола могут быть рентабельно модернизированы под производство биобутанола (необходимы незначительные изменения процессов ферментации и дистилляции). Однако в микробиологическом процессе ферментации бутанола есть одна парадоксальная особенность: хотя бутаноло-образующая бактерия (Clostridia acetobutylicum) создает энзимы, которые конвертируют простые сахара в алкоголь, сам бутанол токсичен для этих микробов. Результатом такого бутанолового ингибирования является низкая концентрация спирта в ферментирующей среде, что приводит к снижению выхода бутанола и увеличению издержек производства. В будущем появятся способы получения биобутанола из лигноцеллюлозного сырья быстрорастущих энергоёмких зерновых культур (например, трав) или сельскохозяйственных отходов (например, стержни кукурузы). Данное направление развивается не только за счёт генноинженерной модификации микроорганизмов, расщепляющих целлюлозу и производящих из сахаров бутанол, но и в направлении совершенствования мембранных технологий разделения водно- бутанольных смесей, а также исследования немикробиологических методов получения биобутанола, например, при помощи пиролиза биомассы [105, 106]. Особенности использования в качестве автотранспортного топлива Трет-бутанол (биобутанол) используют в качестве антидетонационной добавки к бензину. Биобутанол имеет ряд преимуществ перед метанолом и этанолом как моторное топливо. Энергетическая ценность биобутанола ближе к таковой для бензина (всего на 10% меньше). Бутанол менее летуч по сравнению с метанолом и этанолом, может смешиваться с бензином в более высоких концентрациях (до 16% об.) без переделки двигателя. В присутствии воды смесь, содержащая биобутанол, в меньшей степени склонна к расслоению, чем смеси этанола/бензина, и потому это позволяет использовать существующую инфраструктуру дистрибуции, не 175 требуя модификаций установок для смешивания, хранилищ или заправок. Воздействие на здоровье населения и состояние окружающей среды При вдыхании паров или приёме внутрь ТБС вызывает головокружение, сонливость, головную боль, тошноту и рвоту. При попадании на кожу вызывает её покраснение, а при длительном контакте – дерматит, при попадании в глаза – покраснение и боль. Способность к биодеградации в почве у ТБС значительно выше, чем у МТБЭ, ЭТБЭ, ТАМЭ и других эфиров, поэтому при утечках ТБС возникновение значительных масштабов загрязнения маловероятно. ТБС не накапливается в организмах и не токсичен для водных организмов. ТБС не обладает мутагенным эффектом. Сведений о канцерогенности и тераторгенности ТБС накоплено пока недостаточно [107]. Растительные масла Получение Получают растительные масла из масличных культур (рапс, кукуруза, соя и т.д.) по классическим «пищевым» технологиям. Но чаще всего топливо производят из рапса, как наиболее дешёвого среди растительных масел. С 1 гектара посевов этого растения можно получить более 1000 литров масла. Сырьё очищается, сушится и подаётся на пресс, отжимающий масло. После отжима масло отстаивается, фильтруется и охлаждается. Растительные масла могут относиться ко всем трём поколениям биотоплив, в зависимости от того, будут ли они производиться из «пищевого» сырья, отходов или водорослей. Особенности использования в качестве автотранспортного топлива Содержание кислорода в химической структуре растительных масел достигает более 10%, они хорошо растворяются в дизельном топливе. Растительные масла имеют высокое цетановое число, а присутствие кислорода повышает полноту сгорания топлива. 176 Они могут использоваться в качестве топлива для ДВСВС как в чистом виде, так и в смеси с дизельным топливом. Смеси дизельного топлива и растительного масла не расслаиваются даже в присутствии воды. Они обладают отличными смазывающими свойствами, снижая трение и износ в двигателе. Растительные масла также способствуют очищению системы питания двигателя. Однако и здесь существуют проблемы. Одна из них заключается в том, что растительные масла обладают высокой вязкостью. Для уменьшения вязкости применяют разбавители − спирты, эфиры или дизельное топливо. Наиболее распространено добавление 20% растительного масла к обычному дизельному топливу – такая смесь носит название В20. При её использовании нет необходимости вносить какие-либо изменения в конструкцию дизельного двигателя. При использовании чистого растительного масла (В100) необходимо заменить резиновые прокладки и уплотнители на нерезиновые (например, изготовленные из материала Viton™). Другая проблема − склонность растительных масел к образованию нагара в камере сгорания. Эту проблему пытаются решить при помощи введения в камеру сгорания катализаторов, например, нихрома. Наконец, растительные масла имеют меньшую скорость сгорания, что приводит к увеличению тепловых потерь, а следовательно, к некоторому ухудшению экономичности. При использовании чистого растительного масла экономичность и мощность снижаются на 10%, а при использовании топлива В20 – на 2%. Этот недостаток пытаются устранить путём добавления в топливо активаторов горения типа ферроцена или органических перекисей. При низких температурах могут образоваться отложения в виде кристаллов воска, что ведёт к закупорке топливного фильтра. Эта проблема усугубляется в холодное время года. Кроме того, растительное масло может разлагать лакокрасочное покрытие кузова автомобиля. При использовании растительного масла снижаются выбросы практически всех ЗВ. Особенно важно то, что при этом снижаются выбросы канцерогенных и токсичных компонентов. В табл. 12 представлены значения относительного снижения выбросов некоторых 177 ЗВ при использовании чистого растительного масла (В100) и 20% смеси с дизельным топливом (В20) [108]. Таблица 12 Снижение выбросов ЗВ при использовании растительного масла в ДВСВС Вещество В100 В20 СО -43,2% -12,6% СН -56,3% -11,0% ДЧ -55,4% -18% NO x +5,8% +1,2% SO 2 -100% -20% Токсичные вещества - 60% … -90% - 12% … -20% Мутагенные вещества - 80% … -90% -20% Воздействие на здоровье населения и состояние окружающей среды Растительные масла нетоксичны и при попадании в окружающую среду быстро и относительно безвредно разлагаются. Растительные масла, как показали опыты, при попадании в воду не причиняют вреда растениям и животным. Кроме того, они подвергаются практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99% растительного масла, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озёр. Метиловые эфиры жирных кислот (МЭЖК) Получение Кроме растительных масел в качестве топлива для дизельных двигателей могут использоваться метиловые эфиры жирных кислот (МЭЖК) (англ. fatty acid methyl ester, FAME), получаемые из жиров растительного и животного происхождения. Основное количество алкилированных эфиров производится в настоящее время по технологии каталитической трансэстерификации 178 жирных кислот совместно с метанолом, поскольку она является наиболее экономичной. Сначала в очищенное от механических примесей масло добавляют метиловый спирт в соотношении 10:1 и в качестве катализатора — щёлочь (метилат натрия). Смесь имеет следующий примерный состав: 87% жира, 12% метанола, 1% щелочи. Эту смесь нагревают до 50°С. После отстаивания и охлаждения она расслаивается на две фракции: лёгкую и тяжёлую. Лёгкая фракция представляет собой метиловый эфир; тяжёлая — глицерин. Примерный состав получаемых продуктов – 86% метилового эфира, 9% глицерина, 4% метанола и 1% осадка, который можно использовать в качестве органического удобрения. После очистки от избыточного метанола и глицерина метиловый эфир можно использовать в качестве самостоятельного топлива или добавки к дизельному топливу. Особенности использования в качестве автотранспортного |